基于BIM的榫卯自耦合裝配式泵站技術(shù)研究

徐鵬飛，謝亞軍，郭 瑞

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005；2.淮安市水利局，江蘇淮安 223005）

我國(guó)裝配式水工建筑物應(yīng)用受限，探其原因主要是裝配式建筑規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、節(jié)點(diǎn)連接方式及結(jié)構(gòu)防滲不可靠。

本次介紹了基于榫卯連接的裝配式泵站，各構(gòu)件之間通過(guò)榫卯接頭連接，使泵站整體結(jié)構(gòu)形成自耦合式靜力平衡，避免了傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)中構(gòu)件連接需要二次澆注或者焊接、栓接的問(wèn)題，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了施工工藝，提升了建設(shè)效率。

1 榫卯結(jié)構(gòu)概述

榫卯連接結(jié)構(gòu)是中國(guó)古建筑、家具及其他器械的主要結(jié)構(gòu)方式，是在兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件上采用凹凸部位相結(jié)合的一種連接方式，凸出部分叫榫（或叫榫頭），凹進(jìn)部分叫卯（或叫榫眼、榫槽），見(jiàn)圖1。

圖1 榫卯示意

榫卯結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)精湛的木工技藝，早在石器時(shí)代榫卯結(jié)構(gòu)就誕生了，它也是中國(guó)古代建筑的主要結(jié)構(gòu)方式。不同樣式、不同高低、不同長(zhǎng)短的木件之間，通過(guò)不同的拼接方式，榫卯結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的變化，從而也就有了不同的作用。

榫卯結(jié)構(gòu)大致可分為三大類(lèi)型［1］：

（1）是面與面的接合，也可以是兩條邊的拼合，還可以是面與邊的交接構(gòu)合。如“槽口榫”“企口榫”“燕尾榫”“穿帶榫”“扎榫”等。

（2）是作為“點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)方法。主要用于作橫豎材丁字結(jié)合、成角結(jié)合、交叉結(jié)合，以及直材和弧形材的伸延接合。如“格肩榫”“雙榫”“雙夾榫”“勾掛榫”“鍥釘榫”“半榫”“通榫”等等。

（3）是將3個(gè)構(gòu)件組合一起并相互連結(jié)的構(gòu)造方法。這種方法除運(yùn)用以上的一些榫卯聯(lián)合結(jié)構(gòu)外，都是一些更為復(fù)雜和特殊的做法，如常見(jiàn)的有“托角榫”“長(zhǎng)短榫”“抱肩榫”“粽角榫”等。

多個(gè)方向的榫卯組合使得構(gòu)件成為特殊柔性結(jié)構(gòu)體，木和木之間的張緊和松脫的作用力就會(huì)相互扶持，相互中和，不但可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形。

2 水工建筑物裝配式概述

裝配式結(jié)構(gòu)是指構(gòu)件在加工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制［2］，通過(guò)機(jī)械吊裝等方式把各單個(gè)預(yù)制構(gòu)件連接成為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)勢(shì)在于施工進(jìn)度快、生產(chǎn)效率高、節(jié)省勞動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)效益高、減少施工中對(duì)環(huán)境的破壞與污染、有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)等。

裝配式結(jié)構(gòu)從施工角度分為干連接和濕連接兩種類(lèi)型［3］。濕連接是兩構(gòu)件之間通過(guò)澆筑混凝土連接在一起，在澆筑混凝土前預(yù)制構(gòu)件預(yù)留鋼筋或螺栓，通過(guò)焊接或機(jī)械連接在一起，最后澆筑混凝土，濕連接整體性接近現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。干連接是構(gòu)件在工廠生產(chǎn)時(shí)預(yù)埋鋼板或其他鋼部件，現(xiàn)場(chǎng)裝配通過(guò)焊接或螺栓連接。相較于濕連接，干連接構(gòu)件之間連接較松散，整體性差，但工業(yè)化程度高，施工速度快。

3 榫卯裝配式泵站研究

3.1 榫卯裝配式泵站力學(xué)原理

古代榫卯連接應(yīng)用的載體是木制結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)多個(gè)方向的組合來(lái)保證構(gòu)件接頭處形成自鎖狀態(tài)，以保持家具或建筑物的整體穩(wěn)定。榫卯裝配式泵站構(gòu)件為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自重較大。因此，可以通過(guò)自重限制其豎直方向自由度，同時(shí)通過(guò)構(gòu)件與構(gòu)件之間的榫卯接頭限制其水平方向的自由度。混凝土構(gòu)件在自身重力與榫卯接頭的共同作用下，使裝配完成后的鋼筋混凝土構(gòu)件之間實(shí)現(xiàn)自耦合，達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的靜力平衡。

基于榫卯結(jié)構(gòu)的裝配式泵站構(gòu)件接頭連接方式區(qū)別于傳統(tǒng)的干連接裝配式建筑物的連接方式，是采用一種類(lèi)似于搭積木的方式進(jìn)行建筑物裝配設(shè)計(jì)。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速裝配，無(wú)需進(jìn)行二次澆筑或者其他連接，進(jìn)一步簡(jiǎn)化裝配工藝，縮短工期，提高效益。

3.2 裝配構(gòu)件榫卯接頭設(shè)計(jì)

榫卯接頭以往主要用于木制家具及建筑物，接頭類(lèi)型眾多。受限于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝的要求，將榫卯接頭應(yīng)用于泵站工程，既要考慮接頭的可靠性，又要滿足鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)立模、綁扎鋼筋及澆筑混凝土的相關(guān)制作要求。經(jīng)過(guò)多方案比選，泵站裝配構(gòu)件接頭采用企口榫能夠滿足連接可靠、制作工藝簡(jiǎn)單的要求，見(jiàn)圖2。

圖2 企口榫示意

3.3 榫卯裝配式泵站拆分原則

榫卯裝配式泵站采用在工廠內(nèi)制作構(gòu)件，再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝的方式進(jìn)行裝配。裝配式泵站的單個(gè)構(gòu)件尺寸在滿足農(nóng)村道路運(yùn)輸?shù)跹b的條件下盡可能地做大尺寸，以減少止水措施的數(shù)量。泵站構(gòu)件拆分按照以下幾個(gè)原則進(jìn)行：

（1）采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件以減少模具種類(lèi)；

（2）模塊化設(shè)計(jì)以適應(yīng)各種地形變化；

（3）滿足低等級(jí)鄉(xiāng)村道路的運(yùn)輸要求。

（4）滿足小噸位起吊設(shè)備的吊裝要求。

3.3 典型榫卯裝配式泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型泵站選350QZ型潛水單向泵站，泵站采用濕室型進(jìn)水池，水泵出水管連接矩形出水池，進(jìn)水連接段采用U型槽結(jié)構(gòu)。進(jìn)水池凈寬2 000 mm，總寬2 500 mm，總長(zhǎng)6 100 mm，總高5 200 mm。進(jìn)水U型槽結(jié)構(gòu)凈寬2 000 mm，總寬2 500 mm，總長(zhǎng)6 000 mm。出水池凈尺寸為2 400 mm×1 800 mm×3 400 mm，出水池凈總尺寸為2 900 mm×2 300 mm×3 700 mm，見(jiàn)圖3。

圖3 榫卯裝配式泵站裝配完成

進(jìn)水池拆分為7種類(lèi)型，11個(gè)構(gòu)件，由下而上分別為：①站身底板構(gòu)件（1塊）；②站身通用構(gòu)件（5塊）；③含管洞站身構(gòu)件A（1塊）；④含管洞站身構(gòu)件B（1塊）；⑤站身通用構(gòu)件（1塊）；⑥含水泵梁站身構(gòu)件（1塊）；⑦站身頂部構(gòu)件（1塊）。站身通用構(gòu)件為模塊化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（外形尺寸完全相同），可通過(guò)增減模塊化構(gòu)件的數(shù)量調(diào)整站身總高度以適應(yīng)不同場(chǎng)地地形。

出水池拆分為3種類(lèi)型、6個(gè)構(gòu)件。由下而上分別為：①出水池底板構(gòu)件（1塊）；②含管洞出水池構(gòu)件（1塊）；③出水池上部通用構(gòu)件（4塊）。出水池上部通用構(gòu)件為模塊化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（外形尺寸完全相同），可通過(guò)增減模塊化構(gòu)件的數(shù)量調(diào)整出水池總高度來(lái)適應(yīng)不同場(chǎng)地地形。

進(jìn)水U型槽結(jié)構(gòu)拆分為5種類(lèi)型、7個(gè)構(gòu)件。其中：①U型槽底部構(gòu)件為通用模塊化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（3塊）；②U型槽頂部構(gòu)件為模數(shù)化構(gòu)件（4塊）。進(jìn)水U型槽結(jié)構(gòu)為常用的適應(yīng)引水河道地形的連接段，坡比一般為1∶1.5～1∶3.0。典型泵站進(jìn)水連接段河道坡比為1∶1.5，U型槽頂部構(gòu)件采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，U型槽的高度設(shè)為變量，按照0.5 m（1∶1.5坡比）的高差遞增。不同的引水河段可通過(guò)增減U型槽底部構(gòu)件為通用模塊化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的數(shù)量來(lái)調(diào)整U型槽的總長(zhǎng)度，通過(guò)改變模數(shù)化構(gòu)件的模數(shù)調(diào)整U型槽的側(cè)墻頂部整體坡比來(lái)適應(yīng)不同場(chǎng)地地形。

榫卯裝配式泵站裝配分解，見(jiàn)圖4。

圖4 榫卯裝配式泵站裝配分解

3.4 榫卯配式泵站防滲止水設(shè)計(jì)

預(yù)制裝配式泵站構(gòu)件為了滿足低等級(jí)鄉(xiāng)村道路的運(yùn)輸及小噸位起吊設(shè)備的吊裝要求，裝配構(gòu)件分解的數(shù)量較多。因此，構(gòu)件間接縫較多，易發(fā)生滲漏，從而影響施工質(zhì)量，不利于泵站后期的運(yùn)行和使用，所以，必須重視接縫處的止水處理，以保障裝配式泵站工程質(zhì)量。

榫卯裝配式泵站各構(gòu)件采用由下而上的方式搭接而成，針對(duì)泵站的結(jié)構(gòu)及受力特性，采用在構(gòu)件榫卯接頭處預(yù)留半圓形凹槽，在鑿槽內(nèi)嵌入圓柱形遇水膨脹橡膠條，上下構(gòu)件間形成閉環(huán)防水橡膠圈，通過(guò)上下構(gòu)件自重?cái)D壓密實(shí)，達(dá)到構(gòu)件間防滲止水的效果。在泵裝配完成后，回填土回填之前，在泵站進(jìn)水池、出水池及進(jìn)水U型槽外側(cè)包裹一層土工布用于加強(qiáng)防滲，防止發(fā)生滲透破壞，見(jiàn)圖5～7。

圖5 榫卯裝配式泵站止水示意

圖6 泵站進(jìn)水池裝配（止水）示意

圖7 泵站出水池裝配（止水）示意

3.5 基于BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

榫卯裝配式泵站的構(gòu)件均為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，同一種類(lèi)型不同規(guī)模泵站的主體結(jié)構(gòu)型式基本相同，尺寸略有差異，這樣的性質(zhì)為參數(shù)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了運(yùn)用條件。在設(shè)計(jì)階段采用BIM軟件Inventor的參數(shù)工具ilogic進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)［4］，能夠通過(guò)改變預(yù)制的參數(shù)數(shù)值，快速獲得不同規(guī)格的泵站的預(yù)制構(gòu)件。以典型榫卯裝配式泵站的進(jìn)水池為例，將進(jìn)水池長(zhǎng)度、寬度、構(gòu)件高度、構(gòu)件壁厚、榫卯接頭等尺寸設(shè)定為可調(diào)節(jié)參數(shù)值。通過(guò)調(diào)整以上參數(shù)值，可以快速獲得其他任意同類(lèi)型不同規(guī)格泵站的進(jìn)水池構(gòu)件。采用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配式泵站構(gòu)件設(shè)計(jì)極大的提升了裝配構(gòu)件的設(shè)計(jì)效率，效益顯著，見(jiàn)圖8。

圖8 裝配構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

4 結(jié)論

（1）基于榫卯原理的干連接式裝配泵站適用于采用井筒式潛水泵的濕室型泵房，泵房可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)吊裝一次成型，構(gòu)件之間能夠自耦合，無(wú)需二次澆筑或二次連接，泵站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

（2）在裝配構(gòu)件企口榫結(jié)合面設(shè)置止水凹槽，在凹槽內(nèi)嵌止水橡膠條，并在整體構(gòu)件外側(cè)包裹土工布的止水結(jié)構(gòu)適用于濕室型泵房結(jié)構(gòu)及低水頭出水池，整體防滲穩(wěn)定可靠。

（3）基于榫卯原理的干連接式裝配泵站避免了傳統(tǒng)裝配式泵站的現(xiàn)場(chǎng)大量二次澆注及連接的工作量，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)吊裝一次成型，結(jié)構(gòu)及整體防滲穩(wěn)定可靠，并可簡(jiǎn)化施工工藝、縮短工期，綜合效益顯著，為水工建筑物的裝配化發(fā)展提供了一個(gè)新的探索方向。