电厂主厂房结构优化设计的探讨

常秀端

随着我国现代电力行业的不断快速发展,电厂主厂房的建筑类型及规模也在不断变化,新型的主厂房建筑结构设计越来越广泛。同时，主厂房的承重负载较大,跨度和层高都很大，而且根据工艺使用要求，对结构设计安全可靠和经济性都提出了非常高的要求。主厂房的结构设计质量对于保证电厂系统的正常运行也会起到至关重要的作用,需要将主厂房的整体建筑设计方案作为一项重要的设计工作之一来进行优化研究。

1.主厂房建筑结构中存在的技术问题

对于电厂主厂房的内部建筑主体结构设计,建筑的类型分区繁多,结构也是复杂多样[1],而且主部分厂房建筑中的施工设备比较重要,投资比较大,设计相对比较难,主部分厂房建筑施工过程中的设计技术也是直接影响主部分厂房施工质量的重要因素。主厂房内的配套设备布置及荷载都需要各专业提资，各专业设计相互交叉进行。各种相关专业之间的相互融合也一直是整个项目设计的一个重要环节。只有专业之间高效地互动结合，才能够有效保证整个建筑主体结构设计的优化。对于建筑结构设计人员，只有充分了解相关设备的实际使用情况和技术要求,才能做好主厂房的结构设计优化。

2.优化设计原则和目的

图1 某发电厂厂房效果图

工程设计结构优化主要围绕“循环经济发电、节约能源、提高效率、提高安全可靠性”的基本设计要求[2],以“经济适用、系统简单、合理备用、安全可靠、高效环保、以人为本”为工程设计的最基本原则,并坚持依靠工程技术的不断进步,积极稳妥地深入推广国内外先进工程技术,因地制宜地大量采用新建筑材料、新建筑设备、新建筑工艺、新建筑布置、新建筑结构等作为技术手段,以大大提高电厂的生产可靠性、可用率、劳动生产率,降低电厂造价、综合煤耗、水耗、厂用电等费率,节约能源,节约电厂占地。

3.主厂房结构优化设计

3.1 工艺需求

在电厂中主要设备包括三大发电设备:锅炉、发电机和动力汽轮机,这三大发电设备主要分别布置在三个主要的厂房中,它们具有不同的技术原理和性能特点。由于电厂的各个锅炉大多数都是采用半露天式的建筑形式,锅炉的顶部运转室底层以下部分的门需要定期做好完全封闭式的管理,运转室底层以上部分的门需要完全敞开。而且电厂需要根据不同气候地区的寒冷气候变化条件,对电厂锅炉房的运转层部分加强安全防护进行保障,以防在一些寒冷气候地区对电厂锅炉房的质量运行造成不良影响。另外电厂锅炉与各个锅炉之间还需要分别设置一部可以通往各个锅炉顶部的电梯。同时也需要考虑工艺及各专业的需求，并结合项目场地基本抗震烈度及场地类别，综合现场形式，找出主厂房最优布置方案。

3.2 主厂房的结构形式优化

常规来讲，我国电厂主厂房的建筑结构布置基本以最常见的框架结构形式，但主厂房布局中的建筑布置由于建筑物的体积比较大,空间的综合利用率相对比较小,而且结构设计人员还需要根据实际使用情况合理进行空间分布,进行更加科学合理的整体结构设计布置。

大型发电厂的厂房整体布置一般都会考虑选择主体钢结构框架再加上其他支撑带的结构。在发生较大地震时,这种厂房结构能够较好地协调主体钢结构框架和其他支撑结构受力点,具有良好的机械抗震传动性能和较大的地震抗侧性和刚度。如果厂房中各种抗震设备整体布置过于紧密集中，也可能会容易造成很多的地震问题,需要将各种抗震设备的整体布置空间做好合理分配,能够同时起到完全保护抗震厂房的主要效果,也就是能够很好满足大型抗震厂房设计的基本要求。

整个厂房的横截面上的结构,在整个厂房的整体结构过于复杂时,也可能会直接增加整个厂房整体结构的内部地震支撑,在厂房钢结构的地震支撑下,减少厂房支撑的力和面积,能够有效增加整个厂房内部钢结构的支撑刚度,有效地保护整个厂房。厂房内的钢结构支撑面积大小会因为受到很多客观因素的直接影响,厂房的整体结构设计时就需要充分考虑到整个厂房的结构支撑力和面积,保证整个厂房结构整体的稳定。例如在研究确定地下主发电厂房主体结构及加热锅炉等主要用电设备的建筑标高时[3],需要充分考虑地下排水设施以及电缆等主要设备的地理位置,要保证留有进行调整的空间余地。

3.3 结构设计优化措施

在整个主厂房的设计中，主体结构的设计进行优化是至关重要的。只有做好了主厂房的结构设计的优化才能提高电厂的实用性与安全性。通常结构设计中的优化方法可借助“体系空间优化法”方法，根据每个房间的建筑使用性能和功能需求,对其建筑内部空间进行优化。

由于不同的建筑结构设计体系类型可以为其提供的建筑内部空间的面积大小不同,在进行建筑主体结构设计第一阶段[4],应该首先根据各专业提资的工艺流程和实际功能需求,选用合适的建筑结构体系类型。

在非重大地震自然灾害多发区进行主厂房抗风结构的装修方案设计选型时,应该要优先考虑选用地震抗风变化性能比较好的抗风结构设计体系,也就是说要选用地震风压大和体型变化系数较小的抗风结构设计体系。

在对整个结构整体进行内部平面布置时,应考虑选取整个结构内部平面整体形状和整个结构整体刚度之间分布均匀对称的一种结构外力体系设计类型,这样也就可以在很大一定程度上有效减小螺旋风荷载外力作用下的结构扭转外力效应及其引起的机体结构外力变形和机体内力的相互影响。

3.4 结构节点优化

在主厂房结构设计中，在充分注重建筑整体效果的同时,也应特别注重加强结构上的整体以及对结构构件的精细优化设计。为有效减少底部混凝土截面,可选择采用一些高强度的混凝土标号,这样既可以满足其承受力度的要求,也可大大节约施工成本。

对于主厂房结构件，主要承受压弯变形，因此在选择结构构件时应特别关注压弯构件的相关性能。影响构件压弯能力构件的影响因素主要有:构件截面宽度尺寸、混凝土构件强度压力等级、纵向配筋、轴压比、箍筋量等[5],其主要影响因素分别是横向轴压力对比和纵向配箍筋量的比值。建筑构件的配筋刚度不断增大必将直接使得建筑结构的内部地震振动作用增大,这样建筑之间分配出的内力也许就相应地会增大,此时必须适当增大结构构件的配筋使用量，满足与建筑构造的活动约束力和使用条件。

4.结束语

由于国家对大型投资项目的工程造价成本及项目的经济性提出越来越高的要求，发电厂的结构优化设计也面临更精细化的要求。传统的定额设计或者标准化设计需要不断改变思路，更多设计优化和创新的思路有待更深入地探讨和研究。本着节约设备占地、节能、环保、减排、节水和有效提高发电机组总体经济效益的目的，五大主题已逐渐成为电厂的性能优化系统设计。设计中，应通过对发电设备性能特性和发电系统优化设计规范的全面系统分析和深入研究,在保证设备安全稳定正常运行的技术基础上,突破以往传统的优化设计管理思维,以设备总体经济效益最高为设计出发点,追求设计投资和设备运行期间经济效益最大的优化。