臨海大跨度干煤棚曲面山墻研發應用

楊興毅

北京建工集團有限責任公司 北京 101300

湄洲灣港秀嶼港區石門澳作業區是莆田市一個非常重要的化工碼頭，其通過海上運輸化工原料用煤，使用智能傳輸系統把煤炭傳送進1#、2#干煤棚進行儲存。而作為煤場罩棚的1#、2#干煤棚就成為了后方永榮科技（化工生產）的生產過程中重要的環保倉儲設施，是整個石門澳港口的陸域設施重要組成部分。由于特殊的環境條件特性和使用對象不同，由于本地區具有臺風、高溫、高濕、高氯等環境特點；應進行比較系統的針對性的進行合理的技術研發和工藝改進。湄洲灣港秀嶼港區石門澳作業區11#泊位工程--干煤棚、硫酸銨棚工程采用的以北京建工集團有限責任公司為施工總承包單位+中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司設計單位的總承包方式承建，北京建工建工集團有限責任公司作為施工總承包方的設計和科研管理的實施單位，如何使科研人員研發的科研成果實施轉化實施落地、設計、材料招采、施工間的溝通橋梁作用，如何更好地服務于這種聯合體總承包形式的項目本身值得深入研討。

本文重點闡述了石門澳港口的1#、2#干煤棚項目實施過程中各階段的科研和設計過程的全過程綜合管理過程，對整體設計各階段過程、招采購和施工階段的科研發管理工作進行了系統的總結與分析，由于新技術的研發從產生的洽商變更、綜合成本等方面的各項問題提出了相關的綜合管理措施。

1 各專業設計階段的綜合協調與配合

在施工圖進行專業設計開始之前，總承包單位對設計單位就各項設計任務中的專業設計質量要求放在了各項工作的首位、設計各專業間的成果融合要求。此時應要求必須按照建設單位和合約文件所設定的總體成本進行預控設計，保證項目投資的和規性、經濟優化性、科學超前性。但由于設計人員相對缺乏整體建造成本控制理念和經濟理念（只考慮如何加強結構安全的安全保險系數），故此在所設計的圖紙成果中的各項技術指標經商務核算后仍存在不同程度工程造價超過初始造價風險，故此應在各階段設計的過程中，設計單位應根據總承包合同規定的設計進度和設計時間節點，提供符合強審審核要求的圖紙，此時科技研發團隊也把研發的新成果、新技術融入到設計階段性成果當中，施工總承包科技研發部門協調設計單位管理人員對其所研發的新成果技術內容進行全方位審查、安全系數進行計算，提出設計意見，使現場施工更加科學便捷、施工方案更加經濟，如由于工程所處地理位置不宜使用垂直山墻，通過科技研發和深化設計可達到節約大量的材料、占地，做到能節盡節、應節盡節[1]。

聯合體工程總承包項目涉及到建筑、結構、維護結構、裝飾裝修、機電、消防、節能等多專業，設計人員各專業之間缺乏有效溝通。項目。例如：由于工程所在地區臺風、強風頻繁，網架垂直山墻并不適合在沿海強風頻發地區使用，專項設計人員在按照強條和設計規范進行傳統的結構設計，就不再跟蹤此事，而工程所處地理位置并不適合傳統結構的建造，此時，施工總承包管理人員需協調各專業間的密切配合。

2 傳統結構形式和研發新技術的比較

傳統的干煤棚結構形式一般為曲面結構垂直山墻（見附圖1）或為管桁架垂直山墻結構形式（附圖2），由于本工程沿海地區臺風等強風頻發多發；垂直山墻結構形式所承受的風荷載對于山墻結構體系和維護系統造成不同程度的破壞，鑒于環境的特殊性，傳統結構山墻抗風揭性能相對較差并不適宜在本地區使用和建造。同時傳統山墻工藝煤棚的存在四角為死角，存在裝卸設備斗輪機無法覆蓋這四個盲角區域，造成了建筑面積的浪費和不必要的建造成本支出。如何解決這一技術難題施工總承包管理團隊結合設計單位研發出了一種子彈頭曲面山墻結構形式，形成了一種新型的雙曲網殼結構體系形式（見附圖3、附圖4），并通過風洞試驗來證實了這種新的結構形式的安全性和可靠性。

圖1 傳統干煤棚垂直山墻體系

圖2 傳統鋼管桁架垂直山墻結構

圖3 新研發的曲面山墻體系

圖4 曲面山墻體系模型

2.1 風洞試驗

考慮新研發的曲面山墻干煤棚的建筑造型復雜獨特，這種結構體系目前尚屬在國內首次研發應用，鑒于我國現行設計規范對于這種新研發的結構體系沒有可適用的規定，同時也沒有可以借鑒的成功的實施案例，為了保證結構各體系的設計安全性、經濟性、合理性因此對干煤棚和硫酸銨進行了系統性的風洞試驗，即按相似的場景和各種不同工況的風荷載系數最大極限值[2]。

浙江大學受北京建工集團有限責任公司委托，于2021年8月至9月對干煤棚和硫酸銨棚模型進行風洞試驗研究。

干煤棚的風洞剛性試驗模型采用幾何縮尺比例為1:250，干煤棚模型總高度風壓測點，其中1#、2#干煤棚各布置了468個測點。

單獨測試干煤棚和硫酸銨棚，然后分別測試群體模型中和兩個干煤棚，共五個試驗工況。

經與FPC總承包單位、建設單位和設計方多次溝通，主體結構基本風壓采用50年一遇的0.9kN/㎡，圍護結基本風壓采用100年一遇的1.05kN/㎡進行風洞試驗。

試驗報告全面詳實地技術參數及試驗結果，描述了試驗數據的處理方法。最后對本次試驗結果進行了總結和分析，為本工程成果設計提供參考依據[5]。

2.2 脈動風作用

脈動風壓是構筑物圍護結構屋面板及其連接件、固定件的設計重要依據，因此有必要給出考慮風壓脈動后的各點位的風壓系數與風壓值。根據概率統計理論可知，在有99.87%的保證率下，脈動風壓系數的最大正值與最大負值[3]。

根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012的相關條文說明，對于圍護結構，可在局部體型系數μsi的基礎上，通過陣風系數βgz來近似考慮脈動風瞬間風速達到的最高值，從而獲得圍護結構體系設計的風荷載標準值數據。為提供更精確的設計參數，報告中根據概率統計理論，設定99.98%的保證率（g=3.5），直接對風洞試驗測得的風壓系數的時程進行統計，依據下式求取圍護結構及其支撐體系的連接部位的風荷載標準值。

對于全封閉式構筑物構件，需考慮構筑物的結構內壓風壓。根據《建筑結構荷載規范GB50009-2012》，建筑物內部壓力的局部體型系數按外表面的正負情況取-0.2或+0.2，因此其圍護結構及其組件的設計根據風洞試驗獲得的構筑物外表面風壓系數與規范中內表面風壓進行疊加考慮，即按下式計算。

式中，βgz=1+2gI10(z/10)-a為陣風系數。

2.3 實驗結論

干煤棚的主體結構基本風壓采用50年一遇的0.90kN/㎡，干煤棚圍護結構基本風壓采用100年一遇的1.05kN/㎡。

地形地貌指數采用A類地貌，指數α=0.12，平均風速沿構筑物高度按指數規律變化，湍流度按荷載規范公式變化。風洞試驗中的模型縮尺比為1:250。

模型測共布置978個風壓測點，其中1#、2#干煤棚各布置489個測點。試驗在0～360°風向角每隔15°取一個最不利工況部署測試點，共24個風向角，0°風向取向為為正北方向，逆時針遞增風向角取值。

圍護結構設計建議：建議直接采用風洞試驗獲得的脈動風壓進行包絡分析后設計，風壓相當于規范公式中的βgzμslμzW0，并已按荷載規范要求考慮了相應的內壓系數。

主體結構設計建議：適當考慮起控制起關鍵作用的幾個關鍵風向角，再乘以風振系數作為風荷載的標準值；按照相關規范規定進行設計取值，或者結合后續風振計算報告的分塊風振系數進行設計。

由試驗報告結果可知，單體干煤棚的測點負風壓明顯大于兩個群體模型，綜合幾種工況干煤棚最高處測點負風壓較大，在設計中應引起高度重視。干煤棚山墻位置的正壓較大；屋面局部位置負壓較大的部位應在深化設計中充分計算[4]。

3 施工階段的科研和設計管理工作

3.1 圖紙深化設計

因不同廠家生產的材料品牌產品具有不同特性、產品規格和質量、技術性能指標和參數等都有不盡相同，部分施工工藝需要在確定材料中標單位后由其進行本專業深化設計，并經原設計單位審核批準后實施[5]。

3.2 施工配合

圖紙在設計過程中中難免出現失誤和遺漏之處，比如前文章節提到的各專業之間不匹配、專業間不融合，故此在項目正式開始施工前，就要求參建各單位以及各專業做好圖紙會審工作。對于施工過程中才能發現的技術問題，以及不變更不會產生結構安全的問題，例如桿件位置相互交叉不能安裝到設計所要求的指定位置需做局部細微角度調整可以通過BIM技術進行建模解決的問題，類似問題不允許出設計變更，現場技術管理人員應聯合專業設計人員現場配合解決問題。

因建設單位提出增加或調整使用功能的修改意見等問題，對其要求的變更內容進行技術和商務審核后再出具具體設計變更意見。

4 結語

在EPC施工總承包模式的項目中，為避免時長發生的各專業設計團隊只顧盲目完成本專業設計指標，不考慮所設計的圖紙質量、工程所處地區的環境因素及建造造價控制，專業施工團隊技術人員只會按照圖紙施工一旦現場遇到施工難題就要求設計單位出具設計變更的情況，總承包研發團隊會同設計人員立足項目，把控好研發的新技術的匹配度，在滿足項目和不影響功能性需求、保證品質的前提下，把控好新技術、新工藝和設計理念的融合程度，盡量做到科技研發與設計的完美協調。經過本工程的實踐證明這一新技術的研發解決了沿海地區鋼結構網殼架、管桁架等結構維護系統、結構體系進行了創造性的科技革新，增強了構筑物的抗風揭性能、大幅縮短了建造工期、由于所需要的材料用量大幅降低（主網架結構用鋼、維護系統檁條、維護系統屋面彩板及其附件）、人力成本等都大幅度降低（每個煤棚節約人工費用約60余萬元）；從而達到了達到了大量節約建造成本、提高了構筑物抗風揭的安全系數、解約了大量的土地資源（與傳統垂直山墻工藝對比每個煤棚節約用地約3600㎡）的同時且仍能滿足原設定儲存量及原設定的使用功能不變的目的同時創造了一種造型優美、節材、節地性能更加優化的新型構筑物建造體系。為以后類似潛在相似因素的工程提供了新的設計方向和理念。