乌东德水电站K25溶洞集控楼建筑创新设计

倪 爱 民，周 自 清，李 丽 君

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜宾市)4个水电梯级中的最上游一个梯级[1]。工程为Ⅰ等大(1) 型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成[2]。坝址位于干热河谷地区，两岸峡谷陡峻，基岩裸露，岩质坚硬。紧邻大坝右坝肩处存在一个天然岩溶斜井——K25溶洞[3]。该溶洞有“形态不规则、大跨度、高边墙、小夹角”的工程特点[4]。可研阶段，拟将大坝集控楼布置在右坝肩988 m平台下游侧。

实施阶段，为减少原本狭小的右坝肩施工场地占用和干扰，加快大坝混凝土浇筑施工进度，设计团队因地制宜，结合K25溶洞混凝土回填，创造性地提出了将集控楼调整到K25溶洞的布置方案。通过设计创新，运用BIM三维协同设计，在有限空间里，完善了集控楼的功能布置，解决了消防安全疏散、管线综合、溶洞空间环境等技术难题。新颖的“飞流”建筑形体，成为了乌东德水电站坝区一道美丽的风景。

1 设计起源

乌东德水电站坝址紧邻大坝右坝肩处的天然岩溶斜井——K25溶洞(见图1)，为顺层发育的死亡型岩溶斜井，自上而下向坡外发育、规模逐渐减小，在高程910～890 m呈规模较大的斜井状[5]。

图1 K25溶洞区位关系示意Fig.1 Location relation map of K25 Karst cave

对K25岩溶斜井，主要采取开挖斜井内充填物、回填混凝土的方式进行处理。斜井内充填物开挖前，对穹顶部位进行了修型、锚固处理，以防止下部充填物开挖时顶部掉块[6]。对穹顶以下部位，采取随层开挖、随层支护方式，对洞壁溶蚀岩体进行固结灌浆，以确保施工期安全及运行期右坝肩抗力岩体状态良好。在治理K25岩溶斜井过程中，分层布置了若干施工支洞。

乌东德水电站坝顶及左右岸坝肩高程为988 m，右坝肩平台为上坝交通及施工期大坝混凝土浇筑的卸料平台，平台宽为20～27 m，建设完设备用房后，场地净宽约为12 m；10-1～10-2洞口之间长约120 m，10-2洞口至下游边坡马道长约53 m，为不规则场地。可研阶段，大坝集控楼布置在右坝肩988 m平台下游侧。

实施阶段，为了减少对原本狭小的右坝肩施工场地的占用和干扰，加快大坝混凝土浇筑施工进度，设计团队因地制宜，结合K25溶洞混凝土回填，创造性地提出将集控楼调整到K25溶洞内的布置方案。

2 空间利用

基于大坝主体水工结构受力及安全需要，K25溶洞下部采用混凝土回填，至标高988 m处与大坝坝顶齐平。溶洞内部形成一个长为62.8 m、宽为32 m、最高点达24.8 m的空间，单层可建设面积约为1 100 m2。经过充分研究和论证，最终确定利用K25溶洞988 m高程以下11 m的混凝土回填空间和988 m高程以上空间来建设大坝集控楼。由于左、右岸电站均为地下厂房，主变洞内副厂房的中控室等室内运维环境相对较差，实施过程中，将原设计的单一大坝集控功能调整为整个枢纽的集中控制中心。在标高988 m以上拟建集控楼一层，利用混凝土回填空间来建设附属设备用房，混凝土回填标高最低控制在977 m以上(大坝正常蓄水位为975 m)，这样就可建地下空间2～3层，减少了混凝土回填量约1万m3。

在坝顶988 m高程上下分布有3条施工支洞。右坝肩988 m高程连接的10-D为集控楼主要出入口；970 m高程连接的10-2施工支洞为第二安全疏散通道；1 006 m洞顶高程连接的10-1施工支洞，为中控室精密空调平台及溶洞空间的排风口，可以保证溶洞内的自然通风。K25溶洞集控楼空间关系如图2～4所示。

图2 集控楼平面示意Fig.2 Location relation map of centralized control building

图3 集控楼纵剖面示意Fig.3 Vertical section of centralized control building

图4 集控楼横剖面示意Fig.4 Cross section of centralized control building

3 选址分析

3.1 同类工程对比

纵观国内外水电工程案例和参阅相关文献资料，电站厂房布置于地下山体的较为常见，但并无将集控楼设置于溶洞或地下山体的案例及研究。在乌东德水电站创新性地利用坝肩的天然溶洞来布置集控楼，尚属国内外水电站工程首例。

3.2 优 势

将集控楼建在K25溶洞内具有以下优点：

(1) 安全。可以规避落石危险，防震、防水雾；半封闭的空间是天然的安全屏障，在安保、防护上具有优势。

(2) 集约。有利于大坝混凝土浇筑施工组织，减少右坝肩场地占用和施工干扰，加快主体施工进度。

(3) 舒适。利用洞顶拔风，增强空气对流，改善干热气候，可以营造舒适的内部环境。

(4) 经济。利用K25溶洞空间，减少了混凝土回填，可以节约工程投资。

4 造型方案创作

水工建筑物的造型设计，需要融合美学、水工力学[7]。K25溶洞集控楼造型设计灵感来源于大坝开闸泄洪时“水流飞泄”的自然形态，兼具灵动与力量的美感。设计过程中，提取了大坝泄洪时的水流曲线形态来塑造集控楼建筑形体，柔美的流线造型与洞中岩壁肌理碰撞，又宛如一颗璀璨的洞中明珠，建筑造型方案的创作过程如图5所示。建筑物内部采用钢筋混凝土框架结构，外部为钢结构铝板玻璃幕墙。

图5 建筑方案创作过程Fig.5 Creation process of architectural scheme

5 建筑设计

5.1 集控楼功能布局

K25溶洞集控楼是以中控室为中心布置各功能用房，标高988 m以上为一层，以下为二层，局部为三层。一层为大厅、中控室、运行后台间、办票室、消防控制室、通讯值班室等；负一层主要为辅助盘室、计算机室、工程师站、会议室、通讯设备间、气体灭火气瓶间、通风机房、排烟机房等设备用房；负二层主要为配电室、UPS室、EPS室、蓄电池室、维修间等辅助设备用房；局部负三层为电缆室及电缆廊道。

建筑一层层高为4.8 m(局部为4.0 m)，负一层、负二层层高为4.0 m，局部负三层层高为3.0 m。室内外高差0.1 m，缓坡过度。

5.2 建筑消防设计

设计过程中注重建筑消防设计，合理利用基地条件，控制建筑体量。主入口10-D预留洞口以满足消防车道净空的要求，集控楼周边形成环形通道。建筑内设2部楼梯以解决上下交通问题，利用970 m高程连接10-2的施工支洞为第二安全疏散通道，以满足消防疏散的要求。这样的设计既考虑到了集控楼建筑室内防排烟要求，又单独设置溶洞内集控楼室外空间的防排烟要求。

5.3 洞口一体化设计

主入口10-D为施工期预留的城门洞型施工洞，宽8 m、拱高约7.5 m、深约2.3 m。在有限的洞口空间内，首先需要解决消防通道4 m×4 m的净空要求，其次需要预留6 m2的新风通道，再次还需预留进出管线通道和检修空间。建筑设计统筹协调，洞内、洞外一体化设计，布置上先主后次、上下联动、左右兼顾。利用视觉分析，扩大集控楼前空间场地，突显集控楼“飞流”造型的视觉效果。

5.4 溶洞空间环境设计

溶洞内集控楼室外地面采用毛面花岗岩石材铺装。集控楼前场地渗漏滴水点采用张拉膜装饰防水：通过不规则张拉膜覆盖顶棚空间，防止洞顶渗水滴落，张拉膜低处通过导管集中收集渗水，引排至洞壁边缘截水沟，如图6所示。

图6 K25溶洞空间环境效果Fig.6 Space environment effect of K25 Karst cave

6 BIM三维设计运用

对项目全过程采用三维协同设计[8]。设计过程中，将溶洞内部地形实测数据同步导入三维模型。充分结合地形，动态调整建筑物高度和宽度，对局部突出的岩石进行避让，以避免建筑物与溶洞内部局部山体碰撞。

在从概念方案向施工图设计方案转换的过程中，通过三维设计能更加准确地还原概念方案“水流飞泻”的造型，直观反映三维参数变化带来的建筑物形态调整。结合调整效果反向定位建筑物外轮廓曲线控制点坐标，将抽象的造型有理化，从而为后期幕墙的二次设计与现场施工提供了较为精确的数据及参照。

由于k25集控楼中各专业管线繁多，相较于传统的二维设计，BIM三维设计体现了协同性的优势，能够直观表达管线的走向，更好地避免专业间的碰撞冲突。设备专业进行管线设计均基于建筑模型的开展，将多专业的管线布置协同进同一个三维模型。通过三维碰撞检查，将大部分碰撞问题在施工图设计过程中予以解决，为后期施工节约了工期与成本[9](见图7)。施工图设计成果采用BIM三维正向出图(见图8)。

图7 多专业协同设计Fig.7 Multi discipline collaborative design

图8 BIM三维正向出图Fig.8 BIM 3D forward plotting

7 室内装修设计

对于集控楼的室内装修设计，采用重点部位高档装修与一般部位中档装修相结合的标准。重点装修部位为门厅(见图9)、中控室(见图10)以及会议室等，采用干挂石材(烤漆玻璃背景墙)、地面石材铺装、轻钢龙骨整体式石膏板吊顶结合透光软膜的装修方案，简洁实用。对于一般部位，采用玻化砖铺地、涂料内墙面，铝合金板吊顶或涂料顶棚。总体设计方案使用新材料，采用新工艺，创造了室内新的界面造型和空间形态[10]。

图9 集控楼大厅装修效果图Fig.9 Decoration effect drawing of centralized control building hall

图10 集控楼中控室装修效果图Fig.10 Decoration effect drawing of central control room of centralized control building

8 集控楼试运行效用

集控楼于乌东德水电站首批机组投产发电之日同步交付给了长江电力股份有限公司，并投入试运行使用。利用天然溶洞布置集控楼，避免了集控楼坝肩布置方案因为无施工作业面而导致工期延后的情况，为水电站首批机组提前一个月发电创造了有利条件。图11为k25溶洞集控楼实景。

图11 K25溶洞集控楼实景Fig.11 Live photo of K25 Karst cave centralized control building

根据现场温度实测，试运行期间坝肩温度为34 ℃时，洞内环境温度仅为26 ℃。天然溶洞环境有效降低了建筑物能耗损失，创造了适宜的工作环境，体现了绿色生态设计理念。

溶洞内部对围岩统一支护，通过锚索强化洞壁稳定性，有效降低了集控楼设置于坝肩所可能存在的边坡细小落石破坏和泄洪雾化风险。

9 结 论

水利工程建筑设计往往注重功能而忽略建筑形象，后期外观上的缺陷则需采取建筑装饰手段被动弥补，不能从根源上主动避免。在该项目建设过程中，设计团队从设计初期便因地制宜、因势利导，利用天然的K25溶洞空间布置集控楼，既能有效规避高边坡落石风险、创造安全舒适的运维环境，又有利于大坝建设期施工组织有序施工，减少原本狭小的右坝肩施工场地占用和干扰。

通过利用K25溶洞988 m高程以下11 m的空间来布置集控楼，直接减少了溶洞内原本需回填的混凝土约1万m3，减少了原坝肩基础开挖量1 000 m3。同时，该方案可使集控楼建设与坝肩施工平行作业，互不干扰，极大缩短工期近6个月，为保证电站首批机组如期发电创造了有利条件。

K25溶洞集控楼实现了建筑形式、功能与地形环境的有机结合。 “天工开物别有洞天”，集控楼“水流飞泄”的自然形态，兼具灵动与力量的美感，成为乌东德水电站坝区一道美丽的风景。通过创新设计，统筹协调、内外兼修，创造了安全运维、环境舒适的建筑场所。