论水运工程设计与施工条件的相互关系

摘　要：近十年来，我国水运工程发展迅猛，在资源日趋减少和船舶大型化发展的环境条件下，水运工程发展凸现出深水化、外海化的趋势，有关单位相继建造购置了大量的大型高效率施工船舶和设备。在此背景下，水运工程设计的发展需要以新材料、新工艺和新型施工船机等施工条件在工程中的广泛应用作为依托，而施工条件的迅速发展及在工程中的应用又为水运工程设计的进步创造了基础条件。水运工程设计与施工条件相互促进，协调发展，共同促进了我国水运行业建设的健康发展。

关键词：水运工程；施工条件；相互关系
　　引 言：经过多年来港口建设事业持续快速发展，我国沿海天然优良岸线、陆域条件资源日趋减少，建港条件也随之变差。另一方面，船舶大型化的发展趋势日益明显，30万吨级油船、40万吨矿石船舶频频出现，目前港口和航道工程发展处于外海化、大型化的过程中。这些变化对港口、航道的建设特别是施工条件提出新的要求。国内相关的大型施工单位相继建造购置了大量的大型高效率施工船舶和设备。在此背景下，水运工程设计的发展需要以新材料、新工艺和新型施工船机等施工条件在工程中的广泛应用作为依托，而施工条件的迅速发展及在工程中的应用又为水运工程设计的进步创造了基础条件。水运工程设计与施工条件相互促进，协调发展，共同促进了我国水运行业建设的健康发展。本文就新的建港环境下水运工程设计与施工条件的相互关系进行探讨。
　　1 水运工程设计的内容
　　工程设计是指在工程开始施工之前，设计者根据设计任务书，为具体实现拟建项目的技术、经济要求，拟定建筑、安装及设备制造等所需的规划、图纸、数据等技术文件的工作。工程设计阶段控制工程造价效果最为显著，工程设计阶段对投资的影响高达 85 %，这是因为设计方案及其所采用的材料、结构形式决定了施工方案，成为控制项目工程造价的主要因素。
　　水运工程设计的内容主要包括项目建设的社会环境条件和自然环境条件、项目技术方案、项目建设的施工条件、项目建设的工程投资与经济效益分析等方面，分别从不同的角度论述项目实施的技术先进性与经济合理性。
　　水运工程设计的过程是在外部环境各种前提条件约束下为达到预期目的——实现船舶顺利通航、安全靠泊作业——而在多种方案中间进行选择的过程。外部环境的约束分为强制性约束和非强制性约束。强制性约束主要包括国家法律、法规及地方各级政府的规定、要求，规范中的强制性条款，工程设计范围，建筑物的具体使用功能要求等；而非强制性约束主要指陆域范围和水工建筑物及港池航道的平面布置形态、设计红线范围内建筑物具体位置和所采用的结构形式等。一般情况下，施工条件属于非强制性约束，但在某些特定的情况下，作为强制性约束。
　　设计的最终目的不仅是完成文字报告和设计图纸，最主要的是通过施工过程将设计图纸转化成人们需要的建筑实体，实现其使用功能与价值。因此，在工程设计时必须考虑设计方案对应的施工方案具有可行性。
　　2 施工条件设计的内容
　　水运工程建设项目不同设计阶段对施工条件编制的深度要求有所差异，随设计深度的加深而变得具体化，但施工条件设计所包含的主要内容并没有太大差异。就初步设计阶段而言，施工条件主要包括工程概况、施工依托条件、主要工程项目的施工方法、施工总体布置和施工进度安排 5部分内容。
　　施工条件设计从项目的建设内容及水工建筑物的平面布置形式、结构形式，主要单项工程的工程数量等方面出发，在合理的施工组织设计下分析项目所在地的自然条件和项目建设可依托的外部环境条件、水陆交通条件、预制场和材料堆放场地条件、各类建筑材料的供应条件和施工用水、用电等条件，按照既定的施工工期要求合理选择施工机具、船舶的规格、形式和数量，采用适当的施工方法和工艺流程，有效控制施工质量和施工进度，最终完成项目实施的既定目标。
　　3 工程设计与施工条件的相互关系
　　3.1 工程设计受施工条件的约束，施工条件是工程设计的主要前提之一
　　工程技术方案设计必须立足于现有的包括新建的施工依托条件，充分考虑施工的可行性，才能实现项目设计的技术先进性和经济合理性。
　　船舶的大型化要求码头和通航水域尺度相应大型化，因此，水工建筑物的尺度和单个构件的质量变大，对应的工程数量也相应增加，以往的小型施工船机已经远远不能满足施工要求，近年来，国内相关的大型施工单位相继建造购置了大量的大型高效率施工船舶和设备，例如大型挖泥船、起重船、打桩船、半潜驳等，有力地保障了深水码头和航道的建设，为工程方案设计提供了全新的多种选择。以某港区建设开发过程为例，5 万吨级通用码头作为港区首个实施建设的大型项目，根据地质资料，其适合采用重力式沉箱结构形式。但在港区整体开发建设初期，附近缺少现成可用的沉箱预制场，项目所需的沉箱只能考虑在预制场预制后下水，经长途拖运至工程现场进行安放，拖运距离约 100 km 。沉箱在外海海域拖运受天气风浪影响较大，施工工期和安全难以完全保证。为满足港区的开发建设，施工单位在港区修建了 6 000 t大型沉箱预制场，满足了本项目及后续工程的沉箱预制需求，改善了港区的建设依托条件，为重力式沉箱结构方案在本港区的设计应用提供了有力的支持和保证。
　　为缓解泊位能力不足的矛盾，推进港区功能布局调整与优化，港区新建的 30 万吨级矿石码头接卸泊位（码头水工结构按靠泊 40 万 t 散货船设计）采用了重力式沉箱作为基础，上部搭大型梁板的结构形式。该泊位沉箱单件质量约 5 700 t ，单件联系梁板质量均在 200 ～ 500 t ，沉箱与梁板构件尺度和质量的大型化正是设计时充分利用现有施工船舶和设施能力的结果，通过充分利用船机的起重能力，增大构件的质量以减少吊装次数，增加施工效率，保证工程质量。
　　3.2  施工条件直接影响设计方案的投资和工期
　　工程建设规模、港区自然条件、砂石料等地方建筑材料的供应能力、施工机械对自然条件的适应能力和作业性能等诸多施工条件的内容都各方面直接影响设计方案的工程投资和建设工期。
　　1 ）工程规模和自然条件对设计方案的影响。
　　工程建设规模和港区自然条件直接影响设计方案的工程投资和建设工期。工程规模大、建港条件恶劣，需要耗用的建筑材料 数量和投入的船机数量自然增加，对使用的施工船机的要求也就相应提高，工程设计所采用的结构类型对安全可靠度要求也必然增加。
　　我国港口航道项目地处东部沿海区域，台风季多在每年 7 — 9 月份，同时部分海区冬季还受寒潮影响。施工安排时需要考虑这些自然条件影响，施工期尽量避开这些时段，如需跨越，则要合理安排抗风浪能力强的船机，尽量避免因自然灾害导致投资增加和工期延长。另外，工程设计过程中须根据施工期风浪等条件核算建筑物的工期稳定，保证安全。
　　2 ）主要建筑材料对设计方案的影响。
　　对水工建筑工程，钢材、水泥、木材等建材由于价值较高，运输费用占总价值比重较低，市场竞争充分，一般情况下正常供应不成问题。而大型港口工程建设对砂石料等地方性建筑材料的需求量动辄就是百万、千万立方米，其供应能力在某些情况下成为工程设计方案比选的关键因素。
　　我国部分沿海港口位于泥质海滩，严重缺乏砂石料，设计时必须予以重视。工程建设所需的石料只能通过载重汽车经长途运输运至工程现场，运输成本过高影响了石料在本港区作为防波堤、围堰堤心结构的应用，为此，设计方案时考虑就地取材，充分利用当地海滩的砂性土作大袋砂堤心结构形式，而采用少量的块石进行护面，最大限度减少对石料的依赖。相反的情况是，部分港口周边有大量的砂石资源，设计时就应该充分利用。相比使用混凝土块体可以节省大量投资。
　　随着港口平面尺度的大型化，堆场荷载要求的提高，陆域形成和地基处理的工程量巨大，要求同时投入大量的大型船机设备才能满足工期要求。优质地方建筑材料的缺乏促使设计采用淤泥等传统的废弃物作为陆域形成的材料，由于面积庞大且处理费用较高，相应的地基处理的设计和施工方案选择也变的非常重要，土工布、土工格栅、新型排水板、絮凝剂等新材料和真空联合堆载预压、高真空击密、振冲桩等施工方法也在大面积实施，目前软土处理还有较多的课题需要从科研、设计和施工等方面进行深入的研究。
　　3.3 施工条件与设计是相辅相成、互相促进
　　随着建港条件的复杂化和人们对环保要求的提高及新技术、新材料在工程上的运用，设计对施工提出更高的要求，需要大规格、高效率的船机设备，需要更为先进的施工工艺。在外海环境下，为减少水上作业时间与环节，采用大型的预制构件就要求具备大规格的水上和陆上的起重设备；为增加施工船舶的抗风浪能力，在恶劣气候条件下施工作业，要求施工船舶的船型随之增大。环保要求的提高，对资源利用意识的加强，促使施工企业研发更为环保、节能的船机；塑料排水板、振冲碎石桩等地基处理方法从陆上向水上的发展，要求施工单位研发装备相应的船机设备满足实际需求。据了解，我国水运工程系统的大型施工单位在近几年来投入几百亿元的巨资，装备了大量大型施工船机，极大地提升了施工能力。因此，设计单位需要认真跟踪调查有关施工装备的最新情报，了解具体的功能、特性和性能参数，在设计中主动考虑采用先进的新型装备。
　　4 结束语:
　　工程设计需要立足于现有施工条件，保证设计方案在工程中的可行性，同时随着外部建设条件的变化对施工方面提出更高的要求。施工船舶机械多样化、大型化的发展趋势是水运工程建设环境和要求变化促进的结果，同时先进的施工条件也进一步扩展了设计在日益复杂的条件下多种方案的选择范围。工程设计与施工条件处于相互促进、不断协调发展的关系之中。
参考文献：
[1]  柯洪.工程造价计价与控制 [M]. 北京中国计划出版社 , 2009.
[2]  JTS 110-4 — 2008  港口工程初步设计文件编制规定 [S].