预制装配公路小型构造物模块化设计与应用

李志勇 高志勇 王开太 罗 征

（1.宁波市交通规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000；2.宁波市公路与运输管理中心，浙江 宁波 315000；3.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315000）

0 引言

公路工程作为线性系统工程，沿线条件复杂多变，需要用到各种小型构造物。传统公路小型构造物多采用现浇混凝土或浆砌片石进行砌筑。边沟、挡土墙等砌筑成品的质量很大程度上取决于施工人员的个人技术水平，不可避免地会出现漏浆、空洞等质量问题，严重影响公路构造物的使用功能。近些年技术人才稀缺，石匠等技术工人已经出现了断代现象。在此背景下，公路小型构造物的建造方式应从传统的浆砌片石、现浇混凝土以及分散预制等多种形式统一变为工厂化、集约化、专业化的建造模式转变。本研究团队从2018年开始相关研究，有幸参与研究宁波市公路工程工业化标准体系[1]《宁波市公路建设工程设计标准化指南》，将公路预制边沟、盖板涵等公路小型构造物等编入了《宁波市公路工程设计标准化通用图-桥梁附属构造设施》，在此之后将公路小型构造物工业化技术应用于公路建设领域，经过多个试点项目的试验，取得了一定的前期研究成果。实践发现，由于小型混凝土预制构件形式多样、规格各异，预制构件装配方式差异较大，模板体系无法统一通用，预制构件生产很难形成标准化、规模化生产，因而在公路小型构造物的通用性和标准化方面，亟需深入研究。同时，鉴于目前预制构配件原有通用化、社会化及集约化生产等优势特点无法充分发挥，造成预制公路小型构件的成本相比较传统建造方式没有优势，使得在公路建设推广预制装配公路小型构造物的阻力很大，因此亟待开展进一步的研究和突破，并在试点示范工程中进行实践验证，从而显著降低预制公路小型构件的建造成本，使公路小型构造物工业化不仅技术先进，而且成本合理。本文本文以公路工程中的低矮挡墙、盖板涵洞、排水沟、边沟等构造物为研究对象，就预制装配公路小型构造物模块化设计与应用进行分析。

1 预制装配公路小型构造物的发展趋势

公路工程预制装配化正在如火如荼地发展，国内工程业界提出了与公路小型构造物相关的形式各异的预制装配新型结构，如浙江数智交科院研发的螺栓角钢连接装配式扶壁挡土墙[2-3]、装配式排水边沟、装配式涵洞结构等，以及苏交科[4]也有许多涉及公路小型构造物新型预制装配结构，但以上研究更多强调某种新型装配连接构造在某个特定的工程应用，新型装配结构往往更多成为了某个公路工程专用体系，也只能适用于定型化工程建造方式所建立的预制装配体系。对于不同地质条件下、公路线型、公路项目之间缺少通用标准性、通用性和兼容性。国外研究建筑工业化[5-6]更多强调的是社会化、通用化及集约化的工业化体系，预制装配技术仅仅是建筑工业化部分内容，因而构建预制装配式公路小型构造物具有集约化、通用化以及模块化生产的工业化体系则是推广该技术的最终目的。

2 公路小型构造物的模块化设计

模块化设计是指对产品的尺寸模数、规格、组合方式等方面制定统一的标准和模式，使工业产品具有尺寸模数化、结构典型化、部件通用化、组装积木化的特点，并能进行工业化生产。公路小型构造物基于模块化设计，按照功能不同或功能相同但性能、质量、规格等属性不同划分模块，同时选择不同的模块进行合理组合以实现产品的用户化和定制化，使构配件具有更好的通用性和互换性，节省建设成本，以工业化的生产方式来提高经济效益。

本文以公路工程中的低矮挡墙、盖板涵洞、排水沟、边沟等构造物为研究对象，提出公路小型构造物基于模块化设计理论，遵循“标准化，模数化，少规格，多组合”构造物预制模块拆分原则，将公路构造物拆分为顶板模块、侧板模块及底板模块，如图1所示，基于模数协调理论对构造物模块进行标准化设计，研究构造物模块的基本模数、扩大模数、优先模数，提高预制构件生产效率以及模板可重复利用率，构造物模块单元实现工业化生产。标准化设计的构造物模块单元不仅可实现构造物之间的共享，预制模块运输至现场组合标准节段，进一步装配而成的小型构造物满足在不同公路路线上的应用。

图1 公路小型构造物基于模块化设计

基于模块化设计公路小型构造物，突出模块之间的共享，使公路小型构造物的标准化设计不只是局限于具体零部件尺寸的标准化，而是模块、组合方式的标准化，达成预制公路小型构造物通用性，满足不同公路工程应用的目标。图2为盖板涵基于模块化设计的组成构造图，该标准化节段由侧板，矩形顶板、梯形顶板三种模块组成，预制模块尺寸模数应考虑预制场加工模板成本、施工吊装、运输能力等限制条件，侧板模块高度取值为2m、3m 及4.5m三类标准值，分别对应于不同的填土高度，而为了安装便利，长度则统一为3m节段；矩形顶板模块与梯形顶板模块厚度基于模数取值为30cm、50cm及60cm，顶板模块宽度则为250cm、500cm及700cm三类，而梯形顶板则作为涵洞端部，满足涵洞与路线的斜角布置，梯形夹角设置为0。、15。、30。及45。，由此从最小组成单元逐层、逐段进行标准化设计，通过模块模数尺寸调整完成标准化节段的组装，进一步由标准化节段拼装为满足不同道路限制条件下公路小型构造物在公路工程的应用。

图2 标准化模块连接

3 预制模块的连接方式

预制模块单元是在工厂中制造的标准化构造单元，通常是预制混凝土制品。这些预制单元具有标准化的尺寸和形状，因此可以在不同的项目中重复使用，从而提高效率和降低成本。在预制小型公路构造物中，这些预制模块单元通常被用来构建挡土墙、护栏和其他结构，被设计为可以在现场快速、安全地进行组装，以减少现场施工时间和人力成本。这些模块单元通常是在工厂中进行生产和测试，以确保其质量和性能符合要求。在组装过程中，预制模块单元之间的连接至关重要。这些连接需要提供足够的强度和刚度，以承受交通负荷、风力、地震等外部力量的作用，从而确保整个构造物的稳定性和安全性。通常，这些连接采用螺栓、钢筋或其他特殊的连接件进行固定，以确保它们的稳定性和耐久性。在设计和建造预制小型公路构造物时，需要仔细考虑连接方式的选择和设计，以确保其能够满足设计要求并具有足够的安全性和可靠性。

除了上述常见的连接方式，还有一些其他的预制混凝土构件连接方式。例如，粘接连接：使用专用的粘合剂将预制构件粘结在一起，形成整体。搭接连接：在预制构件之间或与主体结构之间留出一定的搭接长度，将钢筋嵌入搭接部位并用混凝土进行填充和加固。焊接连接：使用电弧焊或其他类型的焊接方式将预制构件连接在一起。此外，还可以使用特殊的连接件，如钢筋套筒、膨胀螺栓、榀石连接等，将预制构件连接起来。另外，还有一种常见的预制混凝土构件连接方式是拉钢筋连接。这种连接方式通常适用于需要连接的构件受力方向为拉力的情况。拉钢筋连接是在预制构件之间或与主体结构之间预留一定的间隙，然后将拉钢筋穿过间隙并用混凝土填充。这种连接方式的优点是连接强度高，适用于需要承受大拉力的情况。但需要注意的是，拉钢筋连接通常不能承受剪力和弯曲力，因此在设计和施工中需要考虑受力情况，选择合适的连接方式。此外，还有一些特殊的预制混凝土构件连接方式，如扣件连接、卡口连接、榀石连接等。这些连接方式的应用范围较为有限，一般仅在特殊的工程和结构中使用。总的来说，预制混凝土构件的连接方式多种多样，具体选择哪种连接方式需要根据实际情况进行综合考虑，以保证连接的强度和稳定性，确保工程质量和安全。综上所述，预制小型公路构造物中预制模块单元的可靠连接是构造物安全保障的关键，需要根据实际情况选择合适的连接方式，并保证连接的牢固性和稳定性。

预制模块单元的可靠连接是预制小型公路构造物基于模块化设计的安全保障，因此亟需依据小型公路构造物本身的功能需求以及施工简便、维修成本等角度出发，开发设计预制模块单元之间的高效连接方式。预制小型构造物连接主要包括标准化模块的竖向连接和标准化节段的纵向连接两类。

图2所示盖板涵及挡墙标准化模块采用竖向湿接缝连接的标准化模块，在设计上具有一定的自由度。该模块包括盖板涵和挡墙两个部分，并采用侧板单元预留钢筋和底板钢筋焊接的方式，以保证其连接性能的可靠性。具体而言，采用竖向湿接缝连接的方式能够使盖板涵以及挡墙的宽度设计比较自由。这是因为该连接方式能够有效地保证两个部分之间的密封性，从而避免水或者其它杂物的渗入。同时，该连接方式还具有较高的耐久性和稳定性，能够在长时间使用中保持连接的牢固性。此外，标准模块的侧板单元预留钢筋并与底板钢筋焊接，能够提高整个模块的结构强度和稳定性。底板采用现浇混凝土的方式，能够保证整个模块的承重能力和耐久性。因此，该标准化模块不仅具有较高的连接性能和结构强度，而且能够适应多种不同的设计要求。

标准化节段的纵向连接方式为剪力键。具体而言，标准化预制节段端部设置有凹、凸混凝土剪力键，用于连接两个相邻的节段，以便于施工时的安装定位。该连接方式的优点在于连接构造简单，施工也相对简便。采用剪力键连接的方式，能够有效地提高节段之间的连接强度和稳定性。通过将相邻节段的凸、凹剪力键互相咬合，能够实现良好的传力效果，并能够抵抗剪切力和扭矩的作用。此外，该连接方式的构造较为简单，能够快速、高效地完成节段的连接，从而节约施工时间和成本。在实际应用中，标准化节段的剪力键连接方式适用于各种不同类型的桥梁、隧道和道路等工程项目。该连接方式的特点在于结构简单、施工方便，能够满足工程项目的高质量和高效率要求。同时，在连接过程中还可以采用一些特殊的技术手段，如预埋钢板连接、膨胀螺栓连接等，以进一步提高连接的稳定性和强度。

4 预制装配公路小型构造物的应用

本文以宁波奉化段203省道设计中的预制装配涵洞为例，应用标准化设计成果，对原设计方案进行重新设计，并将其作为标准化施工技术研究的应用工程。预制装配涵洞相比传统现浇方式具有多项优势。

（1）预制构件的制造过程在工厂中进行，可以大幅减少现场施工时间和人力成本，降低建筑垃圾和建筑污水的产生，有效保障施工安全和环保要求。

（2）预制构件具有更高的安全性和耐久性，能够在极端环境下承受更高的荷载，有效延长建筑的使用寿命，减少维护和修缮成本。

（3）预制构件的生产过程中采用工厂化的生产方式，使构件尺寸和形状更加精准，减少现场加工和修整的需要，提高了施工质量。

（4）预制装配涵洞建造方式也具有低碳环保的优势，减少碳排放，符合现代社会对环保和可持续发展的要求。

（5）预制构件的重复利用性较高，可以减少建筑废弃物的产生，达到节约资源和保护环境的目的。

在前期工程应用中，预制装配盖板涵洞相比传统现浇方式，其优势得以充分体现，同时造价也降低了约20%。这是因为预制构件的制造成本相对较低，而且生产规模大，采用批量生产，使得单价更加经济。因此，预制装配涵洞建造方式可以大幅降低建筑成本，并缩短建设工期，提高了建造效率和经济效益。

5 结束语

公路建设是国家基础设施建设的重要组成部分，而公路小型构造物的设计标准化、生产工厂化、施工装配化是现代公路建设的发展方向。为了实现公路建设的工业化和智能化，需要制定预制公路构造物模块划分原则，并确立合理的预制模块尺寸模数体系。在公路建设中，低矮挡墙、盖板涵洞、排水沟及边沟等构造物是不可或缺的组成部分。通过实现这些构造物的标准化设计、工厂化生产和装配化施工，可以大幅度提高公路建设的质量和效率，推进公路建设的工业化和智能化进程，为交通事业的发展做出更大的贡献。