裝配式技術(shù)在污水廠建設(shè)中的應(yīng)用研究

梁亞楠 黃文海 秦 雄 陳安明 石穩(wěn)民 邱震寰 羅金學(xué)

(1.中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北 武漢 430056； 2.中建三局水務(wù)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430014)

我國(guó)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生水利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出2020年年底建制鎮(zhèn)污水處理率需達(dá)到70%，現(xiàn)有建制鎮(zhèn)污水處理率離這一目標(biāo)還有一定的距離，亟需新建大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的污水處理廠。目前污水處理廠的建設(shè)還是以傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方式為主，建設(shè)周期較長(zhǎng)，并且建設(shè)過程會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定程度的污染。裝配式建筑模塊化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化的建造方式，能提高建造效率，縮短建造工期，節(jié)約資源能源。在我國(guó)，已有將裝配式建造技術(shù)應(yīng)用到污水處理廠建設(shè)過程中的報(bào)道[1-3]。

本文通過闡述裝配式技術(shù)提出的背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、裝配式技術(shù)優(yōu)勢(shì)、裝配式污水處理廠構(gòu)件形式，分析裝配式技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題，為我國(guó)處理廠污水裝配式技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1 裝配式污水處理廠建造技術(shù)的發(fā)展歷程

裝配式建筑起源于19世紀(jì)的歐洲，由于具有建設(shè)速度快、質(zhì)量可靠的特點(diǎn)，成為許多西方國(guó)家解決二戰(zhàn)后居住短缺問題的最佳選擇。20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出裝配式建筑的問題。20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)開始出現(xiàn)將裝配式建筑技術(shù)應(yīng)用于貯水池的建設(shè)過程的報(bào)道[4]。

近年來，國(guó)家大力響應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)，提倡節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、可持續(xù)生命周期的發(fā)展模式，裝配式技術(shù)在污水處理環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用成為了行業(yè)逐步興起的熱點(diǎn)[3，5]。預(yù)制裝配式技術(shù)在水池中的應(yīng)用，是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，將預(yù)制裝配式構(gòu)件與現(xiàn)澆基礎(chǔ)相結(jié)合而成的預(yù)制水池，并廣泛應(yīng)用于各種類型的池體中[6，7，9]。目前市面上已有的不同材料的裝配式水池方案分別為：裝配式鋼筋混凝土水池[8]、裝配式鋼結(jié)構(gòu)水池[9]和裝配式玻璃鋼水池[7]。宋泓銳[10]用層次分析法對(duì)比了條石、砌塊、鋼筋混凝土玻璃鋼和鋼材作為裝配式水池材料的造價(jià)、性能和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)采用鋼筋混凝土作為裝配式廢水池的材料最為合理。

2 裝配式建筑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 縮短工期，節(jié)約成本

現(xiàn)澆工藝在現(xiàn)場(chǎng)施工，需要大量的勞動(dòng)力，且施工過程中易受到天氣條件的影響。而裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件均在廠內(nèi)完成，在整個(gè)預(yù)制安裝過程中，機(jī)械化程度高，能節(jié)約勞動(dòng)力，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度得到有效緩解，工業(yè)化效率高，因此其施工周期可大大縮短，從而節(jié)約時(shí)間成本及勞動(dòng)力成本。

2.2 節(jié)約資源

裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件在工廠內(nèi)批量生產(chǎn)，可大量減少模板、鋼管及腳手架等材料的使用，使得原材料成本大大減少。同時(shí)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)設(shè)備、模具還能重復(fù)使用，能夠減少耗材，節(jié)約資源。

2.3 提升建造的質(zhì)量

現(xiàn)澆鋼筋混凝土容易受到天氣、溫度等外界因素的影響，而裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件是在工廠內(nèi)按施工設(shè)計(jì)圖紙，采用標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式進(jìn)行預(yù)制而成，其在溫度、濕度等因素方面的控制較為精準(zhǔn)，并采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，使得在工廠預(yù)制的構(gòu)件質(zhì)量能夠得到保證[11]。

2.4 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響小

裝配式建筑所有預(yù)制構(gòu)件均在工廠內(nèi)完成，可有效降低建造過程中由揚(yáng)塵引起的大氣污染、建筑垃圾引起的水污染與噪聲污染等，減少對(duì)周邊環(huán)境的干擾，有利于改善生態(tài)環(huán)境；此外，采用裝配式施工設(shè)施能節(jié)省大量建造空間，從而減少因搬遷等因素造成對(duì)人文環(huán)境的影響。

3 裝配式水池的構(gòu)件形式

在污水處理單元中，常見的有矩形池及圓形池，圓形水池通常由圓柱殼、圓錐殼、環(huán)梁、圓板以及多支柱支撐的圓形無梁樓蓋等單元構(gòu)件所組成[11]。殼體大部分以軸向受力為主，能夠發(fā)揮全部材料的效能，受力性能好，剛度大，材料省，對(duì)于大容量的水池，在節(jié)約建筑材料和加快施工進(jìn)度的基礎(chǔ)上，能夠提高水池的抗裂抗?jié)B性能以及保證使用效果等優(yōu)勢(shì)[12]。矩形水池多為彈性薄板組成的空間結(jié)構(gòu)，具有占地面積少，便于水池設(shè)備的工藝布置和操作，可靈活劃分區(qū)間，設(shè)置隔墻和分層分格，構(gòu)件分類易于模數(shù)化，施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。組成裝配式水池的構(gòu)件形式一般有一字型、L型、U型。

3.1 一字型構(gòu)件

水池中一字型構(gòu)件常見的形式有如下3種(見圖1)，其中圖1a)一般獨(dú)立使用，圖1b)，圖1c)需與其他類型構(gòu)件配合使用。

圖1a)一般應(yīng)用在預(yù)應(yīng)力大型圓水池的建設(shè)過程中。在現(xiàn)澆底板留有杯槽，施工時(shí)使用吊車將預(yù)制一字型構(gòu)件吊入杯槽中，一字型構(gòu)件之間留一段后澆帶，便于后續(xù)的防滲處理。水池吊裝施工后，在外側(cè)加上預(yù)應(yīng)力鋼絲，并噴涂防水砂漿，保證水池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲效果。此種方式可減少現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆工藝工作量，減少施工周期。

3.2 L型構(gòu)件

預(yù)制構(gòu)件制成L型構(gòu)件，施工時(shí)靠自身直立，壁板底座伸出鋼筋焊接在一起，再在接縫處澆混凝土。L型構(gòu)件通常與圖1b)配合使用，可在高度方向靈活調(diào)整。L型壁板裝配水池實(shí)質(zhì)上是將以往現(xiàn)澆水池在池壁底部的施工縫移到地板邊緣處。這種結(jié)構(gòu)形式，施工簡(jiǎn)單，整配化程度高，整體性好，便于推廣[13,15]。但是這種形式的水池，構(gòu)件拼縫過多，后期防滲處理施工難度較大，若能在構(gòu)件拼接形式和構(gòu)件大小上做一定的改進(jìn)，這種預(yù)制L型構(gòu)件和一字型構(gòu)件的組合水池將有廣闊的應(yīng)用前景(見圖2)。

3.3 U型構(gòu)件

預(yù)制構(gòu)件為U型板塊，由兩側(cè)壁板和底板組成，在工廠整體現(xiàn)澆完成，U型構(gòu)件依靠壁板外側(cè)的對(duì)拉螺桿連接在一起，在構(gòu)件連接處做防水處理。U型構(gòu)件具有占地小、受力條件好、抗凍脹性能好的特點(diǎn)[16]。可與圖1c)配套使用，滿足矩形水池不同功能需求(見圖3)。

這種類型的裝配式水池，對(duì)于現(xiàn)澆基礎(chǔ)制作水平、模具質(zhì)量均有較高的要求，且受限于運(yùn)輸條件，此種水池的高度一般不超過3 m。

4 需要解決的關(guān)鍵問題

4.1 裝配式結(jié)構(gòu)拼縫處的防水處理

采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件的裝配過程中會(huì)產(chǎn)生較多拼裝接縫，給水池的防水性能造成較大的影響。如果在接縫處理過程中，采用的防滲技術(shù)不當(dāng)，或者施工過程中未能嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行施工，都極有可能造成水池的滲漏，裝配式水池后期滲漏問題的處理難度較現(xiàn)澆水池的大。目前，常用于現(xiàn)澆混凝土施工的防水材料很難滿足裝配式水池接縫處的防滲處理的要求，構(gòu)件拼接處結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新型防水材料的引入是解決裝配式水池防水問題的關(guān)鍵。

4.2 裝配式污水處理廠建設(shè)成本問題

裝配式污水處理廠一次投資成本有較大的部分是用于構(gòu)件模具的制作。裝配式水廠構(gòu)件形式確定以后，其安裝形式及排列組合方式受到一定的局限，較難實(shí)現(xiàn)特殊形狀部位的結(jié)構(gòu)表達(dá)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水池，需單獨(dú)制作異形構(gòu)件的模具。若無大批量的類似結(jié)構(gòu)裝配式污水處理廠的建設(shè)需求，裝配式污水處理廠建設(shè)過程中模具攤銷的成本將被放大，由此導(dǎo)致裝配式污水處理廠一次投資成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出現(xiàn)澆水池。

4.3 相關(guān)政策亟待完善

裝配式污水處理廠在國(guó)內(nèi)還屬于一個(gè)新概念，還未出臺(tái)相關(guān)規(guī)范、政策。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)院及施工單位對(duì)裝配式污水處理廠這一新理念存在一定的排斥，需要發(fā)布相關(guān)政策/規(guī)范，將裝配式污水處理廠建設(shè)過程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，從而促進(jìn)我國(guó)污水處理廠綠色建造技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)論與展望

裝配式建筑較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑相比，具有縮短施工工期、節(jié)約資源、減少環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)綠色可持續(xù)的發(fā)展要求[17]。但其在推廣應(yīng)用過程中存在構(gòu)件拼縫多，水池處防滲難度大、投資建設(shè)成本高、結(jié)構(gòu)表達(dá)不夠靈活以及相應(yīng)政策/規(guī)范缺失等問題，限制了裝配式建造技術(shù)在污水處理廠建設(shè)過程中的推廣與應(yīng)用。

在未來裝配式污水處理廠的研究中，需著重關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，制作的構(gòu)件具有更好的實(shí)用性，降低模具的攤銷成本；

2)引入新型防水材料，改善裝配式水池防滲問題；

3)改進(jìn)構(gòu)件連接形式，利于水池構(gòu)件拆卸及重復(fù)利用，便于污水處理廠后續(xù)的搬遷/提標(biāo)改造。通過以上問題的解決，可將裝配式污水處理廠的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。在國(guó)家大力推動(dòng)裝配式建造技術(shù)的政策背景下，裝配式污水處理廠市場(chǎng)前景廣闊。