给排水厂站工程预制装配技术的应用分析与展望

许大鹏 翟之阳 黄彪

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

较传统粗放型建造方式不同，预制装配技术通过标准化设计、工厂化生产、机械化施工、信息化管理等手段，更好地契合了当前社会“绿色、经济、高效”的发展理念。采用预制装配式建造技术可以提高生产效率，缩短施工工期，减少环境污染，是当前建筑行业的发展趋势［1，2］。

在引进欧美日等先进国家的成熟经验后，我国现代化装配式钢筋混凝土结构通过完善新的技术，自本世纪初开始了一段全新的发展历程。以此为契机，相应的规范标准体系逐步建立，如《装配式混凝土建筑技术标准》（GB／T 51231—2016）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ1—2014）等，为预制装配式混凝土结构体系的技术进步和推广应用奠定了坚实的基础。

目前，预制装配式结构在市场上的占有率仍较低，为加快推动我国预制装配技术的发展，各级政府相继出台了预制装配式建筑的专门指导意见和相关配套措施。在政策支持下，民建、交通等领域进行了大量的工程应用并形成了各自行业的核心技术［3］。给排水厂站工程作为土木行业的重要分支之一，因行业特点，预制装配技术起步发展较为缓慢。但随着节能减排、绿色施工的行业趋势，加快推进预制装配式建造，完成建造技术升级、产业结构转型已然成为给排水厂站工程结构设计领域的发展方向。

本文首先结合给排水厂站工程建（构）筑物的结构形式特点及分类，对预制装配技术在该领域应用的可行性进行分析；进一步论述了给排水厂站工程大中型构筑物装配连接方案的核心技术；接着介绍了国内给排水厂站工程采用预制装配技术的典型案例；最后剖析了影响给排水工程领域预制装配技术发展的重难点，并对相关技术应用提出展望。

1 给排水厂站工程建（构）筑物分类

本文涉及预制装配技术的工程项目主要为大型给水工程与排水工程。考虑给排水厂站工程涵盖的建（构）筑物种类繁多，为确保系统性、条理性地分析厂站工程中预制装配技术的应用，结合工程中建（构）筑物的结构形式特点，将其分为建筑物、大中型构筑物、小型构筑物和线型工程四大类，具体分类如表1 所示。

表1 给排水厂站工程建（构）筑物分类Tab.1 Category of buildings and structures of water supply and drainage plant projects

2 给排水厂站工程预制装配技术可行性分析

2.1 厂站建筑物结构可行性分析

给排水厂站建筑物主要包括非生产性建筑与工业建筑两大类。其中，非生产性建筑结构多为地面式框架、框剪结构等；工业建筑结构主要分为地面式工业厂房结构和地下建筑结构。此类建筑结构无蓄水功能，主要需解决受力、抗震、不均匀沉降等设计问题。

对于地面式的非生产用房与工业建筑厂房，可采用梁板柱部分预制或全预制的做法，减少大量现场湿作业的同时节省大量模板。在预制装配技术上同民建项目类似。但需指出，给排水厂站工程的工业建筑有其特殊的工艺要求，设计中需结合建筑物的工艺特点定制合适的预制装配方案。

对于地下建筑结构，白龙港污水厂项目地下箱体结构中选取平面布置规则的反应池区域与二沉池区域进行预制装配技术应用示范。其中B2层采用现浇，B1 层采用叠合板，B1 层至B0 层间采用预制柱，B0 板采用预制节点＋叠合板的方案（如图1 所示），证明了预制装配技术在地下建筑结构应用的可行性。

图1 试验区地下建筑结构预制装配方案Fig.1 Prefabricated assembly plan of the underground structure in the test area

2.2 厂站大中型构筑物结构可行性分析

大中型水池构筑物结构除具有建筑结构的一些共同特点，还因其所处的工艺环境条件和施工条件而存在一定特殊性，需要重点解决板式拉弯构件受力和接缝防水问题。

1.池体主体结构

给排水厂站中钢筋混凝土池体常用的平面形状主要为圆形或矩形；按池体埋置位置不同，又可分为地下式、半地下式和地上式等。

池体主体结构是由底板、壁板、顶板以及扶壁、柱、梁等构件组成的空间结构，承受的荷载主要包括池外水土压力、池内水压力、覆土压力、车辆荷载、设备荷载等，结构受力复杂且防水要求较高。目前池体结构由于技术、造价等多方面原因，预制装配技术应用还较少。

对于采用预制装配技术的池体主体结构，关键技术问题是解决预制构件连接节点的可靠性和防水性，目前采用的技术形式主要有如下几类：插口（杯口）式连接、预应力法连接、灌浆套筒或浆锚搭接、叠合板现浇层连接、混凝土现浇段连接、超高性能UHPC连接。图2 为泰和水厂采用UHPC连接的池体设计思路。图3 为Beckton 污水处理厂两座曝气池采用叠合板方案的现场施工图［4］。各技术优缺点将在第3 节技术方案进行详细论述。

图2 泰和水厂采用UHPC 连接的预制装配水池设计思路Fig.2 Desigh thinking of UHPC connection for a prefabricated assembly water tank in Taihe water plant

图3 Beckton STW 曝气池叠合板施工流程［4］Fig.3 Construction of aeration tanks used superimposed slabs in Beckton STW［4］

2.池体内部混凝土构件

根据水池结构功能的不同及工艺要求，水池内部混凝土构件可分为如下三类：

（1）工艺设备构件：该类构件主要为服务于工艺运行的设备构件，如沉淀池内的指型槽、折板，滤池内的V型槽、滤板（图4a）等。

（2）辅助性结构构件：主要包括用于支撑工艺设备的构件，如指型槽下立柱、折板两侧隔墙、滤板下隔墙，沉淀池底坎、水池内导流墙（图4b）等。

图4 池体内部构件预制装配应用案例Fig.4 Cases of prefabricated assembly technology used for internal structures

（3）附属功能构件：如沉淀池排泥槽、楼梯、连接天桥、渠道等。

池体内部混凝土构件种类繁多，现浇施工过程繁琐且质量难以保证，构件结构受力较小（或不受力），防水要求不高，采用预制装配技术可以提高质量，缩短工期，具有良好的应用前景。具体实施思路可从三方面落实：

（1）池体内部混凝土构件结构尺寸应尽量标准化，针对不同厂站规模，进行定型化设计；

（2）此类预制装配结构形式可采用全预制或叠合板形式，构件大小满足施工运输、吊装的要求；

（3）构件连接应根据其受力特点与防水要求，选择不同的连接方式，并应方便施工。

2.3 厂站小型构筑物结构可行性分析

给排水厂站内的小型构筑物结构主要包括：各类阀门井、流量仪井、检修井（图5）、加药管沟、电缆沟等。此类井、管沟构筑物的结构特点为：

图5 标准雨水检查井Fig.5 Standardized rain inspection wells

（1）体型较小、形状简单、功能单一、易于设计成标准尺寸：如可将阀门井尺寸按照管径、管数等进行归纳分类，形成标准图集；

（2）结构受力小、防水要求较低：井、管沟通常设置于绿化带内，承受荷载不大，且其内部设备、管道等自身防水性能好，对结构本身防水要求较低；

（3）施工成本高：给排水厂站内管道、电缆沟、阀门井等数量繁多、错综复杂，采用混凝土现浇施工需耗费大量人力和时间。

由上述分析可知，给排水厂站内井、管沟等小型构筑物易于标准化设计、结构受力小、防水要求低，具备预制装配技术的应用条件，并且较现浇施工可以节省大量人工，具有良好的经济效益。此类结构预制率往往可以达到80%以上。具体实施思路如下：

（1）小型构筑物的结构尺寸应标准化，针对不同厂站规模应进行定型化设计；

（2）对难以整体预制的井类结构形式可采用底板现浇，壁板、盖板预制的方式；对于管沟类结构形式可采用底板、壁板整体或分节预制，节段之间采用承插或现浇方式连接。

2.4 厂站线型工程可行性分析

厂站线型工程由于标准化程度高，力学模型简单，十分契合预制装配的建造模式。该类工程装配连接技术可参考池体主体结构，对防水要求不高的工程亦可采用干式连接技术。目前，部分厂站线型工程已形成系列标准化图集，较其余三种结构形式，该类工程对应的预制装配比率也更高。

3 给排水厂站大中型构筑物装配连接技术分析

大中型水池构筑物主体结构形式主要为整体板式、无梁楼盖式、壁柱梁板式等。考虑池体工艺环境与施工条件的特殊性，大中型构筑物预制装配需解决的关键技术问题主要包括：（1）防水问题；（2）受力特殊性，尤其是纵向拉力；（3）不均匀沉降；（4）制作、运输以及现场施工便捷性。

池体主体结构的连接技术可分为干式连接与湿式连接两类，具体分类如图6 所示。

图6 给排水大中型构筑物装配连接技术分类Fig.6 Classification of assembly connection technology used for water supply and drainage structures

3.1 插口（杯口）式连接

杯口连接（图7a）可用于基础与柱、底板与壁板之间的连接部位。底板杯口连接为铰接，可用于有顶板矩形池或圆形水池中，力学性能上整体性一般，工程应用中应注意保证杯口的设计刚度和施工质量［5］。

此外，该连接方式防水性能对灌浆材料的密实性能和收缩性能要求较高，控制不好易出现漏水情况，且杯口连接部位在构筑物内部形成凸起结构，对水池内储水容量、水流流态会造成影响。传统的插口（杯口）式连接若要应用于池体主体结构，还需进行深入研究及优化设计。

承插口式与企口式连接（图7b、7c）可用于管廊、箱涵等线型构筑物的整体纵向连接，为干式连接，力学模型为铰接，不能承受传递拉力和弯矩。

图7 插口（杯口）式连接Fig.7 Spigot or cup connection

3.2 预应力法连接

预应力法连接多用于大型预制圆形水池，如图8a所示，水池底板现浇，预制壁板与底板以杯口式连接，沿池壁均布扶壁柱并预留穿筋孔洞，待水池预制结构、后浇段实施完成后进行体外无粘结预应力筋张拉，使圆形水池壁板产生有效的预压应力，满足水池受力要求［6］。

此外，近年来地下管廊多用预应力法连接，具体包括预应力筋（或PC 钢棒）和螺栓连接。通过在混凝土预制构件中预留孔道，构件安装就位后进行预应力筋张拉或螺栓固定。该做法也可用于具备条件的水池结构中，可满足受力要求，如图8b、8c所示［7］。

图8 预应力法连接节点Fig.8 Connection joint of pre-stress method

预应力连接的防水需依靠预制构件之间的防水材料，防水效果取决于材料密封性、预应力压紧效果和施工质量，仍存在一定的渗漏风险。

3.3 灌浆套筒或浆锚搭接

灌浆套筒连接或浆锚搭接（图9）是民用建筑中柱、剪力墙等构件常用的连接技术，是装配式结构中纵向受力钢筋有效且可靠的机械连接方式［8］。其连接后的力学性能可得到保证，达到等同现浇，但其防水性能仍依赖密封防水材料的技术突破和施工质量保证。与剪力墙结构不同，给排水厂站池体的壁板等主体结构部位的受力钢筋往往间距较小，钢筋直径从小到大跨度大，因此该连接方式在厂站工程主体结构的实施难度较大。

图9 灌浆套筒或浆锚搭接技术Fig.9 Grout sleeve or grout-filled lab connection

3.4 叠合板现浇层连接

叠合板作为装配整体式连接方式，在民建中有着广泛的应用。该技术通过连接筋将两侧预制板固定相连，而后在预制板间空隙灌注混凝土形成墙体，工程实例表明其结构性能达到等同现浇程度。

该连接形式的结构整体性、防水性能在原理上有一定保障，可在构筑物主体结构中应用及推广。但需指出的是，给排水工程水池构筑物壁板为拉弯构件，需解决好壁板与底板之间、壁板与壁板之间的受力连接问题和后浇混凝土的温度收缩问题。因此在结构设计及施工方式上仍需进行深入研究。图10a 为Beckton 污水处理厂两座叠合板曝气池的工程案例［4］，图10b为泰和水厂池体结构采用叠合板预制装配的研究试验案例。

图10 叠合板现浇层连接Fig.10 Connection of superimposed slabs with cast-in-place concrete

3.5 混凝土现浇段连接

该连接节点处的钢筋可采用现浇结构钢筋的连接方式（图11），主要包括：机械螺纹套筒连接、钢筋搭接、钢筋焊接等。预制混凝土构件与后浇混凝土的接触面须做成粗糙面或键槽面或两者兼有，以确保界面可靠贴合，提高混凝土抗剪能力。

图11 混凝土现浇段连接Fig.11 Connection of cast-in-place concrete

该连接形式力学上等同现浇结构；防水性能和界面处理有较大关系，处理良好可达到较好的防水效果；但现场浇筑混凝土的作业量偏大。

3.6 超高性能UHPC连接

UHPC在国际上系指抗压强度为150MPa 以上，具有高强度、高韧性、长耐久性、低孔隙率的水泥基复合材料；国标《活性粉末混凝土（RPC）》（GB／T 31387—2015）要求抗压强度最低为100MPa。

UHPC在桥梁建造上有诸多应用先例，包括小型桥梁的全预制，大中型桥梁的重要构件预制以及预制桥段之间的连接等。相关研究表明，普通钢筋在UHPC中的锚固长度达到10d 时即可保证钢筋锚固性能，为其在预制装配节点连接的应用奠定基础。

在民建领域，已有工程采用UHPC 进行主体结构的装配式连接。采用“节点预制＋构件后浇”形式（如图12a 所示），节点浇筑材料使用UHPC，具体实施方式如下：（1）梁梁节点：钢筋使用搭接的方式连接，搭接长度为10d；（2）梁柱节点：预制柱内纵筋穿过预制梁柱节点预留的螺纹对穿孔后，注浆封闭；（3）柱柱节点：通过预埋在预制柱里ϕ50 的灌浆孔进行UHPC 的灌浆连接。

相较于传统的连接技术，UHPC 连接具有后浇带更窄、连接更可靠、布置更灵活等优势。鉴于这些优势，UHPC 连接亦可在给排水工程构筑物主体结构中应用及推广，图12b 为泰和水厂采用UHPC连接的预制装配水池试验案例。此外，UHPC连接可使预制构件的制作趋于标准化、模数化，使其具有良好的经济性。

图12 超高性能UHPC 连接Fig.12 High-performance connection of UHPC

上述给排水大中型构筑物的主体结构连接技术及主要特点汇总如表2 所示。综上所述，技术方案4、5、6 可确保结构的整体性等同现浇，其中方案4、6 宜推广应用；方案2、3 需保证防水材料和施工质量的可靠性，存在一定的渗漏水风险，可在防水要求不高的条件下应用；方案1 可在特定的受力与防水要求下应用。

表2 水池构筑物主体结构连接技术Tab.2 Connection technology used in water tank structures

4 给排水厂站预制装配典型工程案例

4.1 白龙港污水处理厂预制装配技术应用

白龙港污水处理厂地下污水厂反应池区域、二沉池区域上部箱体部分采用装配整体式结构，其余部分均采用现浇结构。

生物反应池区域平面尺寸为151.2m×254m，顶板标高-2.000m，层高5m；二沉池区域平面尺寸80.15m×254m，顶板标高-2.000m，层高5.8m。该两部分区域平面布置规则，下部水池顶板厚度均为200mm，可作为上部箱体嵌固端。上部箱体位于地下，为单层结构，可按地下室处理。预制部分根据以下原则布置：（1）上部箱体外壁采用现浇；（2）箱体上设置进出通道处、通风井处楼板现浇；（3）箱体梁、柱采用现浇；（4）箱体其余板采用250mm 厚叠合板预制构件：100mm预制板＋150mm整浇层。

在二沉池区域选择B2 区域作为预制装配示范区，采用B1 层板预制，B1 层柱预制，B0 层梁节点预制＋叠合板的预制装配方案，如图1 所示。该区域中预制部分根据以下原则布置：（1）下部水池顶板采用200mm 厚叠合板：100mm 预制板＋150mm 整浇层；（2）箱体柱采用预制构件，采用套筒灌浆方式连接；（3）箱体梁采用预制构件，采用节点预制的十字构件形式；（4）箱体板采用250mm 厚叠合板预制构件：100mm 预制板＋150mm整浇层。

预制节点（图13）的长度为1／3 梁段跨距，两个预制节点间采用现场浇筑施工。预制节点预留钢筋接驳器，现浇段钢筋通过预留接驳器与预制节点连接，两侧钢筋在现浇段内以搭接方式连接。

图13 梁预制节点及安装示意Fig.13 Prefabricated node and construction of beam

该示范区应用预制装配技术对比整体现浇方式存在如下特点：（1）构件预制，质量较好；现场需定制支撑模具；（2）工期较现浇方案缩短约10%；（3）造价上较现浇方案增加200 ～400元／m2。

4.2 泰和水厂预制装配技术应用

泰和水厂实施两组装配式水池，每组平面尺寸为21.85m×8.4m，池壁高度为3.3m，采用敞口水池设计。水池底板采用C30 混凝土现浇而成，厚度600mm，预留竖向钢筋与池壁钢筋连接。

其中一组水池池壁采用双面叠合墙的装配整体式连接，池壁共拆分为18 片叠合墙体。另一组水池的池壁采用整体预制后浇超高性能混凝土（UHPC）拼缝连接，池壁共拆分为18 片预制墙体。两座水池建造完成后，对水池进行注水加载试验，试验结果表明叠合板各连接节点及UHPC和混凝土连接界面均无渗漏。见图14。

图14 泰和水厂2 座预制装配水池现场施工Fig.14 Construction of two prefabricated assembly water tanks in Taihe water plant

双面叠合墙池体壁板连接（图15a）采用夹心层内设置附加水平筋、竖向插筋和箍筋，并后浇混凝土形成连接。壁板与底板连接（图15b）采用在现浇底板上预留U型钢筋及预埋止水钢板，并与叠合墙预留锚固钢筋搭接，后浇混凝土形成连接。

图15 叠合墙池体连接节点设计（单位： mm）Fig.15 Connection design of the water tank used superimposed slabs（unit：mm）

采用UHPC的池体壁板连接（图16a）通过两侧预制墙体预留锚固钢筋并浇筑超高性能混凝土进行连接。壁板与底板连接（图16b）则通过将现浇底板预留的锚固钢筋同上部预制墙体的锚固钢筋搭接，后浇连接段下部凿毛并设置遇水膨胀止水条，内外侧支模后浇筑超高性能混凝土形成连接。

图16 池体UHPC 连接节点设计（单位： mm）Fig.16 Connection design of the water tank used UHPC（unit：mm）

4.3 松浦泵站预制装配阀门井

工程东南侧地下管线数量多、管径大、埋深深，某防汛阀门井（4.450m（长）×4.450m（宽）×4.250m（高））处在临时道路上。为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，经综合研究后提出采用预制装配阀门井［9］，如图17 所示。

图17 预制装配阀门井［9］Fig.17 Prefabricated assembly valve well［9］

防汛阀门井底板、竖向壁板均采用工厂预制，其中底板四周、竖向壁板下端均预留插筋，以便施工现场定位完毕后现浇，以确保嵌固部位的整体性和防水效果，连接节点设计见图18。实践证明预制阀门井安全可靠，防水性能可满足工程使用要求，同时现场施工工期大大缩短，具有推广价值。

图18 预制装配阀门井连接节点设计［9］Fig.18 Connection design of the prefabricated assembly valve well［9］

5 应用展望

5.1 预制装配技术在给排水厂站工程发展的重难点

促进预制装配技术在给排水厂站工程中发展的重难点主要包括如下几点：

（1）技术应用范围：目前预制装配技术种类繁多，主要应用在民建、桥梁等领域，各种连接技术和结构体系能较好地满足结构性能，达到等同现浇的目的。由于给排水工程构筑物特有的防水问题，在预制装配技术选型时需根据不同的构筑物类型采用不同的连接技术。例如采用预应力连接技术的预制综合管廊节段需配合止水条来防止地下水侵入，但多因节段的制作精度和质量参差不齐、止水条种类和质量繁杂，需对预制构件进行二次加工，并选用价格昂贵的进口止水条，导致最终造价较高。因此在给排水工程构筑物的预制装配技术选型中需要综合考虑质量、防水、价格等因素，给出合理的建议和评价。

（2）工程造价提升：受场地、运输、模具等因素影响，造价提升是现浇结构向预制装配结构转型过程中不可避免的因素［10］。从上海市推出的预制率和装配率计算细则以及其在2016 年至2020年指标变化中可知，控制预制率和装配率的指标在合理范围，可确保工程费用增加在可控范围内，并能有效刺激预制装配领域的发展。因此给排水厂站工程中应用预制装配技术导致的工程造价提升，需制定合理的计算细则和政策指标（目前上海市已准备发布《推进预制装配式技术水务工程应用三年行动计划（2021—2023 年）》和《上海市水务工程装配式建（构）筑物预制率和装配率计算细则》），在合理控制造价提升的同时达到刺激给排水工程预制装配技术的发展和竞争。

（3）指标体系建立：目前以国家标准及地方计算细则为主导的装配式指标体系，在民建领域应用较多，针对给排水工程领域并不完全适用，尤其针对部分特殊结构体系的池体构筑物基本无法开展计算。因此建立给排水工程特有的指标体系是推广应用预制装配技术的前提之一。

（4）关键技术发展：预制装配技术的研发和应用主要集中在民建、桥梁等领域，针对给排水厂站工程结构特点的预制装配技术缺乏深入研究，使得该领域的技术应用与发展落后于其他建造领域。因此有必要推广新技术的研发、试验来充实给排水工程预制装配技术的积累。

5.2 预制装配技术在给排水工程中的应用展望

随着我国建筑工业化体系的不断完善，预制装配技术在给排水工程领域将逐步得到推广应用。但总体而言，给排水工程较民建、交通领域仍处于缓慢发展阶段，需在以下方面进行深入研究和发展：

（1）结构体系及连接节点的研究。给排水工程中传统现浇结构的设计方法并不完全适用于装配式结构，在结构体系和连接节点等方面都需进行深化设计。给排水工程复杂繁多的结构体系使得各连接节点的适用范围具有局限性。根据各结构体系特点研究针对性连接节点，确保连接节点受力性能的前提下满足防水、施工便捷等各项要求，对给排水工程装配式结构的设计至关重要。

（2）新型材料研发。UHPC 应用使得预制装配技术得到快速发展，防水密封材料保障了预应力法等连接形式的防水性能，由此可见探索新型高性能材料在给排水工程预制装配领域的应用，可实现交叉学科的互利共赢，有助于拓宽行业发展的道路。

（3）规范标准制定。目前给排水工程领域装配式结构设计参考的规范标准较少，预制装配质量验收时亦缺乏相关检测方法及判定依据，因此加快规范标准制定是推广预制装配技术的理论保障。

（4）预制装配技术信息化建设。BIM 技术的快速发展，使得预制装配技术在设计阶段、构件生产阶段和建造阶段均能实现信息共享与协同工作［11］。设计阶段对结构进行构件拆分，全过程模拟论证节点设计的可行性与现场装配的便捷性；生产阶段调取构件的BIM模型数据，指导厂家加工生产流程，确保预制构件精度；建造阶段全过程模拟装配流程，指导现场装配等施工操作，提高预制装配效率。

（5）给排水工程预制装配技术的产业链发展。给排水工程预制装配技术的设计、生产和施工都尚未形成完整体系，需积累更多工程经验，因此在国家政策的指导下需加快形成适用于给排水工程领域的装配式建造产业链。