肘形流道模板制安施工技術(shù)在水利泵站中的應(yīng)用

房辛蒙，康永強

（中建六局水利水電建設(shè)集團有限公司，天津300222）

進水流道是一個泵站的主要過流部件，其幾何形狀、結(jié)構(gòu)尺寸對水泵的性能有著重要的影響。根據(jù)不同的水泵選型、地質(zhì)條件及進流條件，每個泵站的進水流道都是不一樣的。目前，大部分進水流道的模板制作仍采用手工方法計算設(shè)計，不僅設(shè)計誤差較大，施工也費時費料，最終完成的結(jié)構(gòu)精度與理想進水流道模型的要求偏差較大。這加大了通過進水流道的水的流場與設(shè)計流場的差異性，加劇了泵站運行中的氣蝕、振動，降低了泵站的運行效率，大大降低了工程的耐久性。高質(zhì)量的進水流道混凝土結(jié)構(gòu)作為水泵進水的最后一道關(guān)卡，對延長結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性有著重要意義。

北塘排水河泵站工程、金鐘河泵站工程和濱海新區(qū)中心橋引河泵站工程，主泵房安裝立式軸流泵，進水流道均為肘形結(jié)構(gòu)。肘形進水流道由矩形泵房進水口漸變至圓形水泵口，斷面變化大。同時，泵房屬于大體積特異性混凝土施工結(jié)構(gòu)，施工難度大，溫控措施要求嚴格。本文介紹了肘形流道模板設(shè)計的方法及其在水利泵站中的應(yīng)用，可為今后類似工程施工提供借鑒。

1 肘形流道模板制安施工技術(shù)概述

1.1 內(nèi)容簡述

肘形進水流道在所有流道中結(jié)構(gòu)型式最為復雜。在施工中，技術(shù)人員只能依據(jù)流道單線圖和斷面圖進行模板放樣和施工控制，這種抽象識圖方式會因為技術(shù)人員讀圖習慣和技術(shù)經(jīng)驗不同產(chǎn)生不同理解。特別是在模板放樣環(huán)節(jié)，不同的放樣形式在某些局部斷面會有細微的差別。在混凝土工程量計算方面，單純利用二維特征斷面進行工程量計量，十分不準確。近年，隨著三維模型技術(shù)在水利工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用，工程技術(shù)可視化、建造精細化等問題得到了有效解決。目前泵站工程三維技術(shù)應(yīng)用正在起步階段，組成泵站的各種構(gòu)件尚未系統(tǒng)建成，特別是肘形進水流道因結(jié)構(gòu)復雜多變，需自行創(chuàng)建模型。在北塘排水河泵站工程、金鐘河泵站工程和濱海新區(qū)中心橋引河泵站工程施工實踐中，采用三維建模的方式攻克了肘形進水流道建模難關(guān)，很好地解決了精確計量、三維立體視圖、模板精細制作等難題，為后續(xù)BIM技術(shù)在泵站工程中的全面應(yīng)用夯實了基礎(chǔ)。

1.2 特點

針對空間異型曲面的結(jié)構(gòu)特點，建立了肘形流道的三維模型，從中直接提取標高、長度等信息，提升了模板的設(shè)計及安裝精度，保證了空間曲面大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)特性，采用等效線性逼近的方式對空間曲面大體積混凝土模板分塊進行精細化劃分，可降低模板拼裝難度，最大限度保持施工后結(jié)構(gòu)的空間曲面特性，提升進水流道運行過程中流場的穩(wěn)定性。

采用木模板加工，重量輕，使用汽車吊即可將模板吊裝入位，快速便捷，工期有保證；同時，比較于傳統(tǒng)的鋼、鑄鐵異形模板，其成本節(jié)省1倍以上。

1.3 適用范圍

適用于中小型水利水電工程泵站進水流道工程，特別適用于空間曲面特性明顯的異型大體積混凝土工程施工。

2 工藝設(shè)計原理

2.1 空間曲面大體積混凝土結(jié)構(gòu)的三維建模

結(jié)合肘形流道特點，建立三維模型，并通過參數(shù)的優(yōu)化及修正，實現(xiàn)空間曲面大體積混凝土結(jié)構(gòu)的模板設(shè)計。肘形流道模板設(shè)計，如圖1所示。

圖1 肘形流道模板設(shè)計圖紙

利用圖紙畫出肘形流道單線圖，在計算機輔助設(shè)計類軟件中建立基線和斷面；在基線上放置斷面，最后生成實體結(jié)構(gòu)。模型建立后，可精確計算出肘形流道體積、表面積、模板分段有效面積等數(shù)據(jù)，在泵房總體積中扣除流道部分體積可以得到擬澆筑的泵房混凝土工程量。帶放樣面及基線的肘形流道三維實體，如圖2所示。

圖2 帶放樣面及基線的肘形流道三維實體

2.2 基于空間曲面大體積混凝土結(jié)構(gòu)的模型異型曲面模板設(shè)計

2.2.1 實體轉(zhuǎn)換

在肘形流道模板三維實體制作完成后，考慮木模模板選取、鋼筋保護層預留厚度等問題，結(jié)合實際確定預留厚度，將肘形流道的三維填充實體轉(zhuǎn)化為一個殼體結(jié)構(gòu)，使得數(shù)字模型更接近模板實物。

2.2.2 模板龍骨設(shè)計

完成實體建模后，根據(jù)需要沿基線路徑對結(jié)構(gòu)模型進行加密。選取合適的步長距離分割模型外輪廓，得到截面外輪廓線的周長即為加密龍骨的輪廓尺寸。加密后的斷面，如圖3所示。

圖3 加密后的斷面

2.2.3 表面檁條設(shè)計

相鄰兩榀龍骨剖面之間用寬木板檁條做連接，提取三維模型的表面特征并作網(wǎng)格化處理。調(diào)整表面網(wǎng)格的密度，測量網(wǎng)格的長、寬、傾斜度等參數(shù)作為檁條的實際下料尺寸參考。網(wǎng)格加密區(qū)域，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格加密區(qū)域

3 肘形流道模板制安施工技術(shù)分析

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)在于使用三維建模，最大程度貼合肘形流道異性模板的實際制作過程。根據(jù)設(shè)計圖紙，結(jié)合進水流道的單線圖、平面展開圖、縱剖圖和斷面放樣圖，建立肘形進水流道的三維模型。然后對三維實體填充模型進行殼體化處理，預留出模板厚度及鋼筋保護層厚度。對三維殼體模型進行表面分割和曲面網(wǎng)格化處理，根據(jù)三維模型上的數(shù)據(jù)，指導模板龍骨榀架的結(jié)構(gòu)和龍骨外覆的板條形狀制作，大大提高了模板制作效率和模板的精確度。

3.2 技術(shù)難度

技術(shù)難度在于對三維模型和實際模板的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。在肘形流道施工這一課題中，國內(nèi)相關(guān)文獻僅就三維模型或?qū)嶋H模板支設(shè)選取一點進行了論述，僅僅建立了肘形流道的三維模型，對模板厚度、保護層、榀架和表面板條的設(shè)置等實際問題沒有作很好的解答。

4 肘形流道模板制安施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實例

北塘排水河泵站設(shè)計流量54.6 m3/s，設(shè)6臺1600ZLB9-4型立式軸流泵，配套電機單機功率均為560 kW，總裝機容量3.36 MW。

金鐘河泵站緊鄰金鐘河防潮閘位于廢棄的金鐘河舊船閘故道上，附近有天津市東麗區(qū)永和村，設(shè)計流量58 m3/s，設(shè)6臺1600ZLB9-4型立式軸流泵，總裝機容量3 780 kW。泵站主要由主副廠房、進出水建筑物、變電站及現(xiàn)地生產(chǎn)用房等組成。

濱海新區(qū)中心橋引河泵站新建工程包括進水渠、進水閘、前池、泵房、出水壓力水箱、出水箱涵、出水閘、自流箱涵等。為實現(xiàn)水系循環(huán)，需要新建2條管路，頂管頂入，管徑1.5 m、長300 m，將黃港一庫、二庫水源送至海河南岸片區(qū)。工程選擇8臺1600ZLB（單泵7.25 m3/s）和2臺1200ZLB（單泵3 m3/s）組合布置，采用立式軸流泵，單泵單池，10臺機組成一字形布置。

4.2 應(yīng)用效果

在上述3項工程施工實踐中，分別建立主泵房肘形流道模板三維模型，通過模型數(shù)值指導現(xiàn)場模板的實際安裝，積累了實際施工經(jīng)驗。

該肘形流道制安施工技術(shù)在北塘排水河泵站工程施工中首次成功應(yīng)用，取得了很好效果，保證了進水流道整體施工質(zhì)量和外觀效果，各部位允許偏差均在優(yōu)良標準范圍內(nèi)。后在金鐘河泵站工程、濱海新區(qū)中心橋引河泵站新建工程中再次使用并改良，進一步提升了進水流道整體施工質(zhì)量和外觀效果。3項工程施工質(zhì)量得到建設(shè)單位、設(shè)計單位和監(jiān)理單位的一致認可，同時進水流道性能經(jīng)受了汛期運行考驗，得到運行維護單位認可。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

使用該技術(shù)成功完成了3項工程的主泵房進水流道的混凝土工程施工，復雜的肘形流道模板工藝施工由泵房流道施工現(xiàn)場改為內(nèi)加工場進行，人力資源得到均衡，縮短了安裝工期，有利于施工現(xiàn)場勞動力組合的合理調(diào)配。使用吊車安裝節(jié)省了勞力，提高了工效，降低了安裝成本。單個肘形流道木模板造價為5 000元，相比定制單個造價為1萬元的鋼模板，造價節(jié)省了50%。

同時，使用該技術(shù)解決了中小型軸流泵站肘形流道的施工難題，使得水泵運行時水流平穩(wěn)，減少了氣蝕與振動現(xiàn)象產(chǎn)生，提高了泵站機組運行效益，延長了泵站機組使用壽命。

5.2 環(huán)保效益

肘形流道采用純木模板，避免了異形鋼制模板生產(chǎn)過程中的開模、鑄件、焊接等影響。拆模時，可以完全從混凝土結(jié)構(gòu)中分離，內(nèi)襯的龍骨木方等可以周轉(zhuǎn)使用，有利于施工現(xiàn)場環(huán)保管理。

6 總結(jié)與展望

該技術(shù)在北塘排水河泵站、金鐘河泵站和濱海新區(qū)中心橋引河泵站新建工程3項水利水電工程中得到成功運用，技術(shù)成熟。使用三維建模設(shè)計模板，在提高模板下料準確程度的同時，也為后續(xù)BIM在水利水電工程中應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

泵站工程在水利水電工程中綜合性較強、技術(shù)含量高，該技術(shù)不僅為今后類似工程施工提供了寶貴經(jīng)驗，同時可以推廣和延伸至其他存在異型模板的建設(shè)工程領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。