預制式鋼結構建筑在裝配式變電站中的應用

衛永梅

預制式鋼結構建筑在裝配式變電站中的應用

衛永梅

社會和經濟的發展離不開電，人民生活更是與電息息相關。變電站是電網的重要節點，是電力輸電系統的重要關節，它在變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能的流向、調整電壓等方面有著重要的作用。

本文簡要對預制鋼結構建筑的特點進行解析，指出裝配式變電站是未來變電站建設發展趨勢之一，鋼結構技術的發展也必將為更好地服務于地方經濟作出貢獻。

戶內型變電站；裝配式；預制式鋼結構

1.變電站模式

傳統戶外型變電站的各種設備在戶外布置，對環境及絕緣配合的要求較高，而且占用土地較多，與周邊環境不協調，建設點選擇比較困難。隨著資源節約與環境友好型社會建設的逐步推進，變電站建設模式必須走向減少土地占用、降低變電站造價、縮短建設周期、與周圍環境協調、提高運行可靠性、較少設備維護的發展模式。在土地緊張的城市中心區域，戶內型變電站是一種更為理想的選擇。

尤其近年來，社會經濟持續發展，各行各業電力需求不斷增長。為滿足日益攀升的用電負荷，提高供電能力，國家電網公司提出建設智能電網的要求，于是各電壓等級的智能化變電站應運而生。而建筑工業和電氣安裝行業的快速發展也使得裝配式智能變電站的優質、高效和集約化的建設成為可能。

裝配式變電站采用工廠化加工、標準化生產、模塊化組合，具有施工周期短、現場作業少、質量指標好、環保便捷等特點，節約土地資源，生產集約化，縮短了建設工期，具有“資源節約、環境友好、工業化”的特點，是未來變電站建設發展趨勢之一。

2.預制式鋼結構建筑

傳統的變電站建筑多使用鋼筋混凝土框架結構，受力構件需在建設現場進行澆筑，而建成后退役時絕大多數的材料都不能回收利用，再加上施工周期長、勞動強度大、材料消耗多、質量控制難度大、環境污染大等問題，不符合時代的發展需求。

與鋼筋混凝土結構相比，鋼結構建筑具有質量輕、強度高、跨度大、施工工期短、降低投資成本、防火性高、防腐蝕性強等明顯的優勢。設計采用的復合材料防水保溫等各項性能優于普通的混凝土建筑。在使用過程中，質量良好的鋼結構建筑可免去繁瑣的維護，節約了大量的維修成本，降低了停電斷電的風險。

預制式鋼結構建筑依據建筑圖紙及各工種提供的設計資料，按照國家及地方的主要設計規范和規程，在滿足工程設計標準的基礎上，所有鋼結構構件在工廠預制，進行工業化、規模化生產。待所有鋼結構件生產完畢，直接運至施工現場吊裝，進行裝配組裝，完成集約化施工。根據建設實例總結，與傳統現澆結構比，采用裝配式模塊化建設，110 kV 變電站縮短工期6個月，220 kV 變電站縮短工期7個月，現場三廢排放大幅下降，危險點控制水平顯著提高。

2.1設計依據

2.1.1建筑圖紙及各工種提供的設計資料

2.1.2 國家及地方的主要設計規范和規程

2.2工程設計標準

2.2.1 設計使用年限

按《建筑結構可靠度設計統一標準》，確定建筑使用年限。

2.2.2 建筑結構的安全等級

按《建筑結構可靠度設計統一標準》，確定建筑結構安全等級。

2.2.3 抗震設防烈度

按《建筑抗震設計規范》，確定建筑的抗震設防烈度、地震分組和地震加速度。

2.3 鋼結構體系設計和安裝

2.3.1設計參數與荷載取值

鋼結構體系的設計參數與荷載取值：荷載包括永久荷載，即結構件的自重和懸掛在結構上的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。另外，還有可變荷載，如屋面活荷載、雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、風荷載、地震作用等。

荷載組合遵循以下原則：屋面均布荷載不與雪荷載同時考慮，取其大者；積灰荷載應與雪荷載或者屋面均布荷載中的較大值同時考慮；施工或檢修集中荷載不與屋面圍護材料或檁條自重外的其它荷載同時考慮。如建筑內有吊車系統，則多臺吊車的組合應符合《荷載規范》的規定。當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。

為滿足國內審圖要求，主次鋼構計算采用由中國建筑科學研究院編制的“結構計算輔助軟件PK PM系列SETWE及PK，程序（2012新規范版本）”進行建模及結構計算。

2.3.1.1內力計算原則

根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制鋼構件截面的內力組合。控制截面的內力組合主要有：

a.最大軸壓力Nmax和同時出現的M及V的較大值；

b.最大彎矩Mmax和同時出現的V及M的較大值；

c.最小軸壓力Nmin和相應的M及V，出現在永久荷載和風荷載共同作用下，當柱腳鉸接時M=0。

2.3.1.2側移計算原則

變截面門式剛架柱頂側移應采用彈性分析方法確定：

a.當單跨變截面門式剛架斜梁上翼緣坡度不大于1∶5時，在柱頂水平力作用下的側移；

b.變截面和橫梁的平均慣性矩；

c.估算剛架在沿柱高度均布的水平風荷載作用下的側移；

e.中間柱為搖擺柱的兩跨或多跨剛架，柱頂側移可同a考慮；

f.中間柱和橫梁剛性連接時，可將多跨剛架視為多個單跨剛架的組合體（每個中間柱分為兩半，慣性矩各取一半）。

三維結構模型圖

樓層平面應力比示意圖

最終，剛架的側移在驗算時，需根據計算結果進行調整，直至滿足要求：放大柱或梁的截面尺寸，變更鉸接柱腳為剛接柱腳，或把多跨框架中的搖擺柱改為鋼柱上端與梁剛接的節點形式。

2.3.2現場安裝

鋼結構建筑安裝工序應如下：首先進行鋼結構柱的組裝，然后安裝樓層梁和屋面梁，最后進行屋面和墻面圍護系統的安裝。局部鋼結構可以采取地面預先拼裝。整體吊裝的方式進行安裝，如 “樓層平面應力比示意圖”所示，其中，左起第一和第二跨、第四和第五跨、第七跨的樓面次梁，就可以采用如上方式。這種將高空作業的內容放在地面進行的方法，可以提前發現并解決鋼構件之間的連接問題，大大減少高空施工，降低了高空作業的風險。

施工現場需注意：構件進場時，進行現場檢驗，確認構件質量合格；安排吊機進場吊裝，保證施工質量，而且，在吊裝時，要實時跟蹤觀測，確保鋼粱的位移和標高，滿足施工要求。最后進行其他零星構件的安裝以及收尾拆除。此外，還應該設置關鍵安裝點，實施全程的控制。一旦發現有施工偏差，立即進行調整和校對。

預制式鋼結構建筑使建筑物功能融合化、結構輕型化，貫徹了建筑節能、節材、節水、節地的方針，結構安全度更為精準，細部節點更為簡單合理。

裝配式變電站建設中采用鋼結構建筑也將逐步趨向普及。

3.建筑裝飾作用

隨著社會的發展和文明的進步，人們越來越注重可持續發展和環境保護。傳統的材料已很難滿足現代產品設計的需求，為此，人們紛紛提出并研究在產品設計的第一步就應該做到盡量選用綠色材料，以滿足產品在其全生命周期內對環境影響最小的要求。

裝配式變電站在圍墻建設中采用裝配式墻體。墻板可使用品牌復合型板材，中間保溫層采用為高密度（120kg/m3）巖棉，防火等級A1級，不燃材料，厚度有80～150mm多種規格，可以分別滿足1～3小時的防火要求。如復合型板材的外板采用鋁鎂錳板，具有比鍍鋁鋅板更加卓越的耐腐蝕性能，免維護年限可達50年，表面氟碳涂層處理。

復合板為工廠化預制的四面企口板，所有切口均有金屬包邊保護。板材寬度按照窗戶高度進行模數分割，使外立面效果更加整齊，橫豎縫之間使用結構密封膠填充，橫平豎直，具有幕墻的效果。墻板排版有專業人員設計并出圖，在工廠一次成型，所有連接構造、構件、配件及設備管線的配置遵循采用標準化、少規格 、多組合的原則在現場拼裝。安裝后的墻體平整，施工工期大大縮短，減輕勞動量，可以極大程度地滿足變電站建設的相關要求。

彩色外鋼板為多樣化的建筑效果提供了更多選擇，使建筑物與周邊環境相協調，體現出簡潔有力的工業建筑特點。

復合板外墻實例

上海浦東某變電站效果圖

上海浦東某變電站效果圖

吉林延邊某變電站效果圖

湖北襄樊某變電站效果圖

4.變電站特殊要求

4.1抗爆及泄壓

一般認為，變電站爆炸由高壓設備短路造成。短路發生時，高壓設備中的電弧瞬時釋放較大電火花及熱量，可能引燃設備中的冷卻油而發生爆炸。爆炸會損壞變電站的主體結構，傷及人員。

因此，主變壓器室和散熱器室之間的外墻，設計時宜采用整體泄爆墻或墻體上應力比較大的區域設置泄壓口。當室內發生爆炸或燃燒時，屋內氣體壓力隨之急劇上升，當壓力值達到57Mpa時，通過泄爆配件或裝置使泄爆墻體開啟并釋放壓力，以控制爆炸的產生或降低破壞程度。

此外，如有墻面內板，宜采用柔性連接，便于泄爆。泄爆配件采用帶牽引絞索的連接螺釘，牽引絞索在泄爆的同時，拉住飛出的墻體，防止墻體結構損毀、避免傷人，產生二次傷害。

內襯板柔性連接節點的豎向剖面圖

內襯板柔性連接節點的橫向剖面圖

帶牽引絞索的連接螺釘節點圖

4.2內部防火隔墻

變電站內部根據防火要求，分隔成幾個區域。一般內部隔墻多采用防火石膏板。按照實際防火小時要求，可以采用148mm厚防火石膏板墻體（耐火極限可達1小時）和172mm防火石膏板墻體（耐火極限可達3小時）。

1小時防火的內部隔墻

3小時防火的內部隔墻

為美化建筑內部，可以在石膏板外側貼上金屬裝飾板。金屬質感的內隔墻與鋼結構建筑融為一體，體現了工業建筑美感。金屬裝飾板還可以滿足變電站內部二次結構、裝飾裝修的要求，省去重復裝修工作。

內部金屬小波紋板裝飾實例

4.3 建筑的防雷保護

4.3.1 金屬屋面可作為接閃器

《建筑物防雷設計規范》GB 50057-94（2000版）第 4.1.4 條規定：“除第一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物易利用其屋面作為接閃器。并應符合下列要求：

a.金屬板之間采用搭接時，其搭接長度不應小于100mm；

b.金屬板下面無易燃物品時，其厚度不應小于0.5mm；

c.金屬板下面有易燃物品時，其厚度，鐵板不應小于4mm，銅板不應小于5mm，鋁板不應小于7mm；

e.金屬板無絕緣被覆層，同時規定“薄的油漆保護層或0.5mm厚瀝青層或1mm厚聚氯乙烯層均不屬于絕緣被覆層”。

變電站不屬于第一類防雷建筑。而鋼結構廠房屋面一般為彩鋼壓型板和彩鋼夾芯板，大多采用自攻螺栓和檁條（屋面檁條或沿墻檁條）連接，整個金屬屋面及結構鋼柱間可形成良好的電氣通路。

因此，一般認為厚度達到0.5mm的鋼結構建筑物的屋面夾芯板（或壓型鋼板）可以作為接閃器。

對于采用夾有非易燃物保溫層的雙層金屬板做屋面板，其上層金屬板可用做接閃器。

4.3.2 鋼柱可作為引下線

規范第4.2.5條規定中，當利用鋼柱作為自然引下線并同時采用基礎接地體時，可不設斷接卡。設計時，仍應在作為引下線的鋼柱距地面不低于 0.3m處做連接板，此連接板供測量或等電位連接使用；選擇適當距地的鋼柱引下線地下-1m處設置外接端連接板或者焊出一段扁鋼供外接人工接地體使用。具體做法可參照圖集《防雷與接地安裝》D501-1～4 施工。

對于鋼結構建筑物，按照柱距選擇適當的鋼柱與屋面接閃器電氣連接后，只要將所有鋼柱下端均與接地裝置做連接后，可以說所有的鋼柱都成為了引下線。

4.3.3 基礎鋼筋可作為接地裝置

基礎內的鋼筋網可做為自然接地體，或采用敷設在混凝土基礎內的人工接地體，并采用扁鋼連接成閉合環形接地體或接地網。鋼柱與接地網之間連接，形成電氣通路，達到電氣的有效貫通，可以形成接地裝置。

鋼結構建筑的防雷，應充分利用鋼結構自身的優勢，力求將防雷做到簡單化、最優化。同時，應與各個專業及時溝通，全面了解，從而選擇出理想的設計方案。

5.總結

鋼結構技術的發展，可以更好地加快電力工程建設進度，服務于地方經濟，使之與周邊環境相協調，并體現出簡潔有力的工業建筑特點。在建設的工程中，力求使建筑物功能融合化、結構輕型化，貫徹建筑節能的方針。在結構安全度精準的同時，細部節點簡單合理，使建筑物更為耐久。

目前，裝配式變電站在建設模式上克服了傳統變電站建設的諸多弊端，實現了土建施工的創新，采用了很多新技術，極大的提高了變電站建設的現代化水平。隨著我國對裝配式變電站的越發重視，其技術手段等也將會得到進一步的完善其發展前景也會更加廣闊。當然，鋼結構建筑在裝配式變電站建設中還沒有形成一套成熟 、標準的設計和施工工藝，需要進一步探討，提高變電站的建設質量。

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［3］ 電力簡訊-上海首個裝配式變電站建成投運. 華東電力2014，42（7）

［4］ 莫海鴻. 裝配式變電站與常規變電站的對比研究 .中國新技術新產品2013.22

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［6］《建筑物防雷設計規范》GB 50057-94（2000版）

（作者單位：博思格建筑系統巴特勒（上海）有限公司）

TU391

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1671-3362（2016）09-0056-05