都曉寧， 王 強， 應(yīng)建韓， 尚 琳

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381）

城市用地越來越緊張，人民對生活環(huán)境的要求越來越高，政府對環(huán)保的把控越來越嚴(yán)格。全地下、半地下污水處理廠（以下簡稱“箱體”）將整個或幾乎整個工藝流程高度集成在一個箱體內(nèi)，布置緊湊、巧妙，極大減少了廠區(qū)用地；箱體頂部還可設(shè)置公園、運動場等公共設(shè)施，提高土地利用率，很好地滿足各方需求，因此越來越多的全地下、半地下污水處理廠在各地興建。

各地全地下、半地下污水處理廠設(shè)計各有風(fēng)格、各成體系，本文總結(jié)廣東、新疆、浙江、河北等多地全地下、半地下污水處理廠的設(shè)計經(jīng)驗，歸納全地下、半地下污水處理廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點、要點，為業(yè)界同行提供參考。

1 材料的選擇

全地下污水處理廠及半地下污水處理廠地下部分的箱體應(yīng)考慮擋外水土、抗?jié)B、防裂和防腐蝕需求，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級根據(jù)規(guī)范[1～2]、水土的腐蝕性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度及裂縫寬度[3]等確定。

半地下污水處理廠地上部分宜選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。雖然鋼結(jié)構(gòu)可以滿足大跨度的需求且施工周期短、造型多樣、采光通透；但是造價相對較高且箱體設(shè)備層室內(nèi)濕度比一般工業(yè)廠房大，鋼結(jié)構(gòu)的防腐和維護費用較高，增加運營成本，故而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更優(yōu)。在建筑和結(jié)構(gòu)合理設(shè)計的情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也可以做出豐富多樣的造型，見圖1和圖2。

圖1 浙江某半地下污水廠處理廠

圖2 新疆某半地下污水廠處理廠

為增強箱體混凝土的抗裂、抗?jié)B性能，摻入一定比例的高性能混凝土膨脹劑。外加劑的性能、摻入量、混凝土的配比及施工注意事項應(yīng)滿足GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、JGJ/T178—2009《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。外加劑的類型由生產(chǎn)廠方提供給建設(shè)單位和設(shè)計單位，先進行試配，滿足要求后方可使用并且生產(chǎn)廠方應(yīng)結(jié)合構(gòu)筑物的具體情況提供摻量、配比及技術(shù)擔(dān)保措施。

2 結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)選擇

2.1.1 全地下污水處理廠

負二層（可能還有負三層）為蓄水構(gòu)筑物和管廊，樓蓋為梁板結(jié)構(gòu)；負一層為設(shè)備間及功能用房等，外壁為擋土墻，中間為框架結(jié)構(gòu)。柱網(wǎng)宜為正方形或長寬比＜1.5的矩形。

以10×104m3/d的全地下污水處理廠為例。柱距均勻，以6～8 m為宜，若給排水專業(yè)需要有大直徑濃縮池等，可局部增加柱間距；負一層屋面可采用主次梁或井字梁的結(jié)構(gòu)形式，亦可采用主梁+厚板的結(jié)構(gòu)形式。主梁+厚板的結(jié)構(gòu)形式支模簡單，工期短；主次梁或井字梁結(jié)構(gòu)形式混凝土用量少，節(jié)省造價。見圖3。

圖3 全地下污水廠處理廠局部剖面

2.1.2 半地下污水處理廠

結(jié)構(gòu)形式類似全地下污水處理廠，但因為設(shè)備間及功能用房層位于地上，故該層為純框架結(jié)構(gòu)。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）是煤炭特色高等教育的全國重點院校，擁有我國首家以能源與安全為特色的科技園——“中關(guān)村能源與安全科技園”和“中國礦業(yè)大學(xué)留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)園”，并與北京市共建能源安全產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，組成了學(xué)校產(chǎn)學(xué)研用及科技成果轉(zhuǎn)化體系；另外科技園就位于校內(nèi)，學(xué)生不需要高頻校外甚至異地往返，避免了學(xué)校頻繁組織交通車、組織成本高且可能存在安全等方面的問題，為創(chuàng)建校企合作的煤礦特色機械虛擬仿真實驗平臺提供了地理和資源的雙重優(yōu)勢。

箱體一般為超長結(jié)構(gòu)，規(guī)范要求需設(shè)置永久變形縫，出于工藝布置和防滲考慮，基于已有工程經(jīng)驗[4]和課題研究，箱體地下部分可不設(shè)縫，采用補償收縮混凝土技術(shù)，合理布置后澆帶，實現(xiàn)箱體地下部分無縫設(shè)計。半地下污水處理廠地上框架部分設(shè)置變形縫。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

2.2.1 整體原則

箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)遵循受力合理、構(gòu)件簡潔的原則，避免因結(jié)構(gòu)構(gòu)件冗余、笨拙造成空間浪費。

2.2.2 布置技巧

1）標(biāo)高。箱體底板盡可能平整，避免出現(xiàn)過多“臺階”。預(yù)處理、深度處理等池型復(fù)雜的區(qū)域，有大量的架空淺池、渠道等形成的“夾層板”，應(yīng)對“夾層板”等中間層結(jié)構(gòu)構(gòu)件頂、底標(biāo)高進行歸并、統(tǒng)一。池頂除預(yù)處理區(qū)域外，其他區(qū)域最好為一個標(biāo)高，既方便人、車通行，又可避免過多的樓梯壓縮使用空間。

2）框架柱。為防止立于蓄水池中的框架柱影響水流，同時也盡可能避免污水對框架柱的腐蝕，主要池壁及導(dǎo)流墻應(yīng)布置于柱網(wǎng)軸線上；若不可避免地有框架柱位于池中，則框架柱池中長度范圍內(nèi)應(yīng)做好防腐措施，如加厚保護層、外貼鋼板等；若立于池中的框架柱對水流有干擾，可采用圓形截面。見圖4。

圖4 某半地下污水廠處理廠生化池結(jié)構(gòu)一隅

3）框架梁。蓄水池頂板開洞較多，區(qū)域面荷載差異較大，梁系布置時應(yīng)統(tǒng)籌考慮，盡量減少框架梁截面的種類。箱體設(shè)備、功能用房層的屋面梁下會有較多懸掛吊車、電動葫蘆等起重設(shè)備，主、次梁間高差不宜過大，特別：是當(dāng)屋面為結(jié)構(gòu)找坡時，過大的梁底高差會增加布置吊車梁的難度。

箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有時因受力需要增加一些對于其他專業(yè)“無用”的構(gòu)件，或者改變一些構(gòu)件的尺寸與定位，此時應(yīng)與相關(guān)專業(yè)及時溝通，確認增加或改變這些構(gòu)件的可行性，避免出現(xiàn)因構(gòu)件增加或改變影響工藝使用。例如：當(dāng)采用膜工藝時，膜池區(qū)域池頂標(biāo)高位置主軸線上若設(shè)置框架梁，則可能影響膜箱的排布和安放。

4）房間。箱體設(shè)備層有多處變（配）電間，內(nèi)置大量電纜溝。電纜溝可通過回填房間地面實現(xiàn)，但樓面荷載較大；而如果變（配）電間做防靜電地板，結(jié)構(gòu)板面荷載將大大減小，但是需要根據(jù)電氣柜的位置布置“小框架”形成電纜溝?？紤]“小框架”中的小柱對結(jié)構(gòu)樓板的沖切作用，可在小柱下設(shè)梁；也可適當(dāng)加厚整個房間區(qū)域結(jié)構(gòu)樓板。相較于加梁的方式，加厚樓板可使電纜溝布置更靈活，電纜溝變更對結(jié)構(gòu)計算的影響小。

5）荷載。半地下污水處理廠屋面除考慮一般建筑結(jié)構(gòu)屋面荷載外，還應(yīng)考慮梁、板下的懸掛荷載；若屋面設(shè)置光伏電池板，還應(yīng)計入其荷載并做好屋面預(yù)留預(yù)埋。

全地下污水處理廠屋面類似種植屋面，板頂可能種植植被、堆積假山、設(shè)置運動場地甚至機動車輛車行道，須考慮相應(yīng)荷載。

設(shè)備層的主車道應(yīng)考慮消防車荷載。其他池頂區(qū)域根據(jù)使用需求，應(yīng)考慮車輛荷載、堆積荷載等。

3 建模計算及內(nèi)力分析

3.1 建模計算

箱體結(jié)構(gòu)體系龐大且復(fù)雜，應(yīng)整體計算。邁達斯、PKPM、盈建科等常用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件均可使用，設(shè)計人員可根據(jù)情況自行選擇且應(yīng)選擇至少兩種相互復(fù)核。

值得注意的是，箱體結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類和受力狀態(tài)眾多，在建模時不能一味為了盡可能詳盡地體現(xiàn)箱體而盲目地將所有的構(gòu)件都建進模型；應(yīng)了解所用軟件對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算假設(shè)，判斷“箱體”結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際受力情況，建模時進行適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換或簡化。例如：一些懸挑或架空的渠道，在基于“層”概念的結(jié)構(gòu)軟件中可以用相應(yīng)的荷載模擬。

箱體中設(shè)備眾多，種類繁雜，施加荷載時應(yīng)避免遺漏、重復(fù)，對于有動力作用效應(yīng)的設(shè)備應(yīng)考慮其動力作用效應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常設(shè)備尚未招標(biāo)，所以在施加設(shè)備荷載時，應(yīng)多參考同類設(shè)備的廠家數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)設(shè)計荷載不足的情況。

3.2 內(nèi)力分析

箱體內(nèi)力尤其是外池壁和底板的內(nèi)力，應(yīng)采用有限元軟件整體分析，全面模擬實際工況[5]。

有限元模型中板單元為理想彈性板，未考慮混凝土開裂、鋼筋應(yīng)力變化等因素，所以配筋設(shè)計時還應(yīng)結(jié)合實際情況和工程經(jīng)驗，適當(dāng)參考經(jīng)典計算模型。

4 設(shè)計難點

1）考驗各專業(yè)的整合能力和協(xié)調(diào)能力。不同于傳統(tǒng)污水處理廠設(shè)計前期以給排水專業(yè)為主，建筑、結(jié)構(gòu)、電氣等專業(yè)參與少的情況；箱體設(shè)計前期工藝池體的布置受結(jié)構(gòu)專業(yè)的制約較大，需要給排水專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)在整個設(shè)計過程中都密切溝通、配合。

隨著設(shè)計的深入，電氣、暖通等專業(yè)也應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)密切配合，遇到問題及早溝通，防止出現(xiàn)管線與結(jié)構(gòu)構(gòu)件碰撞、預(yù)留洞位置不當(dāng)?shù)惹闆r。以電氣專業(yè)為例，為了美觀基本不設(shè)置明線，因此設(shè)計早期就應(yīng)明確預(yù)埋管線大致直徑范圍和鋪設(shè)方式，結(jié)構(gòu)專業(yè)以此確定是將電氣預(yù)埋管線預(yù)埋在建筑面層內(nèi)還是結(jié)構(gòu)板內(nèi)，如果預(yù)埋在結(jié)構(gòu)板內(nèi)，在板厚選擇、板塊計算時都會格外關(guān)注有預(yù)埋管線的位置。

2）考驗結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計能力。箱體基坑面積及深度大，基坑支護、抗浮設(shè)計、地基處理等都是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要問題，同時也是投資較大的分部工程，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)有足夠的相關(guān)工程經(jīng)驗。

箱體中集成了整個污水處理廠的各個池型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時既要考慮各池型特點，又要兼顧箱體整體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，需要結(jié)構(gòu)工程師有一定的污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗。

箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)留有余量。例如：生化池留足液面超高，一方面滿足工藝自身需求；另一方面生物池池頂框架梁較高，應(yīng)避免梁底反復(fù)浸潤造成腐蝕。隨著設(shè)計的深化和設(shè)備招標(biāo)的完成，還有因設(shè)備荷載加大需要增加梁高的可能。

5 結(jié)論與建議

相較于傳統(tǒng)污水處理廠，箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計對專業(yè)統(tǒng)籌和專業(yè)協(xié)調(diào)的要求更高。本文通過對箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中重點、難點的梳理，總結(jié)了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本框架，從材料選擇、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、內(nèi)力分析與計算等幾個方面分別闡述了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。

讓BIM設(shè)計參與到箱體的設(shè)計中，可有效檢查各專業(yè)之間的碰撞，增強各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性，減少因?qū)I(yè)對接導(dǎo)致的設(shè)計返工等問題，提高設(shè)計效率；同時讓設(shè)計成果面向業(yè)主時更加直觀。