装配式变电站围护结构的发展与材料性能

尹洪涛，余 巍，周 俊

(1.中南电力设计院有限公司，武汉 430072；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

国家标准《装配式建筑评价标准》已于2018年2月1日起实施，该标准精神与国家电网全面贯彻实施的“两型一化”建设原则相一致。近年来电网系统设计人员一直在工程实践中探索环境友好型装配式变电站的设计方式。装配式变电站指的是其主要建筑物采用工厂预制加工、现场安装的方式施工，这种方式在很大程度上减少了现场制作混凝土所需水资源的消耗，同时降低了对工地周边环境的影响，并且有效缩短了土建施工工期。目前装配式变电站的设计水平已近成熟，其建筑主体结构、围护结构、防火墙、电缆沟等工厂预制件的材料选择和加工工艺，以及现场安装施工工艺也日趋完善[1]。其中装配式围护结构是颇具特点的一个重要方面。该文将详细论述装配式变电站围护结构的现状和发展特点，为后续装配式变电站的设计和施工工作提供有力的理论支撑。

1 装配式变电站围护结构的发展形式

变电站经历了户外型变电站、户内型变电站、地下或半地下变电站、装配式变电站等四种不同的结构模式[2]。相应地，变电站围护结构也经历了三种发展形式，即传统砌筑围护结构、预制板式围护结构、轻质板装配式围护结构。目前经济技术高速发展，因大规模的工程对变电站的施工工期和质量要求越来越高，装配式围护结构应运而生，其改变了以往传统式围护结构的种种弊端，实现了多个构件预制工厂化和现场安装便捷化，逐渐成为被广泛应用的新型构建方式。

1.1 传统砌筑围护结构

传统砖砌围护结构的墙体材料采用蒸压灰砂砖或混凝土实心砌块，围护结构的面层一般采用砂浆粉刷或干粘石饰面。传统变电站围护结构的砖砌建筑方式施工程序复杂，墙体强度及稳定性较低，易出现裂缝渗水，由于环境的影响粉刷时涂料易褪色且有色差，外观无法达标，已不适用于大规模的变电站。

1.2 预制板式围护结构

预制板式围护结构采用现钢模浇铸而成，墙体的强度和稳定性相比于砖砌式围护结构较好，但钢模成品自重大不易吊装，且钢模规格有偏差，组装后板与板之间的缝隙需要二次加工装饰才能达到预期效果，安装好后墙体表面需要二次粉刷。

1.3 装配式围护结构

装配式围护结构通常由四部分组成：柱、墙板、柱帽以及压顶。大部分装配式围护结构的构件预先在工厂进行制作。目前，变电站较通用的装配式围护结构形式主要包括：预制混凝土柱+预制墙板实体围护结构、型钢柱+预制墙板实体围护结构、钢柱+钢格栅通透式围护结构[3]。围护结构墙体板自重较轻，组装便捷，墙体表面经打磨处理无需二次加工装饰，缩短了施工时间，减少了二次装饰费用，经济效益显著提升。

1.4 传统围护结构与装配式围护结构的对比分析

传统围护结构是采用砖砌块墙、墙体粉刷及涂料二次装饰，其施工工序繁琐，施工速度慢，耗时耗力，而且易开裂。传统墙面由于受到施工、环境等多因素的影响，容易出现多处裂缝，裂缝情况较轻微者，会导致建筑本身出现渗漏、影响整体美观，裂缝情况较为严重者，会直接影响建筑本身的强度、刚度、稳定性以及耐久性。

装配式围护结构以水泥基复合材料为主，自身重量相对较轻，生产过程中的耗能较少，施工过程中机械化水平较高，有效防止裂缝的产生。墙体板在工厂内加工完成，再运至施工现场进行装配，且安装工序较为简单，这样一来就能避免墙面在建设过程中受到其他因素影响的情况，以此从根本上提升施工质量。表1为2种结构的对比分析。

表1 传统围护结构与装配式围护结构的对比分析

2 装配式围护结构的材料性能分析

我国的装配式围护结构通常由柱、墙板、柱帽以及压顶四部分组成，大部分构件通过预制厂制造而成。基础施工完成后，预制构件按照立柱→插板→压顶→柱帽现场安装，装配过程中由中小型吊装设备施工完成。

2.1 墙柱材料

墙柱分为预制混凝土柱、HW型钢柱和玻璃钢H型柱三种类型。预制混凝土钢柱的柱体柱断面尺寸为300 mm×300 mm，结构稳定、抗腐蚀、外形美观，可以二次粉刷饰面，但砼柱自重较大，运输和吊装较困难，现场制作和养护工艺复杂；HW型钢柱断面尺寸为125 mm×125 mm，由工厂预制加工，自重较轻，运输吊装便捷，造价低于混凝土钢柱，但其防腐蚀性能较差，且型钢柱与墙体的外观色泽通常不一致；玻璃钢H型柱自重小、耐高温、抗腐蚀性强、强度高，还具有良好的绝缘性能，但玻璃钢在紫外线和风沙雨雪的作用下容易老化，随着时间的推移玻璃钢型材的力学性能也会逐渐下降，甚至可能达不到围护结构设计要求的使用年限。

2.2 墙板材料

装配式围护结构的墙板材料通常选用预制混凝土板、ALC板(蒸压加汽混凝土板)、FC板(复合纤维水泥加压板)以及水泥基挤塑空心板[4]，其中压顶和柱帽的材料应与墙、柱选材保持一致，一般采用轻质材料或混凝土板。

2.2.1 预制混凝土板

预制混凝土板一般由C25和C30混凝土配筋浇筑及蒸汽养护而成，该类板的优点是取材便捷，加工工艺简单，造价低，但缺点是自重较大，需要中型吊装设备，且外观不太美观，需要二次装饰或修补。在装配式围护结构中一般采用100～180 mm厚、承受面荷载大于2 kPa的预制混凝土板。

2.2.2 ALC板

ALC板是一种多气孔混凝土成型板材。这种板由水泥、石灰和粉煤灰(或硅砂)等原料通过高压蒸汽养护制作而成，同时对混凝土板内的钢筋网进行防锈处理。ALC板的优点是自重轻，其密度是粘土砖的1/4，普通混凝土的1/5，耐火性高(120 mm厚的ALC板墙体耐火极限可达3 h以上)、抗震性能优越、隔音效果好等；主要缺点是，ALC板的强度相较于预制混凝土板更低，碰撞易裂，因此在运输和安装时需要加强保护措施，且板材孔隙率大吸水性高，需要进行防水面涂料的二次装饰工作。通常采用100～150 mm厚、承受面荷载大于2 kPa的ALC板进行装配式围护结构的设计和施工。

2.2.3 FC板

FC板是一种新型环保建筑材料，它由木纤维和水泥等原料通过混合制浆、加压成型、高温养护制作而成。FC板的优点是自重轻、强度高、防火防水性能优越、抗震隔音效果好，且不含石棉等有害物质；其主要缺点是单价较高，是ALC板的1.6倍，预制混凝土板的1.25倍。在装配式围护结构的设计施工中，通常选用10～50 mm厚、承受面荷载大于2 kPa的FC板。除此之外，FC板通常与防火板、钢筋龙骨等组合形成复合墙体。

2.2.4 水泥基挤塑空心板

水泥基墙板属于轻质墙体板材，主要的原材料是水泥、工业废渣、石膏。水泥基墙板优点是由工厂模具生产，表面光洁度高，抗腐蚀性好，无需二次装饰，安装时采用层插式，不需要连接件，可大幅缩短工期节省人工，使用过程中无需维护，耐久性好。一般选用50～100 mm厚、承受面荷载大于2 kPa的水泥基挤塑空心板。

3 装配式围护结构的施工特点

装配式围护结构的大部分构件能在预制厂制作以及现场安装，例如轻质板、立柱、基础等。装配式围护结构构件运到现场后，均可采用机械化组装施工，劳动力大量减少，降低了施工成本；装配式围护结构的建构材料多为轻型材料，自重相比于传统砖砌材料减轻一半；每道工序精度高、进度快，缩短了施工工期；施工现场噪音小，废水废物排放少，有利于节能环保。

装配式围护结构的墙体采用工厂预制的承插式预制柱和预制混凝土板，基础的承插式预制柱则需要进行现场预制。预制柱基础的施工工艺与普通基础相同，承插式预制柱结构与工字钢结构类似，由钢模浇筑而成[5]。现场采用干式施工安装、现场组装便捷，工期较短。混凝土板由上向下插入预制柱，通过嵌缝等固定措施使两者形成整体。承插式预制柱为凹槽形柱，由于每段围护结构的实际长度与设计间隔模数不完全相符，因此实际柱间距比设计柱间距小200～300 mm，立柱的安装与墙板之间会预留4 mm宽的缝隙，有效防止由于不均匀沉降或温差产生的裂缝，确保墙面的稳定性和整体性。

4 工程实例

近年来，为贯彻国家电网公司推进基建标准工艺实现“两型一化”的战略需求，多个省份开启了变电站装配式建筑设计的探索之旅。

500 kV祯州装配式变电站[6]混凝土柱装配式围护结构方案为：ALC墙板嵌入承插式预制柱，柱间的距离为5.2 m，采用独立扩展基础。其中柱间插入4块预制ALC板，底部墙板的下沿高于室内设计标高100 mm，顶部墙板为装饰板，各块ALC板材宽度均为600 mm。ALC板围护结构两面现场处理：ALC墙板间的缝隙采用ALC嵌缝剂进行处理，涂丙乳密封液一道，披防水腻子一道，刷外墙防水弹性涂料两道。预制柱采用钢筋混凝土柱，柱侧预留槽口方便墙板插入安装。同时选用细石混凝土对墙板与预制柱间的缝隙进行填缝处理。此外，基础为钢筋混凝土基础，基础间设连梁。

广东省首座500 kV装配式变电站[7]围护结构采用现浇混凝土柱预留凹槽嵌镶ALC板，其中现浇钢筋混凝土柱设凹槽，横装150 mm厚ALC板，ALC板的两端嵌镶在钢筋混凝土柱预设的槽内，空隙用细石混凝土填实；围护结构顶部的装饰板采用ALC花纹装饰板，墙板表面涂丙乳密封液一道、披防水腻子一道、刷外墙防水弹性涂料两道。

湖北卧龙500 kV变电站装配式围护结构采用复合式墙体结构，±0.000 m以下的墙体材料采用240 mm厚蒸压灰砂砖，±0.000 m以上的外墙材料采用复合装配式夹芯板。复合墙体靠室外一侧采用50 mm厚岩棉夹芯板，中层采用50 mm厚岩棉卷毡，靠室内一侧采用特级耐火纸面石膏板。墙板采用板宽模数为1 M的水平横置式条形板，板长可根据实际要求进行裁切，板间通过螺钉以及墙体檩条连接成整体。±0.000 m以上的内墙材料选择轻钢龙骨特级耐火纸面石膏板，板厚为100 m。

卧龙500 kV变电站在设计阶段曾进行了常规式设计与装配式设计的方案对比[8]。在空间利用率方面，装配式围护结构墙体的材料比一般的砖墙更轻薄，可以节省出更多空间；在外立面造型方面，装配式外墙面采用复合夹芯板，墙板间通过横向拼接，一般为浅灰色，落地窗设计为茶色玻璃，建筑整体简洁大方，而常规式方案采用白色砖，窗户为单个方形小窗等距分布，视觉效果平淡，装配式方案体现了极简主义的工业美学风格。

实践表明，装配式围护结构施工工艺能有效地缩短工期，节约资源和劳动力，质量可控性强，降低工程成本，比常规方案有着显著的经济效益优势。

5 结 语

作为变电站的重要组成部分，装配式围护结构主要作用在于隔离和防护。相比传统砌体围护结构，其优点包括：可工厂化生产，节能环保，现场组装无湿作业，施工工期短。因此装配式围护结构具有较好的经济效益与社会效益。该文通过分析装配式围护结构墙体材料优缺点和施工特点，希望对变电站装配式围护结构的具体应用提供有效的借鉴。

[1] 张飞强.装配式变电站探索与安装技术[D].杭州：浙江大学,2011.

[2] 徐 峰.装配式变电站的发展及土建设计[J].科技传播,2010(9):86-87.

[3] 吴成泉.110 kV变电站装配式围护结构的研究与应用[J].工业技术，2017(21):70-71.

[4] 周 健.工业化装配式围护结构结构研究及在变电站工程中的应用[J].建材装饰，2015(48):238-239.

[5] 沈青松.变电站装配式围护结构与防火墙的设计及工程应用[J].浙江电力，2014,33(03):28-30，68.

[6] 方晓肆.变电站装配式围护结构设计与施工的研究[J].湖北电力.2009,33(6):19-20.

[7] 张丽丽.500 kV智能变电站一次设计及工程应用研究[D].济南：山东大学,2016.

[8] 唐 亮.500 kV智能变电站常规式与装配式建筑方案比较[J].电力勘测设计,2017(2):51-55.