地下污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)分析

都曉寧， 王 強(qiáng)， 應(yīng)建韓， 尚 琳

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

城市用地越來越緊張，人民對(duì)生活環(huán)境的要求越來越高，政府對(duì)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(jiǎn)稱“箱體”）將整個(gè)或幾乎整個(gè)工藝流程高度集成在一個(gè)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)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(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，歸納全地下、半地下污水處理廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)、要點(diǎn)，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(qiáng)度等級(jí)根據(jù)規(guī)范[1～2]、水土的腐蝕性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)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(jià)相對(duì)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(hù)費(fèi)用較高，增加運(yùn)營(yíng)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(jì)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(qiáng)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(xiàng)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(bǔ)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(jì)單位，先進(jìn)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(fù)二層（可能還有負(fù)三層）為蓄水構(gòu)筑物和管廊，樓蓋為梁板結(jié)構(gòu)；負(fù)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(zhǎng)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(fù)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(jiǎn)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(jià)。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?yàn)樵O(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(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）是煤炭特色高等教育的全國(guó)重點(diǎn)院校，擁有我國(guó)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(guó)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(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了地理和資源的雙重優(yōu)勢(shì)。

箱體一般為超長(zhǎng)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(yàn)[4]和課題研究，箱體地下部分可不設(shè)縫，采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)，合理布置后澆帶，實(shí)現(xiàn)箱體地下部分無縫設(shè)計(jì)。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(shí)，應(yīng)遵循受力合理、構(gòu)件簡(jiǎn)潔的原則，避免因結(jié)構(gòu)構(gòu)件冗余、笨拙造成空間浪費(fèi)。

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(tái)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(duì)“夾層板”等中間層結(jié)構(gòu)構(gòu)件頂、底標(biāo)高進(jìn)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(gè)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(shí)也盡可能避免污水對(duì)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(zhǎng)度范圍內(nèi)應(yīng)做好防腐措施，如加厚保護(hù)層、外貼鋼板等；若立于池中的框架柱對(duì)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(shí)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(huì)有較多懸掛吊車、電動(dòng)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(shí)，過大的梁底高差會(huì)增加布置吊車梁的難度。

箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有時(shí)因受力需要增加一些對(duì)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(shí)應(yīng)與相關(guān)專業(yè)及時(shí)溝通，確認(rèn)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(shí)，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(shí)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。考慮“小框架”中的小柱對(duì)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(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)地甚至機(jī)動(dòng)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(jì)算及內(nèi)力分析

3.1 建模計(jì)算

箱體結(jié)構(gòu)體系龐大且復(fù)雜，應(yīng)整體計(jì)算。邁達(dá)斯、PKPM、盈建科等常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件均可使用，設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)模型；應(yīng)了解所用軟件對(duì)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算假設(shè)，判斷“箱體”結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際受力情況，建模時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換或簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)避免遺漏、重復(fù)，對(duì)于有動(dòng)力作用效應(yīng)的設(shè)備應(yīng)考慮其動(dòng)力作用效應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常設(shè)備尚未招標(biāo)，所以在施加設(shè)備荷載時(shí)，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(jì)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(shí)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(jì)時(shí)還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況和工程經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)參考經(jīng)典計(jì)算模型。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）考驗(yàn)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(jì)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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)過程中都密切溝通、配合。

隨著設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算時(shí)都會(huì)格外關(guān)注有預(yù)埋管線的位置。

2）考驗(yàn)結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)能力。箱體基坑面積及深度大，基坑支護(hù)、抗浮設(shè)計(jì)、地基處理等都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題，同時(shí)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(yàn)。

箱體中集成了整個(gè)污水處理廠的各個(gè)池型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時(shí)既要考慮各池型特點(diǎn)，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(jì)經(jīng)驗(yàn)。

箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(rùn)造成腐蝕。隨著設(shè)計(jì)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(jì)對(duì)專業(yè)統(tǒng)籌和專業(yè)協(xié)調(diào)的要求更高。本文通過對(duì)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)、難點(diǎn)的梳理，總結(jié)了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算等幾個(gè)方面分別闡述了箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

讓BIM設(shè)計(jì)參與到箱體的設(shè)計(jì)中，可有效檢查各專業(yè)之間的碰撞，增強(qiáng)各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性，減少因?qū)I(yè)對(duì)接導(dǎo)致的設(shè)計(jì)返工等問題，提高設(shè)計(jì)效率；同時(shí)讓設(shè)計(jì)成果面向業(yè)主時(shí)更加直觀。