海外市政工程雨水方涵结构优化设计研究

【摘要】本文根据安哥拉内战后建设初期，经济落后、物资匮乏，大量建筑材料完全靠进口的情况，针对在建的市政工程的雨水方涵，进行了材料综合造价分析、结构精细化设计等两个方面入手，结合当地的特殊情况进行结构优化设计工作，取得了显著的经济效益。

【关键词】方涵 综合造价 结构优化

一、概况

安哥拉位于非洲西南部，首都罗安达，西滨大西洋，北及东北邻刚果民主共和国，南邻纳米比亚，东南邻赞比亚。由于连年战乱使安哥拉的基础设施遭到严重毁坏，经济发展受到很大影响。2002年内战结束后，政府将工作重点转向经济恢复和社会发展。目前安哥拉正处于战后重建时期，基础设施、市政工程、民用住房及商业公建等建筑行业百废俱兴。

由于处于战后经济恢复发展阶段，安哥拉国内物资匮乏，各种物资需大量进口。本文以安哥拉首都罗安达市某住房项目为依托，该项目为中国大型国企在安哥拉承揽的大型社会住房项目，具有较大的经济效益和社会影响。本文以该项目市政工程的雨水方涵为切入点，通过对当地材料综合造价分析、结构精细化设计等两个方面入手，结合当地的特殊情况开展了结构优化设计工作。

二、 市政雨水方涵设计指导思想

“结构设计是这样的一门艺术：使用材料--这些材料的力学性能只能估算；建立模型--这些结构计算模型只能近似分析；承受外力--这些外力不能准确得知；在建筑功能、安全、经济中寻找平衡”[1] 。这段经典的描述说出结构设计的本质，但怎样的结构设计成果才是一个优秀的设计呢？经济合理地用材，设计一个易于施工的结构，最大限度安全、经济、合理地满足规范、业主对于建筑功能的需求，这样的结构设计才是一个优秀的设计师。

雨水方涵是城市主要的雨水排水设施之一，根据设计要求在发生较大暴雨时，不发生大面积渍水，避免由暴雨给城市居民的生活带来严重影响。在该项目为中国知名大型国企在安哥拉总承包的大型社会住房项目，该项目一期工程中共规划设计约11km雨水方涵。影响雨水方涵设计经济性的因素很多，不仅仅要有合理的断面型式（包括单双孔的确定，高宽比的确定等）、经济的流速、根据管线综合确定的合理埋深和水力坡降等，结构的精细设计非常重要，基于以上原则，以下从结构设计方面谈谈方涵的优化设计工作。

根据工艺要求，该项目雨水方涵有单孔和双孔两种结构形式，覆土深度从2m到6m不等，其特点是结构形式单一，工程量较大。由于该项目实施地点位于非洲西部的安哥拉，当地建筑材料匮乏，所需材料均要从国内船运至现场，运输费用及时间周期的成本等因素，很多方面均有别于国内常规的市政工程，因此通过对材料、结构模型深入细致地进行分析、计算，做出经济合理的设计对于降低工程造价就显得尤为重要。本文主要从当地材料综合造价分析、结构精细化设计，结合当地的特殊情况进行结构优化设计工作，取得了明显的效果。

三、材料综合造价对比分析

安哥拉位于非洲西部，大西洋沿岸。初到安哥拉经过市场调研，给人的最深印象是“物资匮乏，物价奇高”。基于这样的现状和该项目的建设规模，材料的价格变化对结构设计及成本管理的影响是深远的。结构设计是与材料直接相关的学科，这就要求该项目的结构设计工作不能完全按照常规的、惯性的思维来做设计，而是要根据施工现场的条件，综合比选、灵活地运用设计思路。

通过以上分析对比可以看出：通过加大结构的配筋率看似“浪费”了钢筋，实质上却是通过减少更多的混凝土的用量而降低了综合造价。采用这种结合现场材料价格算得的经济配筋率，每延米的方涵可节省综合造价：1777.5元，10km即可节省1778万元，经济效益相当可观。

四、结构分析及优化

为了能更准确地分析方涵结构受力及结构优化设计，首先建立了一个通用的有限元模型[2-4]进行详细的分析，模型分析结果如下。通过查看应力云图中结构应力的变化确定受力钢筋截断的位置，优化配筋。通过这种精确合理的分析来进行科学的计算，从而达到设计最优的原则。

五、结论

身处工程一线的设计师，更能充分地了解现场的实际情况，并深切感受到工程成本的压力，通过打破固有的、惯性的、粗放的结构设计方法和模式，在充分了解各种结构材料的当地现场价格的前提下，采用综合造价最优的配筋率，并根据结构受力特点，细化了计算模型、优化了配筋，实现了市政工程中雨水方涵结构设计更加经济、更加合理。

2）经有限元模型计算分析，根据结构云图中结构应力的变化合理位置主筋截断、优化配筋，科学计算更精确合理达到设计最优的原则，节省成本20%～30%，具有巨大的经济效益。