钢结构变电站与钢筋混凝土变电站全寿命周期成本分析

缪 叶 周鸿斌 颜立军

（国网无锡供电公司，江苏无锡214000）

0 引言

国家电网自2007年以来就开始大力提倡建设“两型一化”变电站，钢结构由于自身重量轻、制造简单、施工安装周期短而被广泛应用于变电站建设。当前，全寿命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）理论在电力行业内主要应用在电网规划、项目立项等阶段，根据成本估算模型，对电网规划及项目方案进行选择[1]。本文以无锡110 kV某类钢筋混凝土变电站和钢结构变电站为例，对两者进行全寿命周期经济性对比研究。

1 工程概况及施工成本预算编制原则

1.1 工程概况

无锡110 kV某类钢筋混凝土变电站（以下简称A类变电站）建筑面积约1 897 m2，生产综合楼为二层建筑；电压等级110/10 kV；建设50 MVA主变压器2台，远景建设3台，110 kV出线2回，10 kV出线24回。该工程于2017年6月28日正式开工，土建部分于2018年3月13日结束。电气总平面布置采用通用设计110-A2-3方案。

无锡110 kV某类钢结构变电站（以下简称B类变电站）建筑面积约957 m2，生产综合楼为单层建筑；电压等级110/10 kV；建设50 MVA主变压器2台，远景建设3台，110 kV出线4回，10 kV出线24回。该工程于2018年11月10日正式开工，土建部分于2019年7月17日结束。电气总平面布置采用通用设计110-A2-6方案。

1.2 施工成本预算编制原则

本文中选取的A、B类变电站参照的定额依据以文献[2]、文献[3]、文献[4]为基准。

2 主要结构设计差异分析

在保证变电站电气一次部分基本不变的前提下，钢结构变电站相对于传统钢筋混凝土变电站土建部分结构型式、围护系统及屋盖体系等发生了较大变化。主要结构差异如表1所示。

3 经济性分析

3.1 重点分部分项工程人工费分析

重点分部分项工程人工费对比分析指标如表2所示。

由表2可以看出，B类变电站重点分部分项工程人工费比A类变电站节省约9.38万元，约占A类成本的17.36%。因钢结构变电站工业化水平较高，人工费均有不同程度降低，这对解决当前劳动力市场用工紧缺的问题有积极的推动作用，有利于提高整体土建施工人员的专业技能水平。

表1 主要结构设计差异

表2 重点分部分项工程人工费

3.2 重点分部分项工程材料费分析

重点分部分项工程材料费对比分析指标如表3所示。

表3 重点分部分项工程材料费

由表3分析可以看出，B类变电站重点分部分项工程材料费比A类变电站高出约109.38万元，约占A类变电站成本的23.89%。可以看出，钢结构变电站材料费用的增量与表2中的基本一致。钢结构变电站建造过程中需要用到大量预制构件，价格比较高，且用钢量大。除内墙结构、屋面防水等材料费相应减少以外，主体结构、外墙结构等采用的材料基本是成品装配式，且部分为非常规产品需要定制，致使材料费的成本增量较大。

3.3 重点分部分项工程机械费分析

重点分部分项工程机械费分析指标如表4所示。

表4 重点分部分项工程机械费

由表4分析可以看出，B类变电站重点分部分项工程机械费约为A类变电站的2.48倍。钢结构装配式变电站要考虑钢结构防火，且其为一层钢框架结构，材料运输主要以水平运输为主，利用站内环形道路运送至各施工作业面，少量垂直运输采用汽车吊代替塔吊，垂直运输费降低。钢筋混凝土变电站塔式起重机使用周期长，机械进出场费用高，钢结构变电站主要使用轮胎式起重机吊装，没有塔吊进出场费用。

3.4 重点分部分项工程周转材料费用分析

重点分部分项工程周转材料费用对比分析指标如表5所示。

表5 重点分部分项工程周转材料费

由表5分析可以看出，钢结构变电站重点分部分项工程周转材料费比传统的钢筋混凝土变电站减少269 757元，减少了约81.43%。钢结构变电站钢梁钢柱为汽车吊吊装，复合木模板只用在基础部分，而且若仅考虑装修脚手架，用量将大幅度减少。周转材料费用的降低会间接降低安全文明施工费，降低施工噪声，消除工程部分安全隐患，从人文及环保的角度上看，符合绿色发展的理念。

3.5 钢结构变电站建设过程增量效益分析

整体上，钢结构变电站重点分部分项工程的成本增量为921 514.61元。其中，人工费及周转材料费是减少的，这也体现了钢结构变电站在节约人力及材料方面的优越性。材料费及机械费的成本增量浮动较大，这是成本管理的关键。如表6所示。

表6 重点分部分项工程成本增量

4 全寿命周期成本分析

4.1 全寿命周期模型

全寿命周期成本分为前期成本、建设成本、使用成本和使用后成本[5]。全寿命周期模型采用HARKNESS[6]等的计算模型，其表达式为：

式中：LCC为全寿命周期折现值；Ka为前期费用；Ma为初始建设费用；Kn为第n年投资费用；Mn为第n年维护管理费用；En为其他费用；Vn为退役残值；r为资金折现率；n为建筑物的寿命期。

工程设计使用年限为50年，社会折现率采用WEITZMAN[7]的模型，折现率随周期递减；0～30年取3.5%，31～50年取3.0%。

4.2 前期成本

假设钢筋混凝土变电站和钢结构变电站位于同一地区，项目前期成本较大的差异主要包含设计费和监理费等。按照文献[2]、文献[8]中设计监理费的计算规定，B类变电站设计费高出A类变电站约921 514.61×2.335%×（1+18%）=25 390.491元，监理费高出约921 514.61×5.34%=49 208.88元。

4.3 建设成本

A类变电站施工周期为265天≈9个月，B类变电站土建周期为225天≈8个月。建设期贷款利息采用按月计息，建设期年利率为4.75%，建设期总利息Ct按式（2）计算：

式中：Cc为建设费用；i为月利率。

按照表6中重点分部分项工程成本增量估算建设期贷款利息差额，为-3 764.39元。

4.4 维护成本

A类变电站的维护费用主要是抹灰涂料等外墙装饰费用，维修周期为10年[6]。外墙装饰费用为98.6元/m2，维护面积为2 908.7 m2，单次费用为286 797.82元。

B类变电站的维护费用中，外墙板更换年限为25年，在寿命周期内需更换1次，其中外墙板更换费用为624.88元/m2，外墙面积为1 550 m2，更换费用为968 564元。按资金折现式（3）[6]计算：

式中：CM为维护成本；Cm为单次维护成本；r为资金折现率。

A类变电站的维护费用为537 550.88元，B类变电站的维护费用为409 444.94元，维护成本增量为-127 705.94元。

4.5 使用后成本

钢筋混凝土变电站的余物清理费按照建筑工程新建直接费的20%取费[2]，相关调查研究表明，钢结构建筑的拆除费用约占建设期费用的10%。A类变电站的余物清理费用为1 115 862.7元，B类变电站为650 082.81元。余物清理费用增量为-465 779.89元。

A类变电站采用的混凝土为不可再生混凝土，残值为0。B类变电站采用的钢柱、钢梁、钢构件、内墙钢结构板等可实现全部回收再利用，确定残值率为60%。B类残值为878 347.2元，增量为-1 344 127.09元。

4.6 LCC理论分析

按式（6）计算全寿命周期增量成本，得到全寿命周期成本增量汇总表，如表7所示。

表7 全寿命周期成本增量

通过上述分析，从全寿命周期成本的角度来说，由于钢结构后期维护成本较低和回收利用率高，钢结构变电站较钢筋混凝土变电站成本减少约47.95万元。

4.7 社会效益分析

钢结构变电站较钢筋混凝土变电站社会效益更好，满足建设资源节约型、环境友好型、工业化变电站的建设初衷。

（1）工期效益：钢结构变电站可在现场快速拼装，将施工串联流程转化为并联流程，缩短建设工期，加快电网工程建设进度。

（2）质量效益：钢结构变电站在设计阶段，构件通过标准化设计进行拆分，使构件符合模数化要求，构件精度高，质量易于保证。

（3）环保效益：钢结构变电站所有钢构件、墙体、屋面均采用厂家成品，现场安装，可减少现场湿作业工程量60%，减少建筑垃圾量80%，减少了建设过程中对周围环境和居民生活的影响。

5 结论

本文通过对无锡110 kV某钢筋混凝土变电站和钢结构变电站进行全寿命周期成本分析评价，可以得出以下主要结论：

（1）在建设阶段，钢结构变电站用工量减少，材料费及机械费的增量较大，尤其是材料费比例增大，是成本管理的重点。但钢结构变电站由于维护成本较低和回收利用率高，钢结构变电站全寿命周期成本较钢筋混凝土变电站成本减少约47.95万元。

（2）随着钢结构变电站逐步实现标准化设计、工厂化生产、机械化施工，结构选用钢框架结构，围护选用水泥纤维板，屋面采用钢骨架轻型板等，可以提高装配效率，降低工程造价。未来钢结构应在连接节点的材料、形式、设计方法方面实现创新，在保证安全的前提下提高其经济性。

（3）钢结构变电站在工期、质量、环保等社会效益上更能满足资源节约型、环境友好型、工业化建设的可持续发展要求。综合全寿命周期经济效益和社会效益，钢结构变电站符合今后电网建设发展的需求。