婁中華 拓峰鵬 靳壯壯.

1.中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司 貴州 貴陽(yáng) 550081

2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴州 貴陽(yáng) 550025

0 引言

BIM技術(shù)集成了項(xiàng)目建設(shè)生命周期中所有相關(guān)詳細(xì)信息，可為施工建設(shè)提供直觀展示，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，可以顯著的提高施工質(zhì)量和施工效率，縮短工期，大大降低成本[1]。

污水處理作為市政工程中的重要組成部分，施工過(guò)程涉及多個(gè)單體，包含復(fù)雜的異性二次結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備安裝等工程[2-4]。由于污水處理廠中的異型二次結(jié)構(gòu)尺寸多變形狀各異，精度要求高，施工難度極大，再加上施工人員對(duì)圖紙的理解存在偏差導(dǎo)致施工錯(cuò)誤或遺漏，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。為保證異型二次結(jié)構(gòu)具有更好的施工效果，需對(duì)模板進(jìn)行選型和受力驗(yàn)算，使模板產(chǎn)生最小的應(yīng)力和變形量，保證模板具有足夠的強(qiáng)度，避免應(yīng)力集中[5-8]。

本文以清鎮(zhèn)市東門河三年變清水環(huán)境綜合項(xiàng)目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠為例，針對(duì)異型二次結(jié)構(gòu)施工存在的問題，提出了異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝，同時(shí)，為驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)模板的強(qiáng)度，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算。

1 工程概況

清鎮(zhèn)市東門河三年變清水環(huán)境綜合項(xiàng)目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠，日處理污水2萬(wàn)噸、爭(zhēng)旗沖污水處理，日處理污水1萬(wàn)噸廠，污水處理工藝為FBBR生化池+高效沉淀池+活性砂濾池工藝為主體的三級(jí)生化處理工藝。

圖1 高效沉淀池三維模型Fig.1 three dimensional model of high efficiency sedimentation tank

本工程主要應(yīng)用Revit進(jìn)行結(jié)構(gòu)專業(yè)、安裝專業(yè)模型建立及深化，利用SketchUp對(duì)異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)建模拆分組合指導(dǎo)施工[5]。這種將常規(guī)CAD二維圖紙信息轉(zhuǎn)化為三維模型避免了因理解的偏差造成錯(cuò)誤導(dǎo)致問題擴(kuò)大，顯著提高施工效率。

2 異型二次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及BIM建模

2.1 異型二次結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在污水處理廠土建施工中，在主體結(jié)構(gòu)施工完畢達(dá)到工藝要求后，開始對(duì)復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次混凝土澆筑。整個(gè)施工結(jié)構(gòu)包含高效沉淀池中的球面二次結(jié)構(gòu)、砂濾池中的多個(gè)椎體組合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度極大。因此，需對(duì)關(guān)鍵承載部件進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證施工質(zhì)量。

圖2 高效沉淀池、活性砂濾池二次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 secondary structure model of high efficiency sedimentation tank and active sand filter

2.2 異型二次結(jié)構(gòu)建模 由于異型構(gòu)建一次性施工難度較大，為了便于模板的組裝加固、拆模、混凝土澆筑施工，采用先拆分后組合的方式進(jìn)行施工。本研究中將兩個(gè)砂濾池的共計(jì)12個(gè)正八邊形倒錐拆分為8個(gè)面進(jìn)行放樣加固，沉淀池中的8個(gè)球面拆分為三個(gè)面再組合放樣施工。

本工程應(yīng)用SU軟件進(jìn)行異型二次結(jié)構(gòu)的二次建模，由于FBBR污水處理工藝中對(duì)二次結(jié)構(gòu)精度要求極高且避免施工過(guò)程中對(duì)圖紙理解差異導(dǎo)致返工，建模過(guò)程中充分理解工藝原理及設(shè)計(jì)意圖將二次結(jié)構(gòu)拆分為若干單元，保證砂濾池中的倒八角錐在標(biāo)高尺寸以及預(yù)埋件位置精準(zhǔn)，將沉淀池中的球面設(shè)計(jì)為矩形體與球體的組合體，保證在刮泥機(jī)的作用下不堆積污泥，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 a.砂濾池倒八角錐模型 b.沉淀池球面二次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 a.inverted octagonal cone model of sand filter b.secondary structure model of ball surface of sedimentation tank

3 異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝

3.1 異型構(gòu)件施工技術(shù)要點(diǎn)

(1)異型構(gòu)件分析、模板選用及加固方式的選取。施工過(guò)程中必須保證異型構(gòu)建放樣精確、施工精度高，工藝誤差控制在±2mm以內(nèi)，否者不利于后期水處理工藝。此外，由于池體深度達(dá)6m，池壁光滑，池底幾乎全部為需施工的異型結(jié)構(gòu)，僅剩余約0.01m2的空間，模板加固無(wú)著力點(diǎn)，因此需選用模具加工需要專業(yè)廠家制作的碳鋼模具，并安裝高強(qiáng)度化學(xué)螺栓來(lái)固定，防止因模板底部小、上部大使模板與混凝土接觸面積增大而產(chǎn)生鋼模容易上浮，造成施工質(zhì)量事故。最后，正八邊形倒錐施工完成后，再進(jìn)行三角錐安裝施工。由于其體積較小，可先進(jìn)行預(yù)制，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行安裝。

(2)建立模板加固體系。對(duì)拆分后的底部正八邊形倒錐加固體系進(jìn)行建模，用M24*300化學(xué)螺栓進(jìn)行底部固定，碳鋼模具為正八邊形倒錐，邊長(zhǎng)1000mm，高度1850mm，利用預(yù)埋件加固，鋼管做斜撐，間距1m，如圖4所示。

圖4 a.碳鋼鋼模平面圖 b.碳鋼鋼模立面圖Fig.4 a.plan of carbon steel form work b.elevation of carbon steel form work

(3)受力驗(yàn)算。由于混凝土澆筑與已建成的構(gòu)筑物中，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均應(yīng)能滿足要求，存在的問題是鋼模自身的穩(wěn)定和混凝土澆筑時(shí)帶來(lái)的浮力會(huì)托舉鋼模。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012、《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》JGJ162-2008，《組合鋼模板技術(shù)規(guī)范》(GBJ214)，單個(gè)鋼模排水體積為：

公式中a=1m，高度h=1.8m，可計(jì)算出排水體積v=2.897m3

混凝土向上浮力：

由鋼模的重力G=mg，此處m=2000kg，可計(jì)算出需要增加的配重重力為：

由上式可計(jì)算出需要增加加載質(zhì)量為4.98t，按照1.2倍系數(shù)進(jìn)行加載為6t。為保證均勻受力，設(shè)置砂箱長(zhǎng)度按照單個(gè)碳鋼鋼模長(zhǎng)度2.44*2.44*1m。此計(jì)算過(guò)程，未考慮底部化學(xué)螺栓拉力，鋼管斜撐的作用，用臂架泵進(jìn)行澆筑，未考慮傾倒混凝土對(duì)模板產(chǎn)生的側(cè)壓力，在施工過(guò)程中切忌集中澆筑，需要對(duì)稱均勻布料。

3.2 整體施工工藝及技術(shù)要點(diǎn) 污水處理廠異型二次結(jié)構(gòu)施工的基本工藝流程為：測(cè)量定位——化學(xué)螺栓安裝——安裝錐斗模板——澆筑混凝土——拆模清理池底建筑垃圾，下面將詳細(xì)闡述各工藝的技術(shù)要點(diǎn)。

(1)測(cè)量定位

a.根據(jù)工藝設(shè)計(jì)施工圖計(jì)算出鉆孔位置坐標(biāo)；

b.現(xiàn)場(chǎng)放線，圖5a所示；

c.與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，校核鉆孔位置圖5b所示。

圖5 a.定位放線b.鉆孔Fig.5a.positioning and setting out b.drilling

鉆孔完成后，對(duì)孔洞進(jìn)行吹掃干凈，然后注入高強(qiáng)度化學(xué)螺栓藥劑，藥劑的成分為反應(yīng)樹脂、固化劑和石英顆粒(玻璃瓶裝)。注入藥劑后，立即將化學(xué)螺栓插入鉆孔內(nèi)，待硬化后再進(jìn)行下一步工序，裝藥的過(guò)程中要注意人身安全保護(hù)，防止藥劑濺到身上。注意控制化學(xué)螺栓安裝垂直度，確保后續(xù)鋼模安裝精度。

藥劑反應(yīng)的快慢隨溫度的升高而加快，氣溫較低，藥劑反應(yīng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，延誤施工。藥劑反應(yīng)時(shí)間一般為2h，施工過(guò)程中可通過(guò)在藥劑中加入適量保溫劑來(lái)縮短反應(yīng)時(shí)間。藥劑在反應(yīng)規(guī)定時(shí)間后，檢查化學(xué)螺栓的穩(wěn)固程度，垂直度。待化學(xué)螺栓固定后才可進(jìn)行下一步工序。反之，則進(jìn)行整改，直至符合要求為止。

(2)化學(xué)螺栓安裝。采用沖擊鉆鉆孔，技術(shù)參數(shù)為：

鉆孔直徑D=32mm；鉆孔深度h=200mm；

底盤抵抗線W=20cm；化學(xué)螺栓型號(hào)為M24*300mm。

化學(xué)螺栓固定后，先進(jìn)行底部墊圈安裝，同時(shí)對(duì)底錐模板混凝土接觸面涂裝脫模劑，然后通過(guò)50t吊車吊裝模具至池內(nèi)進(jìn)行安裝。待底錐模板安裝完成后，進(jìn)行模板頂面調(diào)平，使得模板在同一標(biāo)高位置，同時(shí)復(fù)核模板平面位置及標(biāo)高，平面位置控制在±5mm以內(nèi)，誤差控制在-5mm至0mm以內(nèi)，嚴(yán)禁超出設(shè)計(jì)標(biāo)高，寧低勿高，如圖6所示。

圖6 a.化學(xué)螺栓固定 b.調(diào)平Fig.6 a.Chemical bolt fixation b.leveling

(3)安裝錐斗模板

a.底部化學(xué)螺栓固定，提供向下的拉力。

b.二次結(jié)構(gòu)模板加固時(shí)，無(wú)支撐點(diǎn)。考慮在主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，池壁上設(shè)置預(yù)埋件作為受力支撐點(diǎn)進(jìn)行加固，用φ48*5mm鋼管進(jìn)行支撐加固。

c.通過(guò)受力計(jì)算，分析模板浮力，鋼管支撐能抵消的浮力，鋼模上方通過(guò)堆載砂箱，增加垂直向下的受力，防止模板上浮，安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 A.模板吊裝 B.模板加固Fig.7 a.form work hoisting b.form work reinforcement

(4)底錐混凝土澆筑。在模板加固完成后，進(jìn)行底錐混凝土澆筑?；炷恋燃?jí)為C30，48m汽車泵澆筑，混凝土澆筑時(shí)，控制模板兩側(cè)對(duì)稱實(shí)現(xiàn)勻速分層澆筑，測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)與混凝土的澆筑同時(shí)進(jìn)行，減小施工荷載。切忌每個(gè)位置集中放料，隨時(shí)檢查混凝土澆筑過(guò)程中模板是否出現(xiàn)位移，若遇模板上浮或位移，必須停止施工，檢查情況，糾正后方能繼續(xù)施工。

圖8 混凝土澆筑Fig.8 concrete pouring

4 異型二次結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件數(shù)值模擬

砂濾池椎體結(jié)構(gòu)作為污水處理廠整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，控制碳鋼模板整體變形量可保證較高的施工質(zhì)量，使砂濾池椎體更光滑、裂縫紋理更小。根據(jù)施工要求，用高強(qiáng)度化學(xué)螺栓固定碳鋼模板。為保證在灌漿過(guò)程中砂濾池椎體結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，使其在施工過(guò)程中不易損壞，本文采用有限元數(shù)值模擬方法模擬灌漿過(guò)程至鋼模板拆除整個(gè)階段碳鋼模板的整體變形和應(yīng)力情況，為實(shí)際施工提供理論指導(dǎo)。

4.1 有限元建模 將建立的碳鋼模模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，對(duì)八角錐碳鋼模板采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格劃分時(shí)忽略部分倒角、圓角和螺栓等對(duì)分析結(jié)構(gòu)影響較小的非承載連接件，模型劃分為87508個(gè)節(jié)點(diǎn)，49577個(gè)單元，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.84，表明網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。將底部螺栓處選擇為固定約束，根據(jù)實(shí)際情況，八角錐碳鋼模板受到混凝土施加的橫向均布載荷10k N，載荷及約束情況如圖9所示。

圖9 施加約束及載荷情況Fig.9 Constraints and Loads

4.2 結(jié)果及分析 在添加的約束及載荷下，對(duì)碳鋼模板進(jìn)行有彈性應(yīng)變及靜應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 碳鋼模板彈性應(yīng)變及靜應(yīng)力分析結(jié)果Fig.10 Elastic strain and static stress analysis results of carbon steel template

由圖10可知，碳鋼模板的最大彈性應(yīng)變?yōu)?.3297×10-5mm，彈性應(yīng)變位置主要集中在開口部位，最大應(yīng)力δmax=2.5735MPa，最大變形量δmax=0.0656MPa，應(yīng)力和應(yīng)變集中區(qū)域均分布在鋼板開口位置處。根據(jù)機(jī)架所選用材料屈服強(qiáng)度為235MPa，由材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論(式4)可判定鋼模板結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，由式(5)可得其許用應(yīng)力[9-10]。

式中：δ1、δ2、δ3分別為鋼模板受到的3個(gè)法向的應(yīng)力；[δ]為材料許用應(yīng)力；[δS]為材料Q235的極限屈服強(qiáng)度，其值為235MPa；nS為材料安全系數(shù)，一般靜載下，對(duì)于塑性材料可取nS=1.5～2.0，本文取nS=2。

由式(4)和式(5)計(jì)算可得，[δ]=117.5MPa，

而δmax=2.5735MPa＜[δ]=130.56MPa，鋼模板受到的最大應(yīng)力均小于鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，且整個(gè)鋼模板結(jié)構(gòu)的變形量也較小，由此可以看出鋼模板具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)于分析中應(yīng)變和變形量產(chǎn)生于鋼模板開口處，可通過(guò)在開口處增加支撐結(jié)構(gòu)而減小應(yīng)變和變形量發(fā)生。

5 施工效果

在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行底錐模板的拆除。模板拆除時(shí)，先進(jìn)行螺栓的拆除，人工配合汽車吊拆除底錐模具，模具拆除后，再拆除墊圈。根據(jù)規(guī)范對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其綜合效果如圖11所示。

圖11 鋼模拆除后外觀效果Fig.11 appearance effect of steel form work after removal

6 結(jié)論

由于污水處理工藝及后續(xù)安裝施工原因，市政污水處理廠二次具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工標(biāo)準(zhǔn)高、難度大的特點(diǎn)，造成許多二次結(jié)構(gòu)達(dá)不到工藝要求而導(dǎo)致返工，增加了成本投入，影響工期。本文針對(duì)異型二次結(jié)構(gòu)施工存在的問題，提出了異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝，同時(shí)，為驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)模板的強(qiáng)度，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算，得出的主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)采用BIM技術(shù)對(duì)污水處理廠中的異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維立體模型，并對(duì)二次結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)進(jìn)行分析，將難以一次成型的異型構(gòu)件進(jìn)行拆分組合，找到合適的施工方式，準(zhǔn)確確定空間幾何位置。

(2)通過(guò)對(duì)異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了采用碳鋼模板+化學(xué)螺栓固定和利用預(yù)埋件加固，鋼管做斜撐的異型模板施工方法，并進(jìn)行異型構(gòu)件中由于鋼模自身受到浮力而影響其穩(wěn)定和混凝土澆筑性能進(jìn)行受力驗(yàn)算。

(3)提出了污水處理廠異型二次結(jié)構(gòu)的施工工藝，并詳細(xì)闡述各工藝的技術(shù)要點(diǎn)。

(4)對(duì)砂濾池椎體結(jié)構(gòu)碳鋼模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，得出鋼結(jié)構(gòu)模板的最大變形量為0.0655mm，最大應(yīng)力為2.7535MPa，鋼模板受到的最大應(yīng)力均小于鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，且整個(gè)鋼模板結(jié)構(gòu)的變形量也較小，鋼模板具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，完全滿足施工要求。