裝配式變電站土建設計施工技術要點分析

張 振，聶建春，薩仁高娃，王 安，宋瑞軍

（內蒙古電力經濟技術研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著社會的不斷發展以及技術的快速進步，國內各行業的工業化水平得到全面提升，國家對電網工程建設在節能、環保、高效方面的要求也越來越高[1]。作為一種新模式，智能變電站模塊化建設從設計、加工、施工等方面體現了“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的先進理念，滿足了當前電網建設新需求[2-6]。近年來，內蒙古電力（集團）有限責任公司為進一步推廣國內智能變電站模塊化建設經驗，推進基建工程標準工藝實現“兩型一化”(環境友好型、資源節約型、工業化)，逐步試點開展了變電站裝配式建設模式[7]，泰安110 kV變電站即為內蒙古電網首批110 kV裝配式智能變電站試點工程之一。

1 工程概況

泰安110 kV變電站位于內蒙古呼和浩特市內，3臺主變壓器容量均為63 MVA；110 kV出線5回，采用雙母線接線方式，10 kV出線36回，采用單母線三分段接線方式。每臺主變壓器配置1組10 kV電容器，容量分別為4 Mvar和6 Mvar。主變壓器、電容器均戶內布置，110 kV系統采用戶內GIS布置，10 kV系統采用戶內開關柜雙列布置[8]。

本站為全戶內站，總建筑面積為1206.8 m2，包括配電裝置樓、消防泵房、消防水池等建筑物。消防泵房、消防水池布置在站區的北側，事故油池布置在北側外，所有電氣設備均布置在配電裝置樓內。本文基于配電裝置樓建設要點進行分析。

2 建設方案分析

2.1 方案簡介

配電裝置為本座裝配式變電站中最重要的主體建筑，其平面呈一字形布置。樓體為單層建筑，平面軸線尺寸為60 m×19 m（長×寬），層高為10.5 m，建筑面積為1145.9 m2。樓內東側布置變壓器室，西側布置10 kV配電裝置室及二次設備室，北側布置電容器室，南側布置110 kV GIS室及附屬房間（衛生間等）。

配電裝置樓主體結構均采用鋼框架結構，主體框架采用鋼梁、鋼柱，其中鋼梁采用H型鋼，鋼柱采用箱形截面鋼，鋼材型號均為Q345B。基礎采用現澆混凝土結構，梁與柱的連接節點采用翼緣梁與柱焊接方式，梁腹板與柱采用高強螺栓連接，鋼結構防火涂料設計采用厚型防火涂料（該變電站為全戶內變電站，耐火等級為一級，鋼柱耐火極限不小于2.5 h，梁耐火極限不小于2.0 h）；外墻采用60 mm厚纖維水泥加壓板，內墻采用兩層12 m厚的防火石膏板，隔墻大量采用砌體結構，外墻掛板接縫及鋁單板接縫全部采用硅酮密封膠處理。屋面結構為桁架樓承板及現澆鋼筋混凝土屋面板結構，女兒墻為現澆鋼筋混凝土結構。

2.2 方案特點

2.2.1 基礎及節點連接

當前裝配式變電站主要結構有鋼框架結構和輕型門式鋼架結構，具體形式的選擇需結合工程實際確定。裝配式建筑物基礎目前均采用現澆混凝土基礎，鋼結構節點通常采用焊接或螺栓連接[9]。考慮到蒙西地區冬季氣溫低、持續時間長的特點，節點連接構造應盡量簡捷、方便安裝，尤其需避免因焊接工藝不良造成低溫冷脆安全隱患，鋼結構節點連接方式宜采用螺栓連接，并優先采用高強螺栓連接。

2.2.2 防火材料

鋼結構防火包括屏蔽型防火（將金屬構件用耐火材料與火源隔斷）或噴涂型防火（涂料通過吸熱后內部釋放水蒸氣或其他不燃氣體，延緩熱量傳遞并降低表面火焰溫度，最后由自身多孔輕質的材料有效隔絕外部熱量，推遲鋼材強度的降低）[10]，其中噴涂型防火涂料可選用厚、薄型涂料。防火措施可結合工程具體特點在滿足相關規程規范的要求前提下確定，目前噴涂型防火是我國鋼結構防火保護最常用的方法。

2.2.3 外墻

裝配式建筑物外墻主要采用壓型鋼板復合板，城市中心地區可采用鋁鎂錳板，我國西北、東北等寒冷地區可采用纖維復合板。內墻板采用防火石膏板或輕質復合墻板，建筑物防火墻宜采用纖維水泥復合墻體。考慮到采購運輸、二次設計及后期維護環節的要求，裝配式內外墻材料宜選用生產廠商多且技術成熟的材料并加強廠家二次設計，真正做到現場裝配，也便于后期維護；另外在二次設計中需提前考慮開關、插座及燈具等設備位置預留。

2.2.4 屋面

鋼框架結構屋面主要采用鋼筋桁架樓承板，輕型門式鋼架結構屋面板采用壓型鋼板復合板。本工程女兒墻均為現澆鋼筋混凝土結構，需要綁扎鋼筋，模板支設。模板安裝時需搭設腳手架，建議修改女兒墻結構形式，改進屋面墻身節點做法，真正做到現場裝配；外墻掛板接縫采用硅酮密封膠處理，由于硅酮膠壽命一般在10～25年，在后期使用過程中需定期進行檢修維護。

3 裝配式變電站與常規變電站建設方案對比

裝配式變電站在方案制訂、工程設計、施工建設及運行維護等方面均與常規變電站明顯不同，本文主要從技術方案、工程進度、工程造價、環境評價等方面進行對比分析。

3.1 技術方案

3.1.1 外墻

常規變電站主體一般為鋼筋混凝土框架結構，外墻圍護結構為砌體砌筑，材料成本低，維護方便，且費用低、受氣溫影響較小。本工程變電站生產綜合樓外墻圍護結構采用纖維水泥加壓板，承插式安裝，如圖1所示。該材料成本相對較高，在后期的運維中發現，該材料維護不便利，且維護費用高，受氣溫影響較大。因此，裝配式變電站在選擇外墻圍護材料時，需結合區域環境特點，充分考慮外墻掛板的后續維護措施；大面積使用鋼結構及水泥復合材料時，應注意各材料的熱脹冷縮變形程度，變形不一致時需考慮材料破壞的控制措施。

圖1 外墻圍護結構龍骨及承插安裝方式

3.1.2 結構防火

常規變電站建筑物通常為混凝土框架結構及砌體結構，其耐火等級高，且能滿足不同火災危險等級的消防安全要求。本工程生產綜合樓采用鋼結構，考慮到鋼結構自身的材料特性，需采取相應的防火措施[11]。該工程采用了厚涂型防火涂料，在現場施工中發現其對環境溫度及風速要求高，同時受現場環境、施工人員技術水平等因素的影響，噴涂質量難以有效控制，且現場實際應用中發現厚涂型防火涂料顏色單一、觀感質量差，見圖2。

圖2 厚涂型防火涂料外觀

建議鋼結構梁、柱等構件防火涂層選用薄涂型防火涂料（薄型防火涂料顏色多、選擇性強），可直接在鋼結構廠家進行噴涂；同時，鋼結構梁柱節點也可全部在廠家完成螺栓連接，在施工現場只進行拼裝，方便快捷，施工進度可以得到有效提高，由于對施工現場的環境要求降低，便于進行質量控制。

3.1.3 隔墻

常規變電站主建筑隔墻一般采用輕型砌塊砌筑，墻壓筋及構造柱鋼筋直接預埋或采用后錨固鋼筋，保證結構的整體性且質量可控。

本工程生產綜合樓隔墻采用砌塊砌筑，由于主體框架部分為鋼結構，為保證墻體的整體穩定性，砌塊砌筑時墻壓筋、構造柱鋼筋需與鋼柱及梁進行焊接，施工中對焊接質量要求高，易影響施工整體進度。

建議在裝配式變電站建設過程中，建筑物隔墻在考慮建筑防火要求的基礎上，全部采用預裝式墻體。

3.1.4 窗戶

常規變電站建筑物窗戶在安裝完畢后抹灰收口，窗臺可根據《國家電網公司輸變電工程標準工藝》[7]建成里高外低形式，防止雨水倒流；同時，窗口頂部設置滴水線，將雨水向兩側導流，避免雨水順窗口流向窗戶。本工程生產綜合樓外墻鋁單板包邊收口后，在二次設計中未說明窗戶、窗臺的施工方法及尺寸要求，使得窗戶無法做到窗臺里高外低，只使用硅酮密封膠進行打縫；窗戶頂部也未設置滴水線或滴水槽，無法將雨水向兩側導流，容易使雨水順窗口流向窗戶，造成積水。

結合本工程施工經驗，建議裝配式建筑圍護結構在二次設計時應充分考慮窗戶、窗臺的施工方案及窗戶上口滴水線的設置方法。

3.1.5 室內燈具及監控設備

常規變電站監控設備、開關及插座底盒鑲嵌在砌體墻內，安裝洞口在施工過程中已提前進行預留，在后期安裝中只需使用螺絲安裝，固定可靠且安裝方便。本工程中因生產綜合樓外墻內側為石膏板，承重能力差，另外未提前考慮相關洞口的預留，使得監控設備、燈具開關及插座底盒螺栓無法可靠固定；為保證設備安裝的牢固性，在加設附加龍骨后進行燈具安裝。開關及插座底盒采用角鋼焊接在鋼龍骨上，安裝質量不好控制。

建議對于裝配式建筑外墻內側的設計必須在二次設計時考慮開關、插座、燈具等設備的位置，并提供詳細的施工方法。

3.2 施工進度

本工程生產綜合樓土建施工歷時313d，其中基礎結構56d，主體框架結構147d，內外墻圍護結構110d，而相同規模的常規式傳統施工方案耗時一般需170d，其中基礎結構45d，主體框架結構70d，內外墻圍護結構55d。可見，在壓縮施工周期方面，裝配式方案并沒有優勢，原因如下。

3.2.1 基礎結構

裝配式結構基礎與常規建筑結構形式基本相同，由于裝配式基礎內需埋設地腳螺栓，而地腳螺栓的預埋對建筑軸線尺寸、標高的精度要求較高；同時，根據結構承載力計算結果，使得基礎柱內鋼筋間距非常小，而地腳螺栓材料規格較大，需使用吊車進行吊裝定位，施工難度大，導致該工序施工周期變長。

建議后續工程設計時考慮設置地腳螺栓定位板和卡盤，防止地腳螺栓位移，減小施工難度。

3.2.2 主體結構

本工程主體框架結構施工歷時147d，其中招標采購23d，材料生產運輸周期52d，鋼結構的吊裝、節點焊接及無損探傷試驗26d，樓層板安裝及屋面混凝土澆筑18d，防火涂料施工28d。

鋼結構及外墻掛板數量多，需招標擇優選擇供應商，材料采購時間長。鋼結構焊接在冬季施工時需進行保溫，相應措施的費用多，且鋼結構防火涂料對施工環境溫度要求為5℃以上，冬季無法進行噴涂，使得材料到場后不能及時施工安裝，造成工期延誤，也增加了材料保管費用。另外，由于本站站址位于市區，受場地條件限制，新建生產綜合樓周邊場地狹小，裝配式主體吊裝施工可實施作業面少，不具備多作業面同時施工的條件；再者由于裝配式作業面大，需使用大型吊車進行吊裝作業，而在實施過程中，吊車只能停靠于站區外西側，沒有實現吊車位置的最有利布置，最大作業回轉半徑僅為40m左右，造成原需12t吊車即可完成的吊裝任務，實際需采用80t吊車，在西南角最遠處則采用了140t吊車。

3.2.3 建筑圍護結構

生產綜合樓建筑圍護結構施工110d，其中外墻掛板龍骨焊接58d，鋁單板材料現場測量、制作及安裝30d，內墻石膏板施工34d。本工程設計階段由于二次設計細化程度不足，使得外墻掛板門窗洞口需在現場加工制作，內墻上安裝的燈具等設備需進行龍骨加固，鋁單板需在內外墻掛板施工完畢后對洞口進行實測訂做，造成工期的延誤。

以上分析可以看出，裝配式建筑的施工不同于常規建筑，其對于施工精度、施工現場組織方式、材料的運輸及到場時序等方面的要求很高，建議在基礎澆筑過程中注意控制各設計參數，特別是柱腳、螺栓預埋處、轉角等承重部位，需控制好各點坐標與標高。另外，在鋼結構構件吊裝拼裝后，對于尺寸偏差部位的處理，特別是鉆孔或氣割部位的處理，需實施嚴格的防銹措施；同時需根據裝配式建筑施工特點，從施工現場總平面圖布置、材料的進場時序、作業面間的組織協調等方面，提前完成施工組織設計[2]。對于施工時間的選擇，結合內蒙古地區環境氣候特點，鋼結構施工宜在4月—10月實施。

3.3 工程造價

常規方案與裝配式方案生產綜合樓工程造價對比見表1。可以看出，本工程生產綜合樓裝配式方案比常規方案建筑工程費高約56%，主要是由于裝配式方案所需的梁柱、墻板等都需在工廠進行預制及初步組裝，且纖維水泥加壓外墻掛板等部分材料生產廠家少且距離施工現場遠，綜合成本相對較高，而常規方案材料采購方便，地材價格較低。另外,裝配式方案在施工組裝過程中使用的特種機械費也相對較高。

3.4 環境影響

常規方案使用砂、石、水泥等不可再生材料，施工涉及混凝土現場澆筑、墻體現場砌筑、面磚鑲貼等大量的濕作業環節，不僅產生廢水、固體廢物等垃圾，還會造成大量粉塵污染，不符合“四節一環保”要求。

表1 常規方案與裝配式方案生產綜合樓工程造價對比

裝配式方案采用鋼框架結構體系及新型建筑材料，因構件多數已在工廠內制作完成，現場只需進行簡單的拼接與安裝，施工方便、濕作業工作量少，也減少了噪聲污染、污水和廢水的排放，節約了水資源，對環境的負面影響較小[13-14]。裝配式方案所采用的鋼材等建筑材料還可實現全壽命周期回收利用，符合目前資源節約、環境友好的建設理念[6]。

4 建議

結合泰安110 kV裝配式變電站工程實踐，提出裝配式變電站在設計施工過程中的注意事項。

（1）裝配式變電站的建設程序和思路不同于常規變電站，應合理進行工程前期策劃，堅持“設計、加工、裝配”一體化思路。

（2）在裝配式變電站建設中各專業間的溝通協調更加密切，需合理制訂施工組織設計、設備材料到場進度及施工現場總圖布置。

（3）應重視施工圖紙的二次設計，對預制構件中的門窗洞口、管線精確定位預留。

（4）在滿足工藝要求的基礎上，結合平面布置方案合理制訂預制構件的模數，提升裝配式變電站建設水平，減少現場濕作業，提高裝配率。

（5）裝配式變電站對于工程設計、施工的精準度要求更高，可結合電網發展需要，有序推進三維數字化設計，提升工程建設信息化水平[12]。

5 結語

裝配式變電站是基于工業化背景下的電網工程建設新模式，其在資源節約、環境友好等方面比常規建設方案有非常明顯的優勢，是未來變電站工程建設的發展趨勢。雖然目前在工程進度、工程造價、空間劃分及造型靈活性等方面還有所欠缺，但隨著工業化水平的不斷提升，裝配式變電站建設模式的優勢將愈加突出。