预制拼装阀门井在泵站改造工程中的应用

汪洪涛

（上海城投水务工程项目管理有限公司，上海市 200002）

预制拼装阀门井在泵站改造工程中的应用

汪洪涛

（上海城投水务工程项目管理有限公司，上海市 200002）

针对泵站改造工程中地下构筑物多、管线复杂、工期紧等情况，通过有限元分析后在关键节点防汛阀门井上成功应用预制拼装钢筋混凝土结构，在提高施工质量的基础上大大缩短了工期，同时建立了BIM模型并利用模型进行了经济分析等深度应用，为预制拼装的推广和BIM模型的深度应用积累了宝贵经验。

泵站改造；预制拼装；阀门井；BIM深度应用

1 工程背景

上海某泵站改造工程是上海市“十三五”重大工程，建设规模为日供应原水460万m3，建成后将极大地提高上海市原水的供水安全性，并为应急情况下黄浦江上游与青草沙两大水源地互联互通、互为备用创造条件。该工程系统复杂、工期紧张、施工条件差，工程由上海市政工程总院以EPC总承包方式实施。

该工程中的泵站东南侧紧邻黄浦江上游某工地，该标段的车辆和人员进出均通过东西向临时道路横穿该工程施工场地。同时，该工程东南侧地下管线数量多、管径大、埋深深，还有个关键工作——防汛阀门井（4 450×4 450×4 250深）处在临时道路上。阀门井南侧距离黄浦江防汛墙最近处仅11 m，具体位置见图1。

为了保证总体工程按时连通通水的计划要求，减少对临近工地的影响，水投项目管理公司不得不一再推迟该工程东南角地下管线、防汛阀门井和围墙等施工安排。防汛阀门井如果按常规冬季施工措施，基坑开挖、垫层、支模、浇筑养护等至少2周时间才能回填基坑，严重影响计划工期。同时，阀门井外边与南侧黄浦江防汛墙仅11 m，如开挖后每天黄浦江涨潮时都会有水返流至基坑内，更有流沙、管涌的危险，对基坑和防汛墙安全都有很大影响，对临近工地的施工也会造成不利条件。因此，如何在保证质量的前提下用更短的时间完成该阀门井施工，就是摆在项管公司面前必须解决的难题。

2 预制拼装阀门井设计和施工

鉴于上述实际情况，项目管理公司提前与EPC总包单位进行沟通协商，充分发挥EPC总承包的优势，及时组织方案比选和设计优化。经综合研究，创造性提出采用预制拼装阀门井，通过有限元分析保证阀门井的质量和安全，并应用BIM模型对用料分析以及正向分析都进行了深度探索。实践证明，预制阀门井安全可靠，防水性能优良，同时现场施工工期大大缩短，具有推广的价值。

2.1 预制拼装阀门井设计

2.1.1 预制拼装阀门井设计方法

工程所在地抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.1 g，设计地震分组为第一组。根据岩土工程勘察报告，防汛阀门井持力层为灰色黏土层，地下水及土堆混凝土结构具微腐蚀性。设计抗浮水位取地面设计标高下0.5 m，阀门井埋深3.85 m。阀门井混凝土强度等级C35，抗渗等级P6，混凝土后浇部分采用C40补偿收缩混凝土，钢筋为HRB400。井盖活载 2.0 kN/m2，地面堆载 10 kN/m2，阀门重80 kN。

防汛阀门井底板、竖壁均采用工厂预制，其中底板四周、竖壁下端均预留插筋，以便施工现场定位完毕后现浇，提高嵌固部位的整体性和防水效果。阀门井的平面图与剖面如图2～图5所示。

采用ANSYS有限元软件分析施工全过程的受力状态（见图6～图12）：施工过程中临时固定把竖壁与底板、竖壁与竖壁间作为铰接节点考虑；正常使用状态竖壁与底板整浇固结后把竖壁与底板作为固结、竖壁与竖壁间满焊后作为固结节点考虑。通过计算，无论是铰接还是固结状态计算，其壁板与底板的应力与变形均满足规范要求。

图5 阀门井2-2剖面（单位：mm）

图6 竖壁与底板整浇大样

图7 铰接状态受力弯矩图

图8 铰接状态应力图

2.1.2 基于BIM技术的参数化设计理念及推广

建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）技术是在计算机辅助设计（CAD）等技术基础上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术，是促进绿色建筑发展、提高建筑产业信息化水平、推进智慧城市建设和实现建筑业转型升级的基础性与革命性技术。BIM技术具备可视化、虚拟化、成本控制等优势，极大提升工程决策、设计、施工的管理水平。

图9 铰接状态变形图

图10 固接状态受力弯矩图

图11 固接状态应力图

图12 固接状态变形图

模型精细度（LOD，Level of Detail）确定是 BIM设计过程中的难点，围绕BIM技术实施目标确定合适的模型精细度对BIM设计具有十分重要的意义。该工程BIM实施拟通过参数化、快速设计的方法评估单体的受力状态，并统计工程量为单体经济性提供决策依据。根据上述实施目标，确定以下BIM模型实施原则：

（1）模型应准确表达阀门井的总体尺寸、壁厚；

（2）鉴于后浇带占总体积比例不大，对经济性影响不大，模型可不包含后浇带具体设计细节，厂商可根据设计院提供的详图对预制阀门井进行深化；

（3）BIM模型应具备参数化变化能力及工程量统计能力（见图13）；

图13 典型混凝土用量统计表

（4）BIM模型应能用于结构计算。

该工程BIM实施采用Autodesk Revit软件，通过参考平面对几何形体进行“绑定”，从而达到参数化设计的目的。同时，在Revit Structure中（见图14）进行结构荷载施加后，通过 Revit插件Structural Analysis Toolkit将模型导入到Robot Structural Analysis Professional进行结构计算。在Robot中可根据结构计算（见图15）调整优化设计模型，并将调整优化结果反馈到BIM模型中，流程如图16所示。

上述BIM模型与设计模式可进行产品的快速设计与决策，并能成功应用到其他类似项目中。

图14 Revit Structure分析模型

图15 利用Revit Structure模型进行结构分析的弯矩分布

图16 基于BIM技术的优化设计流程

2.2 预制拼装阀门井施工

因施工现场场地狭小，阀门井施工期又处在冬期施工，为保证施工质量和进度，阀门井的底板、竖壁均采用工厂预制成型后运至施工现场进行拼装。与预制厂事先就设计图纸、工艺预埋管道位置、拼接节点卡槽与角钢大样、运输方案、时间节点等事先做充分的沟通，并可利用BIM技术对预埋件、工作管道、阀门等位置做三维检查，确保每个环节都无问题。在预制过程中，项目管理公司、设计院、施工单位等技术人员多次深入预制厂检查构件尺寸、钢筋布置、预埋件位置、节点大样、成品质量。在构件运至现场拼装时，预制厂技术人员与施工单位进行构件吊装、定位、组焊、局部整浇等全过程配合。

经项目管理公司多方协调，按照基坑开挖→底板就位→竖壁定位→贴防水条→竖壁拼装→节点整浇→基坑回填的施工顺序，阀门井基坑于2017年3月11日晚开挖完毕并验收合格，预制拼装构件于3月12日早上7点运至施工现场，经单体验收及按审批核准的吊装方案做安全技术交底后，施工单位8点开始起吊拼装（见图17），经过各专业配合，晚上19点完成拼装（见图18）。

图17 预制构件现场吊装

图18 预制构件完成拼装

事实证明，经过精心组织，采用预制拼装大大节省了施工时间，减少了临时通道的占用时间，基本上对邻近工地施工现场无影响，满足了各方的进度要求，成品质量经检测也完全符合设计图纸、相关规范规程要求。预制拼装与现场现浇对比见表1。

表1 预制拼装与现场现浇对比

3 经济分析

根据施工图预算，防汛阀门井采用现浇钢筋混凝土结构造价约7万元，采用预制拼装结构造价约8万元。预制拼装造价稍高的主要原因就是因防汛阀门井是单体，没有达到规模化应用，模具造价就有约1万元，模具利用率低、摊销大，如阀门井大规模采用预制拼装结构可显著降低成本。

从工期上分析，防汛阀门井是关键节点工程，采用现浇混凝土结构现场工期需要15 d（含基坑开挖），采用预制拼装现场工期仅需要2 d（含基坑开挖），可以节约13 d。同时，可以大大减少基坑开敞时间，减少风险因素，综合经济效益、环境效益十分明显。

4 结语

阀门井仅是泵站改造中一个很小的单体，但因该工程的特殊性给了我们一次很好的应用预制拼装结构的机会，经实践验证也取得了非常好的综合效果。在今后工程中，如对类似的阀门井采用预制拼装可大大摊销预制拼装模具的成本，从而提高预制拼装的性价比。通过这次成功实例，说明在给排水项目中大力推行预制拼装是完全可行的。同时，通过对预制拼装的拓展，如围墙采用预制拼装可以做到永临结合，对地下构筑物墙板也可采用通用尺寸进行预制拼装；围墙或墙板等预制构件还可以作为临建或临时施工道路硬化或保护使用；大批采用工厂预制拼装可以提高施工场地的利用率，保证单体的施工质量。

综上，预制拼装结构可以在类似给排水工程中有更广泛的应用空间。

TU992.25

B

1009-7716（2017）12-0090-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.026

2017-09-12

汪洪涛（1960-），男 ，浙江余姚人，项目经理，高级工程师，从事给排水工程建设管理工作。

图1 防汛阀门井平面布置

图2 预制拼装平面布置（单位：mm）

图3 预制底板（单位：mm）

图4 阀门井1-1剖面（单位：mm）