地下污水处理厂结构设计要点和难点范文

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【摘要】：全地下、半地下污水处理厂布置紧凑、空间结构复杂，通过结构选型、空间布置、内力分析等，对多座全地下、半地下污水处理厂的结构设计进行对比、归纳，总结出设计要点及难点。

【关键词】：全地下；污水处理厂；半地下；结构设计；空间布置；内力分析

城市用地越来越紧张，人民对生活环境的要求越来越高，政府对环保的把控越来越严格。全地下、半地下污水处理厂（以下简称“箱体”）将整个或几乎整个工艺流程高度集成在一个箱体内，布置紧凑、巧妙，极大减少了厂区用地；箱体顶部还可设置公园、运动场等公共设施，提高土地利用率，很好地满足各方需求，因此越来越多的全地下、半地下污水处理厂在各地兴建。各地全地下、半地下污水处理厂设计各有风格、各成体系，本文总结广东、新疆、浙江、河北等多地全地下、半地下污水处理厂的设计经验，归纳全地下、半地下污水处理厂的结构设计难点、要点，为业界同行提供参考。

1材料的选择

全地下污水处理厂及半地下污水处理厂地下部分的箱体应考虑挡外水土、抗渗、防裂和防腐蚀需求，采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级根据规范[1～2]、水土的腐蚀性、结构构件强度及裂缝宽度[3]等确定。半地下污水处理厂地上部分宜选用钢筋混凝土结构。虽然钢结构可以满足大跨度的需求且施工周期短、造型多样、采光通透；但是造价相对较高且箱体设备层室内湿度比一般工业厂房大，钢结构的防腐和维护费用较高，增加运营成本，故而钢筋混凝土结构更优。在建筑和结构合理设计的情况下，钢筋混凝土结构也可以做出丰富多样的造型，见图1和图2。为增强箱体混凝土的抗裂、抗渗性能，掺入一定比例的高性能混凝土膨胀剂。外加剂的性能、掺入量、混凝土的配比及施工注意事项应满足GB50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》、JGJ/T178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》及相关行业标准要求。外加剂的类型由生产厂方提供给建设单位和设计单位，先进行试配，满足要求后方可使用并且生产厂方应结合构筑物的具体情况提供掺量、配比及技术担保措施。

2结构

2.1结构选择

2.1.1全地下污水处理厂

负二层（可能还有负三层）为蓄水构筑物和管廊，楼盖为梁板结构；负一层为设备间及功能用房等，外壁为挡土墙，中间为框架结构。柱网宜为正方形或长宽比＜1.5的矩形。以10×104m3/d的全地下污水处理厂为例。柱距均匀，以6~8m为宜，若给排水专业需要有大直径浓缩池等，可局部增加柱间距；负一层屋面可采用主次梁或井字梁的结构形式，亦可采用主梁+厚板的结构形式。主梁+厚板的结构形式支模简单，工期短；主次梁或井字梁结构形式混凝土用量少，节省造价。见图3。

2.1.2半地下污水处理厂

结构形式类似全地下污水处理厂，但因为设备间及功能用房层位于地上，故该层为纯框架结构。箱体一般为超长结构，规范要求需设置永久变形缝，出于工艺布置和防渗考虑，基于已有工程经验[4]和课题研究，箱体地下部分可不设缝，采用补偿收缩混凝土技术，合理布置后浇带，实现箱体地下部分无缝设计。半地下污水处理厂地上框架部分设置变形缝。

2.2结构布置

2.2.1整体原则

箱体内结构布置时，应遵循受力合理、构件简洁的原则，避免因结构构件冗余、笨拙造成空间浪费。

2.2.2布置技巧

1）标高。箱体底板尽可能平整，避免出现过多“台阶”。预处理、深度处理等池型复杂的区域，有大量的架空浅池、渠道等形成的“夹层板”，应对“夹层板”等中间层结构构件顶、底标高进行归并、统一。池顶除预处理区域外，其他区域最好为一个标高，既方便人、车通行，又可避免过多的楼梯压缩使用空间。

2）框架柱。为防止立于蓄水池中的框架柱影响水流，同时也尽可能避免污水对框架柱的腐蚀，主要池壁及导流墙应布置于柱网轴线上；若不可避免地有框架柱位于池中，则框架柱池中长度范围内应做好防腐措施，如加厚保护层、外贴钢板等；若立于池中的框架柱对水流有干扰，可采用圆形截面。见图4。

3）框架梁。蓄水池顶板开洞较多，区域面荷载差异较大，梁系布置时应统筹考虑，尽量减少框架梁截面的种类。箱体设备、功能用房层的屋面梁下会有较多悬挂吊车、电动葫芦等起重设备，主、次梁间高差不宜过大，特别：是当屋面为结构找坡时，过大的梁底高差会增加布置吊车梁的难度。箱体结构设计中，有时因受力需要增加一些对于其他专业“无用”的构件，或者改变一些构件的尺寸与定位，此时应与相关专业及时沟通，确认增加或改变这些构件的可行性，避免出现因构件增加或改变影响工艺使用。例如：当采用膜工艺时，膜池区域池顶标高位置主轴线上若设置框架梁，则可能影响膜箱的排布和安放。

4）房间。箱体设备层有多处变（配）电间，内置大量电缆沟。电缆沟可通过回填房间地面实现，但楼面荷载较大；而如果变（配）电间做防静电地板，结构板面荷载将大大减小，但是需要根据电气柜的位置布置“小框架”形成电缆沟。考虑“小框架”中的小柱对结构楼板的冲切作用，可在小柱下设梁；也可适当加厚整个房间区域结构楼板。相较于加梁的方式，加厚楼板可使电缆沟布置更灵活，电缆沟变更对结构计算的影响小。

5）荷载。半地下污水处理厂屋面除考虑一般建筑结构屋面荷载外，还应考虑梁、板下的悬挂荷载；若屋面设置光伏电池板，还应计入其荷载并做好屋面预留预埋。全地下污水处理厂屋面类似种植屋面，板顶可能种植植被、堆积假山、设置运动场地甚至机动车辆车行道，须考虑相应荷载。设备层的主车道应考虑消防车荷载。其他池顶区域根据使用需求，应考虑车辆荷载、堆积荷载等。

3建模计算及内力分析

3.1建模计算

箱体结构体系庞大且复杂，应整体计算。迈达斯、PKPM、盈建科等常用结构设计软件均可使用，设计人员可根据情况自行选择且应选择至少两种相互复核。值得注意的是，箱体结构构件种类和受力状态众多，在建模时不能一味为了尽可能详尽地体现箱体而盲目地将所有的构件都建进模型；应了解所用软件对各结构构件的计算假设，判断“箱体”结构构件的实际受力情况，建模时进行适当地转换或简化。例如：一些悬挑或架空的渠道，在基于“层”概念的结构软件中可以用相应的荷载模拟。箱体中设备众多，种类繁杂，施加荷载时应避免遗漏、重复，对于有动力作用效应的设备应考虑其动力作用效应。结构设计时，通常设备尚未招标，所以在施加设备荷载时，应多参考同类设备的厂家数据，避免出现设计荷载不足的情况。

3.2内力分析

箱体内力尤其是外池壁和底板的内力，应采用有限元软件整体分析，全面模拟实际工况[5]。有限元模型中板单元为理想弹性板，未考虑混凝土开裂、钢筋应力变化等因素，所以配筋设计时还应结合实际情况和工程经验，适当参考经典计算模型。

4设计难点

1）考验各专业的整合能力和协调能力。不同于传统污水处理厂设计前期以给排水专业为主，建筑、结构、电气等专业参与少的情况；箱体设计前期工艺池体的布置受结构专业的制约较大，需要给排水专业和结构专业在整个设计过程中都密切沟通、配合。随着设计的深入，电气、暖通等专业也应与结构专业密切配合，遇到问题及早沟通，防止出现管线与结构构件碰撞、预留洞位置不当等情况。以电气专业为例，为了美观基本不设置明线，因此设计早期就应明确预埋管线大致直径范围和铺设方式，结构专业以此确定是将电气预埋管线预埋在建筑面层内还是结构板内，如果预埋在结构板内，在板厚选择、板块计算时都会格外关注有预埋管线的位置。

2）考验结构专业设计能力。箱体基坑面积及深度大，基坑支护、抗浮设计、地基处理等都是结构设计的重要问题，同时也是投资较大的分部工程，需要结构专业有足够的相关工程经验。箱体中集成了整个污水处理厂的各个池型，结构构件布置时既要考虑各池型特点，又要兼顾箱体整体结构的统一性，需要结构工程师有一定的污水处理厂结构设计经验。箱体结构设计时应适当留有余量。例如：生化池留足液面超高，一方面满足工艺自身需求；另一方面生物池池顶框架梁较高，应避免梁底反复浸润造成腐蚀。随着设计的深化和设备招标的完成，还有因设备荷载加大需要增加梁高的可能。

5结论与建议

相较于传统污水处理厂，箱体结构设计对专业统筹和专业协调的要求更高。本文通过对箱体结构设计过程中重点、难点的梳理，总结了箱体结构设计的基本框架，从材料选择、结构选型、结构布置、内力分析与计算等几个方面分别阐述了箱体结构设计的特点。让BIM设计参与到箱体的设计中，可有效检查各专业之间的碰撞，增强各专业之间的协调性，减少因专业对接导致的设计返工等问题，提高设计效率；同时让设计成果面向业主时更加直观。

作者：都晓宁 王强 应建韩 尚琳 单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司