管架结构选型方案的比较

陈天骄 （安徽万纬工程管理有限公司，安徽 安庆 246002）

0 前 言

石油化工建设项目中，系统管架是支撑管道和电缆桥架的主要结构，量大面广，联系着整个厂区各个装置。对于管架结构，应该从“技术先进、经济合理、安全可靠、美观实用”的原则出发，力争达到较好的经济、实用和美观的效果。

关于管架的结构形式，通常有混凝土结构、钢结构以及两者相组合的形式。混凝土结构造价低，日后维护成本低，从经济合理的角度，是结构选型时的优先方案。钢结构具有易于工厂加工、安装速度快、构件断面相对较小等优点，从节省工期、便于改造的角度有一定的优势，目前相关应用也日趋广泛。

由于结构施工工程量大，涉及到工期目标与经济指标的综合比较、平衡，需要结合工程特点，在项目前期合理地进行分析，选用适宜的结构方案。

本文从技术、造价、工期、预埋件、施工难度等相关方面，对安庆石化炼化一体化项目中新区系统管架得到的数据进行对比分析，为今后类似项目的决策提供参考。

1 安石化炼化一体化项目管网工程概况

新区全厂工艺及热力管网工程包括：新建约156km的管道及配套的管架、电气、仪表。2012年1月8日土建工程正式开工，2012年9月30日土建工程结束，土建施工周期9个月；2012年10月5日管道开始施工，2013年3月27日试压基本结束；2013年3月30日工程中交，工程施工历时15个月。

2 四种方案的技术分析

四种结构形式考虑：钢结构管架、混凝土结构管架、二种混凝土与钢结构不同混合式管架。

2.1 钢结构管架

材料采用H型钢、无缝圆钢管等钢结构。结构形式多为桁架式、纵梁式。由于并适于改建、扩建的需要，且钢结构管架建设周期短、外观轻巧美观，所以近年来应用广泛。钢结构管架的缺点是：造价高，后期防火、防腐等维护的费用较高；横向刚度较小，需要设置横向支撑，在固定管架处，若横向推力较大，道路或工艺不容许设置横向支撑，则管架柱的截面比较大。

2.2 混凝土结构管架

混凝土结构管架整体造价比较低，建成后几乎无维护费用。横向框架整体现浇式，横向刚度大，且混凝土材料本身耐腐蚀性能好。缺点是：施工、建设周期长，且改、扩建能力差。

2.3 第一种混凝土结构与钢结构混合式管架

即横向采用混凝土结构、纵向联系构件采用钢桁架的结构形式。此种结构形式的优点为：横向刚度大、管架柱耐腐蚀性能好；且一定的钢结构施工便捷、建设周期短。当选用钢桁架形式时，其用钢量与全钢结构相当，从经济性角度不占优势。此种形式的管架在石化有些项目扬巴等合资项目中应用比较广泛。

2.4 第二种混合结构形式

即横向框架下部采用现浇混凝土框架结构，上部采用钢框架结构。此种结构形式下部为混凝土结构，防火防腐维护费用低，且横向刚度大；由于混凝土柱高度有限，不用高支模，且上部为钢结构，直接与纵向联系构件相连，柱侧无埋件；纵向空腹桁架为工厂预制，施工安装方便；另外纵向联系构件采用空腹桁架代替钢纵梁，截面更加经济合理，进一步降低造价，整体造价介于钢结构和混凝土结构之间，且外形轻巧简洁、美观大方。

3 钢结构与混凝土结构方案的技术经济指标对比

为比较不同结构形式的造价差别，本文试图通过两种方法对钢结构和混凝土结构的工程造价差异进行比较：一是利用总体设计之前，估算的相关工程量，分别套用相关概算指标，计算不同的工程造价；二是通过将系统管廊中主要梁、柱混凝土等构件，替代为相应钢结构，计算两者造价差别。

①利用总体设计阶段评审资料中的相应工程量，套用概算指标，对比相关费用（见表1）。

不同结构形式管架工程量对比 表1

②在基础设计阶段，系统管架的榀数减少到382榀，按照已确定的“上部采用钢筋混凝土结构，跨越道路的桁架采用钢结构”的结构形式，此阶段估算相应的工程量见表2。

表2

总体设计方案，拟建488榀管架对应钢结构用量为1950t，基础设计阶段拟建382榀管架对应钢结构用量为1464t，单榀架用钢量大体相当。从以上数据可以看出，总体设计有关结构工程量的估算较为准确，可以用来做相关费用对比的基础数据。

表3

表4

③根据《安徽省建筑工程综合估价表(2000)》及安庆市建价（2011）18号文，套用相关概算指标，针对表一相关工程量，计算两方案造价差情况，见表3。

当上部全部采用钢结构管架时，结构、基础造价为18572.8万元；采用钢筋混凝土结构时，造价为10510万元，两种方案造价差8062.3万元。

④根据结构施工图，抽取管架结构的主要混凝土梁、柱构件，替换为钢结构构件，通过套用定额比较相关造价差别。

a.新区系统管廊设计分为三个图幅区，主要的混凝土结构构件包括：

图幅一：共1～79轴，其中1～38轴，纵向长350m、宽17m（3根立柱）、高度18m；39～79轴纵向长290m、横向宽9m（2根立柱，其中有4轴为3根立柱宽13m）、高度18m（5层梁）。

图幅二：共1～80轴，其中1～33轴，纵向长240m、宽17m（3根立柱）、高度18m；34～80轴，纵向长294m、宽9m（2根立柱）、高度18m（5层梁）。

图幅三：共1～210轴，其中1～73轴，纵向长450m、宽9m（2根立柱）、高度18m（5层梁）；74～210轴，纵向长680m、宽9m（2根立柱）、平均高度10m（3层梁）。

综上所述，可以算出图幅一有立柱（38×3+41×2+4）×18=3600m、有梁（350×3+17×38+290×2+9×37+13×4）×5=13305m；图幅二中立柱（33×3+47×2）×18=3474m、梁（240×3+17×33+294×2+9×47）×5=11460m；图幅三中立柱73×2×18+137×2×10=5368m、梁(450×2+9×73)×5+(680×2+9×137)×3=15564m。

b.将以上混凝土构件替换为钢结构。根据设计选用的混凝土梁、柱截面特性，参照本项目常减压装置钢结构主管架构件断面，全场热力管网水泥框架折合为钢框架需用结构材料：

图幅一：柱HW400×400×13×21计3600m，梁HN500×200×10×16计13305m。

图幅二：柱HW400×400×13×21计3474m，梁HN500×200×10×16计11460m。

图幅三：柱HW300×305×15×15计5368m，梁HN500×200×10×16计15564m。

共需钢结构5338.8t，经套用定额计算安装费为35177141.54元，材料费为38439360元（钢材按7200元/t计算）。

因结构形式的变化对地下基础工程量的影响不大，根据系统管廊地下基础相应图纸，测算基础工程预算费用为13350021.82元。

上部钢结构总预算费用为13350021.82+35177141.54+38439360=86966523.36元。

c.目前，全厂热力管网的实际报批结算额为36030000元（含主材费、含基础部分），因此，当上部结构采用钢结构时，结构工程投资需增加：86966523.36-36030000=50936523.36元。

⑤A、B两种方法的比较结果之间仍有一定的差异，主要原因是A方法的基数依据是总体设计时估算的488榀管架，B方法考虑的是382榀管架。同时由于钢结构截面相对较小，横向稳定性较差，主要构件采用钢构件后，需要增加一定横向支撑，这计算过程中未能计入该部分工程量。综合A、B两种方案，类似于炼化一体化项目，当上部结构采用钢结构时，系统管架的工程造价将增加约6000万元。由于钢结构在使用过程中需定期防腐，在长期使用过程中，钢结构的花费将进一步增加。

4 钢结构与混凝土结构方案的建设周期对比

4.1 绝对周期的比较

①在同等设计条件下，钢结构型式图纸(钢柱、钢梁、平台)较钢筋混凝土型式图纸(模板、配筋、埋件、平台)出图速度快。尤其钢筋混凝土结构需要使用大量预埋件，涉及到预埋件的设计输入条件（荷载、标高等）未最终确定前，结构图无法出图。根据设计经验，钢结构管架出图时间可提前40d，考虑到系统管架的大型型钢定货周期较长（H型钢定货时间较属于地材的钢筋水泥订货周期增加20d），钢结构出图时间较混凝土结构可提前20d。

②无论上部采用钢结构还是混凝土结构，基础施工的周期基本相同。上部结构施工阶段，如考虑钢结构可充分预制，混凝土结构每单层需增加：支模及钢筋绑扎10d，上层结构施工前、下层梁的养护14d，新区系统管架最高处为5层的管架，因此采用钢结构，上部结构施工周期可缩短5×（10+14）=120d。

综上，当周边预制场地足够，钢结构可充分预制时，系统管架采用钢结构形式，施工周期较采用混凝土结构可缩短140d。

4.2 实际的施工过程相关节点

在炼化一体化项目系统管廊施工过程中，混凝土管架的施工周期并未成为管廊施工的主矛盾线，主要是后续专业管道出图时间较迟，给土建施工留足了时间。具体到图时间见表4。

从到图时间表中可以看出，主要的管架混凝土结构到图最早时间为2012年1月15日，最迟时间为2012年4月28日。管道单线图到图时间为2012年8月1日。在保证管道安装工作到图后，即可全面开展管道上架施工的前提下，可供结构施工的周期最短为3个月，最长为6个半月，工期目标不难实现。

4.3 通过比较可以得到的结论

当预制可以充分进行时，钢结构管架施工的绝对周期短，对于结构层数多的系统管架，钢结构管架的工期优势更明显。以安庆炼化一体化五层高系统管架为例，钢结构管架施工周期可缩短4个月，当遇冬季施工时，钢结构的工期优势将进一步明显。

在目前阶段，边设计边施工的情况不能避免，由于客观存在的设计周期的需要，系统管线工艺管道出图较晚。从安庆炼化一体化项目经验来看，如果系统管道图出图节点不能提前，钢结构施工周期短的优势对项目总体进度没有大的作用。

5 其他与方案选择相关的问题

5.1 预埋件问题

炼化一体化项目系统管架采用的是混凝土结构，施工过程中混凝土梁预埋件的问题，影响现场施工进度一个月以上。错、漏的埋件数量清单分类见表5。

表5

由于系统管架的配筋率较高，在已完工的混凝土管架上重新植筋设置埋件，难度很大。在选择了混凝土结构作为系统管架结构的形式后，应充分预留埋件的位置，在梁的上、下端面通长范围、柱内侧等间距布置预埋件，这样即便专业对接时有遗漏，也可利用富余的临近埋件进行适当的改造，减少埋件返工对工程进度的影响。

5.2 脚手架费用的问题

炼化一体化项目系统管架施工过程中，施工单位脚手架搭设进度慢，对工程进度有一定的影响。经调研，钢管脚手架定额费用与实际费用差异较大，具体见表6。

表6

从表中可以看出，满堂脚手架的人工、材料费用市场价格高出定额规定的10倍。当承包商承建的是装置工程时，由于脚手架费用所占比率不高，价差的问题可通过其他专业工程予以平衡；如果仅承建了系统管架工程，脚手架费用占整个工程投入的比率大，价差的问题难以平衡，造成了施工单位积极性不高。

6 结论和建议

6.1 结论

①系统管架的结构形式，通常有混凝土结构、钢结构以及两种结构相组合的形式。混凝土结构造价低，日后维护成本低，经济合理。钢结构易于工厂加工、安装速度快、从节省工期、便于改造的角度有一定的优势。

对于特殊部位，如当管廊跨越道路或铁路时，跨度比较大，一般需要采用钢结构桁架。当局部管架影响到大件吊装和设备运输时，为避免局部障碍对交通运输全局造成影响，对于相应部位，建设单位通常也会明确要求设计采用钢结构预制的结构形式，以利于在大件运输和吊装完成后，利用较短的施工周期完成结构施工。对于必须在装置检修期间完成的改造项目，其系统管架也应选用钢结构。

对于其他部位，应根据工程特点，涉及到工期目标与经济指标的综合比较、平衡，在项目前期合理地进行分析，选用适宜的结构方案。

②从安石化炼化一体化项目建设经验看来，系统管架采用混凝土结构，投资较采用钢结构形式将节省约6千万元，并且减少了日后维护费用。

从工期角度，采用混凝土结构，理论上工期较钢结构形式增加了4个半月，但由于配管图出图所需的客观时间较长，在结构图主要图纸出图后约6个月才能出图，所以混凝土结构施工所用的时间对总体工程进度未造成实质的影响。只有当设计进度中，结构出图与配管出图间隔缩智短至2个月以内时，选择钢结构管架的工期优势才能得以体现。

③从安庆项目的经验看来，混凝土结构是系统管架的一种经济合理、美观实用的结构形式。

6.2 建议

①当选择了混凝土结构作为系统管架结构的形式时，应充分预留埋件的位置，在梁的上、下端面通长范围、柱内侧等间距布置预埋件，减少埋件返工对工程进度的影响。

定额中脚手架的费用较低，对于系统管架这类脚手工程比率高的项目，有关脚手架的费用应根据市场价格合理地进行调整，以调动施工单位的积极性。

如采用下部混凝土、上部钢桁架形式的系统管架，结构较美观，上部钢结构施工周期短，但由于上部钢结构选用的是钢桁架形式增加了上部用钢量，总体用钢量不低于全钢结构形式，从经济性角度并不比全钢结构管架占优势。

②我们可考虑管架下部柱采用混凝土结构、上部采用钢结构框架的管架结构形式，适当减少用钢量，以利于进一步发挥组合式结构的优势。

[1] GB50010—2011,钢筋混凝土结构工程设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2] GB50017—2003,钢结构工程设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2003.

[3] GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.