水利工程装配式建筑的应用与展望

黄桂林 黄若坚

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

1 装配式建筑应用背景

装配式建造就是采用工业化生产方法将建筑整体拆分，建筑物的部分或全部构件以工厂预制代替现场浇筑，在施工现场通过机械化、信息化的工程技术手段，按不同要求进行组合和安装，建成特定建筑部品的建造方式。

2016年，国务院办公厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)指出发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措；并从总体要求、重点任务和保障措施三个方面给予指导。工程建设行业掀起了装配式建筑的热潮。

2017年，河北省、山西省、广东省、湖北省、辽宁省人民政府等均发布了关于大力发展装配式建筑的实施意见。

2020年2月，人力资源和社会保障部等部门发布通知，将装配式建筑施工员纳入智能制造工程技术人员新职业，定义为在装配式建筑施工过程中从事构件安装、进度控制和项目现场协调的人员。

2021年4月，国家“十四五”规划纲要在推进新型城市建设中提出推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅，建设低碳城市。2022年1月，住房和城乡建设部在“十四五”建筑业发展规划的通知中提出，开展绿色建造示范工程创建行动，提升工程建设精细化设计和施工水平。通过创新中心，开展关键核心技术攻关，研究制定标准体系与计价依据。

2 水利工程装配式建筑应用状况

张力鹏对水利工程装配式结构从1955年到2011年的应用研究历程进行了回顾。高国明从材料和结构型式方面对寒冷地区装配式渠道进行了总结阐述，认为聚丙纤维混凝土具有更大的抗压、抗折强度，竹塑渠道比混凝土渠道能更好地适应季节性冻土地区渠道冻胀过程。

2016年以来，BIM技术得到快速发展，工程全生命周期正在逐步实现数字化，依托数字化和信息技术，加之先进的施工建造技术，水利装配式建筑建设水平上了一个新台阶。湖北省鄂北水资源配置工程为其中的典型案例。

该工程全长约270km，2021年1月全线通水，其中孟楼渡槽全长4.99km，由于防渗抗裂要求严格，槽身采用三向预应力结构。为了加快施工进度、确保质量安全，经多方比较采用预制场制作、运槽车+架槽机运输吊装方式施工。施工现场见图1。

图1 孟楼渡槽施工现场

设计阶段对渡槽在不同荷载组合下的受力进行三维有限元分析，保证各项指标满足规范要求，并对在预制控制台上实施分级张拉，进行施工过程仿真分析，对张拉顺序进行了优化，在此基础上提出了施工技术要求。预制场设浇筑台，将预应力锚索(锚筋)、钢筋绑扎就位于模筑混凝土，待混凝土达到需要的龄期后分级张拉锚索(锚筋)最后锁定。张拉好的槽身运至蒸养室，控制好温度和湿度，养护好的槽身送至堆放场储存，施工用槽时从堆放场提取，构成了顺畅的作业流程。张拉模拟应力见图2。

图2 张拉模拟应力(单位：Pa)

由于采用了装配式施工，工期提前，槽身光面整洁，没有发生任何裂缝。现在渡槽已通水运行，各项指标良好。孟楼渡槽的建设，一方面也得益于采用了三维设计、仿真模拟等BIM新手段，对结构受力、施工过程事先做到精准模拟和优化；另一方面由于施工方法、施工机械和施工工艺进步使得大型装配件加工、运输、吊装和组装易于操控。

总体来看，水利工程装配式建筑多用在农田水利和少数中小型工程，以线状建筑居多，交通桥、重力坝、拱坝也有部分采用条石或混凝土预制块砌筑；近年来受BIM技术应用、大型施工机械出现和施工工艺水平提升的推动，出现了类似装配式预应力渡槽的水工建筑物，随着水利装配式建筑应用研究的深入，结合智能化管理要求还将有更多形式的水利装配式建筑呈现。

3 应用推广对策

与其他行业尤其是工业与民用建筑行业相比，水利工程装配式建筑在规模、材料工艺、数字化、信息化等方面还存在一定差距。20世纪90年代后，水利工程装配式建筑应用研究主要集中在渠道衬砌、小型涵管等渠系建筑物，在大坝、水闸等关键挡水建筑物方面研究相对较少。在总结前人经验结合工作体验基础上，对水利工程装配式建筑的推广提出以下对策建议。

a.大型水利工程需慎重采用装配式。水工建筑物种类多、结构异形，且体积大，承受的荷载大，对整体性要求高，无论是设计还是施工，采用装配式建筑都是一种新的挑战。大江大河水工建筑物地理位置重要，防渗、稳定和应力等安全性要求高，加上体积大，无论拆分还是运输都十分困难，过多灌浆缝会导致安全隐患，施工工艺也难以跟上，不适合装配式，可以考虑在交通洞、板、梁、柱等支撑结构局部采用预制装配。

b.对适合做装配式的水利建筑合理分类。中小型工程装配式要形成规模化和集约化生产，建筑物要易于拆分为各类构件，构件的形状、尺寸和其他信息尽量标准化，同时安全可靠、易于施工。目前来看适用范围首先是渠道衬砌、生态护坡、河道景观蓄水(如翻板闸门、小型堰闸、橡胶坝支撑结构等)或受施工条件限制的桩、墩台；其次是地质条件相似，适宜定型设计的隧洞二衬、小型农桥、渡槽、水闸、箱涵、中小型泵站等。规模或体量较大的泵站、水闸、重力坝,可以借鉴建筑业做法，考虑装配式与现浇相结合的方式来满足各项要求。

c.BIM+水利装配式是创新设计的最佳融合。对结构的理解认识需要从空间入手，结合各种可能出现的工况，才能构思出不同的拆分方法。需要从稳定性、安全性、施工工艺等方面模拟，必要时结合物模试验加以验证。模型拆分还要结合信息化管理要求，在施工阶段配合做好构件编码并实现关键信息联动、可视化查询和质量追溯等。

d.进一步加强施工企业人才培养和关键技术研究。装配式建筑施工工艺要求较高，对位要精准，连接、灌浆要细致，需要专业熟练工来操作，要加强培训，落实装配式建筑施工员职业资格制度，做到持证上岗。要以企业自主或校企联合的方式进一步开展连接键方式、止水型式和材料性能，灌浆材料、锚固件和钢筋连接强度、耐久性等关键技术的研究。

e.尽早出台水利工程装配式建筑的规程规范，确保建筑质量有据可依。从政策、资金等方面鼓励地方在研究应用的基础上，参考其他行业标准、体现时代要求，出台适合水利工程装配式建筑特点的设计、施工和验收标准及技术要求，加强专利、新型实用性技术的转化力度。

4 展 望

随着“十四五”期间国家水网重大工程实施，各地将有序开展水网建设，会有大批补短板工程落地实施，水利工程装配式建筑在加快工程建设进度、促进低碳环保及精细化、智能化建设方面发挥着独特作用，也必将促进该技术的创新进步和推广。