大型水工建筑设计与相关专业技术对接研究

张文钦，孙 洁

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.烟台大学，山东 烟台 264000)

大型水工建筑设计的主要任务是在满足水工建筑物所具有的功能属性和安全运行的基础上，尽可能地实现水工建筑的外形美观，从而达到功能与形式、外表与内里的高度统一。随着此类工程的增多，从业人数不断增加，专业技术水平难免参差不齐。一项大型的水利工程常常综合了水保环评、水利规划、水工结构、地质勘探、建筑结构、给排水、金属电气等多个专业。本文根据多年的设计经验，总结出大型水工建筑设计流程和特点，以及与主要相关专业的对接要点，对水工建筑设计有一定的帮助意义。

1 水工建筑物概念

水工建筑物是指为合理开发、利用和保护水资源，减免水患灾害而修建的承受水作用的建筑物、构筑物。水工建筑物按照功能可分为两大类：一般性水工建筑物和专门性水工建筑物。一般水工建筑物主要有五类：挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取水建筑物、整治建筑物。专门水工建筑物又分为四类：水电建筑物、通航建筑物、给排水建筑物、过坝建筑物。本文所指的水工建筑物是指与一般性、专门性水工建筑物密切关联的具有开间进深等内部空间，有人进入内部空间操控，具有房屋建筑属性的水工房屋建筑物(以下简称水工建筑)。大型水工建筑物涉及专业广、结构复杂、各专业间相互影响因素多，以大型水工建筑物设计为例进行讨论具有广泛的代表意义。下面以大型拦河闸(溢洪闸)、大型泵站和大型水电厂房3类常用的大型水工建筑物设计为例阐述设计对接要点。

2 水工建筑物设计前期准备

在设计之前要全面掌握设计依据，包括文件依据、法规依据和已知资料依据等。

文件依据包括上级主管部门对该项工程的立项、阶段工程建设的许可批复等。

规范依据包括执行的法律规范文件名称、文号、规范编码等。水工建筑物设计常用的规范包括GB 50352—2005《建筑设计通则》、GB 50016—2016《建筑设计防火规范》、SL 253—2000《溢洪道设计规范》和GB/T 50265—2010《泵站设计规范》等。

相关专业资料依据包括水文气象、地质勘探、人文环境、水源水质、电源负荷等及附近相关环境、水陆交通状况等。

3 设计原则

设计过程中应遵循坚固、适用、美观、经济原则。

(1)坚固第一的原则。从结构形式方面，水工建筑物一般采用钢筋混凝土框架结构或砖混结构，而很少采用轻型钢结构、轻型木结构或钢木结构。钢筋混凝土结构建筑的合理使用年限一般为50～70年，可充分满足水工建筑物坚固性能要求。从选材方面，应选用材质特性稳定、造价经济、合理、适用的材料。要尽可能多地了解各种建材的性能特点，如墙体材料的硬度、抗压力、耐风化力等；防水材料的耐水性、耐腐蚀性、抗拉力性；保温材料的耐火性、耐酸碱性等；饰面材料的硬度、表面光洁度、耐磨性。

(2)功能优先的原则。与水工相结合的功能性建筑，应首先满足功能属性。围绕功能属性展开各种设备功能布局，进而优化布局的合理性，使综合布线经济有序，自动化设备控制系统简洁、自如，合理使用期内的运行性能持久可靠，检修备用系统正常可控。

(3)造型美观的原则。水工建筑物对美观的要求同样是越来越高，艺术设计中造型美的法则，对水工建筑物同样适用。运用诸如对称、反复、叠加、削减、流线等常用手法，以及复古、浪漫、仿生等艺术设计理念，可使水工建筑物在满足使用功能的前提下充满个性和时代气息。

(4)做到投资效益最大化。在保证使用功能的前提下节约投资，是水工建筑设计师的一项重要工作。节省投资的方法，一是综合平衡各种可用材料的特性和利弊，选用最佳替代材料；二是造型合理，繁简得当；三是合理选择建筑做法，避免工序和材料的重复浪费。

4 与各专业关键技术对接

一般情况下水工建筑设计应遵循以下设计流程。

(1)依据政策法规、上级立项批复文件、相关规程规范、已有地理地质资料，确定水工基础平面布置。

(2)水工专业提交资料给建筑、电气、金属结构专业并接收其反馈，多方协同推进。

(3)建筑专业经方案比选确定建筑方案，绘制建筑设计图纸，并将设计成果提交水工、建筑结构、给排水、电气、水保环评、概预算、施工组织设计等专业。

(4)编写水工建筑章节设计说明书。

(5)汇总提交阶段设计成果。

设计流程如图1所示。

图1 水工建筑设计流程图

由图1可以看出大型水利工程设计的流程特点为：下游环节以上游环节为基础和依据，下游环节将成果反馈上游环节，同时提交给其下游专业。层层相扣，密不可分。而建筑设计专业处于中游关键位置，起到承上启下的重要作用。建筑专业应以各相关专业所提资料为依据，设计出与这些专业相符合的建筑空间，并将设计成果向下游专业传递。

4.1 大型拦河闸、溢洪闸

各类水闸的工程规模应按现行的GBSL 265—2016《水闸设计规范》规定划定工程等级。水利枢纽工程中的中小规模水闸也应按大型水利工程规范规程要求来设计。

大型水闸按闸门启闭形式划分可分为吊装闸门开启式、闸门翻板式、电动伸缩式，其中电动伸缩式闸门无启闭机房，只有桥头堡和电气设备间。

近年来，新技术不断涌现，大跨度闸门的技术形式推陈出新，目前最常用的还是机电启动吊装式闸门。由于吊装式闸门带有机房，可方便工作人员操作、运行、检修，虽略显传统，但在当前和今后相当长的时间内仍会被使用。下面以吊装式闸门为例论述水闸与各主要专业的技术接口。

(1)依据水工专业所提的地面以下基础，来布置与之相对应的机架桥、机房轴网。普通建筑物一般布置轴网是由一层开始，而布置带有机架桥的水闸可先从机架桥层开始布置，在布置启闭机房轴网时，最常用的就是“三段八柱式”，即采用每跨3个开间的形式。因为大型水工基础常采用每跨6～18m，分成每跨3段，这样既符合模数，又可以做到由中间推出两侧桥头堡的平面定位。在布置机房每跨中间的框架柱时，应注意尽量与水工专业沟通，尽量使中间的框架柱与水工专业所提的机架桥板主次梁相对应，以增强机房每跨的整体性和稳定性，提高抗震强度。

(2)依据电气专业所提机架桥标高确定配电室、控制室所在层的轴网和标高。在满足电气设备所需虚实空间的前提下，综合考虑通过桥头堡进入机房的人流、综合布线的合理性，一般情况下将启闭机离边缘较宽的一侧定为人行通道，楼梯间所在的一侧为桥头堡远机房侧。进而以三层为基准向一二层推进。

(3)依据金属结构专业所提资料确定机架桥和控制层标高。一般情况下，若机架桥相对标高超过6m则可以将桥头堡的机架桥以下部分设两层，若机架桥相对标高小于6m，则只能安排一层。同时依据机架桥标高和电气专业所提设备间资料确定桥头堡轴网、层数和层高。合理布置柴油发电机室、10KV配电室等设备间，一般柴油发电机室和10KV配电室布置在一层。

这是家知名的小咖啡馆，店主是名画家，墙上挂着不少文艺复兴时期的仿制品。进门的墙边放着一架老式钢琴，一个十来岁的小男孩坐在钢琴前正全神贯注地弹奏一支肖邦的练习曲。

(4)在确定平面轴网的基础上确定立面造型。

(5)桥头堡与机房的连接形式。桥头堡与机房的连接形式一般有两种：一种是机架桥悬挑与桥头堡连接，另一种采用连廊搭接的形式与桥头堡连接。机架桥悬挑结构适用于基础较小，桥头堡机房距离较近的建筑物，悬挑长度一般在4m以内。连廊式的搭接一般用于桥头堡、机房边墩基础较大的建筑物，搭接连廊长度可达8～10m。特别注意在考虑桥头堡与机房的连接形式之前，应了解水工基础边墩伸出垂直边墩的长度，用以确定桥头堡的平面定位和悬挑长度(或连廊长度)，以避免底部基础冲突的问题。应尽量采取边墩立柱悬挑机架桥板，或增加边墩以外的立柱悬挑机架桥板的方式，尽量不在桥头堡上设牛腿，以提高桥头堡的稳定性和独立性。

(6)变形缝的处理。变形缝可分为楼地面、内墙、外墙、顶棚和屋顶变形缝等，宽度一般为80～100mm。应分别注明建筑做法。变形缝的处理也是水工建筑物应特别注意的重要环节，在设计带有屋面变形缝的水工建筑物时，应尽量避免坡屋面雨水放坡至沉降缝方向及屋面变形缝处雨水长期留存。设计人员应注意尽量使变形缝及其周围的屋面雨水迅速排走，以免因长期浸泡屋面而造成渗漏，影响工程质量。

(7)功能与形式是建筑设计中的两个不可分割的主题。建筑设计中的一般要求是形式服从于使用功能，但又不局限于使用功能。对称式造型是大型溢洪闸常用的建筑造型形式。为达到对称(或不完全对称)，常常需要增加一些面积，以满足造型审美的需要。单从功能要求出发，通常情况下可能一侧桥头堡中的面积就可满足使用要求，但为对称可增加另一侧桥头堡或楼梯间，以满足疏散人员和视觉上的要求。

4.2 大型泵站建筑

按照GB 50265—2010《泵站设计规范》第2.1条泵站等级指标规定，设计流量为50～200m3/s、装机功率为10MW以上的泵站为大型泵站。由于大型泵站机组数量多、主副厂房规模大，涉及岩土、水工、建筑、电气、自动化、金属结构、概预算等专业，各专业顺利对接非常重要。

大型泵站一般应有主副厂房组成，建筑专业设计与其他专业的对接顺序一般应遵循：

(1)依据水工专业所布置的基础和机组数量确定主厂房朝向、轴网。主厂房轴网的布置，应注意机组数量、主厂房纵向长度、水工基础布置情况、立面造型效果4个方面因素。

(2)依据水工机械专业所提吊车梁型号及吊车梁顶高程、梁底高程确定主厂房层高。

(4)依据水工总平面给出的主次干道及场地环境情况，综合考虑主副厂房主、次入口、副厂房门厅、主副厂房组合关系和行人通道、消防设备间、消防疏散，还应充分考虑电缆沟走向的合理性以及与设备间的连通等。合理布置以门厅为中心，以走廊为纽带的关联主副厂房、设备间、辅助房间的综合整体，并合理配置辅助房间，如值班室、卫生间等。卫生间应尽量避免与配电室相邻，如不能避免，墙面处理应采取防水、防火、防潮处理。

门厅和通往主厂房的室内通道是副厂房布置的关键一环。副厂房的门厅布置应注意以下因素：①靠近主干道或宽阔的庭院；②明显易找；③采光充足；④直接通向主厂房并成为连接各功能设备间的纽带。

(5)大型泵站主副厂房的沉降缝。与溢洪闸、拦河闸一样，变形缝的处理也是泵站建筑应特别注意的重要环节。在设计带有屋面变形缝的泵站时，也应尽量避免坡屋面雨水放坡至沉降缝方向，或屋面变形缝处雨水长期留存。应设置较大的排水坡度，尽量使变形缝及其周围的屋面雨水迅速排走，以免因雨水长期留存造成屋面侵蚀或渗漏。

(6)在平面轴网和功能分区确定的前提下确定立面造型。根据轴网和艺术设计理念推出水工建筑立面，应综合考虑以下因素：

①立面造型的虚实关系。立面虚实关系是建筑外形的生命线，而窗墙比常是立面虚实关系的重要因素。

②立面高度与圈梁的布置。一般情况下，层高超过4.2m的主厂房，应考虑增加一道圈梁，并且为采光更好，可采用立面上的双层窗。

③兼顾主副厂房体量关系确定立面造型的虚实松紧。主副厂房的体量关系常是建筑物立面造型虚实的控制因素，组合关系中体量大的厂房部分立面造型应放松、舒朗，而体量小的应紧密、精致。

④突出主次入口。主入口以出入行人为主，次入口以进出设备为主。两入口立面造型应兼顾统一。

设计主入口应兼顾门厅进行立面设计，应设置不少于300mm的一层室内外高差，以防止汛期或丰水季雨水倒灌入室内。主入口雨蓬造型应大方美观，突显主入口立面效果。

次入口一般为主厂房大门，一般用于进出设备，完成重型设备的运输、吊装、调试、检修，以保证正常调度运行。为保证运输设备的货车顺利出入安装间，安装间外的室内外高差常设坡道解决。坡道表面宜设置防滑层，坡度比值应遵循现行相关规范要求。

4.3 功能性厂房

包括水厂车间、机修间、防汛仓库等，下面以水处理车间为例，说明该类建筑物设计的要点：

(1)确定功能性厂房的用途，了解上级批复的建设规模和建筑物等级。

(2)根据给定的用地红线分配各个建筑物之间的位置、组合关系、朝向、大致面积、厂区大门道路宽度、主次干道、建筑物退让围墙、建筑物之间的采光、通风、绿化、厂区排水等因素，综合分析确定厂区总平面布置图。

(3)专业厂房基于相关专业所提资料确定轴网，布置功能分区。水厂常用的功能分区大致为两个大区，即配电区和水处理车间。配电区又分为：中控室、配电室、柴油发电机室、消防控制室等。水处理车间又分为：实验室、消毒室、加氯加药间等。两个大的功能分区一般应设防火门。大的配电区应设置辅助房间，如更衣室、值班室、卫生间等，门厅和走廊是通往各个功能间的通道和纽带。门厅的前侧应有广场或开阔的庭院，或靠近主干道，以方便行人或车辆通行。

(4)设置变形缝的功能性厂房，屋面设计应同样注意变形缝的处理。

(5)依据当地人文环境以及厂房功能和地域特点确定立面造型。

(6)综合布置水厂庭院。合理规划庭院交通，适当设置庭院绿化植被。

以上各种水工建筑物在确定基本方案后，在设计立面造型时应以草图方式做出多个与平面布置相对应的造型方案进行比较，并以较快速度确定。因为优秀方案的第一印象特别重要，时间久了反倒对形象的感悟会更迟钝，影响判断。

5 结语

本文从水工建筑专业设计的视角，创造性地提出了一般水工建筑物应遵循的设计流程，论述了水工建筑物的设计要点、与各相关专业的技术对接，以及关键环节应注意的问题，总结了大型水工建筑物立面造型的规律，阐述了水工建筑物与环境的对立统一规律，对初步从事水工建筑设计的人员具有一定的指导意义，对于从事该项工程设计管理人员有一定的借鉴意义。