装配式结构在变电站建设中的应用

1、 前言
国务院办公厅2013 年【国办发〔2013〕1 号文件】《国务院办公厅关于转发发展改革委住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知》提出：开展绿色建筑行动，以绿色、循环、低碳理念指导城乡建设；提出加快绿色建筑相关技术研发推广、大力发展绿色建材、推动建筑工业化。随后，中国国家电网公司、中国南方电网公司就1号文件做出了积极响应，中国南方电网有限责任公司发布《3C 绿色电网建设指导意见》，提出紧密结合南方电网公司实际情况和技术发展现状，结合建设和运行需求，积极应用新技术、新设备、新材料和新工艺，将节地、节能、节水、节材和环境保护等绿色理念融入到电网工程建设中，促进绿色电网的建设和发展；变电站建构筑物可采用工厂加工、现场组装的装配式结构，以减少现场施工作业工作量等相关条文。根据相关指导精神，电力行业尝试将预制装配式建筑结构（简称PC建筑）运用于变电站的建设中，并提出新建装配式试点变电站，以实现节省用地、提高质量、缩短工期、绿色节能的目的，并为今后的推广积累经验，综合降低变电站建设和运营成本。


2、装配式建筑的技术特点
我国传统的建筑施工方法手工操作多，现场湿作业多，工业化程度低、能源及原材料消耗大、质量和工期难以保证，制约着建筑业的快速发展。随着技术的进步，可以将建造构件转移到工厂生产，在标准化的条件下批量制造，能够提高产品质量和生产效率，把预制好的结构构件，运到工地机械化装配施工，形成整体的建筑。


装配整体式框架结构体系，是在常规框架结构设计的基础之上进行构件拆解设计，并进行构件详图深化设计，把水电预留预埋的信息集成到每一个构件图中，在预制构件厂生产，达到强度后运输到施工现场进行装配化施工，组装成等同于现浇的整体型结构，完成的效果与传统施工的项目基本没有差异。


装配式建筑的预制构件采用高精度模具生产，其优势在于保证工程质量、降低材料损耗、提高施工速度、降低劳动强度并节省劳动力，符合绿色施工的要求，主要有如下技术特点：①设计标准化：在设计阶段结合装配式建筑的技术特点，将整体的建筑合理地拆解为单个的构件，优化构件的形状和尺寸，提高预制构件模具的重复使用率。②生产标准化、集成化：预制构件厂在标准的作业程序下进行构件生产，不受季节和天气等外部环境的干扰，生产效率高；在同一构件中集成多个分部分项工程的工作，降低了生产难度，高精度模具的运用，构件质量得到提高并具有较好的均一性。③机械化施工、建设速度快：装配式建筑采用机械化装配施工，安装速度快，干法施工为主，减少了大量的临时措施和现场抹灰等湿作业量，可以大大加快建设速度。④节材降耗、环境污染少：与传统现浇结构相比，装配式建筑施工噪音小，节才节能，可节材5%、节水70%、节电40%、减少建筑垃圾80%，在大规模生产时，可降低工程造价10%，实现绿色节能。


3、预制装配式结构在电力行业的运用
在中国，预制装配式结构主要应用在民用建筑，很少应用于商业及工业建筑中，在民用建筑中，预制外墙板、楼梯和楼板以其独特的优势已经得到广泛应用。但在工业建筑中极少应用，所占比重不到1%。以往预制装配式结构主要运用于电力构架中，而在建筑物中极少应用。但随着经济的高速发展，电力作为第一能源支持也需高速发展，相关的配套建筑物越来越多，而且广泛分布于城市中心地带，在变电站建设过程中，施工场地狭小，作业条件差，质量、工期、造价矛盾突出，越来越多变电站的建设条件、工期要求等和装配式建筑的技术特点相吻合，故在电力行业大力推广装配式建筑有极高的社会和经济效益。


目前，在变电站建设中装配式结构采用极少，主要存在以下几个问题：①装配式建设为一系统工程，目前具有装配式结构设计、生产、施工经验的单位较少，施工招标可选择范围较小，土建和安装可能需要分开发包，招标限制条件较多。②因变电站属于工业建筑，各设备房间尺寸随工艺布置建筑模数变化较多，层高较民用建筑高，构件制作、安装需要投入大量模具和专用工具，单个项目无法完成摊销，土建造价可能提升15%~20%左右，在构件制造量小的情况下，经济比较上无明显优势。③设计工作量大，因变电站中有大量工艺设备安装，所需预埋件和结构留洞较多，但装配式结构一旦完成预制完成便无变更的可能性，故需设备订货全部完成和确认并进行综合管线布置后进行施工图设计工作，设计周期相对较长，需完成大量的构件大样，预制构件的半成品在起模、运输、吊装过程状态下进行二阶段验算工作量较大，故比常规设计需增加100%的工作量和40%设计工期。


但因装配式有它独特的优点，随着技术的不断尝试和进步，将逐渐取代传统结构模式。目前在电力系统，装配式结构尚处在尝试阶段，建成的全装配式建筑物极少，但部分构件采用装配式的建筑目前在深圳110kV长安汽车变电站中已进行尝试，并即将投运。在下一步的试点工程中，计划将建筑物采用全装配式结构，即建筑物梁、板、柱、内墙、外墙、楼梯等所有结构构件均采用预制装配式，仅对节点等少数部位采用现浇连接。


4、预制装配式变电站的技术方案
在用地越来越紧张的情况下，变电站作为电力系统输变电部分的主要组成部分，由以往的设备户外敞开式布置方式发展为全户内布置方式，大大节约了土地，大部分户内变电站站内主要建筑物仅为配电装置楼，首先将配电装置楼进行拆分，分为梁、柱、板、内墙、外墙、楼梯等多个结构构件，再细化各结构构件的装配式方案。


柱采用装配式柱，根据运输和设计要求，按不同高度在预制厂进行预制，预留搭接钢筋，在柱钢筋连接处采用“灌浆套筒”、“MS耐候密封胶”等目前较为先进的技术替代传统工艺中钢筋的搭接，灌浆套筒一端采用丝扣与钢筋连接埋入预制件中，另一端插入下柱钢筋，安装后在套筒中注入水泥基高强度灌浆料，使柱内上下纵向钢筋连接成为整体，可有效传递拉压应力。


梁和板采用预制叠合梁板，梁下主筋、箍筋和板下钢筋及架立筋在预制厂完成绑扎，并进行预制，预制叠合梁和叠合板的上部设有现浇叠合层，在叠合梁安装完成后，安装叠合板，后现场插入梁上及楼板负弯矩钢筋，板面进行管线布置，最后进行叠合层混凝土浇筑。此工艺省去了梁板支模工序，节省模板用量，又实现了梁、板、柱的完美结合。





为减轻重量，外墙采用预制夹心外墙板，内外两层为钢筋混凝土板，中间可根据具体要求，夹保温或隔热、隔音材料，两层板之间通过穿透夹层材料的非金属连接件形成整体，外墙现场不再进行二次装饰，表面可清水带装饰花纹或按甲方要求可做不同饰面，门窗在工厂预制过程中进行安装。 内隔墙可根据情况，采用轻质隔墙；楼梯为装配式楼梯，全部为清水混凝土，仅做瓷砖防滑条。此工艺可省去传统建筑内外墙二次装饰工艺，减少脚手架等施工措施，大量节省工期。




按常规110kV户内变电站配电装置楼采用传统现浇模式和采用PC装配式模式对比，装配式结构装配率可达到75%，可节省现场模板65%，脚手架用量节省70%,现场人工用量节省50%,在工期可节省45%，但在目前，因装配式结构在工业建筑中应用较少，模板、人工等摊销量较大，故现阶段装配式建筑在造价上比传统现浇结构高出20%左右，但随着装配式结构的推广，工业化水平的提高，成本将逐渐滑落，并最终低于传统现浇结构。


5、建设流程及建设中的注意事项
（1） 设计阶段
装配式变电站建筑的设计不同于传统现浇设计，需要在设计过程综合考虑预制构件的生产工艺、运输条件、安装方法、现场条件等因素，必须结合项目特点和本地资源条件才能确定总体的技术方案，在方案阶段进行综合策划，并需要业主、设计、生产、安装单位的共同参与。并除了正常的结构计算外，还需要对预制构件的半成品在起模、运输、吊装过程状态下进行二阶段验算。


由于装配式建筑具有“技术前移、管理前移”的特点，很少有变更和返工的机会，因此需要选择合理的结构体系和技术路线、构件拆解和装配方案，充分考虑到预制构件生产、运输、安装工艺，在单个构件的详图设计中综合多个专业的内容，设计所采用的技术和按方案决定了装配式建筑的工期、质量、经济性影响很大，因此设计阶段也成为装配式建筑成败的关键，需要业主、构件厂家、安装单位紧密配合才能完成。


由于增加设计工作量较多，因此设计工期有所延长，结构计算增加20%的时间；施工图阶段增加时间100%左右。设计阶段的难度主要为合理拆分构件及构件之间的连接处理。


（2）预制构件生产阶段
预制构件生产需要制作高精度的专用模具（钢模或木模），以保证构件质量、精度和提高生产效率，在生产过程中，因变电站具有工业建筑的特殊性，会用到很多专用设备和工具，模板变化较大，包括一些特殊配件的订购和使用方法都具有很强的专业性，在预制过程中，需配合工艺布置，对预埋件和预留孔洞进行多次核对。预制构件生产流程为：根据构件详图进行模具设计——模具制作——试制构件样品——正式批量生产。生产过程包括：钢筋加工、成型绑扎、模具组合、预留预埋安装、隐蔽工程检查验收、浇筑混凝土、养护、脱模、缺陷修补及构件表面处理、质量验收、编号喷码、构件储运。预制构件出厂前必须保证质量合格，对尺寸精度的检查必须进行三维测量。


（3）预制构件场外运输阶段
合格的预制构件可以出厂，构件生产厂采用天车（或吊车）装车，运输采用平板拖车或载重汽车，现场卸车采用塔吊或汽车吊。构件在水平运输车上码放有躺式、立式、斜立式等。构件码放在水平运输车上要保持车辆受载均衡、构件固定、支撑垫合理；提前对区间各路全路程进行全面考察，掌握全路程路面、桥梁、涵洞、宽度及坡度、高度、限载及转弯回转半径、交通量等情况，为构件运输确定路线、运输车辆型号和正常运输提供依据。如果局部路段因交通量影响构件的正常运输，可以同交警管理部门联系协调在构件经过该路段时，进行交通管制。


（4）预制构件现场施工阶段
预制构件安装前，现场需要具备基本的运输、安装条件，在构件吊装施工前完成各项准备工作，包括施工组织设计、现场道路和构件临时摆放场地准备、起重设备的安装定位、测量仪器及作业专用工具准备等。


由于作业方法区别于传统现浇，为了发挥装配式建筑节省工期的优势，施工准备工作非常重要，施工组织设计中必须包括完整的施工方案和质量、安全保证措施，各种施工作业用具必须提前准备到位，并对所有操作人员进行岗前培训，必要时需要进行实际操作训练。


6、结语
预制装配式建筑从设计到生产到安装是一个系统工程，由于我国建筑业管理板块划分的原因，预制构件设计、生产、安装施工相互脱节，再加上多年来电力行业建筑习惯主要以现浇施工为主，单一的设计单位、构件厂、施工单位所积累的技术不足以支撑装配式项目的建设需求，而且因预制装配式在工业建筑中应用较少，预制量小，较高的摊销将装配式建筑的造价提升，使其无经济方面的优势，故限制了装配式结构模式在电力行业等工业建筑中的应用。随着国家政策对绿色建筑支持力度的加大和装配式技术不断进步以及普及化，将出现越来越多成熟经验的项目管理企业，以全面掌控装配式建筑的质量、进度、安全、造价等项目目标。装配式建筑的优点将更多展现，造价随摊销的降低越来越接近并将低于传统建筑。装配式结构将越来越多的应用于电力等工业项目中，解决越来越多变电站建设中场地狭小、作业条件差、质量不佳、工期紧张等问题，实现变电站的“四节一环保”（节能、节地、节水、节材、保护环境）目的，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，以及与自然和谐共生的绿色建筑。

参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部,绿色建筑技术导则.
[2] 南方电网有限责任公司,南方电网公司3C绿色电网建设指南(变电站绿色部分).
[3] JGJ1-20,装配式混凝土结构技术规程（征求意见稿）[S].
[4] SJG18-2009,预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范[S].
[5] 张帆,杨眉,牟宁.装配式变电站与常规变电站的对比研究及建议[J]，广东科技,2012.2.
[6] 徐峰,装配式变电站的发展及土建设计[J]，科技传播,2010.5.
[7] 蒋帅,无混凝土装配式变电站设计研究[J]，电源技术应用，2013 年第02 期.
[8] 侯玺莎,沈秀兰. 110kV装配式变电站的特点和新技术运用[J]，电力与能源,2013.6,34(3)
[9] 蒋勤俭.国内外装配式混凝土建筑发展综述[J].建筑技术,2010.12,41(12)。