装配式全户内变电站建筑结构研究

装配式全户内变电站建筑结构研究

宋文新1宋弘亮2黄琰波3

（1.国网宁波供电公司浙江宁波315016;2.中机国能浙江工程有限公司宁波分公司浙江宁波315020;3.宁波市电力设计院有限公司浙江宁波315020）

摘要:针对全户内变电站混凝土框架结构建筑，现场施工作业量大、对周边环境影响严重、要求较大的施工场地、存在较高的安全风险等缺点，提出多层钢结构装配式变电站建筑。结合工程实例，从中得到结论：全户内多层装配式变电站技术上是可行的，经济上是合理的，具有推广使用的价值。

关键词：装配式;全户内变电站;建筑结构；混凝土；钢结构

FabricatedAllIndoorSubstationStructureResearch

SONGWenxin，SONGHongliangHUANGYanbo

(1.StateGridNingboElectricPowerSupplyCompany，Ningbo315016，ZhejiangProvince，China)

(2.ChinaSinogyZhejiangEngineeringCo.,Ltd.

3.NingboElectricPowerDesignInstituteCo.LTD，Ningbo315020，ZhejiangProvince，China)

Abstract：Forallindoorsubstationconcreteframestructurebuilding,siteconstructionwork,seriousimpactonthesurroundingenvironment,demandsagreaterriskofconstructionsite,thereisahighersecurityshortcomings,suchasmulti-storeysteelstructureprefabricatedsubstationconstructionisputforward.Combiningwithengineeringexamples,gettheconclusionthatallindoormultilayerprefabricatedsubstationistechnicallyfeasible,economicallyisreasonable,promotetheuseofvalue.

Keywords:fabricated;allindoorsubstation;architecturalstructure;concrete;steelstructure

0引言

由于变电站建筑的特殊性，全户内变电站均采用多层混凝土现浇框架结构。引入装配式建筑，用工厂制造的标准件来替代现场作业，一直是建筑领域研究追求的方向。国内在变电站建设中也有一些探讨，但仅限于单层建筑，而占90%的全户内布置变电站则未见报道。为此，结合工程实例，对装配式变电站从设计、施工、造价等进行综合讨论，以期指导类似的工程建设，为装配式变电站建设提供参考意见。

1全户内变电站采用装配式结构的必要性

1.1现行变电站建筑存在的主要问题

1.1.1结构设计存在的问题：变电站建筑通常采用钢筋混凝土柱梁板结构、砌体填充墙。结构自重大，对沉降敏感，在软土地基变电站设计中，需采用桩基方案，并且桩应进入可靠持力层，笔者所在的沿海地区适宜的持力层往往在50米以上，基础造价占比很高，投资增加非常明显。但如果上部荷载较小，可以利用埋深较浅承载力相对较小的持力层，从而大幅度降低基础造价。

1.1.2施工存在的问题：1）现行建筑结构笨重，工艺传统，95%的工作需要在现场完成，质量离散性大；2）要求有较大的施工、临设场地；3）施工噪音、粉尘污染环境；4）柱梁板施工需要搭设承重架，工程量大、施工风险高。建筑施工是变电站建设的主要风险点；5）施工、保养周期长，故工期较长。

1.1.3技术工人缺口大。传统建筑工程是劳动密集型行业，目前存在二个主要问题。一是，经过培训的建筑工人缺口非常大，且劳动工资成本高。二是，工人质量、安全意思差，建筑产品工艺粗糙质量差。

1.1.4建设单位管理成本高。变电站土建虽然在整个工程投资中占比较小，但在基建工程管理中，且是施工周期最长、管理难度最大、质量安全风险最高的环节，建设管理投入力量最多，因此制约建设单位开工更多的项目。

1.2装配式全户内变电站的优势

与传统混凝土现浇框架结构相比，装配式变电站建筑具有以下特点：1）主要构件实现工厂制作，产品精度高、离散系数小质量控制容易，浪费少；2)结构自重小，基础造价大幅度降低。结构抗震性能好；3)施工效率高，大幅度减少现场作业量，建设工期短；4)大幅度减少现场作业风险点，降低安全风险；5)对施工场地的要求低；6）施工对周边环境影响小；7)节能环保，废物利用，减少能耗，部分材料可实现循环再利用。

2装配式建筑结构工艺优化的关键技术分析

变电站建筑具有明显的特点：1）楼面设备荷载大，预埋件（管）、开孔多；2)墙面预埋件（管）、开孔多；3）防火要求高；4）投产后维修困难等。

在设计中，需要选择合理的柱梁板和围护结构，运行后维护工作量少，工厂化生产，易运输，主要建材应就地采购。对照以上的设计、施工、工期、安全质量等因素，实现工厂化生产是解决现有存在问题的最有效办法。装配式建筑主要有预制混凝土构件和钢结构二大类，前者虽然防火、防腐性能好但结构笨重，抗震性能差，五十年代曾大量采用，但现在在房屋建筑中极少使用。后者结构轻盈灵活，加工简单，特别是我国成为第一产钢大国后，在我国的建筑工程中得到广泛应用。

图1

2.1设计关键技术

2.1.1梁柱设计

H型钢结构梁柱充分发挥材料的力学特性，用材省、制造工艺成熟，具有自重小、载荷大、适合大跨度、取材容易、制作安装简单、造价较低等特性,结构延性好，抗震及适应不均匀沉降的性能优良。梁柱之间用螺栓连接，梁柱的设计，按照三维空间模型计算比较接近实际，建筑存在不规则高达空间，宜采用不同的软件相互校核，重点关注梁柱节点。部分梁柱节点详图见图1。

2.1.2楼板设计研究

楼板设计的突破，使得装配式建筑跨越一大步。钢筋桁架楼板在工厂内完成钢筋和模板的安装，到现场后整体吊装搁置在钢梁上，省去了承重架的搭设、模板制作敷设和现场钢筋制作安装。通过钢钉与梁连接成为一个整体，现场加铺部分节点钢筋，埋设预埋件、管线、留孔，浇筑混凝土形成单向或双向楼板，与梁柱形成整体，刚度大抗震性能好。楼板钢筋间距及混凝土保护层厚度精度高，提高了楼板质量、减少楼板自重。板底免粉刷既可以减少粉刷和运行维护工作量，更主要是可以避免粉刷剥落损伤设备或引发停电事故。桁架楼板样式见图2。

图2

2.1.3墙体设计研究

变电站内外墙体最常用的是砌体，结构自重大，平整度差（不美观）、现场施工工作量非常大，施工周期长，粉尘污染严重。采用整体式或准整体式墙体一直是建筑设计的难点。

墙体材料要求保温、防火、轻质、施工运输方便、易采购。轻质加气砂混凝土墙板，是一种以石英砂、石灰、铝化物和水为原材料通过高温高压工艺制成的优质建筑产品，板的厚度100-180mm，板的长度可达6米以上，板宽0.6米。具有保温、抗渗、防火、隔音性能优秀、重量轻、节能绿色环保、尺寸精确、施工便捷效率高、施工作业均为干法作业、无扬尘等主要特性，其施工效率是砌体工程的几十倍，而且施工无主材浪费。通过板内配置钢筋，满足抗台风要求。

2.1.4钢结构的防火设计

防火设计是钢结构设计的重要环节。钢材是一种不燃烧的建筑材料，但在高温度下性能急剧下降。通常在450～650℃温度中就会失去承载能力，不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落，是防火设计的主要目的。常用的方法是采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递的速度，推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。

防火涂料是钢结构防火措施中最常用的一种。钢结构防火涂料是专门用于喷涂钢构件表面，能形成耐火隔热的保护层，以提高钢构件耐火极限的一种耐火材料。按其阻燃作用的原理分为膨胀型和非膨胀型两种,工作原理不同，其中：膨胀型防火涂料又称为薄涂型涂料，涂层厚度一般为2～7mm，非膨胀型涂料又称为厚涂型防火涂料，涂层厚度一般为8～50mm。通过改变涂层厚度可以满足不同耐火极限的要求。

承重钢柱采用厚涂型防火涂料，耐火极限不小于2小时，钢梁等采用薄型防火涂料，耐火极限不小于1.5小时。钢框架成品见图3。

图3

2.2产品加工和施工安装

装配式建筑的柱梁板和墙板均在工厂加工完成，工厂阶段除按照相应的标准加工验收外，重点需要做好钢构件防腐。现场施工与传统建筑相比不再需要大量的脚手架搭设和大量的工人，更多使用的是吊机等机械设备。产品加工和施工中要做好以下几个主要环节：

2.2.1钢构件防腐

钢材最大的缺点是容易生锈，直接影响其使用寿命，因此防腐是重点。防腐措施主要有：使用耐候钢、对钢材进行热浸锌或喷锌处理，最常用的方法是刷防腐涂料。

在钢材表面涂敷涂料，可结成一层薄膜来保护钢结构，可涂底漆和中间漆，面漆价格较高，因表面还需要涂防火涂料，故面漆可不涂，高强螺栓摩擦面不得涂漆。涂底漆前需对钢材进行严格的喷砂除锈，达到Sa2.5级后喷涂无机富锌底漆二遍，这一道工艺直接影响钢结构的使用寿命，务必把好质量关。

2.2.2钢筋桁架楼板

楼板连接采用扣合方式，板与板之间的拉钩连接应紧密，保证浇筑混凝土时不漏浆。已铺设、但未浇筑砼的钢筋桁架模板上应避免过大的集中荷载，施工均布荷载不能大于1.5kN/m2、或施工集中荷载不能大于2.5kN/m。

2.2.3墙板安装

1)首先应特别注意运输、吊装过程中对板的保护，避免磕碰、破损。

2)板材之间采用TU型接口连接，靠紧后，采用固定片将板材之间固定住，避免板材之间扰动，产生裂缝。横装板与竖装板的连接没有TU型接口，应使用聚合物砂浆粘结牢固，保证其连接强度，并增加固定片的密度。

3)由于板与钢结构混合使用，热胀冷缩引起的变形不同及墙板之间连接不牢固等原因都会造成墙体裂缝，缝隙采用聚氨酯发泡剂填充饱满后用专用填充剂封堵，再涂密封胶。

鉴于墙板的缝隙容易漏水，应重点处理，需采用防开裂措施。对于外墙板面不做粉刷等防水措施的，缝之间宜打胶防水。

4）墙板装修。因墙板尺寸准确、表面平整，用作变电站的内墙面，建议不做装饰，省事省钱；用作外墙面时，北方地区雨水较少，可以不装修，南方地区往往阴雨连绵，建议外墙做防水处理比较保险。

3节能与经济比较

3.1节能比较

完整的节能比较有困难，本文进行粗略的比较，分建设阶段和运行阶段。建设阶段主要比较墙体材料生产过程中的能耗。运行阶段由于南方炎热地区10千伏开关室和继电保护室需要空调降温，对此进行能耗比较，下表中数据均按照一个110千伏变电站比较。

表一建材生产能耗比较

表二运行能耗比较（不计采暖）

表三耕地

从表中比较可以看出，按照变电站60年的生命周期（国网公司标准），一个110千伏变电站可以节约标准煤288吨，减少二氧化碳排放755吨，保护耕地0.72亩。

3.2工期比较

表四建设工期比较（天）

3.3经济比较

需要特别说明的是笔者所在地区，如果变电站建筑采用混凝土框架结构，多数地段合适的持力层深度在50-60米，设计一般采用直径800的钢筋混凝土钻孔灌注桩。但在25-35米深度有一层粘土（或夹粉砂）持力层，因厚度较薄，可以用作荷载不是很大、对沉降不是特别敏感的建筑物持力层。

依托工程设计选择8层粘土夹粉砂层做为桩基持力层，采用PTC500(70)预应力管桩，桩长35米，单桩承载力特征值1100kN,基础造价减少近100万元。

上部结构因为外购材料为主，相应造价较钢筋混凝土框架结构高,而且钢材的价格波动较大，精确比较难度较大；基础造价因上部结构自重大幅度减小，设计采用了较浅但厚度相对较薄的持力层，造价大幅度降低，最终造价装配式稍低一些，约在50万左右，相差不多。

4结论

装配式变电站能够满足电气工艺要求，其设计、制作、施工工艺是成熟可靠的，工期短、节能环保造价适中，符合国家的产业政策，经工程多年运行实践证明，符合要求，值得推广。

参考文献：

[1].侯玺莎，沈秀兰。《110kV装配式变电站的特点和新技术运用》,电力与能源2013-06-20期刊,第34卷第3期第286页

[2].张肖峰，范绍有。《装配式变电站的设计与施工技术研究》四川建材2016-12-08期刊，第24卷第12期第274页

作者简介：

宋文新，浙江省宁波供电公司工作，大学学历，学士学位，土木专业，高级工程师、国家一级注册结构工程师、二级注册建筑师、注册监理工程师。1983年参加工作，从事电力工程土建设计及项目管理工作多年。

宋弘亮，中机国能浙江工程有限公司宁波分公司，大学学历，电力系统及其自动化专业，从事输配电工程设计。

黄琰波，浙江省宁波市电力设计院有限公司工作，大学学历，土木工程专业，高级工程师，从事电力工程设计。