烏東德水電站K25溶洞集控樓建筑創新設計

倪 愛 民，周 自 清，李 麗 君

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)4個水電梯級中的最上游一個梯級[1]。工程為Ⅰ等大(1) 型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電建筑物等組成[2]。壩址位于干熱河谷地區，兩岸峽谷陡峻，基巖裸露，巖質堅硬。緊鄰大壩右壩肩處存在一個天然巖溶斜井——K25溶洞[3]。該溶洞有“形態不規則、大跨度、高邊墻、小夾角”的工程特點[4]。可研階段，擬將大壩集控樓布置在右壩肩988 m平臺下游側。

實施階段，為減少原本狹小的右壩肩施工場地占用和干擾，加快大壩混凝土澆筑施工進度，設計團隊因地制宜，結合K25溶洞混凝土回填，創造性地提出了將集控樓調整到K25溶洞的布置方案。通過設計創新，運用BIM三維協同設計，在有限空間里，完善了集控樓的功能布置，解決了消防安全疏散、管線綜合、溶洞空間環境等技術難題。新穎的“飛流”建筑形體，成為了烏東德水電站壩區一道美麗的風景。

1 設計起源

烏東德水電站壩址緊鄰大壩右壩肩處的天然巖溶斜井——K25溶洞(見圖1)，為順層發育的死亡型巖溶斜井，自上而下向坡外發育、規模逐漸減小，在高程910～890 m呈規模較大的斜井狀[5]。

圖1 K25溶洞區位關系示意Fig.1 Location relation map of K25 Karst cave

對K25巖溶斜井，主要采取開挖斜井內充填物、回填混凝土的方式進行處理。斜井內充填物開挖前，對穹頂部位進行了修型、錨固處理，以防止下部充填物開挖時頂部掉塊[6]。對穹頂以下部位，采取隨層開挖、隨層支護方式，對洞壁溶蝕巖體進行固結灌漿，以確保施工期安全及運行期右壩肩抗力巖體狀態良好。在治理K25巖溶斜井過程中，分層布置了若干施工支洞。

烏東德水電站壩頂及左右岸壩肩高程為988 m，右壩肩平臺為上壩交通及施工期大壩混凝土澆筑的卸料平臺，平臺寬為20～27 m，建設完設備用房后，場地凈寬約為12 m；10-1～10-2洞口之間長約120 m，10-2洞口至下游邊坡馬道長約53 m，為不規則場地。可研階段，大壩集控樓布置在右壩肩988 m平臺下游側。

實施階段，為了減少對原本狹小的右壩肩施工場地的占用和干擾，加快大壩混凝土澆筑施工進度，設計團隊因地制宜，結合K25溶洞混凝土回填，創造性地提出將集控樓調整到K25溶洞內的布置方案。

2 空間利用

基于大壩主體水工結構受力及安全需要，K25溶洞下部采用混凝土回填，至標高988 m處與大壩壩頂齊平。溶洞內部形成一個長為62.8 m、寬為32 m、最高點達24.8 m的空間，單層可建設面積約為1 100 m2。經過充分研究和論證，最終確定利用K25溶洞988 m高程以下11 m的混凝土回填空間和988 m高程以上空間來建設大壩集控樓。由于左、右岸電站均為地下廠房，主變洞內副廠房的中控室等室內運維環境相對較差，實施過程中，將原設計的單一大壩集控功能調整為整個樞紐的集中控制中心。在標高988 m以上擬建集控樓一層，利用混凝土回填空間來建設附屬設備用房，混凝土回填標高最低控制在977 m以上(大壩正常蓄水位為975 m)，這樣就可建地下空間2～3層，減少了混凝土回填量約1萬m3。

在壩頂988 m高程上下分布有3條施工支洞。右壩肩988 m高程連接的10-D為集控樓主要出入口；970 m高程連接的10-2施工支洞為第二安全疏散通道；1 006 m洞頂高程連接的10-1施工支洞，為中控室精密空調平臺及溶洞空間的排風口，可以保證溶洞內的自然通風。K25溶洞集控樓空間關系如圖2～4所示。

圖2 集控樓平面示意Fig.2 Location relation map of centralized control building

圖3 集控樓縱剖面示意Fig.3 Vertical section of centralized control building

圖4 集控樓橫剖面示意Fig.4 Cross section of centralized control building

3 選址分析

3.1 同類工程對比

縱觀國內外水電工程案例和參閱相關文獻資料，電站廠房布置于地下山體的較為常見，但并無將集控樓設置于溶洞或地下山體的案例及研究。在烏東德水電站創新性地利用壩肩的天然溶洞來布置集控樓，尚屬國內外水電站工程首例。

3.2 優 勢

將集控樓建在K25溶洞內具有以下優點：

(1) 安全。可以規避落石危險，防震、防水霧；半封閉的空間是天然的安全屏障，在安保、防護上具有優勢。

(2) 集約。有利于大壩混凝土澆筑施工組織，減少右壩肩場地占用和施工干擾，加快主體施工進度。

(3) 舒適。利用洞頂拔風，增強空氣對流，改善干熱氣候，可以營造舒適的內部環境。

(4) 經濟。利用K25溶洞空間，減少了混凝土回填，可以節約工程投資。

4 造型方案創作

水工建筑物的造型設計，需要融合美學、水工力學[7]。K25溶洞集控樓造型設計靈感來源于大壩開閘泄洪時“水流飛泄”的自然形態，兼具靈動與力量的美感。設計過程中，提取了大壩泄洪時的水流曲線形態來塑造集控樓建筑形體，柔美的流線造型與洞中巖壁肌理碰撞，又宛如一顆璀璨的洞中明珠，建筑造型方案的創作過程如圖5所示。建筑物內部采用鋼筋混凝土框架結構，外部為鋼結構鋁板玻璃幕墻。

圖5 建筑方案創作過程Fig.5 Creation process of architectural scheme

5 建筑設計

5.1 集控樓功能布局

K25溶洞集控樓是以中控室為中心布置各功能用房，標高988 m以上為一層，以下為二層，局部為三層。一層為大廳、中控室、運行后臺間、辦票室、消防控制室、通訊值班室等；負一層主要為輔助盤室、計算機室、工程師站、會議室、通訊設備間、氣體滅火氣瓶間、通風機房、排煙機房等設備用房；負二層主要為配電室、UPS室、EPS室、蓄電池室、維修間等輔助設備用房；局部負三層為電纜室及電纜廊道。

建筑一層層高為4.8 m(局部為4.0 m)，負一層、負二層層高為4.0 m，局部負三層層高為3.0 m。室內外高差0.1 m，緩坡過度。

5.2 建筑消防設計

設計過程中注重建筑消防設計，合理利用基地條件，控制建筑體量。主入口10-D預留洞口以滿足消防車道凈空的要求，集控樓周邊形成環形通道。建筑內設2部樓梯以解決上下交通問題，利用970 m高程連接10-2的施工支洞為第二安全疏散通道，以滿足消防疏散的要求。這樣的設計既考慮到了集控樓建筑室內防排煙要求，又單獨設置溶洞內集控樓室外空間的防排煙要求。

5.3 洞口一體化設計

主入口10-D為施工期預留的城門洞型施工洞，寬8 m、拱高約7.5 m、深約2.3 m。在有限的洞口空間內，首先需要解決消防通道4 m×4 m的凈空要求，其次需要預留6 m2的新風通道，再次還需預留進出管線通道和檢修空間。建筑設計統籌協調，洞內、洞外一體化設計，布置上先主后次、上下聯動、左右兼顧。利用視覺分析，擴大集控樓前空間場地，突顯集控樓“飛流”造型的視覺效果。

5.4 溶洞空間環境設計

溶洞內集控樓室外地面采用毛面花崗巖石材鋪裝。集控樓前場地滲漏滴水點采用張拉膜裝飾防水：通過不規則張拉膜覆蓋頂棚空間，防止洞頂滲水滴落，張拉膜低處通過導管集中收集滲水，引排至洞壁邊緣截水溝，如圖6所示。

圖6 K25溶洞空間環境效果Fig.6 Space environment effect of K25 Karst cave

6 BIM三維設計運用

對項目全過程采用三維協同設計[8]。設計過程中，將溶洞內部地形實測數據同步導入三維模型。充分結合地形，動態調整建筑物高度和寬度，對局部突出的巖石進行避讓，以避免建筑物與溶洞內部局部山體碰撞。

在從概念方案向施工圖設計方案轉換的過程中，通過三維設計能更加準確地還原概念方案“水流飛瀉”的造型，直觀反映三維參數變化帶來的建筑物形態調整。結合調整效果反向定位建筑物外輪廓曲線控制點坐標，將抽象的造型有理化，從而為后期幕墻的二次設計與現場施工提供了較為精確的數據及參照。

由于k25集控樓中各專業管線繁多，相較于傳統的二維設計，BIM三維設計體現了協同性的優勢，能夠直觀表達管線的走向，更好地避免專業間的碰撞沖突。設備專業進行管線設計均基于建筑模型的開展，將多專業的管線布置協同進同一個三維模型。通過三維碰撞檢查，將大部分碰撞問題在施工圖設計過程中予以解決，為后期施工節約了工期與成本[9](見圖7)。施工圖設計成果采用BIM三維正向出圖(見圖8)。

圖7 多專業協同設計Fig.7 Multi discipline collaborative design

圖8 BIM三維正向出圖Fig.8 BIM 3D forward plotting

7 室內裝修設計

對于集控樓的室內裝修設計，采用重點部位高檔裝修與一般部位中檔裝修相結合的標準。重點裝修部位為門廳(見圖9)、中控室(見圖10)以及會議室等，采用干掛石材(烤漆玻璃背景墻)、地面石材鋪裝、輕鋼龍骨整體式石膏板吊頂結合透光軟膜的裝修方案，簡潔實用。對于一般部位，采用玻化磚鋪地、涂料內墻面，鋁合金板吊頂或涂料頂棚。總體設計方案使用新材料，采用新工藝，創造了室內新的界面造型和空間形態[10]。

圖9 集控樓大廳裝修效果圖Fig.9 Decoration effect drawing of centralized control building hall

圖10 集控樓中控室裝修效果圖Fig.10 Decoration effect drawing of central control room of centralized control building

8 集控樓試運行效用

集控樓于烏東德水電站首批機組投產發電之日同步交付給了長江電力股份有限公司，并投入試運行使用。利用天然溶洞布置集控樓，避免了集控樓壩肩布置方案因為無施工作業面而導致工期延后的情況，為水電站首批機組提前一個月發電創造了有利條件。圖11為k25溶洞集控樓實景。

圖11 K25溶洞集控樓實景Fig.11 Live photo of K25 Karst cave centralized control building

根據現場溫度實測，試運行期間壩肩溫度為34 ℃時，洞內環境溫度僅為26 ℃。天然溶洞環境有效降低了建筑物能耗損失，創造了適宜的工作環境，體現了綠色生態設計理念。

溶洞內部對圍巖統一支護，通過錨索強化洞壁穩定性，有效降低了集控樓設置于壩肩所可能存在的邊坡細小落石破壞和泄洪霧化風險。

9 結 論

水利工程建筑設計往往注重功能而忽略建筑形象，后期外觀上的缺陷則需采取建筑裝飾手段被動彌補，不能從根源上主動避免。在該項目建設過程中，設計團隊從設計初期便因地制宜、因勢利導，利用天然的K25溶洞空間布置集控樓，既能有效規避高邊坡落石風險、創造安全舒適的運維環境，又有利于大壩建設期施工組織有序施工，減少原本狹小的右壩肩施工場地占用和干擾。

通過利用K25溶洞988 m高程以下11 m的空間來布置集控樓，直接減少了溶洞內原本需回填的混凝土約1萬m3，減少了原壩肩基礎開挖量1 000 m3。同時，該方案可使集控樓建設與壩肩施工平行作業，互不干擾，極大縮短工期近6個月，為保證電站首批機組如期發電創造了有利條件。

K25溶洞集控樓實現了建筑形式、功能與地形環境的有機結合。 “天工開物別有洞天”，集控樓“水流飛泄”的自然形態，兼具靈動與力量的美感，成為烏東德水電站壩區一道美麗的風景。通過創新設計，統籌協調、內外兼修，創造了安全運維、環境舒適的建筑場所。