給排水廠站工程預制裝配技術的應用分析與展望

許大鵬 翟之陽 黃彪

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

較傳統粗放型建造方式不同，預制裝配技術通過標準化設計、工廠化生產、機械化施工、信息化管理等手段，更好地契合了當前社會“綠色、經濟、高效”的發展理念。采用預制裝配式建造技術可以提高生產效率，縮短施工工期，減少環境污染，是當前建筑行業的發展趨勢［1，2］。

在引進歐美日等先進國家的成熟經驗后，我國現代化裝配式鋼筋混凝土結構通過完善新的技術，自本世紀初開始了一段全新的發展歷程。以此為契機，相應的規范標準體系逐步建立，如《裝配式混凝土建筑技術標準》（GB／T 51231—2016）、《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ1—2014）等，為預制裝配式混凝土結構體系的技術進步和推廣應用奠定了堅實的基礎。

目前，預制裝配式結構在市場上的占有率仍較低，為加快推動我國預制裝配技術的發展，各級政府相繼出臺了預制裝配式建筑的專門指導意見和相關配套措施。在政策支持下，民建、交通等領域進行了大量的工程應用并形成了各自行業的核心技術［3］。給排水廠站工程作為土木行業的重要分支之一，因行業特點，預制裝配技術起步發展較為緩慢。但隨著節能減排、綠色施工的行業趨勢，加快推進預制裝配式建造，完成建造技術升級、產業結構轉型已然成為給排水廠站工程結構設計領域的發展方向。

本文首先結合給排水廠站工程建（構）筑物的結構形式特點及分類，對預制裝配技術在該領域應用的可行性進行分析；進一步論述了給排水廠站工程大中型構筑物裝配連接方案的核心技術；接著介紹了國內給排水廠站工程采用預制裝配技術的典型案例；最后剖析了影響給排水工程領域預制裝配技術發展的重難點，并對相關技術應用提出展望。

1 給排水廠站工程建（構）筑物分類

本文涉及預制裝配技術的工程項目主要為大型給水工程與排水工程。考慮給排水廠站工程涵蓋的建（構）筑物種類繁多，為確保系統性、條理性地分析廠站工程中預制裝配技術的應用，結合工程中建（構）筑物的結構形式特點，將其分為建筑物、大中型構筑物、小型構筑物和線型工程四大類，具體分類如表1 所示。

表1 給排水廠站工程建（構）筑物分類Tab.1 Category of buildings and structures of water supply and drainage plant projects

2 給排水廠站工程預制裝配技術可行性分析

2.1 廠站建筑物結構可行性分析

給排水廠站建筑物主要包括非生產性建筑與工業建筑兩大類。其中，非生產性建筑結構多為地面式框架、框剪結構等；工業建筑結構主要分為地面式工業廠房結構和地下建筑結構。此類建筑結構無蓄水功能，主要需解決受力、抗震、不均勻沉降等設計問題。

對于地面式的非生產用房與工業建筑廠房，可采用梁板柱部分預制或全預制的做法，減少大量現場濕作業的同時節省大量模板。在預制裝配技術上同民建項目類似。但需指出，給排水廠站工程的工業建筑有其特殊的工藝要求，設計中需結合建筑物的工藝特點定制合適的預制裝配方案。

對于地下建筑結構，白龍港污水廠項目地下箱體結構中選取平面布置規則的反應池區域與二沉池區域進行預制裝配技術應用示范。其中B2層采用現澆，B1 層采用疊合板，B1 層至B0 層間采用預制柱，B0 板采用預制節點＋疊合板的方案（如圖1 所示），證明了預制裝配技術在地下建筑結構應用的可行性。

圖1 試驗區地下建筑結構預制裝配方案Fig.1 Prefabricated assembly plan of the underground structure in the test area

2.2 廠站大中型構筑物結構可行性分析

大中型水池構筑物結構除具有建筑結構的一些共同特點，還因其所處的工藝環境條件和施工條件而存在一定特殊性，需要重點解決板式拉彎構件受力和接縫防水問題。

1.池體主體結構

給排水廠站中鋼筋混凝土池體常用的平面形狀主要為圓形或矩形；按池體埋置位置不同，又可分為地下式、半地下式和地上式等。

池體主體結構是由底板、壁板、頂板以及扶壁、柱、梁等構件組成的空間結構，承受的荷載主要包括池外水土壓力、池內水壓力、覆土壓力、車輛荷載、設備荷載等，結構受力復雜且防水要求較高。目前池體結構由于技術、造價等多方面原因，預制裝配技術應用還較少。

對于采用預制裝配技術的池體主體結構，關鍵技術問題是解決預制構件連接節點的可靠性和防水性，目前采用的技術形式主要有如下幾類：插口（杯口）式連接、預應力法連接、灌漿套筒或漿錨搭接、疊合板現澆層連接、混凝土現澆段連接、超高性能UHPC連接。圖2 為泰和水廠采用UHPC連接的池體設計思路。圖3 為Beckton 污水處理廠兩座曝氣池采用疊合板方案的現場施工圖［4］。各技術優缺點將在第3 節技術方案進行詳細論述。

圖2 泰和水廠采用UHPC 連接的預制裝配水池設計思路Fig.2 Desigh thinking of UHPC connection for a prefabricated assembly water tank in Taihe water plant

圖3 Beckton STW 曝氣池疊合板施工流程［4］Fig.3 Construction of aeration tanks used superimposed slabs in Beckton STW［4］

2.池體內部混凝土構件

根據水池結構功能的不同及工藝要求，水池內部混凝土構件可分為如下三類：

（1）工藝設備構件：該類構件主要為服務于工藝運行的設備構件，如沉淀池內的指型槽、折板，濾池內的V型槽、濾板（圖4a）等。

（2）輔助性結構構件：主要包括用于支撐工藝設備的構件，如指型槽下立柱、折板兩側隔墻、濾板下隔墻，沉淀池底坎、水池內導流墻（圖4b）等。

圖4 池體內部構件預制裝配應用案例Fig.4 Cases of prefabricated assembly technology used for internal structures

（3）附屬功能構件：如沉淀池排泥槽、樓梯、連接天橋、渠道等。

池體內部混凝土構件種類繁多，現澆施工過程繁瑣且質量難以保證，構件結構受力較小（或不受力），防水要求不高，采用預制裝配技術可以提高質量，縮短工期，具有良好的應用前景。具體實施思路可從三方面落實：

（1）池體內部混凝土構件結構尺寸應盡量標準化，針對不同廠站規模，進行定型化設計；

（2）此類預制裝配結構形式可采用全預制或疊合板形式，構件大小滿足施工運輸、吊裝的要求；

（3）構件連接應根據其受力特點與防水要求，選擇不同的連接方式，并應方便施工。

2.3 廠站小型構筑物結構可行性分析

給排水廠站內的小型構筑物結構主要包括：各類閥門井、流量儀井、檢修井（圖5）、加藥管溝、電纜溝等。此類井、管溝構筑物的結構特點為：

圖5 標準雨水檢查井Fig.5 Standardized rain inspection wells

（1）體型較小、形狀簡單、功能單一、易于設計成標準尺寸：如可將閥門井尺寸按照管徑、管數等進行歸納分類，形成標準圖集；

（2）結構受力小、防水要求較低：井、管溝通常設置于綠化帶內，承受荷載不大，且其內部設備、管道等自身防水性能好，對結構本身防水要求較低；

（3）施工成本高：給排水廠站內管道、電纜溝、閥門井等數量繁多、錯綜復雜，采用混凝土現澆施工需耗費大量人力和時間。

由上述分析可知，給排水廠站內井、管溝等小型構筑物易于標準化設計、結構受力小、防水要求低，具備預制裝配技術的應用條件，并且較現澆施工可以節省大量人工，具有良好的經濟效益。此類結構預制率往往可以達到80%以上。具體實施思路如下：

（1）小型構筑物的結構尺寸應標準化，針對不同廠站規模應進行定型化設計；

（2）對難以整體預制的井類結構形式可采用底板現澆，壁板、蓋板預制的方式；對于管溝類結構形式可采用底板、壁板整體或分節預制，節段之間采用承插或現澆方式連接。

2.4 廠站線型工程可行性分析

廠站線型工程由于標準化程度高，力學模型簡單，十分契合預制裝配的建造模式。該類工程裝配連接技術可參考池體主體結構，對防水要求不高的工程亦可采用干式連接技術。目前，部分廠站線型工程已形成系列標準化圖集，較其余三種結構形式，該類工程對應的預制裝配比率也更高。

3 給排水廠站大中型構筑物裝配連接技術分析

大中型水池構筑物主體結構形式主要為整體板式、無梁樓蓋式、壁柱梁板式等。考慮池體工藝環境與施工條件的特殊性，大中型構筑物預制裝配需解決的關鍵技術問題主要包括：（1）防水問題；（2）受力特殊性，尤其是縱向拉力；（3）不均勻沉降；（4）制作、運輸以及現場施工便捷性。

池體主體結構的連接技術可分為干式連接與濕式連接兩類，具體分類如圖6 所示。

圖6 給排水大中型構筑物裝配連接技術分類Fig.6 Classification of assembly connection technology used for water supply and drainage structures

3.1 插口（杯口）式連接

杯口連接（圖7a）可用于基礎與柱、底板與壁板之間的連接部位。底板杯口連接為鉸接，可用于有頂板矩形池或圓形水池中，力學性能上整體性一般，工程應用中應注意保證杯口的設計剛度和施工質量［5］。

此外，該連接方式防水性能對灌漿材料的密實性能和收縮性能要求較高，控制不好易出現漏水情況，且杯口連接部位在構筑物內部形成凸起結構，對水池內儲水容量、水流流態會造成影響。傳統的插口（杯口）式連接若要應用于池體主體結構，還需進行深入研究及優化設計。

承插口式與企口式連接（圖7b、7c）可用于管廊、箱涵等線型構筑物的整體縱向連接，為干式連接，力學模型為鉸接，不能承受傳遞拉力和彎矩。

圖7 插口（杯口）式連接Fig.7 Spigot or cup connection

3.2 預應力法連接

預應力法連接多用于大型預制圓形水池，如圖8a所示，水池底板現澆，預制壁板與底板以杯口式連接，沿池壁均布扶壁柱并預留穿筋孔洞，待水池預制結構、后澆段實施完成后進行體外無粘結預應力筋張拉，使圓形水池壁板產生有效的預壓應力，滿足水池受力要求［6］。

此外，近年來地下管廊多用預應力法連接，具體包括預應力筋（或PC 鋼棒）和螺栓連接。通過在混凝土預制構件中預留孔道，構件安裝就位后進行預應力筋張拉或螺栓固定。該做法也可用于具備條件的水池結構中，可滿足受力要求，如圖8b、8c所示［7］。

圖8 預應力法連接節點Fig.8 Connection joint of pre-stress method

預應力連接的防水需依靠預制構件之間的防水材料，防水效果取決于材料密封性、預應力壓緊效果和施工質量，仍存在一定的滲漏風險。

3.3 灌漿套筒或漿錨搭接

灌漿套筒連接或漿錨搭接（圖9）是民用建筑中柱、剪力墻等構件常用的連接技術，是裝配式結構中縱向受力鋼筋有效且可靠的機械連接方式［8］。其連接后的力學性能可得到保證，達到等同現澆，但其防水性能仍依賴密封防水材料的技術突破和施工質量保證。與剪力墻結構不同，給排水廠站池體的壁板等主體結構部位的受力鋼筋往往間距較小，鋼筋直徑從小到大跨度大，因此該連接方式在廠站工程主體結構的實施難度較大。

圖9 灌漿套筒或漿錨搭接技術Fig.9 Grout sleeve or grout-filled lab connection

3.4 疊合板現澆層連接

疊合板作為裝配整體式連接方式，在民建中有著廣泛的應用。該技術通過連接筋將兩側預制板固定相連，而后在預制板間空隙灌注混凝土形成墻體，工程實例表明其結構性能達到等同現澆程度。

該連接形式的結構整體性、防水性能在原理上有一定保障，可在構筑物主體結構中應用及推廣。但需指出的是，給排水工程水池構筑物壁板為拉彎構件，需解決好壁板與底板之間、壁板與壁板之間的受力連接問題和后澆混凝土的溫度收縮問題。因此在結構設計及施工方式上仍需進行深入研究。圖10a 為Beckton 污水處理廠兩座疊合板曝氣池的工程案例［4］，圖10b為泰和水廠池體結構采用疊合板預制裝配的研究試驗案例。

圖10 疊合板現澆層連接Fig.10 Connection of superimposed slabs with cast-in-place concrete

3.5 混凝土現澆段連接

該連接節點處的鋼筋可采用現澆結構鋼筋的連接方式（圖11），主要包括：機械螺紋套筒連接、鋼筋搭接、鋼筋焊接等。預制混凝土構件與后澆混凝土的接觸面須做成粗糙面或鍵槽面或兩者兼有，以確保界面可靠貼合，提高混凝土抗剪能力。

圖11 混凝土現澆段連接Fig.11 Connection of cast-in-place concrete

該連接形式力學上等同現澆結構；防水性能和界面處理有較大關系，處理良好可達到較好的防水效果；但現場澆筑混凝土的作業量偏大。

3.6 超高性能UHPC連接

UHPC在國際上系指抗壓強度為150MPa 以上，具有高強度、高韌性、長耐久性、低孔隙率的水泥基復合材料；國標《活性粉末混凝土（RPC）》（GB／T 31387—2015）要求抗壓強度最低為100MPa。

UHPC在橋梁建造上有諸多應用先例，包括小型橋梁的全預制，大中型橋梁的重要構件預制以及預制橋段之間的連接等。相關研究表明，普通鋼筋在UHPC中的錨固長度達到10d 時即可保證鋼筋錨固性能，為其在預制裝配節點連接的應用奠定基礎。

在民建領域，已有工程采用UHPC 進行主體結構的裝配式連接。采用“節點預制＋構件后澆”形式（如圖12a 所示），節點澆筑材料使用UHPC，具體實施方式如下：（1）梁梁節點：鋼筋使用搭接的方式連接，搭接長度為10d；（2）梁柱節點：預制柱內縱筋穿過預制梁柱節點預留的螺紋對穿孔后，注漿封閉；（3）柱柱節點：通過預埋在預制柱里?50 的灌漿孔進行UHPC 的灌漿連接。

相較于傳統的連接技術，UHPC 連接具有后澆帶更窄、連接更可靠、布置更靈活等優勢。鑒于這些優勢，UHPC 連接亦可在給排水工程構筑物主體結構中應用及推廣，圖12b 為泰和水廠采用UHPC連接的預制裝配水池試驗案例。此外，UHPC連接可使預制構件的制作趨于標準化、模數化，使其具有良好的經濟性。

圖12 超高性能UHPC 連接Fig.12 High-performance connection of UHPC

上述給排水大中型構筑物的主體結構連接技術及主要特點匯總如表2 所示。綜上所述，技術方案4、5、6 可確保結構的整體性等同現澆，其中方案4、6 宜推廣應用；方案2、3 需保證防水材料和施工質量的可靠性，存在一定的滲漏水風險，可在防水要求不高的條件下應用；方案1 可在特定的受力與防水要求下應用。

表2 水池構筑物主體結構連接技術Tab.2 Connection technology used in water tank structures

4 給排水廠站預制裝配典型工程案例

4.1 白龍港污水處理廠預制裝配技術應用

白龍港污水處理廠地下污水廠反應池區域、二沉池區域上部箱體部分采用裝配整體式結構，其余部分均采用現澆結構。

生物反應池區域平面尺寸為151.2m×254m，頂板標高-2.000m，層高5m；二沉池區域平面尺寸80.15m×254m，頂板標高-2.000m，層高5.8m。該兩部分區域平面布置規則，下部水池頂板厚度均為200mm，可作為上部箱體嵌固端。上部箱體位于地下，為單層結構，可按地下室處理。預制部分根據以下原則布置：（1）上部箱體外壁采用現澆；（2）箱體上設置進出通道處、通風井處樓板現澆；（3）箱體梁、柱采用現澆；（4）箱體其余板采用250mm 厚疊合板預制構件：100mm預制板＋150mm整澆層。

在二沉池區域選擇B2 區域作為預制裝配示范區，采用B1 層板預制，B1 層柱預制，B0 層梁節點預制＋疊合板的預制裝配方案，如圖1 所示。該區域中預制部分根據以下原則布置：（1）下部水池頂板采用200mm 厚疊合板：100mm 預制板＋150mm 整澆層；（2）箱體柱采用預制構件，采用套筒灌漿方式連接；（3）箱體梁采用預制構件，采用節點預制的十字構件形式；（4）箱體板采用250mm 厚疊合板預制構件：100mm 預制板＋150mm整澆層。

預制節點（圖13）的長度為1／3 梁段跨距，兩個預制節點間采用現場澆筑施工。預制節點預留鋼筋接駁器，現澆段鋼筋通過預留接駁器與預制節點連接，兩側鋼筋在現澆段內以搭接方式連接。

圖13 梁預制節點及安裝示意Fig.13 Prefabricated node and construction of beam

該示范區應用預制裝配技術對比整體現澆方式存在如下特點：（1）構件預制，質量較好；現場需定制支撐模具；（2）工期較現澆方案縮短約10%；（3）造價上較現澆方案增加200 ～400元／m2。

4.2 泰和水廠預制裝配技術應用

泰和水廠實施兩組裝配式水池，每組平面尺寸為21.85m×8.4m，池壁高度為3.3m，采用敞口水池設計。水池底板采用C30 混凝土現澆而成，厚度600mm，預留豎向鋼筋與池壁鋼筋連接。

其中一組水池池壁采用雙面疊合墻的裝配整體式連接，池壁共拆分為18 片疊合墻體。另一組水池的池壁采用整體預制后澆超高性能混凝土（UHPC）拼縫連接，池壁共拆分為18 片預制墻體。兩座水池建造完成后，對水池進行注水加載試驗，試驗結果表明疊合板各連接節點及UHPC和混凝土連接界面均無滲漏。見圖14。

圖14 泰和水廠2 座預制裝配水池現場施工Fig.14 Construction of two prefabricated assembly water tanks in Taihe water plant

雙面疊合墻池體壁板連接（圖15a）采用夾心層內設置附加水平筋、豎向插筋和箍筋，并后澆混凝土形成連接。壁板與底板連接（圖15b）采用在現澆底板上預留U型鋼筋及預埋止水鋼板，并與疊合墻預留錨固鋼筋搭接，后澆混凝土形成連接。

圖15 疊合墻池體連接節點設計（單位： mm）Fig.15 Connection design of the water tank used superimposed slabs（unit：mm）

采用UHPC的池體壁板連接（圖16a）通過兩側預制墻體預留錨固鋼筋并澆筑超高性能混凝土進行連接。壁板與底板連接（圖16b）則通過將現澆底板預留的錨固鋼筋同上部預制墻體的錨固鋼筋搭接，后澆連接段下部鑿毛并設置遇水膨脹止水條，內外側支模后澆筑超高性能混凝土形成連接。

圖16 池體UHPC 連接節點設計（單位： mm）Fig.16 Connection design of the water tank used UHPC（unit：mm）

4.3 松浦泵站預制裝配閥門井

工程東南側地下管線數量多、管徑大、埋深深，某防汛閥門井（4.450m（長）×4.450m（寬）×4.250m（高））處在臨時道路上。為保證總體工程按時連通通水的計劃要求，減少對臨近工地的影響，經綜合研究后提出采用預制裝配閥門井［9］，如圖17 所示。

圖17 預制裝配閥門井［9］Fig.17 Prefabricated assembly valve well［9］

防汛閥門井底板、豎向壁板均采用工廠預制，其中底板四周、豎向壁板下端均預留插筋，以便施工現場定位完畢后現澆，以確保嵌固部位的整體性和防水效果，連接節點設計見圖18。實踐證明預制閥門井安全可靠，防水性能可滿足工程使用要求，同時現場施工工期大大縮短，具有推廣價值。

圖18 預制裝配閥門井連接節點設計［9］Fig.18 Connection design of the prefabricated assembly valve well［9］

5 應用展望

5.1 預制裝配技術在給排水廠站工程發展的重難點

促進預制裝配技術在給排水廠站工程中發展的重難點主要包括如下幾點：

（1）技術應用范圍：目前預制裝配技術種類繁多，主要應用在民建、橋梁等領域，各種連接技術和結構體系能較好地滿足結構性能，達到等同現澆的目的。由于給排水工程構筑物特有的防水問題，在預制裝配技術選型時需根據不同的構筑物類型采用不同的連接技術。例如采用預應力連接技術的預制綜合管廊節段需配合止水條來防止地下水侵入，但多因節段的制作精度和質量參差不齊、止水條種類和質量繁雜，需對預制構件進行二次加工，并選用價格昂貴的進口止水條，導致最終造價較高。因此在給排水工程構筑物的預制裝配技術選型中需要綜合考慮質量、防水、價格等因素，給出合理的建議和評價。

（2）工程造價提升：受場地、運輸、模具等因素影響，造價提升是現澆結構向預制裝配結構轉型過程中不可避免的因素［10］。從上海市推出的預制率和裝配率計算細則以及其在2016 年至2020年指標變化中可知，控制預制率和裝配率的指標在合理范圍，可確保工程費用增加在可控范圍內，并能有效刺激預制裝配領域的發展。因此給排水廠站工程中應用預制裝配技術導致的工程造價提升，需制定合理的計算細則和政策指標（目前上海市已準備發布《推進預制裝配式技術水務工程應用三年行動計劃（2021—2023 年）》和《上海市水務工程裝配式建（構）筑物預制率和裝配率計算細則》），在合理控制造價提升的同時達到刺激給排水工程預制裝配技術的發展和競爭。

（3）指標體系建立：目前以國家標準及地方計算細則為主導的裝配式指標體系，在民建領域應用較多，針對給排水工程領域并不完全適用，尤其針對部分特殊結構體系的池體構筑物基本無法開展計算。因此建立給排水工程特有的指標體系是推廣應用預制裝配技術的前提之一。

（4）關鍵技術發展：預制裝配技術的研發和應用主要集中在民建、橋梁等領域，針對給排水廠站工程結構特點的預制裝配技術缺乏深入研究，使得該領域的技術應用與發展落后于其他建造領域。因此有必要推廣新技術的研發、試驗來充實給排水工程預制裝配技術的積累。

5.2 預制裝配技術在給排水工程中的應用展望

隨著我國建筑工業化體系的不斷完善，預制裝配技術在給排水工程領域將逐步得到推廣應用。但總體而言，給排水工程較民建、交通領域仍處于緩慢發展階段，需在以下方面進行深入研究和發展：

（1）結構體系及連接節點的研究。給排水工程中傳統現澆結構的設計方法并不完全適用于裝配式結構，在結構體系和連接節點等方面都需進行深化設計。給排水工程復雜繁多的結構體系使得各連接節點的適用范圍具有局限性。根據各結構體系特點研究針對性連接節點，確保連接節點受力性能的前提下滿足防水、施工便捷等各項要求，對給排水工程裝配式結構的設計至關重要。

（2）新型材料研發。UHPC 應用使得預制裝配技術得到快速發展，防水密封材料保障了預應力法等連接形式的防水性能，由此可見探索新型高性能材料在給排水工程預制裝配領域的應用，可實現交叉學科的互利共贏，有助于拓寬行業發展的道路。

（3）規范標準制定。目前給排水工程領域裝配式結構設計參考的規范標準較少，預制裝配質量驗收時亦缺乏相關檢測方法及判定依據，因此加快規范標準制定是推廣預制裝配技術的理論保障。

（4）預制裝配技術信息化建設。BIM 技術的快速發展，使得預制裝配技術在設計階段、構件生產階段和建造階段均能實現信息共享與協同工作［11］。設計階段對結構進行構件拆分，全過程模擬論證節點設計的可行性與現場裝配的便捷性；生產階段調取構件的BIM模型數據，指導廠家加工生產流程，確保預制構件精度；建造階段全過程模擬裝配流程，指導現場裝配等施工操作，提高預制裝配效率。

（5）給排水工程預制裝配技術的產業鏈發展。給排水工程預制裝配技術的設計、生產和施工都尚未形成完整體系，需積累更多工程經驗，因此在國家政策的指導下需加快形成適用于給排水工程領域的裝配式建造產業鏈。