装配式结构在电力工程中的应用及发展分析

2021-11-01周承宗ZhouChengzong

重庆建筑 2021年10期

周承宗Zhou Chengzong

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211102）

0 引言

土建工程领域在传统的粗放型发展模式下，存在建设周期长、现场污染大、质量控制难等问题。为实现行业的健康可持续发展，近年来，国家积极倡导土建工程建设向绿色节能方向转型，大力支持装配式建筑的研究与应用。

装配式建筑是指结构系统、围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制品部件集成的建筑。装配式建筑的各构件、部件在工厂中预制批量生产，在现场进行装配安装，大大缩短了施工工期，减少了环境污染，有利于实现建筑标准化设计、工业化生产，具有良好的经济效益和生态环境效益[1]。

电力工程（如发电厂、变电站、换流站等）作为重要的基础设施建设项目，工程投资高、工作量大、工序复杂、参建队伍多，需综合考量建筑施工对环境的影响。随着工程建设节能环保标准的不断提高，现浇混凝土建筑在电力工程领域的缺点越来越明显，主要体现在主厂房及电缆沟等的土建施工处于整个工程建设的关键路径上，而现浇混凝土建筑施工工期长、受外部环境条件影响大，现场劳动力需求大，模板用材和用水量大，施工废料、废水多，不符合节能和环保理念[2]。装配式结构却能够凭借自身的优势特点克服现浇混凝土建筑的这些不足，因此装配式结构在电力工程中具有良好的发展前景。

本文通过研究调查与行业综述，对国内装配式建筑的发展历程进行了回顾，分析了装配式结构在电力工程附属构筑物及主体结构中的应用现状，并进一步对装配式结构在电力工程中的发展前景进行了探讨，相关研究结论可为装配式结构的研究与应用提供参考，以促进电力工程建设的绿色低碳化发展。

1 发展历程及现状

我国装配式建筑的发展历程可分为三个阶段。第一阶段是20世纪50～80年代的创建期和起步期，主要是参照苏联的建造模式，具有代表性的有装配式多层框架结构、大板建筑等，同时当时的发电厂等工业厂房大都采用预制混凝土框、排架结构。第二阶段是20世纪80年代至2000年的探索期，期间随着商品混凝土的出现，新建建筑逐渐采用现浇式结构。而在电力工业领域，随着单机容量的增加，厂房高度、跨度越来越大，预制构件的单件重量越来越重，装配式建筑在设计能力、构件制备的质量控制和装配施工技术等方面的缺点愈加突出，因此其发展突然陷入停滞，相关研究也越来越少。第三阶段是2000年至今的快速发展期，随着我国经济社会的发展，基建规模的扩大，国家和地方政府接连出台多项政策大力支持装配式建筑发展，“发展智能建造，推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅，建设低碳城市”被写入国家“十四五”规划纲要，我国建筑工业化进入新一轮的高速发展期[3-5]。

国家电网公司自2007年以来就开始大力提倡建设“两型一化”变电站、换流站，重要体现之一就是装配式变电站，同时还推动开展了变电站装配式建筑物、变电站钢结构建筑的设计技术研究。进入“十四五”以来，为实现“碳达峰”“碳中和”目标，各发电企业也积极探索节能、高效、环保的建筑结构方案，可以预见，发电企业针对装配式建筑的各项推广应用措施将陆续出台。

目前，电力工程中装配式结构的应用主要呈现以下特点：一是电缆沟、围墙、防火墙等附属构筑物具有明显模数特征，采用工厂预制装配式混凝土结构，不用砖砌体或现浇混凝土结构。二是装配整体式结构以钢结构为主体结构，采用轻质墙板作为围护结构，取消砖砌或粉刷，但装配整体式混凝土结构尚未实现。

2 电力工程附属构筑物中装配式结构的应用

2.1 装配式电缆沟

作为敷设电缆的地下通道，电缆沟是电力土建工程的重要组成部分。电缆沟施工无论是砖砌还是现浇，其现场的施工工期都较长，在一些扩建工程中或低温阴雨、工期短等特殊条件下施工更是受到诸多制约。而装配式电缆沟具有施工工期短、质量可靠、现场安全好控制等优点[6-8]。

装配式电缆沟采用混凝土和钢模板施工技术，先在工厂对电缆沟结构进行分段预制，然后运抵现场拼装完成[7]。在确定装配式电缆沟的结构方案设计阶段，既要系统考虑混凝土电缆沟的安全性、功能适用性要求，又要结合装配式结构的特点，综合考虑基本段沟身及盖板的结构选型、交叉连接，以及转弯段沟身及盖板的结构选型与处理方式、预制段之间的拼装连接构造与防渗水措施、沟底排水沟坡度设置等各个方面的技术问题。

按照预制构件的类型，装配式电缆沟可分为L型、U型（图1）和板式电缆沟[6]。电缆沟侧壁、底板均采用混凝土预制，每段长1.2～2m，每段自重控制在1500kg以内，以便于运输及安装。根据具体工程需要及施工策划，由生产厂家预制不同电缆沟交叉处的“T”“L”及“+”型交叉预制件。电缆沟每段之间采用M20螺杆连接，标准段之间采用防水密封胶；预制电缆沟中下部预留吊装孔，方便吊装（图2）。

图1 U型装配式电缆沟

图2 装配式电缆沟的吊装施工

与砖砌或现浇电缆沟不同，预制装配式电缆沟在分段拼接处存在缝隙渗水问题，通常采用以下三种接缝防渗措施：（1）填充发泡剂+硅酮耐候胶勾缝止水，在每段预制混凝土电缆沟的两端沿断面内外壁边缘（底板下部除外）预留20mm×3mm槽口，拼缝宽度取5mm，预制电缆沟拼接就位后，在预留槽口内填充发泡剂，后用硅酮耐候胶勾缝形成止水缝。该方法施工简单，没有湿作业，施工速度快，而且经济适用。（2）止水橡胶条止水，在预制电缆沟断面中心位置均预设梯形或半弧形公槽或母槽，安装前将6mm厚的通长橡胶条固定在每段电缆沟端部的母槽内，构件就位后拧紧外侧对拉螺栓挤压橡胶条形成止水缝。该方法止水效果可靠，缺点是成本较高。（3）微膨胀浆料灌缝止水，预制电缆沟沟壁端面及底板端面中心位置均预设1/2圆弧凹槽，直径40mm，构件就位后从顶部浇灌微膨胀浆料形成止水缝。该方法施工较为简单，成本不高，缺点是存在湿作业，电缆沟底部存在漏浆的可能。

2.2 装配式围墙、防火墙

装配式围墙（图3）主要由基础、围墙柱、预制墙板和压顶梁装配而成。根据材料类型的不同，目前在变电站、发电厂等电力工程中已经得到应用的装配式围墙形式主要有以下几种：预制混凝土柱加预制墙板实体围墙、预制型钢柱加预制墙板实体围墙、预制混凝土柱加挤压水泥纤维板围墙、预制混凝土柱加玻璃纤维增强水泥板围墙等。

图3 装配式围墙

围墙主要依靠预制围墙柱受力，柱设有凹槽，安装完成后卡入预制墙板，上部再采用压顶梁进行封口。围墙柱在基础中的常见安装方式有焊接、螺栓连接、杯口插入式连接三种。其中，杯口插入式最为可靠，需现场浇筑杯口基础和基础梁，插入围墙柱后二次浇灌强度等级高一级的细石混凝土；螺栓连接装配化程度最高，但对基础预留螺栓的精度要求也较高；焊接连接是将围墙柱底部的预置钢板和基础的预埋钢板焊接固定，需特别注意对现场施焊的部分做好防腐处理[9-11]。

装配式防火墙（图4）与装配式围墙的构造原理基本相同，但由于防火墙通常高度较大，因此装配式防火墙需要采用框架结构，在墙顶处设置框架梁将框架柱连成一个整体；墙板需要梁作为支撑，故在地面处设置一道基础梁，作为预制墙板的基础；考虑到减少施工工序、节约工期的需求，装配式防火墙可以根据实际情况取消中间标高处的框架梁，仅在墙顶和墙底设置框架梁，以减少构件数量和节点数量。

图4 装配式防火墙

相关文献对某换流站阀厅的预制钢筋混凝土装配式防火墙进行了整体受力分析、抗震性能试验和理论分析，并对防火墙抗震性能进行了计算，结果表明装配式防火墙需采取适当构造措施以满足受力要求[12]。

3 电力工程主体结构中装配式结构的应用

3.1 装配式钢结构主厂房

钢结构具有天生的装配式属性，由于其轻量级、高强度、抗震性能好、可快速施工等优点，实际上已经逐渐应用于国内外地震高烈度区主厂房结构。某发电厂项目位于棉兰老岛，由国内某工程公司总承包建设。棉兰老岛当地地震设防烈度可达8度，且由于项目坐落在海滨，风荷载较大，同时考虑到当地落后的建筑工业水平，以及缺乏专业和成熟的现浇混凝土结构施工技术人员及材料供应保障体系，EPC团队决定对主厂房采用钢结构形式（图5）。主厂房楼板采用压型钢板底模+现浇混凝土结构，外墙板采用压型钢板，内墙板采用多孔砖砌筑，除内墙板外，其余钢结构建材均为国内生产制造后通过海运输入。

图5 施工中的装配式钢结构主厂房

在设计过程中，设计团队采用STAAD软件建模计算，选取经济合理的钢梁、钢柱及支撑截面，梁柱连接、主次梁连接等各类型节点设计为全螺栓拼接，减少了现场焊接工作量。钢结构工厂采用Takela对图纸进行放样和节点深化设计，节点开孔、钢结构涂装等均在工厂内完成，有效提高了安装效率。

与民用钢结构建筑相比，火电厂主厂房因工艺的专业布置需求，常会出现一些楼板开孔、楼板不连续等平面不规则的情况，导致纵横向框架刚度分布不均匀。同时，重型设备如粉斗、煤斗、高低压加热器、除氧器等的质量分布相对集中且常位于结构高层，进而容易使主厂房产生抗震薄弱层。为增加钢结构厂房的抗侧刚度，需采用必要的抗震措施，目前常用的有框架-支撑体系、防屈曲耗能支撑（BRB）、钢板剪力墙体系等[13]。

地震高烈度地区采用钢结构主厂房设计的难点主要体现在：（1）合理选取抗震措施，需综合考虑地震烈度大小、机组容量大小、结构工程造价等因素；（2）支撑体系的布置较为复杂，主厂房设备、管道众多，布设支撑时需避免与其干涉。

3.2 装配式钢结构变电站

相对于发电厂主厂房，变电站主体结构更为简单。得益于国家电网公司的创新推动举措，装配式钢结构变电站（图6）的应用更加广泛，装配式钢结构变电站的设计、施工技术也更加成熟。在经济合理和非强侵蚀介质环境的情况下，可采用钢框架结构、门式刚架结构、冷弯薄壁型钢结构，并优先选用定型的和标准化的节点型式，以尽量减少构件种类数量，减少现场焊接作业，提高施工速度。外墙材质宜选用高密度纤维水泥板，内隔墙材质宜选用轻钢龙骨石膏板，楼板可选择钢筋桁架楼承板等结构形式[14]。

图6 施工中的装配式配电房

装配式钢结构建筑抗火性能较差，而变电站等工业建筑通常要求具有较高的防火等级，为了防止和减小钢结构的火灾危害，必须对钢结构进行科学的抗火设计，采取安全可靠、经济合理的防火保护措施。钢结构防腐设计应综合考虑环境中介质的腐蚀性，以及周边环境条件、施工和维修条件等因素，因地制宜，综合制定防腐蚀方案和选择防腐蚀材料。

在新技术的融合方面，BIM技术现已较深入地应用于装配式变电站的设计和施工的全过程中，在现场精细化管理、缩短工期、节约成本、保证质量、提高项目管理水平方面发挥了较大作用，能够满足高精度的钢柱定位要求、避免构件干扰碰撞及提高现场装配率[15]。

4 装配式结构在电力工程中的发展前景

总的来说，装配式建筑推广发展的影响因素可归结为政策因素、技术因素、经济因素和市场因素，但最终其他因素都可转化为经济因素[2]。在装配式建筑发展前期，由于技术标准化不成熟，预制构件的制作成本相对较高，市场认知度较低，装配式建筑在同价格较低的传统现浇模式建筑的竞争中难以凭借优势赢得市场，此阶段其主要借助政策因素实现发展。近年来，我国对装配式建筑的政策支持力度不断加大，一方面不断完善装配式建筑配套技术标准，另一方面对落实装配式建筑的发展提出了具体要求，装配式建筑呈现出欣欣向荣的发展态势。

另一方面，建筑劳务用工市场的变化有利于装配式建筑的推广，新生代农民工逐步走向制造业和服务业就业，建筑行业劳动力用人成本呈现上升趋势，建筑行业的“人口红利”即将消失。而装配式结构相对于传统现浇模式可大幅减少建筑用工，其推广应用符合社会用工发展的需要。

投资方的投资意愿不足以及工程总承包体制的制约是现阶段装配式建筑在电力工程中难以推广应用的主要原因。电力工程，特别是发电厂工程中，建筑结构尺寸多样，缺乏规律，构件模数化处理难度较大，预制构件单价高等，导致投资方投资意愿不足；预制构件的吊装施工和现场施工管理要求和成本都更高，工程总承包单位受利润因素影响，应用意愿不足，使得装配式结构在电力工程中的发展滞后。但目前国家电网已做出全面推广预制装配式结构的决定，同时，在国外，海外发电厂总承包建设工程通常工期紧张，装配式钢结构建筑的应用优势逐渐凸显。