装配式变电站建筑结构优化设计研究

郭后二

装配式变电站建筑结构优化设计研究

郭后二

（安徽华电工程咨询设计有限公司 安徽合肥 230000）

变电站建筑物采用单层钢框架结构，综合考虑到跨度和荷载的因素，可以定型化设计、工厂化生产，适合于装配式施工建造，能够真正体现轻钢体系轻质、快速高效、布置灵活等一系列优势。符合国家电网公司提出的“两型三新一化”变电站的建设思路，可以实现建设可持续发展社会的要求，对未来的变电站建设具有重大的指导意义。

装配式变电站；建筑结构；优化设计

引言

我国已改过去钢材不足的局面，转而成为钢材供大于求，现在国家的政策导向不是不用钢材，而是积极合理的扩大钢结构在变电站建筑中的应用。在预制装配式结构类型中，满足变电站消防要求的预制装配式结构类型中目前常用的有装配式混凝土结构、装配式预应力混凝土结构、钢结构三种结构体系。另外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在价格上显示不出来。如果定型化、批量化设计建造，则可以在一定程度上降低材料成本。因此，有必要对装配式变电站建筑结构中钢结构的应用进行分析和介绍。

1 建筑方案设计

安徽亳州孙庙110kV变电站站址位于利辛县孙庙乡县道X050北侧24m处，现状为麦地，地面高程28.00～28.20m，地势平坦。站址区域为建设用地，非基本农田。

站址布置方位选择为北偏东1.09°，平行于X050县道，站址南侧征地线和进站道路位置与可研征地线重合。其他方向的征地线在可研征地红线内。站区场地设计标高为30.80m，详情见表1。

表1 主要技术经济指标

1.1 建筑平面、立面、剖面设计

（1）建筑方案以研究建筑物可装配化方案为重点，对整个建筑物进行统一规划，轴网及墙板模数化，使建筑有极强的延展性和可复制性。

（2）优化设计程序，采用先结构、后建筑立面，再建筑平面的逆向设计程序，减少装配式预制构件的类型，以保证装配式墙板为最优方案。

（3）从解决装配式建筑的实际问题出发，选择成熟外墙维护技术和通用产品，提高标准化水平，实现可复制，从设计角度减少构件形式和数量的多样性，降低施工难度[1]。

（4）立面设计：按照变电站工业建筑的属性定位，本着“化繁为简”的设计理念，运用模块化设计理念，将立面元素优化、集成，提炼其核心功能，剥离与变电站无关的多余装饰，化多样为同一，为实现工厂定制化生产提供前提条件。

（5）建筑风格：全站建筑采用同一的建筑元素与材质，形成统一风格。

1.2 生产综合室技术经济指标

本变电站建筑最大的亮点就是建筑平面及功能房间的优化整合。根据无人值守智能变电站的性质和工艺专业要求及总平面布置，优化后建筑平面布局紧凑，功能分区合理，站内交通组织流畅。与可研方案相比，全站仅设一栋生产综合室，取消了原独立10kV开关室。

为了最大程度节省全站建筑用地面积，全站建筑物仅设生产综合室一栋，建筑面积约489.5m2。

按照建设“两型三新一化”变电站的设计要求，本方案取消仪器材料间、警卫室及卫生间，仅保留安全工具间、资料间，用于放一些日常维护、检测的工具[2]。

2 生产综合室结构设计

2.1 生产综合室结构选型

2.1.1 装配式建筑结构体系

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、施工进度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等优点，与混凝土结构相比，它是环保型的和可再次利用的，也是易于产业化的结构[3]。

经比较分析得出：装配式钢结构体系符合现行的国家有关标准和规范的规定，方案合理实用，能够解决传统变电站建设中的一些技术难题，诸如：

（1）设计、建设标准不统一；

（2）施工队伍技术水平参差不齐；

（3）施工工艺复杂，建设周期长；

（4）施工污染环境；

（5）施工管理成本较高等技术难题。

2.1.2 装配式钢结构与常规混凝土结构的技术经济比较

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、施工进度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等优点，与混凝土结构相比，它是环保型的和可再次利用的，也是易于产业化的结构。

装配式钢结构与常规钢筋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，但钢筋混凝土结构在防火，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。

经统计分析，同等条件下钢筋混凝土结构常规方案的单位工程造价为2400元左右，而装配式钢结构的单位工程造价为3500元。尽管当前装配式钢结构的单位工程造价高于钢筋混凝土结构，但主要因素不在结构体系而是建筑内外墙板、楼板、防火及构配件成本较高。另外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在价格上显示不出来。如果定型化、批量化设计建造，则可以在一定程度上降低材料成本。另外钢结构工程可以缩短工期，故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。

2.1.3 结构形式选择

生产综合室采用钢框架结构体系，钢框架结构建筑体系是一种优良的抗震结构体系，具有自重轻、地震反应小，钢材强度高、延性好、塑性变形能力强等优点，因此其抗震性能是其他钢筋混凝土和砌体结构无法比拟的，尤其在遭遇罕遇地震下能够避免建筑物的整体倒塌性破坏。

2.2 屋面板结构体系选型

常见屋面板结构有：全现浇混凝土楼板、装配整体式混凝土楼板、钢骨架轻型屋面板、钢筋桁架楼承板组合楼板、压型钢板组合楼板、装配式预制混凝土板。其中全现浇混凝土楼板、装配整体式混凝土楼板与钢结构梁的连接不适用于钢结构体系。

2.3 梁柱截面形式选择及优化

2.3.1 梁截面形式选择及优化

根据PKPM-STS模块计算结果，框架梁弯矩中端部弯矩最大，跨中弯矩小于端部弯矩较多。如跨度较大时梁全截面均按端部弯矩确定，将造成梁跨中截面强度富余，跨中附近截面不能充分发挥材料性能。故通过对A～B轴线间11m跨度梁采用变截面的方式进行截面设计，减少梁跨中部的截面，实现节省钢材，贯彻绿色变电站设计理念，见图1。框架梁端部弯矩最大，跨度11m处通过从梁端向跨中变截面的方式进行梁变截面设计，与等截面梁（见图2）相比，在满足强度和刚度的条件下可减少梁跨中部的截面0.1m，工程减少钢材用量约为0.4t。

图1 11m跨度处框架梁弯矩包络图

图2 等截面梁示意图

2.3.2 柱截面类型选择

常见的钢结构构件截面类型主要有：箱型截面、宽翼缘热轧H型钢、焊接H型钢、组合格构式、热轧工字钢、热轧槽钢等。

本单体中钢柱受荷面积适中且屋面荷载较小，且框架柱两个方向受力较均匀，故初选焊接H型钢型截面、箱型截面、十字形截面三种截面进行比较。根据上文比较结果，钢材采用Q345B级钢，A～B轴线间11m跨度梁采用变截面梁，建立二种不同柱截面模型比较其技术经济性能。

2.4 连接节点优化设计

框架节点设计首先要满足抗震性能要求，传力清晰，受力可靠，实现“强节点”的抗震设计理念。

节点为全固接节点，同时焊接工作在工厂完成，焊缝质量容易得到保证，现场拼接采用螺栓连接，施工方便、快捷；楼层次梁支座均采用铰接节点，梁腹板通过连接板与支座梁加劲肋全螺栓连接，该节点构造简单、施工方便。

3 结论

尽管当前装配式钢结构的单位工程造价高于钢筋混凝土结构，但主要因素不在结构体系而是建筑内外墙板、楼板、防火及构配件成本较高。钢结构工程可以缩短工期，故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。总体来说，装配式钢结构较常规的的钢筋混凝土结构优势明显将是未来装配式变电站发展的主流趋势。

[1]张浩，孟玲辉.建筑结构设计优化方法的应用研究[J].四川水泥，2016（04）.

[2]姚大园.建筑结构设计优化方法及应用[J].江西建材，2012（06）.

[3]倪顺华.房屋结构设计优化技术的应用研究[J].黑龙江科技信息，2016（12）.

TM63

A

1004-7344（2016）31-0098-02

2016-10-15