竹园污水处理厂ZY3.1标调蓄池项目作为上海市重要的污水处理设施之一，具有重要的雨水调蓄和净污作用。传统做法中，调蓄池的钢筋混凝土箱体结构、支撑、顶盖均采用现浇，近20米高的地下埋深中需要搭设大量脚手架，并支设模板后现浇施工，施工周期长、人工成本高、现场工序复杂。本项目通过创新性地在地下调蓄池的混凝土顶盖区域采用装配式建造，通过标准化构件类型、利用UHPC简化节点构造、设置免支撑施工方案，有效解决软土条件下工程内结构施工过程中遇到的超高支模和节点施工质量低的问题，充分发挥了装配式建造技术高标准化、高精细化、高效率的优势，收到了良好的应用效果。
/ 传统做法和装配式建造的对比 /
项目概况
竹园污水处理厂项目位于上海市浦东新区，规划新建四期工程，整体污水处理规模120万立方米/日，是市域内重要污水处理基础设施集群。其中，四期工程中容量为50万立方米的地下调蓄池部分采用装配式混凝土结构体系进行设计和建造。建成后可大幅削减片区雨季溢流频次，巩固中心城区河道治理，保护长江口近岸水环境质量，对推动“长江大保护”的国家战略具有重大意义。
地下调蓄池由2个调蓄区域和廊道、泵房四部分组成，总占地面积约36000平方米。
/ 项目位置图 /
/ 项目效果图 /
桩基围护工程
场地属滨海平原地貌类型，场地类别为Ⅳ类，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g（即9.8米/秒²），所属的设计地震分组为第二组。地下调蓄池整体为钢筋混凝土箱体结构，底板采用筏板加钻孔灌注桩群桩基础，围护墙采用现浇钢筋混凝土地下连续墙并与后浇内衬层组成永久叠合墙来共同承担使用阶段荷载。基坑整体尺寸约230米×180米，调蓄池主体高度约20.6米，基坑内设4道钢筋混凝土支撑，属超过一定规模、危险性较大的分项工程。
/ 地下结构剖面图 /
/ 地下结构施工俯视图 /
装配式结构设计
调蓄池属地下新建工程，并不受《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》等现行装配式政策约束，为业主自主选用部分装配式建造方式，以达到节约工期、施工便捷、减少人工与措施费用、降低造价等最终目标。
设计思路
为提高预制构件的可复制性，选取调蓄池中央可复制较强的区域作为主要预制部位，其柱跨间距一致，且梁、板的可复制单元基本相同，便于实现构件的标准化。
在施工图设计阶段，深化设计团队协调建筑和结构专业对地下调蓄池的柱跨进行标准化布置，按照“多组合，少规格”原则归并结构柱、梁和板截面及配筋尺寸。共设计免撑预制叠合梁、免撑预制叠合板和高标准化牛腿柱三种装配式结构构件。
/ 预制区域平面布置图 /
/ 预制构件标准化及构件示意 /
装配式预制构件设计
高标准化牛腿柱是将预制叠合梁端部免撑所需的支座以混凝土牛腿的形式集成于标准柱跨内的矩形截面柱上部，同时优化相同截面柱内配筋规格。
免撑预制叠合梁将梁底部纵筋、受扭腰筋、箍筋、端部抗剪附加筋、设备专业所需套管、施工所需埋件等一体化集成，同时在原矩形梁腰部两侧制作宽500毫米、高200毫米的预制挑板，用以支撑上部预制叠合楼板。
免撑预制叠合板采用底板密拼式做法，将板底双向分布筋、吊筋和设备预留洞等集成。250毫米厚的免撑预制叠合板相较于传统桁架钢筋叠合板，设置了钢绞线及多排钢筋网片用以替代桁架钢筋来增加整体刚度。
/ 高标准化牛腿柱 /
/ 免撑预制叠合梁 /
/ 免撑预制叠合板 /
依托本项目柱跨标准的优势，装配式结构专业对装配范围内的预制构件外形尺寸及其配筋进行了充分地优化与归并，在保证结构安全的同时，兼顾了实施的经济性和施工的便利性。预制梁的共模率达到了1:40，预制叠合板的共模率达到了1:91，单个构件摊销到的模具费用非常低，较好地压缩了构件预制所需的模具成本。
本工程装配整体式结构承载能力极限状态及正常使用极限状态的作用效应分析采用弹性方法，在结构内力与位移计算时对于各种设计工况，装配整体式结构采用与现浇混凝土结构相同的方法进行结构分析。同时依据国标规范及图集对各类型预制构件进行短暂的工况验算。
连接节点设计
高标准化牛腿柱与免撑预制叠合梁的节点核心是本工程结构设计关键节点之一。针对核心区内有限空间条件下柱托多根等高预制叠合梁，多排纵向钢筋如何合理排布这一难题，团队从配筋、材料、构造做法及施工指导方面着手解决：
配筋方面：设计在满足规范要求前提下对梁柱纵筋进行“大直径，少根数”的等截面代换优化；
材料方面：采用UHPC超高性能混凝土浇筑梁柱节点核心区，预制叠合梁底部纵筋直锚最小锚固长度可控制为12.5d，相较于普通混凝土条件下纵筋基本锚固长度的要求，可大幅减少同方向底筋干涉的发生；
构造做法方面：对预制叠合梁底部纵筋采用1：6水平弯折方式以避免同柱纵筋干涉，采用1：6竖直弯折方式形成高差以避让不同向预制叠合梁间底筋；
运用三维可视化建筑模型：将轴线定位关系与施工安装次序融入预制构件编号设计中，通过预先模拟来指导施工。
免撑预制叠合板间做法是本工程结构设计关键节点。板间采用底部密拼、上部预留凹口，可使预制叠合板底筋互锚后再浇筑UHPC超高性能混凝土，省去板底封模工序，使预制叠合板底筋弯折45°伸入UHPC后浇区内锚固，同时在叠合板上表面敷设附加筋，以提升楼板的整体性。
/ UHPC梁柱节点核心区节点、UHPC预制叠合板间密拼节点 /
节点施工工序设计
深化设计阶段，团队充分考虑施工过程中可能出现的节点安装问题，通过BIM可视化建模，模拟施工工序，确保现场安装可靠、便捷。本工程中装配式节点的整体施工工序共分为五个环节，依次为：
1）精准施工高标准化柱，确保柱纵筋伸入节点核心内的定位偏差小于1厘米；
2）合理配置预制叠合梁吊装顺序，依次将其落位至标准化柱牛腿上部并坐浆；
3）绑扎梁柱节点核心区内箍筋并确保受扭附加筋通过机械连接方式锚固至节点内；
4）依次吊装免撑叠合板至预制叠合梁牛腿上部并坐浆，而后绑扎上部叠合层内配筋；
5）利用预制叠合梁中预留的螺栓埋件对整个梁柱节点的拼缝封模并浇筑UHPC超高性能混凝土。
/ 装配式梁柱节点施工模拟 /
技术创新点
创新预制构件连接方式
关键节点区域采用UHPC高强高性能混凝土材料。工程具体应用前，设计团队组织开展多轮典型构件、连接节点试验与专家论证，充分验证了UHPC超高性能混凝土与常规水泥基结构材料进行性能对比，具有高强度、高韧性、高和易性和高耐久性等特点。UHPC的实用化抗压强度在标准龄期28d时可达到约150~250MPa，单轴拉伸试验数据显示，UHPC在前期线性应变阶段中，可承受的拉伸应力是高延性水泥基复合材料(ECC)、纤维增强混凝土(FRC)等材料的多倍。因此采用UHPC可以有效缩短预制叠合梁伸入核心区和预制叠合板间拼缝处的钢筋锚固长度，简化关键节点现场施工操作，保证构件节点高效连接。
/ UHPC与普通混凝土性能对比 /
高标准化预制构件应用
项目前期充分运用装配式设计理念对柱网标准化设计，施工图阶段中拟定装配范围，并对预制构件外形尺寸及其配筋充分优化与归并，在设计端保证结构安全的前提下，兼顾了预制构件生产经济性与施工便利性。预制构件生产所需的钢模具可重复使用超65次，实现了高共模、高周转。
建筑信息模型辅助设计
设计团队搭建了调蓄池现浇主体结构及装配式范围内的可视化BIM模型，模拟现浇与预制构件间的空间关系，校核节点内各类钢筋干涉情况，充分考虑预制构件内部的机电管线预留预埋和多类型配筋排布分析，并对预制构件进行生产脱模和施工安装阶段的多工况验算。精细化BIM不仅局限于设计端，模型导出的工程量清单和工序模拟等各类详细数据可传导至预制构件生产端和施工端。
/ 典型预制构件剖面分析图 /
设计引导施工提质增效
项目设计阶段充分考虑施工需求，高标准化柱和预制叠合梁的牛腿设计，帮助施工单位实现了预制范围内免支撑作业，有效缩减高支模措施费160余万元、减少现场湿作业工程量并提升施工安全程度。同时，预制构件间采用的装配式新型节点对施工精度的需求高于普通现浇钢筋混凝土，因此可正向引导施工单位在工艺和流程上提升品质，进而有效降低现场非确定因素对主体结构质量的影响。
调蓄池工程中装配式设计、生产的预制主体结构构件均已顺利施工就位。单个预制构件现场安装耗时约15~30分钟，全部预制构件安装周期为2周，节约50%的原定施工周期。
/ 现场施工安装实景 /
总结
竹园污水处理厂ZY3.1标调蓄池项目装配式建筑设计充分考虑项目特点，通过创新预制构件连接方式，标准化通用预制构件，利用BIM软件开展辅助设计工作，引导施工提质增效并收到了良好的应用效果。项目成功设计应用了预制免撑叠合梁板新体系，发挥高强高性能混凝土（UHPC）材料优势，运用建筑信息模型新技术，探索了在复杂地质条件下装配式地下结构的实施可行性，真正将新型建筑工业化的技术优势转化为实际生产力和综合效益。
/ 完工实景 /
项目信息
项目名称 | 竹园污水处理厂ZY3.1标调蓄池项目
建设地点 | 上海市浦东新区
占地面积 | 3.6万平米
设计单位 | 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司
施工单位 | 上海市机械施工集团有限公司
装配式设计单位 | 华建集团华东建筑设计研究院有限公司
预制率 | 预制构件体积占地下工程总量的27.2%
装配式构件类型 | 免撑预制叠合梁、免撑预制叠合板
作者简介
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