标准配送式智能变电站工程装配式建筑物的应用

张必胜，王宇坤，班 洁

(国网芜湖供电公司，安徽 芜湖 241000)

0 前言

变电站的建筑物建造长期以来沿用了就地采购砂石、砖块、钢筋、水泥等建筑材料，现场绑扎钢筋、立模、拌制混凝土、浇筑、养护、砌筑填充墙并粉刷等传统模式。这种作业因建造队伍的技术水平参差不齐而使工程质量很不均衡，同时施工周期较长，现场管理难度较大，与国家电网公司标准化变电站建设存在一定差距。我国劳动力价格低廉，属于技术密集型的钢结构体系，在节约劳动力方面的优势显示不出来。如果定型化、批量化建造，则可以在一定程度上降低材料成本。钢结构工程可以缩短工期，相应的工程贷款利息和管理费用大为节省，可以用来弥补较高的建安费。

1 国内外同类研究的动态

2007年以来，浙江、江苏省电力公司已开始探索轻型装配式变电站，试点了一批装配式建筑物。钢结构与轻质材料的围护系统配合组成的轻型装配式体系，已经在浙江220kV元东变、110kV杨柳变、220kV登胜变，江苏省张家港220kV三兴变电站及扬州110kV东石变电站等工程中得到应用。

浙江省电力公司的110kV杨柳变配电装置室采用门式刚架轻钢结构，围墙及主变防火墙、电缆沟均采用装配式结构，缩短施工工期近半。110kV登胜变、220kV元东变单层建筑都采用钢框架结构，建设施工工期缩短30%，现都已投运，运行良好，建筑物每平米综合造价3300元。

这些工程应用后的总结有:(1)轻钢结构与混凝土结构相比具有轻质高强、空间布置灵活、较强的抗震能力、工厂化生产、标准化施工等诸多优点，但混凝土结构在防火，耐久性方面有明显优势，因此钢结构的防腐和防火问题，在设计、制作、防护、安装时必须引起足够的注意。(2)经统计分析，同等条件下钢筋混凝土结构常规方案的每平米工程造价为2300元左右，而装配式钢结构的每平米造价为2766元，造价增加约21%。当前装配式钢结构的每平米工程造价高于混凝土结构，主要因为建筑内、外墙板、楼板、防火等构件成本较高。

2 装配式建筑物的设计难点

(1)梁柱连接形式:常规钢框架结构的梁柱连接节点多采用腹板高强螺栓铰接，翼缘焊接的连接方式。此种连接方式连接可靠，方便现场安装，也具有较好的抗震性能。从减少现场焊接工作量、缩短施工工期的的角度考虑，也可对主受力框架采用全高强螺栓端板连接，次框架采用腹板高强螺栓铰接，翼缘焊接的连接方式，以加快现场组装速度，减少现场焊接工作量。

(2)屋面是否采用轻钢屋面:采用轻钢屋面可以加快建筑物的施工，缩短施工工期。但是，轻钢屋面的耐久性较差，屋面板拼缝处具有防水隐患。

(3)外墙维护体系的选用:外墙维护体系种类较多，既要满足防火、保温功能，又要具有较好的装饰效果，对墙体维护体系提出了较高的要求。另外，外墙装饰板的排版也是一个难点。在避开窗口，洞口的前提下，尽量使排版合理，以便节约板材又美化外观。

3 装配式建筑结构选择

3.1 门式刚架结构

图1 门式刚架结构

门式刚架结构型式(如图1)是一种传统的结构体系，具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，广泛应用于工业、商业及公共设施等工业与民用建筑中。

其结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。按屋面坡脊数可分为单坡、双坡、多坡屋面。按截面形式分，有等截面与变截面。结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸等因素，布置灵活适应性强。

门式刚架结构需要设置屋面支撑和柱间支撑系统保证结构框架形成稳定的空间体系。屋面支撑由交叉支撑杆件、纵向刚性系杆以及刚架梁构成。一般在设置柱间支撑的开间同时布置屋面水平支撑。此支撑系统形成沿刚架跨度方向的桁架体系，所以又称为屋面横向水平支撑。

建筑物结构形式采用门式轻钢结构的前提条件是屋面采用轻质材料，如压型钢板、金属复合板、轻质混凝土板，即屋面恒载不大于0.7kN/m2，屋面活载不大于0.7kN/m2，基本风压不大于0.7kN/m2。考虑到变电站主控通信室、10kV配电装置室均为重要建筑物，内部设备对屋面防水要求较高，屋面防水等级为I级，要求有两道防水，屋面若采用防水性能较好的自承式钢筋桁架现浇楼板或预制混凝土楼板，屋面荷载将超过轻钢结构设计荷载，此时，装配式建筑物结构形式需采用普通钢框架结构。

3.2 钢框架结构

鉴于变电站建筑物内设备的防水要求较高，变电站建筑物屋面需采用具备两道防水的混凝土现浇屋面，门式刚架结构无法满足受力要求，而钢框架结构可以满足。

钢框架结构体系是指纵横方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构架所组成的结构体系。框架的梁柱宜采用刚接连接，纵横两个方向形成空间体系，有整体空间作用功能，较强的侧向刚度和延性，能够承受两个主轴方向的地震作用。

钢框架结构的特点有:

(a)可以形成较大使用空间，增加2%～4%的建筑使用面积;平面布置灵活，适应多种类型使用功能，结构各部分刚度比较均匀，构件易于标准化和定型化，构造简单，易于施工。对于层数不多的房屋而言，钢框架结构是一种比较经济合理的结构体系;

(b)自重轻:可以显著减轻结构传至基础的竖向荷载和地震作用;

(c)由于框架结构体系中柱与各层梁为刚性连接，改变了悬臂柱的受力状态，从而使柱所承受的弯矩大幅度减小，使结构具有较大延性，自振周期较长。自重较轻，对地震作用敏感小，抵抗地震作用的性能优良;

(d)构造简单，易于施工，施工周期短，建造速度快;

(e)钢框架柱的翼板、腹板和水平加劲板的厚度均较薄，框架梁柱节点域存在着不可忽视的剪切变形，设计中应予以注意。

钢框架结构与普通钢筋混凝土结构相比，其匀质、高强、施工速度快、抗震性好和回收率高等优越性，钢比砖石和砼的强度和弹性模量要高出很多倍，因此在荷载相同的条件下，钢构件的质量轻。从被破坏方面看，钢结构是在事先有较大变形预兆，属于延性破坏结构，能够预先发现危险，从而避免。采用钢结构后结构造价会略有增加，约10% ～20%。如果综合考虑各种因素，尤其是工期优势，则钢框架结构优势尤为突出。

3.3 劲性混凝土结构

劲性混凝土(又称型钢混凝土或劲钢混凝土)组合结构构件由混凝土、型钢、纵向钢筋和箍筋组成，基本构件为梁和柱。劲性混凝土组成结构分为全部结构构件采用劲性混凝土的结构和部分结构构件采用劲性混凝土的结构。劲性混凝土具有强度高、构件截面尺寸小、与混凝土握裹力强、节约混凝土、增加使用空间、降低工程造价、提高工程质量等优点。

劲性混凝土结构一般应用于高层建筑。变电站建筑未有应用该结构报道，因型钢外有混凝土包裹，钢结防腐、防火性能好。而混凝土的浇注还需支模，与普通框架结构无异，且构建截面变小施工难度增加。

3.4 预制混凝土装配式结构

预制混凝土(PC)装配式结构是在工厂预制好混凝土构件，包括梁、板、柱、墙等，然后运输至现场进行吊装拼接。目前这方面做的比较先进的国家有日本、新加坡、美国。目前，国内拥有该技术的有宝业、上海建工集团等。变电站建筑未有应用该结构报道。

目前PC结构根据国内设计规范和建设标准，研发出了适合国情的住宅产业化的技术和工艺，在建筑结构形式、构件连接方法、安装工具、施工工法等方面，已经产生多项技术成果。在预制PC构件厂的工艺流程设计、建筑构件拆解、模具设计和制造、构件生产等方面具有一定的经验，但还不成熟。

通过住宅结构实践，PC工业化集成住宅结构体系与传统结构体系进行比较，该体系具有结构质量明显提升;施工安全有效提高、施工周期明显减短、施工难度大幅降低、建造成本有效可控、住宅低碳环保节能等优点。

由于预制PC构件厂的工艺流程设计、建筑构件拆解、模具设计和制造、构件生产等方面具有一定的经验但还不成熟，预制混凝土(PC)装配式结构无相应设计规范，节点连接可靠性较差，同时大型板、梁、柱运输、堆放、吊装难度较大，且需要大量二次湿作业，不能有效地缩减施工工期。

综上所述，选用钢框架结构作为背景工程中两栋建筑物的受力结构形式。

4 维护体系选择

4.1 蒸压轻质加气混凝土外墙板材

以粉煤灰(或硅砂)、水泥、石灰等为主原料，再经过高压蒸汽养护后形成的多气孔混凝土成型材料，板材内有经过处理的钢筋增强。既能做墙体材料，又能做民用建筑的屋面板、楼板，是一种性能较好的新型环保节能建材。国内主要生产厂家为上海伊通、南京旭建、浙江开元，质量以前两家较优、产量较大。

该板材是江苏三兴220kV变电站建筑围护材料和围墙、防火墙材料，浙江杨柳110kV变电站、元东220kV变电站的围墙材料，也是目前在民用住宅样板房中运用于屋面板、楼板。其主要优点有:容重小，强度高;耐火性优良;施工性便捷;保温隔热性优良;抗震性优越;隔音性好;耐久性好;绿色环保;干缩性较小。主要缺点有:(a)运输路途需要加强成品保护，否则难免缺棱掉角后要现场修补，同时由于产品批次的问题和现场安装时的表面污染，就位后板材整体观感上存在一定的色差，因此目前的江苏和浙江变电站试点工程都对墙面进行批涂腻子后喷涂料，有一定的二次外装修工作量;(b)ALC如用于屋面板、楼板仅为一般性搭接，则抗震性能、结点防水性能、整体性较差，不适用在工业建筑中与钢框架体系的运用，仅可用于轻钢结构单层有檩体系厂房的屋面板;(c)目前江苏的装配式变电站试点工程表明，由于板墙较脆，开孔、留槽易使板材碎裂，运用该板材电力管线需要全部明设，不美观。

4.2 装饰防火板复合外墙体系

装饰防火板是以木纤维素、添加剂、水泥等有机、无机物质，经先进生产工艺混和、成型、加压、高温高压蒸养和特殊技术处理而制成，不含石棉及其它有害物质，具有高强度、大幅面、轻质、防火、防水、耐候等优良性能的新型环保建筑板材，其表面为各种仿石材、仿面砖的图案和机理。装饰防火板目前省内主要采用日本进口的日吉华装饰外墙板或国产同类板(外观效果较差一些)。

该板材主要应用在工业与民用建筑外墙体系，目前在浙江省杨柳110kV装配式变电站首次应用。该外墙体系具有节能、防火性能好、隔音性能好、自重轻、可循环使用等优点;缺点有外观好的板材要进口，采购期长且不方便;经济性较差。国产该类产品外观性能相似，生产厂家主要集中于华东地区。

4.3 发泡水泥复合外墙板体系

发泡水泥复合外墙板是由钢边框或预应力混凝土边框、钢筋桁架、发泡水泥芯材、上下水泥面层(含玻纤网)复合而成的新型建筑板材。成品有大型墙板，规格有2.5m×6.0m和2.5m×7.5m，大型屋面板，规格有2.5m ×6.0m、2.5m ×7.5m 和3.0m ×6.0m，外型同以前常见的大型屋面板。生产厂家为北京太空板有限公司。

该板材主要应用在工业建筑外墙与屋面体系，目前在浙江省杨柳110kV装配式变电站的配电装置室的屋面首次应用。发泡水泥复合外墙板具有承重、保温、轻质、隔热、隔声、耐火、耐久等优点。由于运输的距离与成本、非标准产品的制造限制制约了其广泛应用;该外墙板材电力管线基本需要全部明设，同时板墙上开孔困难使开关箱全外挂，不美观。

4.4 纤维水泥板外墙体系

纤维水泥板(蒸压木浆纤维水泥平板，即FC板)，是以纤维素纤维、砂、添加剂、水等有机、无机物质，经先进生产工艺混和、成型、加压、高温高压蒸养和特殊技术处理而制成，常用规格为1200×2400mm，厚度有8、10、12mm，不含石棉及其它有害物质，具有高强度、大幅面、轻质、防火、防水等优良性能的新型环保建筑板材。墙体系统采用两面纤维水泥板，中间用轻钢龙骨支撑、并填充适当厚度的岩棉用以保温和防火。纤维水泥板国内主要生产厂家为萧山杭萧钢构、苏州爱富西。

该板材主要应用在工业与民用建筑外墙，其构造节点见图2。

纤维水泥板外墙体系的优点有:(a)防火性能好。板材符合GB8642标准，属国家不燃A级材料，具有很好的防火性能。即使发生火灾，板材也不会燃烧，不会产生有毒烟雾，无火焰传递。双面单层中密度纤维水泥板空腔内填充岩棉，通过调节岩棉厚度，此系统耐火极限可大于3h;(b)抗震性能、防水性能、整体性好，管线、开孔能在墙内预流管线和孔位，无外露明管线;(c)绿色环保。FC板的板材100%不含石棉、甲醛等有害物质，在使用过程中不会产生有毒气体或辐射，属于绿色环保材料;(d)防水防潮。板材在露天和高湿度地区能保持性能稳定，湿涨率、干缩率低，具有很强的防水、防潮、防霜冻性能;(e)隔声效果。隔声性能好，可做成满足各类隔声要求的墙体或屏障等;(f)施工快速。选用此板材作墙体或吊顶，施工快捷，不必抹灰，平整度高，易于钻孔、刨边、锯割等二次加工。板材可做各种纹理饰面及表面做油漆;(g)轻质高强。板材重量轻、强度高、韧性好，易于搬运和施工。

鉴于纤维水泥板外墙体系的以上优点，本背景工程的建筑物均采用此种墙体。

图2 纤维水泥板墙体构造图

4.5 压型钢板组合楼板屋面

本工程两栋建筑物的屋面采用压型钢板组合屋面，其具有的优点有:(a)由于压型板轻便，易于搬运和架设，大大缩短安装时间，又因压型板不需拆卸，工地劳动力可减少;(b)与木模相比，压型钢板施工时发生火灾的可能性大为减少;(c)压型钢板便于铺设通讯、电力、通风、采暖等管线;还能敷设保温、隔音、隔热、隔震材料;压型钢板表面直接做顶棚;若需吊顶，可在压型钢板槽内固定吊顶挂钩，使用十分方便;(d)压型钢板的运输、储存、堆放和装卸都极为方便;(e)压型钢板和混凝土通过叠合板的粘结作用使二者形成整体，从而使压型钢板起到混凝土楼板受拉钢筋的作用。施工中，压型钢板还可起到增强支承钢梁侧向稳定的作用;(f)此板抗震性能、防水性能、整体性好，管线、开孔方便;(g)安全性能可靠。与传统现浇钢筋混凝土楼板相比，因楼板自重不在混凝土内产生拉应力，使用阶段负弯距区和下部混凝土的裂缝宽度减小，改善了楼板的使用性能。钢筋完全被混凝土包裹，耐火性能与传统现浇楼板等同。

5 依托工程

5.1 背景工程

安徽芜湖清竹220kV变电站工程为一新建工程，站址位于芜湖市高新技术开发区南区，弋江区石硊镇韩家村的一块岗地上，区域内有一处废弃的砖窑厂。站址南距芜铜铁路170m左右，西距规划道路290m。该工程220kV出线终期6回，本期建设2回(繁昌变1回，楚城变1回);110kV终期12回，本期需建设7回(海格斯和中集物流，瑞创，繁南，火龙岗，石山1，石山2，海创);10kV终期24回，本期24回。该工程的两栋主要建筑物为主控通信室和35kV开关室，两栋主要建筑物均试典采用装配式建筑物的做法。

5.2 建筑物简述

主控通信室长21m，宽9m，层高3.6m，建筑面积189m2，建筑体积715m3。主控通信室共设有二次设备室、安全工具间、资料室、蓄电池室和公共卫生间。10kV开关室长42m，宽5.5m，层高4.7m，建筑面积231m2，建筑体积1117m3。

5.3 现场施工

依据设计图纸在工厂加工好构件，运至施工现场，吊装主体受力框架，然后依次吊装纵向联系梁和墙体檩条，最后安装管线和墙面维护面板，施工完成后的建筑效果见图3～5。

图3 主控通信室外墙面

图4 主控通信室墙面檩条

图5 主控通信室室内

6 结束语

为使装配式钢框架建筑结构形式在清竹变电站中成功运用，我们联合设计、施工和有关专家，重点探讨了以下几个关键问题:

(1)常规钢框架结构的梁柱连接节点多采用腹板高强螺栓铰接，翼缘焊接的连接方式。从减少现场焊接工作量、提高加工质量的角度考虑，最终采用主框架采用全高强螺栓端板连接;次框架采用腹板高强螺栓铰接，翼缘焊接的连接方式，以加快组装速度，减少现场焊接工作量。

(2)女儿墙是否采用钢筋混凝土现浇方案也是讨论的一个重点。从防水性能上考虑，将女儿墙与屋面整体浇筑，防水性能更佳。由于屋面采用压型钢板组合楼板方案，其下无支撑脚手架，若采用钢筋混凝土女儿墙方案，则施工难度较大，不能确保施工工期。因而，最终采用砖砌女儿墙方案，加强女儿墙处的泛水施工，以保证屋面防水性能。

(3)墙面采用双层纤维水泥板，内夹岩棉板的方案。从装饰角度考虑，外墙面在外层纤维水泥板外又附加了一层烤漆板，烤漆板如何与维护体系连接也是一个难题，最终通过实验，证实纤维水泥板的强度可以满足烤漆板的锚固要求，通过自攻螺钉将烤漆板卡件固定在纤维水泥板上，然后用卡件固定烤漆板，保证了外墙的美观和防水性能。

(4)屋面采用压型钢板组合楼板，省去了模板的搭设，受力满足要求，整体性好。

芜湖供电公司220kV清竹变电站是装配式建筑物在省内220kV变电站中的首次运用。由于装配式钢框架建筑具有自重轻、布置灵活、安装方便、施工工期短等诸多优点，在以后的变电站建设中，应优先推广使用此种建筑结构形式。装配式建筑物在省内220kV变电站中的使用尚属首次，其优越的性能能够有效缩短施工工期，减少劳动强度。

［1］宋璇坤，闫培丽，吴蕾，李军，邹国辉.智能变电站关键技术综述［J］.电力建设，2013，34(7):10-16.

［2］宋璇坤，沈红，李敬如，肖智宏，李震宇，邹国辉，黄宝莹.新一代智能变电站概念设计［J］.电力建设，2013，34(6):11-15.