地下污水處理廠結構設計要點及難點分析

都曉寧， 王 強， 應建韓， 尚 琳

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

城市用地越來越緊張，人民對生活環境的要求越來越高，政府對環保的把控越來越嚴格。全地下、半地下污水處理廠（以下簡稱“箱體”）將整個或幾乎整個工藝流程高度集成在一個箱體內，布置緊湊、巧妙，極大減少了廠區用地；箱體頂部還可設置公園、運動場等公共設施，提高土地利用率，很好地滿足各方需求，因此越來越多的全地下、半地下污水處理廠在各地興建。

各地全地下、半地下污水處理廠設計各有風格、各成體系，本文總結廣東、新疆、浙江、河北等多地全地下、半地下污水處理廠的設計經驗，歸納全地下、半地下污水處理廠的結構設計難點、要點，為業界同行提供參考。

1 材料的選擇

全地下污水處理廠及半地下污水處理廠地下部分的箱體應考慮擋外水土、抗滲、防裂和防腐蝕需求，采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級根據規范[1～2]、水土的腐蝕性、結構構件強度及裂縫寬度[3]等確定。

半地下污水處理廠地上部分宜選用鋼筋混凝土結構。雖然鋼結構可以滿足大跨度的需求且施工周期短、造型多樣、采光通透；但是造價相對較高且箱體設備層室內濕度比一般工業廠房大，鋼結構的防腐和維護費用較高，增加運營成本，故而鋼筋混凝土結構更優。在建筑和結構合理設計的情況下，鋼筋混凝土結構也可以做出豐富多樣的造型，見圖1和圖2。

圖1 浙江某半地下污水廠處理廠

圖2 新疆某半地下污水廠處理廠

為增強箱體混凝土的抗裂、抗滲性能，摻入一定比例的高性能混凝土膨脹劑。外加劑的性能、摻入量、混凝土的配比及施工注意事項應滿足GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》、JGJ/T178—2009《補償收縮混凝土應用技術規程》及相關行業標準要求。外加劑的類型由生產廠方提供給建設單位和設計單位，先進行試配，滿足要求后方可使用并且生產廠方應結合構筑物的具體情況提供摻量、配比及技術擔保措施。

2 結構

2.1 結構選擇

2.1.1 全地下污水處理廠

負二層（可能還有負三層）為蓄水構筑物和管廊，樓蓋為梁板結構；負一層為設備間及功能用房等，外壁為擋土墻，中間為框架結構。柱網宜為正方形或長寬比＜1.5的矩形。

以10×104m3/d的全地下污水處理廠為例。柱距均勻，以6～8 m為宜，若給排水專業需要有大直徑濃縮池等，可局部增加柱間距；負一層屋面可采用主次梁或井字梁的結構形式，亦可采用主梁+厚板的結構形式。主梁+厚板的結構形式支模簡單，工期短；主次梁或井字梁結構形式混凝土用量少，節省造價。見圖3。

圖3 全地下污水廠處理廠局部剖面

2.1.2 半地下污水處理廠

結構形式類似全地下污水處理廠，但因為設備間及功能用房層位于地上，故該層為純框架結構。

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箱體一般為超長結構，規范要求需設置永久變形縫，出于工藝布置和防滲考慮，基于已有工程經驗[4]和課題研究，箱體地下部分可不設縫，采用補償收縮混凝土技術，合理布置后澆帶，實現箱體地下部分無縫設計。半地下污水處理廠地上框架部分設置變形縫。

2.2 結構布置

2.2.1 整體原則

箱體內結構布置時，應遵循受力合理、構件簡潔的原則，避免因結構構件冗余、笨拙造成空間浪費。

2.2.2 布置技巧

1）標高。箱體底板盡可能平整，避免出現過多“臺階”。預處理、深度處理等池型復雜的區域，有大量的架空淺池、渠道等形成的“夾層板”，應對“夾層板”等中間層結構構件頂、底標高進行歸并、統一。池頂除預處理區域外，其他區域最好為一個標高，既方便人、車通行，又可避免過多的樓梯壓縮使用空間。

2）框架柱。為防止立于蓄水池中的框架柱影響水流，同時也盡可能避免污水對框架柱的腐蝕，主要池壁及導流墻應布置于柱網軸線上；若不可避免地有框架柱位于池中，則框架柱池中長度范圍內應做好防腐措施，如加厚保護層、外貼鋼板等；若立于池中的框架柱對水流有干擾，可采用圓形截面。見圖4。

圖4 某半地下污水廠處理廠生化池結構一隅

3）框架梁。蓄水池頂板開洞較多，區域面荷載差異較大，梁系布置時應統籌考慮，盡量減少框架梁截面的種類。箱體設備、功能用房層的屋面梁下會有較多懸掛吊車、電動葫蘆等起重設備，主、次梁間高差不宜過大，特別：是當屋面為結構找坡時，過大的梁底高差會增加布置吊車梁的難度。

箱體結構設計中，有時因受力需要增加一些對于其他專業“無用”的構件，或者改變一些構件的尺寸與定位，此時應與相關專業及時溝通，確認增加或改變這些構件的可行性，避免出現因構件增加或改變影響工藝使用。例如：當采用膜工藝時，膜池區域池頂標高位置主軸線上若設置框架梁，則可能影響膜箱的排布和安放。

4）房間。箱體設備層有多處變（配）電間，內置大量電纜溝。電纜溝可通過回填房間地面實現，但樓面荷載較大；而如果變（配）電間做防靜電地板，結構板面荷載將大大減小，但是需要根據電氣柜的位置布置“小框架”形成電纜溝。考慮“小框架”中的小柱對結構樓板的沖切作用，可在小柱下設梁；也可適當加厚整個房間區域結構樓板。相較于加梁的方式，加厚樓板可使電纜溝布置更靈活，電纜溝變更對結構計算的影響小。

5）荷載。半地下污水處理廠屋面除考慮一般建筑結構屋面荷載外，還應考慮梁、板下的懸掛荷載；若屋面設置光伏電池板，還應計入其荷載并做好屋面預留預埋。

全地下污水處理廠屋面類似種植屋面，板頂可能種植植被、堆積假山、設置運動場地甚至機動車輛車行道，須考慮相應荷載。

設備層的主車道應考慮消防車荷載。其他池頂區域根據使用需求，應考慮車輛荷載、堆積荷載等。

3 建模計算及內力分析

3.1 建模計算

箱體結構體系龐大且復雜，應整體計算。邁達斯、PKPM、盈建科等常用結構設計軟件均可使用，設計人員可根據情況自行選擇且應選擇至少兩種相互復核。

值得注意的是，箱體結構構件種類和受力狀態眾多，在建模時不能一味為了盡可能詳盡地體現箱體而盲目地將所有的構件都建進模型；應了解所用軟件對各結構構件的計算假設，判斷“箱體”結構構件的實際受力情況，建模時進行適當地轉換或簡化。例如：一些懸挑或架空的渠道，在基于“層”概念的結構軟件中可以用相應的荷載模擬。

箱體中設備眾多，種類繁雜，施加荷載時應避免遺漏、重復，對于有動力作用效應的設備應考慮其動力作用效應。結構設計時，通常設備尚未招標，所以在施加設備荷載時，應多參考同類設備的廠家數據，避免出現設計荷載不足的情況。

3.2 內力分析

箱體內力尤其是外池壁和底板的內力，應采用有限元軟件整體分析，全面模擬實際工況[5]。

有限元模型中板單元為理想彈性板，未考慮混凝土開裂、鋼筋應力變化等因素，所以配筋設計時還應結合實際情況和工程經驗，適當參考經典計算模型。

4 設計難點

1）考驗各專業的整合能力和協調能力。不同于傳統污水處理廠設計前期以給排水專業為主，建筑、結構、電氣等專業參與少的情況；箱體設計前期工藝池體的布置受結構專業的制約較大，需要給排水專業和結構專業在整個設計過程中都密切溝通、配合。

隨著設計的深入，電氣、暖通等專業也應與結構專業密切配合，遇到問題及早溝通，防止出現管線與結構構件碰撞、預留洞位置不當等情況。以電氣專業為例，為了美觀基本不設置明線，因此設計早期就應明確預埋管線大致直徑范圍和鋪設方式，結構專業以此確定是將電氣預埋管線預埋在建筑面層內還是結構板內，如果預埋在結構板內，在板厚選擇、板塊計算時都會格外關注有預埋管線的位置。

2）考驗結構專業設計能力。箱體基坑面積及深度大，基坑支護、抗浮設計、地基處理等都是結構設計的重要問題，同時也是投資較大的分部工程，需要結構專業有足夠的相關工程經驗。

箱體中集成了整個污水處理廠的各個池型，結構構件布置時既要考慮各池型特點，又要兼顧箱體整體結構的統一性，需要結構工程師有一定的污水處理廠結構設計經驗。

箱體結構設計時應適當留有余量。例如：生化池留足液面超高，一方面滿足工藝自身需求；另一方面生物池池頂框架梁較高，應避免梁底反復浸潤造成腐蝕。隨著設計的深化和設備招標的完成，還有因設備荷載加大需要增加梁高的可能。

5 結論與建議

相較于傳統污水處理廠，箱體結構設計對專業統籌和專業協調的要求更高。本文通過對箱體結構設計過程中重點、難點的梳理，總結了箱體結構設計的基本框架，從材料選擇、結構選型、結構布置、內力分析與計算等幾個方面分別闡述了箱體結構設計的特點。

讓BIM設計參與到箱體的設計中，可有效檢查各專業之間的碰撞，增強各專業之間的協調性，減少因專業對接導致的設計返工等問題，提高設計效率；同時讓設計成果面向業主時更加直觀。