预制拼装技术在全地下式污水处理厂的应用

阮 康 华

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 概述

伴随着城市建设的快速发展以及企业居民的大量涌入，导致原区域内污水排放总量陡然上升，同时，近年来政府出台了一系列环境保护、节能减排的政策法规，其中对污水、污泥处理量和排放标准作出了多轮提标升级的要求，在这一背景下，水处理行业建设进入了高速发展阶段。与大规模新建、改造污水处理设施形成鲜明对比的就是日益紧张的用地指标，预留建设用地难以满足建设需求。同时，与环境的融合度也成为项目立项的考虑因素。半地下、全地下式污水处理厂因其具有用地指标低、环境融合度高等优势近年来受到广泛青睐，但是由于其集约型特点也给工程建设带来诸多难题，在质量方面如大体积混凝土防水控制，在安全方面如受限空间、洞口坠落问题，进度方面如材料周转运输、土建安装交叉作业等问题。因此，如何利用“四新”技术有效的应对上述难题，成为今后长期研究和实践的方向。

2 背景研究

污水处理厂尤其是全地下式的项目与其他项目具有以下显著特点：

1)施工周期紧凑。

污水处理厂属于市政工程，能否按期建设直接关系到周边民生福祉，因此，从建设开工到投产使用之间的工期往往非常短，对于全地下式污水厂来水更是需要面对深基坑、大体积结构施工难度，对于工期把控要求更高。

2)周边环境限制。

采用地下式设计理念的污水厂项目初衷就是尽可能减少用地，因此，设计方案中几乎是将红线内的区域全部用足，这就给项目实施阶段的总平面布置造成影响，尤其是材料加工、堆放场的临时用地问题。

3)贯彻环保理念。

污水处理厂作为生态环保工程，其建设实施过程应当是注重绿色施工，积极响应“五节一环保”绿色施工理念，降低如木模板消耗量、钢管支架使用量等。

4)危险源分布广。

污水处理厂的建设过程中的危险源分布广泛，且穿插于项目的全过程，尤其是后期设备安装、调试、试运行阶段，例如有限空间、淹溺等水厂特有的重大危险源成为项目安全管理的重点。

针对上述特点，本文以预制拼装技术作为切入点，从安全、质量、进度等方面分析阐述该技术在全地下式污水处理厂建设过程中应用的可行性及实施效果。

3 方案论证

预制拼装技术因其具有施工速度快、产品质量高、经济效益好、绿色环保等优势已广泛应用于房屋建筑领域，但在市政工程尤其是水务板块应用较少，因此，该施工技术应用在污水厂建设中具有一定的创新性和先进性。以全地下污水处理厂建设为例，选取工程体量大、质量要求高、施工风险大、制约进度的顶板结构作为该技术应用研究对象展开方案论证。

3.1 条件分析

1)从设计角度考虑，全地下污水处理厂顶板结构需要满足以下基本条件：

a.承受上盖部分传递的竖向荷载，其结构厚度通常在20 cm～30 cm，并配有φ10 mm～18 mm的纵横向钢筋；

b.整个构建筑位于地下，因此，顶板结构及细部构造具有一定的防水抗渗性能。

2)从施工角度考虑，全地下污水处理厂顶板结构实施优先考虑满足以下条件：

a.项目施工用地紧张，围界内无法提供大面积场地为临时材料堆放及加工场，尽可能以成品形式进场；

b.项目周边道路狭小，通道无法长期停放重型起重运输设备，尽可能采用轻质材料；

c.顶板下部支架长期占用空间，不利于垂直交叉作业，尽可能减少支撑材料投入量及安拆量；

d.顶板平面尺寸加大，板面平整度控制要求高，同时，顶板预留孔洞较多，且分布不规律，使用的模架体系应具有准确且灵活的调节功能。

3)从安全环保角度考虑，全地下污水处理厂顶板结构实施优先考虑满足以下条件：

a.由于地下结构存在有限空间、有毒有害气体等重大危险，在满足施工条件的前提下尽可能减少人员下池作业量。

b.顶板施工时作业人员处于高空作业，在满足施工条件的前提下减少高空作业量，增强底部防坠落措施。

c.推行预制拼装绿色施工，减少木模板消耗量、钢管支架使用量等。

3.2 方案比选

根据上述所列各项条件要求，对市场上主要几种顶板施工工艺方法进行比选，具体如表1所示。

表1 几种顶板施工工艺方法比选

通过方案比选可以看出，钢筋桁架板无论从设计、施工还是安全角度考虑都能满足条件，同时，较其他几种施工工艺方案均有显著优势。

3.3 可行性分析

钢筋桁架板形式大致可分为V型、Y型以及装配式拆卸式三种形式，其中前两种形式采用定型钢筋桁架与薄镀锌钢板作为底模，施工完成后无需拆除，更具有优势。

3.3.1设计分析

1)受力分析。

钢筋桁架板承载力主要通过其上、下弦及腹杆筋形成稳定的微单元桁架体，通过焊接方式与下部薄镀锌钢板连接，从而为其提供支撑以承受上部现浇混凝土产生的荷载，底部无需增设支撑系统。通过查询市场上某厂家生产的钢桁架板规格参数表，见表2。

表2 钢板桁架规格参数表

通过对常规钢筋桁架板参数分析，可以得出其适用范围：

a.现浇混凝土板厚100 mm～330 mm；

b.单板最大跨度不大于6 000 mm；

c.单板最大宽度不大于600 mm。

因此，在设计阶段需将混凝土结构顶板厚度控制在330 mm以下，且将顶板梁之间的间距(单元矩形至少一条边)控制在6 m以内。

2)结构功能。

钢筋桁架板由于其自身带有上、下弦及腹杆筋，可以作为永久结构参与受力分析，优化原有配筋方案，保证结构安全。此外，仅作为混凝土结构浇筑施工底模使用，后续施工与传统工艺相同，因此，能够保证现浇结构应有的功能。

3.3.2施工分析

1)场地需求。

相对于传统现场加工的木模板的模式而言，钢筋桁架板采用场外加工成型的预制构件模式，节省材料加工场地，成品钢桁架板进场后可以直接运送至指定部位进行铺设安装。

2)吊运条件。

钢筋桁架板重量约为15 kg/m2，与木模板重量相当，同时，单片钢筋桁架板模板面积约为2 m2，与传统木模板面积相当，单块模板重量控制30 kg以内，打包整体吊运至指定区域依靠人工即可分块搬运，满足传统施工作业条件。

3)周转数量。

钢筋桁架板铺设完成后底部无需增加支撑体系即可满足施工条件，因此，大大减少了方木、钢管等周转材料的投入量及安装拆除工作量，有利于加快施工速度。

4)模架调整。

钢筋桁架板采用工厂集中加工的方式，其线型、刚度及平整度等质量水平较高，安装定位调整主要依靠对左右两个支座梁的平整度、标高的修整，相对于传统满堂支架单个调整而言其控制点单一。同时，对于顶板分布的各种形式的预留孔洞，可以通过对桁架板进行裁剪以调整模数，从而提高施工精度。

3.3.3安全分析

1)有限空间。

使用钢筋桁架板作为现浇顶板的底模，由于下部无需增设支架体系，从而可以避免人员再次进入下部有限空间内进行拆模、转运等工作，进而降低人员受到有毒有害气体的风险。

2)高处防坠。

由于钢筋桁架板免去底部满堂支架搭设工序，大大降低支架搭设期间的高空坠落事故发生的概率，同时，对于顶板结构制作阶段，由于桁架板可以进行二次裁剪，对于预留洞口部位可先行满铺，待浇筑完成后进行二次开孔，降低临边洞口数量及坠落风险。

3)绿色环保。

钢筋桁架板具有预制拼装技术中绿色环保的特点，通过工厂集中规模化生产降低材料损耗，同时，降低木模板、方木等一次性耗材的使用量，降低如钢管支架周转工作量可以进一步降低资源及能耗，提升工程绿色施工水平。

4 方案深化

4.1 受力构件设计

1)参数选取。

钢筋桁架板构件设计主要针对其受力构件的规格参数进行计算及选取，以单跨构件为例，主要内容包括上下弦、腹杆筋钢筋规格、跨度、宽度等。

2)荷载计算。

施工阶段钢筋桁架板构件需要能够承受钢筋混凝土构件产生强度前的均布恒荷载及制作浇筑过程中的活荷载，根据项目要求选取混凝土结构的厚度、支座跨度长度等进行计算，同时，需要考虑各种均布荷载和集中荷载的不同组合情况下的最不利情况。

3)强度验算。

选取标准状态及最不利状态荷载情况下产生的最大弯矩、挠度及剪力进行计算，并代入选定的材料的模量、惯性矩等进行抗压、抗弯、抗剪等强度计算，以保证满足规范要求。

4)压杆稳定验算。

除去对构件强度验算外，由于上下弦、腹杆筋属于长细杆件，需要对其进行压杆稳定验算，以保证长细比、轴向强度满足要求。

5)永久结构配筋调整优化。

常规现浇顶板设计时单元计算按固定端考虑，而采用钢筋桁架板时单元计算应按简支梁计算，两者存在差异。同时，为避免顶板结构出现超筋情况，减少钢筋用量，需对顶板钢筋配筋进行优化。

a.计算调整。

如按固定端计算矩形板时，考虑上部钢筋加强，若按简支梁计算时，则应考虑加强底部钢筋。同时，作为永久结构计算时，除进行抗弯、挠度、抗剪计算外，还需要对结构裂缝进行控制计算。

b.配筋优化。

对于厚度较薄的顶板结构而言，钢桁架板中附带的钢筋容易导致结构超筋，增加不必要的资源浪费。因此，需要对配筋进行二次优化，通过截面钢筋面积控制配筋数量。此外，应考虑到钢桁架附带钢筋的直径、间距的因素，确保两种钢筋能够分布均匀，共同发挥作用。

4.2 构造构件设计

为满足钢桁架板计算中的跨度要求，预先完成顶板下部梁柱结构以提供可靠的支座。同时，为确保钢桁架板、顶板纵横向钢筋与下部梁结构紧密结合锚固，需在浇筑顶板梁结构时顶面等间距预埋门字箍筋。

4.3 防水节点设计

1)外墙与顶板施工缝。

由于顶板与外墙结构属于二次浇筑施工，因此，外墙与顶板交接拐角处的施工缝防水措施需进行设计。对于外墙竖向钢筋而言，内排筋沿水平方向弯折90°与顶板下排筋标高齐平，外排沿水平方向弯折90°与顶板上排筋标高齐平，两排筋中间设置止水钢板，保证第一次浇筑后施工缝位于其中部。钢桁架板安装后，顶板双向钢筋与外墙预留钢筋进行焊接连接，完成二次混凝土浇筑施工。

2)顶板分块施工缝。

由于钢筋桁架板的腹杆筋水平分布导致顶板分缝处防水无法采用水平设置止水钢板的方式，因此，参考10J301《地下建筑防水构造》中对于顶板各类防水构造做法要求，采用中置遇水膨胀止水条+外贴式止水带的方式作为顶板施工缝防水构造措施。

4.4 细部构造设计

钢筋桁架板采用单块水平拼装的模式，拼缝处的密封性直接影响混凝土浇筑质量。因此，对于单块钢筋桁架板拼缝需设计细部构造。为保证板面插入方便，接缝构造采用承插式。同时，单板长边两侧分别设置上下反向插槽，确保板块单项扩展性。此外，利用镀锌钢板的延展性可以对定位完成的接缝承插部位进行锤击，使其上下压紧避免漏浆。

4.5 施工构造设计

钢筋桁架板制作时可根据设计图纸对于钢筋保护层的厚度要求，设置下弦筋与镀锌钢筋的间距，在绑扎底部双向钢筋时无需设置垫块。同时，设置上弦筋与下弦筋之间的间距，确保上下双排双向钢筋网间距，无需设置马镫筋，确保结构施工质量。

5 实施案例

5.1 工程概况

深圳市埔地吓水质净化厂三期工程采用全地下式的结构形式，设计总规模5万m3/d，总占地面积1.5万m2。生产设施位于地下一体化箱体内，上部除运用所需的综合楼、污泥干化车间、机修车间及公用电房外，其余区域均为开放式公园。工程建设周期为18个月。

工程核心单体为一体化箱体，结构尺寸为130.25 m×92.4 m，为地下2层钢混结构，下部通水层层高8 m～10 m，上部操作层层高5.7 m。其中顶板、中板厚度均为0.3 m。

5.2 工程难特点

1)中板设计荷载仅为5 kPa，无法单独承受上部顶板梁施工阶段荷载，下部满堂支架无法及时拆除。

2)一体化箱体内部空间体积近20万m3，箱体顶板、中板吊装孔较少，内部材料转运困难。

3)操作层设备安装工程量大，可供利用的有效工期短，土建安装施工深度交叉。

4)一体化箱体内部各项材料清理作业属于有限空间，临边洞口较多，安全风险大。

5)施工场地狭小，三面临河一面靠山，采用集约化设计，无临时加工堆放场地，且厂区通行道路路幅宽度较小。

5.3 钢筋桁架板应用

为应对上述重难点，项目现场采用先现浇顶板梁，后安装钢筋桁架板的施工方案。大幅减少顶板下部满堂支架的安装拆除量，同时，缩短中板下部满堂支架积压的时间。此外，钢筋桁架板安装完成后的下部区域可以提前移交设备安装施工。

5.3.1方案筹划

1)应用范围。

根据一体化箱体顶板上部功能区分布情况，将附属建构筑物以外区域全部采用钢筋桁架板施工，总面积约为10 000 m2。

2)区块划分。

结合结构后浇带浇筑分缝情况，将应用区域划分为10个区域，待每个区块下部顶板梁柱施工完成，满足施工条件独立开展顶板施工。

5.3.2方案设计

1)结构调整。

结合钢筋桁架板使用条件要求，调整顶板主次梁分布间距，确保纵横向梁间距不大于3 m。同时，在确保原顶板梁高度的基础上将顶板底面布置在梁顶面以上，使得顶板标高抬高300 mm。

2)构造调整。

在对应的主次梁顶部中间部位预埋门字箍筋，钢筋采用Φ12 mm，间距100 mm。同时，根据不同梁宽调整箍筋宽度，确保箍筋边缘至梁边缘间距不小于100 mm。

3)构件计算。

a.基本参数见表3。

表3 构件基本参数

b.荷载计算。

分别对均布和集中活荷载两种工况下的跨中最大弯矩标准值、设计值、剪力设计值进行计算，取两者中最大值作设计计算标准值。

c.上下弦钢筋强度验算见表4。

表4 上下弦钢筋分布及面积

经计算复核上下弦钢筋受压应力均小于钢筋抗压、抗拉强度值的90%，满足要求。

d.受压上弦杆稳定性验算见表5。

表5 受压上弦杆稳定性验算结果

经计算复核，上弦杆受压应力小于钢筋抗拉强度值的90%，满足稳定验算要求。

e.腹杆稳定性验算见表6。

表6 腹杆稳定性验算结果

经计算复核，腹杆受压应力小于钢筋抗拉强度值的90%，满足稳定验算要求。

f.挠度验算。

分别对均布和集中活荷载两种施工工况下的桁架模板挠度进行计算，计算后最大挠度小于挠度极限值20 mm，满足要求。

4)钢筋调整。

根据钢筋桁架板配筋参数重新对原有顶板钢筋配筋进行调整优化，通过等截面代换的方式，调整钢筋间距使其模数与钢筋桁架板钢筋间距匹配。本工程将上下排纵向(与钢筋桁架板桁架同向)的钢筋间距由150 mm调整至200 mm，在保证结构安装的前提下降低了钢筋配筋率(见表7)。

表7 顶板钢筋配筋调整

5.3.3加工安装

在加工及安装过程中，结合项目施工条件从生产制造、构件吊装、细部处理等方面对施工方案进行进一步细化。

1)生产制造。

通过对市场上多家类似产品生产厂家的比选考察，选取生产制造工厂距离项目200 km以内，同时，工厂日产能在2 000 m2以上作为供货商，确保供货及运输能力。

2)吊运功效。

项目现场设置2台QTZ100塔吊作为主要运输设备，周边配备50 t以下汽车吊作为辅助运输设备，顶板铺设以人工搬运为主。考虑到运输功效因素，对单片构件和单次起吊重量进行计算(见表8)。

表8 不同运输设备起吊重量

经计算，单块钢筋桁架板最大规格设计为跨度3 200 mm，宽度600 mm，确保单块重量14.4 kg，满足两人搬运重量。同时，利用起重机械单次起吊面积可达到50 m2以上。

3)材料堆放。

根据钢筋桁架板荷载计算，除去活荷载后可以承受的均布荷载为7.5 kN/m2，考虑到堆放安全高度，在单位面积上满足堆放6层桁架板。

4)防水细部。

a.针对顶板与侧墙顶梁交接处的施工缝防水处理，将预先侧墙顶梁浇筑时在迎水面预埋背贴式橡胶止水带，同时，在顶板梁施工缝部位预埋遇水膨胀止水条，规避止水钢板无法安装的情况。对于侧墙部位采用在内外排钢筋中部预埋止水钢板的方式，确保顶板与侧墙分次浇筑接缝的止水效果。

b.针对顶板分缝处防水处理，将采取以下两种方式，首先采用连续浇筑式加强带减少施工缝数量和长度。其次，采用遇水膨胀止水条替代止水钢板，避免止水钢板安装与钢筋桁架板构造钢筋冲突。

5.3.4效果分析

1)施工质量。

项目进场使用的钢筋桁架板各项指标符合JGT 368钢筋桁架楼承板中相关控制指标要求。

安装过程中通过对两端支座标高控制提高平整度，搭边槽口控制相邻板面高差，确保拼缝不漏浆。

经过现场实际效果检验，各项验收指标均优于GB 50204混凝土结构工程施工质量验收规范规定要求(如表9所示)。

表9 现浇结构与钢筋桁架安装要求 mm

2)施工安全。

项目采用先满铺钢筋桁架板，待浇筑完成后切割预留孔，有效的避免顶板制作期间临边问题。

由于无需进行顶板底部满堂支架搭设，大大降低了人员高空作业、物体打击等安全风险。

钢筋桁架板作为永久结构无需二次拆除，进一步避免人员下池有限空间作业带来的风险。

3)施工效率。

a.模板加工方面，采用工厂规模化制造方式使得日产能达到2 000 m2以上，大大高于现场制作加工模板的速度。

b.模板运输方面，工厂预制运输至现场直接吊装，不受周转制约，可根据框架梁进度同步吊装。项目共计投入钢筋桁架板约6 000块，根据塔吊、汽车吊运能计算，每天至少能完成200块(400 m2)吊装，每个单元吊装需要3 d时间。

c.模板安装方面，钢筋桁架板可以沿桁架方向自由切割裁剪，调整方便，其次，板面直接搁置在支座顶面，无需进行模板二次加固。同时，接缝部位采用锤击槽口锁边，局部配合砂浆封边，以8人为一个安装小组，每日安装面积为200 m2以上，比传统安装速度提高4倍以上。

d.工程量优化方面，较传统顶板下满堂支架搭设方案可减少50%以上的安拆工程量，考虑下部支架拆除影响安装作业面移交的情况，可节约70%的交叉作业等待期。

4)经济效益。

在经济效益方面，本项目采用钢筋桁架板(含预制、运输、安装)造价比传统满堂支架现浇混凝土结构(含满堂支架搭拆、模板)增加约20%。

6 结语

深圳市埔地吓水质净化厂三期工程通过采用钢筋桁架板对传统满堂支架现浇结构方案进行改良优化，在提升了结构浇筑质量的同时大大降低施工期间的风险，此外，在投入费用略微增加的情况下节省了周材安拆时间，加快移交下部空间作业面，为工程最后顺利完成创造了条件。作为在市政行业水务板块中的创新尝试，钢筋桁架板在解决先后混凝土结构锚固、施工缝防水细部处理等问题后能够很好的发挥其质量可控、安全可靠、施工便捷等特点，对今后类似全地下式污水厂建造实施提供了新思路和新方法，也为进一步推广装配式技术和绿色建造积累了参考经验。