基于BIM的污水处理厂异型二次结构施工技术研究

娄中华 拓峰鹏 靳壮壮.

1.中铁五局集团建筑工程有限责任公司 贵州 贵阳 550081

2.贵州大学机械工程学院 贵州 贵阳 550025

0 引言

BIM技术集成了项目建设生命周期中所有相关详细信息，可为施工建设提供直观展示，已广泛应用于复杂建筑结构领域，可以显著的提高施工质量和施工效率，缩短工期，大大降低成本[1]。

污水处理作为市政工程中的重要组成部分，施工过程涉及多个单体，包含复杂的异性二次结构、管道、设备安装等工程[2-4]。由于污水处理厂中的异型二次结构尺寸多变形状各异，精度要求高，施工难度极大，再加上施工人员对图纸的理解存在偏差导致施工错误或遗漏，严重影响施工质量。为保证异型二次结构具有更好的施工效果，需对模板进行选型和受力验算，使模板产生最小的应力和变形量，保证模板具有足够的强度，避免应力集中[5-8]。

本文以清镇市东门河三年变清水环境综合项目一期工程，包括娃娃桥污水处理厂为例，针对异型二次结构施工存在的问题，提出了异型二次结构施工关键技术及工艺，同时，为验证钢结构模板的强度，对该结构进行有限元静应力数值模拟计算。

1 工程概况

清镇市东门河三年变清水环境综合项目一期工程，包括娃娃桥污水处理厂，日处理污水2万吨、争旗冲污水处理，日处理污水1万吨厂，污水处理工艺为FBBR生化池+高效沉淀池+活性砂滤池工艺为主体的三级生化处理工艺。

图1 高效沉淀池三维模型Fig.1 three dimensional model of high efficiency sedimentation tank

本工程主要应用Revit进行结构专业、安装专业模型建立及深化，利用SketchUp对异型二次结构进行单独建模拆分组合指导施工[5]。这种将常规CAD二维图纸信息转化为三维模型避免了因理解的偏差造成错误导致问题扩大，显著提高施工效率。

2 异型二次结构特点及BIM建模

2.1 异型二次结构特点 在污水处理厂土建施工中，在主体结构施工完毕达到工艺要求后，开始对复杂的异型结构进行二次混凝土浇筑。整个施工结构包含高效沉淀池中的球面二次结构、砂滤池中的多个椎体组合，结构复杂，施工难度极大。因此，需对关键承载部件进行受力分析，验证结构强度，保证施工质量。

图2 高效沉淀池、活性砂滤池二次结构模型Fig.2 secondary structure model of high efficiency sedimentation tank and active sand filter

2.2 异型二次结构建模 由于异型构建一次性施工难度较大，为了便于模板的组装加固、拆模、混凝土浇筑施工，采用先拆分后组合的方式进行施工。本研究中将两个砂滤池的共计12个正八边形倒锥拆分为8个面进行放样加固，沉淀池中的8个球面拆分为三个面再组合放样施工。

本工程应用SU软件进行异型二次结构的二次建模，由于FBBR污水处理工艺中对二次结构精度要求极高且避免施工过程中对图纸理解差异导致返工，建模过程中充分理解工艺原理及设计意图将二次结构拆分为若干单元，保证砂滤池中的倒八角锥在标高尺寸以及预埋件位置精准，将沉淀池中的球面设计为矩形体与球体的组合体，保证在刮泥机的作用下不堆积污泥，其结构如图3所示。

图3 a.砂滤池倒八角锥模型 b.沉淀池球面二次结构模型Fig.3 a.inverted octagonal cone model of sand filter b.secondary structure model of ball surface of sedimentation tank

3 异型二次结构施工关键技术及工艺

3.1 异型构件施工技术要点

(1)异型构件分析、模板选用及加固方式的选取。施工过程中必须保证异型构建放样精确、施工精度高，工艺误差控制在±2mm以内，否者不利于后期水处理工艺。此外，由于池体深度达6m，池壁光滑，池底几乎全部为需施工的异型结构，仅剩余约0.01m2的空间，模板加固无着力点，因此需选用模具加工需要专业厂家制作的碳钢模具，并安装高强度化学螺栓来固定，防止因模板底部小、上部大使模板与混凝土接触面积增大而产生钢模容易上浮，造成施工质量事故。最后，正八边形倒锥施工完成后，再进行三角锥安装施工。由于其体积较小，可先进行预制，待达到设计强度后，再进行安装。

(2)建立模板加固体系。对拆分后的底部正八边形倒锥加固体系进行建模，用M24*300化学螺栓进行底部固定，碳钢模具为正八边形倒锥，边长1000mm，高度1850mm，利用预埋件加固，钢管做斜撑，间距1m，如图4所示。

图4 a.碳钢钢模平面图 b.碳钢钢模立面图Fig.4 a.plan of carbon steel form work b.elevation of carbon steel form work

(3)受力验算。由于混凝土浇筑与已建成的构筑物中，刚度、强度、稳定性均应能满足要求，存在的问题是钢模自身的稳定和混凝土浇筑时带来的浮力会托举钢模。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012、《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162-2008，《组合钢模板技术规范》(GBJ214)，单个钢模排水体积为：

公式中a=1m，高度h=1.8m，可计算出排水体积v=2.897m3

混凝土向上浮力：

由钢模的重力G=mg，此处m=2000kg，可计算出需要增加的配重重力为：

由上式可计算出需要增加加载质量为4.98t，按照1.2倍系数进行加载为6t。为保证均匀受力，设置砂箱长度按照单个碳钢钢模长度2.44*2.44*1m。此计算过程，未考虑底部化学螺栓拉力，钢管斜撑的作用，用臂架泵进行浇筑，未考虑倾倒混凝土对模板产生的侧压力，在施工过程中切忌集中浇筑，需要对称均匀布料。

3.2 整体施工工艺及技术要点 污水处理厂异型二次结构施工的基本工艺流程为：测量定位——化学螺栓安装——安装锥斗模板——浇筑混凝土——拆模清理池底建筑垃圾，下面将详细阐述各工艺的技术要点。

(1)测量定位

a.根据工艺设计施工图计算出钻孔位置坐标；

b.现场放线，图5a所示；

c.与现场实际情况对比，校核钻孔位置图5b所示。

图5 a.定位放线b.钻孔Fig.5a.positioning and setting out b.drilling

钻孔完成后，对孔洞进行吹扫干净，然后注入高强度化学螺栓药剂，药剂的成分为反应树脂、固化剂和石英颗粒(玻璃瓶装)。注入药剂后，立即将化学螺栓插入钻孔内，待硬化后再进行下一步工序，装药的过程中要注意人身安全保护，防止药剂溅到身上。注意控制化学螺栓安装垂直度，确保后续钢模安装精度。

药剂反应的快慢随温度的升高而加快，气温较低，药剂反应时间会延长，延误施工。药剂反应时间一般为2h，施工过程中可通过在药剂中加入适量保温剂来缩短反应时间。药剂在反应规定时间后，检查化学螺栓的稳固程度，垂直度。待化学螺栓固定后才可进行下一步工序。反之，则进行整改，直至符合要求为止。

(2)化学螺栓安装。采用冲击钻钻孔，技术参数为：

钻孔直径D=32mm；钻孔深度h=200mm；

底盘抵抗线W=20cm；化学螺栓型号为M24*300mm。

化学螺栓固定后，先进行底部垫圈安装，同时对底锥模板混凝土接触面涂装脱模剂，然后通过50t吊车吊装模具至池内进行安装。待底锥模板安装完成后，进行模板顶面调平，使得模板在同一标高位置，同时复核模板平面位置及标高，平面位置控制在±5mm以内，误差控制在-5mm至0mm以内，严禁超出设计标高，宁低勿高，如图6所示。

图6 a.化学螺栓固定 b.调平Fig.6 a.Chemical bolt fixation b.leveling

(3)安装锥斗模板

a.底部化学螺栓固定，提供向下的拉力。

b.二次结构模板加固时，无支撑点。考虑在主体结构施工时，池壁上设置预埋件作为受力支撑点进行加固，用φ48*5mm钢管进行支撑加固。

c.通过受力计算，分析模板浮力，钢管支撑能抵消的浮力，钢模上方通过堆载砂箱，增加垂直向下的受力，防止模板上浮，安装现场如图7所示。

图7 A.模板吊装 B.模板加固Fig.7 a.form work hoisting b.form work reinforcement

(4)底锥混凝土浇筑。在模板加固完成后，进行底锥混凝土浇筑。混凝土等级为C30，48m汽车泵浇筑，混凝土浇筑时，控制模板两侧对称实现匀速分层浇筑，测量监控点与混凝土的浇筑同时进行，减小施工荷载。切忌每个位置集中放料，随时检查混凝土浇筑过程中模板是否出现位移，若遇模板上浮或位移，必须停止施工，检查情况，纠正后方能继续施工。

图8 混凝土浇筑Fig.8 concrete pouring

4 异型二次结构关键部件数值模拟

砂滤池椎体结构作为污水处理厂整体结构的关键部件，控制碳钢模板整体变形量可保证较高的施工质量，使砂滤池椎体更光滑、裂缝纹理更小。根据施工要求，用高强度化学螺栓固定碳钢模板。为保证在灌浆过程中砂滤池椎体结构的整体强度，使其在施工过程中不易损坏，本文采用有限元数值模拟方法模拟灌浆过程至钢模板拆除整个阶段碳钢模板的整体变形和应力情况，为实际施工提供理论指导。

4.1 有限元建模 将建立的碳钢模模型导入有限元软件ANSYS中，对八角锥碳钢模板采用自动网格划分，网格尺寸为1mm，网格划分时忽略部分倒角、圆角和螺栓等对分析结构影响较小的非承载连接件，模型划分为87508个节点，49577个单元，网格平均质量为0.84，表明网格划分质量较好。将底部螺栓处选择为固定约束，根据实际情况，八角锥碳钢模板受到混凝土施加的横向均布载荷10k N，载荷及约束情况如图9所示。

图9 施加约束及载荷情况Fig.9 Constraints and Loads

4.2 结果及分析 在添加的约束及载荷下，对碳钢模板进行有弹性应变及静应力分析，其结果如图10所示。

图10 碳钢模板弹性应变及静应力分析结果Fig.10 Elastic strain and static stress analysis results of carbon steel template

由图10可知，碳钢模板的最大弹性应变为1.3297×10-5mm，弹性应变位置主要集中在开口部位，最大应力δmax=2.5735MPa，最大变形量δmax=0.0656MPa，应力和应变集中区域均分布在钢板开口位置处。根据机架所选用材料屈服强度为235MPa，由材料力学第四强度理论(式4)可判定钢模板结构是否满足强度要求，由式(5)可得其许用应力[9-10]。

式中：δ1、δ2、δ3分别为钢模板受到的3个法向的应力；[δ]为材料许用应力；[δS]为材料Q235的极限屈服强度，其值为235MPa；nS为材料安全系数，一般静载下，对于塑性材料可取nS=1.5～2.0，本文取nS=2。

由式(4)和式(5)计算可得，[δ]=117.5MPa，

而δmax=2.5735MPa＜[δ]=130.56MPa，钢模板受到的最大应力均小于钢结构的许用应力，且整个钢模板结构的变形量也较小，由此可以看出钢模板具有很好的结构强度，对于分析中应变和变形量产生于钢模板开口处，可通过在开口处增加支撑结构而减小应变和变形量发生。

5 施工效果

在混凝土强度达到设计要求后，进行底锥模板的拆除。模板拆除时，先进行螺栓的拆除，人工配合汽车吊拆除底锥模具，模具拆除后，再拆除垫圈。根据规范对混凝土进行养护，其综合效果如图11所示。

图11 钢模拆除后外观效果Fig.11 appearance effect of steel form work after removal

6 结论

由于污水处理工艺及后续安装施工原因，市政污水处理厂二次具有结构复杂、施工标准高、难度大的特点，造成许多二次结构达不到工艺要求而导致返工，增加了成本投入，影响工期。本文针对异型二次结构施工存在的问题，提出了异型二次结构施工关键技术及工艺，同时，为验证钢结构模板的强度，对该结构进行有限元静应力数值模拟计算，得出的主要结论如下：

(1)通过采用BIM技术对污水处理厂中的异型二次结构进行建模，将二维图纸转化为三维立体模型，并对二次结构形状特点进行分析，将难以一次成型的异型构件进行拆分组合，找到合适的施工方式，准确确定空间几何位置。

(2)通过对异型二次结构进行分析，提出了采用碳钢模板+化学螺栓固定和利用预埋件加固，钢管做斜撑的异型模板施工方法，并进行异型构件中由于钢模自身受到浮力而影响其稳定和混凝土浇筑性能进行受力验算。

(3)提出了污水处理厂异型二次结构的施工工艺，并详细阐述各工艺的技术要点。

(4)对砂滤池椎体结构碳钢模板结构进行有限元数值模拟计算，得出钢结构模板的最大变形量为0.0655mm，最大应力为2.7535MPa，钢模板受到的最大应力均小于钢结构的许用应力，且整个钢模板结构的变形量也较小，钢模板具有很好的结构强度，完全满足施工要求。