装配式变电站土建设计施工技术要点分析

张 振，聂建春，萨仁高娃，王 安，宋瑞军

（内蒙古电力经济技术研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

随着社会的不断发展以及技术的快速进步，国内各行业的工业化水平得到全面提升，国家对电网工程建设在节能、环保、高效方面的要求也越来越高[1]。作为一种新模式，智能变电站模块化建设从设计、加工、施工等方面体现了“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的先进理念，满足了当前电网建设新需求[2-6]。近年来，内蒙古电力（集团）有限责任公司为进一步推广国内智能变电站模块化建设经验，推进基建工程标准工艺实现“两型一化”(环境友好型、资源节约型、工业化)，逐步试点开展了变电站装配式建设模式[7]，泰安110 kV变电站即为内蒙古电网首批110 kV装配式智能变电站试点工程之一。

1 工程概况

泰安110 kV变电站位于内蒙古呼和浩特市内，3台主变压器容量均为63 MVA；110 kV出线5回，采用双母线接线方式，10 kV出线36回，采用单母线三分段接线方式。每台主变压器配置1组10 kV电容器，容量分别为4 Mvar和6 Mvar。主变压器、电容器均户内布置，110 kV系统采用户内GIS布置，10 kV系统采用户内开关柜双列布置[8]。

本站为全户内站，总建筑面积为1206.8 m2，包括配电装置楼、消防泵房、消防水池等建筑物。消防泵房、消防水池布置在站区的北侧，事故油池布置在北侧外，所有电气设备均布置在配电装置楼内。本文基于配电装置楼建设要点进行分析。

2 建设方案分析

2.1 方案简介

配电装置为本座装配式变电站中最重要的主体建筑，其平面呈一字形布置。楼体为单层建筑，平面轴线尺寸为60 m×19 m（长×宽），层高为10.5 m，建筑面积为1145.9 m2。楼内东侧布置变压器室，西侧布置10 kV配电装置室及二次设备室，北侧布置电容器室，南侧布置110 kV GIS室及附属房间（卫生间等）。

配电装置楼主体结构均采用钢框架结构，主体框架采用钢梁、钢柱，其中钢梁采用H型钢，钢柱采用箱形截面钢，钢材型号均为Q345B。基础采用现浇混凝土结构，梁与柱的连接节点采用翼缘梁与柱焊接方式，梁腹板与柱采用高强螺栓连接，钢结构防火涂料设计采用厚型防火涂料（该变电站为全户内变电站，耐火等级为一级，钢柱耐火极限不小于2.5 h，梁耐火极限不小于2.0 h）；外墙采用60 mm厚纤维水泥加压板，内墙采用两层12 m厚的防火石膏板，隔墙大量采用砌体结构，外墙挂板接缝及铝单板接缝全部采用硅酮密封胶处理。屋面结构为桁架楼承板及现浇钢筋混凝土屋面板结构，女儿墙为现浇钢筋混凝土结构。

2.2 方案特点

2.2.1 基础及节点连接

当前装配式变电站主要结构有钢框架结构和轻型门式钢架结构，具体形式的选择需结合工程实际确定。装配式建筑物基础目前均采用现浇混凝土基础，钢结构节点通常采用焊接或螺栓连接[9]。考虑到蒙西地区冬季气温低、持续时间长的特点，节点连接构造应尽量简捷、方便安装，尤其需避免因焊接工艺不良造成低温冷脆安全隐患，钢结构节点连接方式宜采用螺栓连接，并优先采用高强螺栓连接。

2.2.2 防火材料

钢结构防火包括屏蔽型防火（将金属构件用耐火材料与火源隔断）或喷涂型防火（涂料通过吸热后内部释放水蒸气或其他不燃气体，延缓热量传递并降低表面火焰温度，最后由自身多孔轻质的材料有效隔绝外部热量，推迟钢材强度的降低）[10]，其中喷涂型防火涂料可选用厚、薄型涂料。防火措施可结合工程具体特点在满足相关规程规范的要求前提下确定，目前喷涂型防火是我国钢结构防火保护最常用的方法。

2.2.3 外墙

装配式建筑物外墙主要采用压型钢板复合板，城市中心地区可采用铝镁锰板，我国西北、东北等寒冷地区可采用纤维复合板。内墙板采用防火石膏板或轻质复合墙板，建筑物防火墙宜采用纤维水泥复合墙体。考虑到采购运输、二次设计及后期维护环节的要求，装配式内外墙材料宜选用生产厂商多且技术成熟的材料并加强厂家二次设计，真正做到现场装配，也便于后期维护；另外在二次设计中需提前考虑开关、插座及灯具等设备位置预留。

2.2.4 屋面

钢框架结构屋面主要采用钢筋桁架楼承板，轻型门式钢架结构屋面板采用压型钢板复合板。本工程女儿墙均为现浇钢筋混凝土结构，需要绑扎钢筋，模板支设。模板安装时需搭设脚手架，建议修改女儿墙结构形式，改进屋面墙身节点做法，真正做到现场装配；外墙挂板接缝采用硅酮密封胶处理，由于硅酮胶寿命一般在10～25年，在后期使用过程中需定期进行检修维护。

3 装配式变电站与常规变电站建设方案对比

装配式变电站在方案制订、工程设计、施工建设及运行维护等方面均与常规变电站明显不同，本文主要从技术方案、工程进度、工程造价、环境评价等方面进行对比分析。

3.1 技术方案

3.1.1 外墙

常规变电站主体一般为钢筋混凝土框架结构，外墙围护结构为砌体砌筑，材料成本低，维护方便，且费用低、受气温影响较小。本工程变电站生产综合楼外墙围护结构采用纤维水泥加压板，承插式安装，如图1所示。该材料成本相对较高，在后期的运维中发现，该材料维护不便利，且维护费用高，受气温影响较大。因此，装配式变电站在选择外墙围护材料时，需结合区域环境特点，充分考虑外墙挂板的后续维护措施；大面积使用钢结构及水泥复合材料时，应注意各材料的热胀冷缩变形程度，变形不一致时需考虑材料破坏的控制措施。

图1 外墙围护结构龙骨及承插安装方式

3.1.2 结构防火

常规变电站建筑物通常为混凝土框架结构及砌体结构，其耐火等级高，且能满足不同火灾危险等级的消防安全要求。本工程生产综合楼采用钢结构，考虑到钢结构自身的材料特性，需采取相应的防火措施[11]。该工程采用了厚涂型防火涂料，在现场施工中发现其对环境温度及风速要求高，同时受现场环境、施工人员技术水平等因素的影响，喷涂质量难以有效控制，且现场实际应用中发现厚涂型防火涂料颜色单一、观感质量差，见图2。

图2 厚涂型防火涂料外观

建议钢结构梁、柱等构件防火涂层选用薄涂型防火涂料（薄型防火涂料颜色多、选择性强），可直接在钢结构厂家进行喷涂；同时，钢结构梁柱节点也可全部在厂家完成螺栓连接，在施工现场只进行拼装，方便快捷，施工进度可以得到有效提高，由于对施工现场的环境要求降低，便于进行质量控制。

3.1.3 隔墙

常规变电站主建筑隔墙一般采用轻型砌块砌筑，墙压筋及构造柱钢筋直接预埋或采用后锚固钢筋，保证结构的整体性且质量可控。

本工程生产综合楼隔墙采用砌块砌筑，由于主体框架部分为钢结构，为保证墙体的整体稳定性，砌块砌筑时墙压筋、构造柱钢筋需与钢柱及梁进行焊接，施工中对焊接质量要求高，易影响施工整体进度。

建议在装配式变电站建设过程中，建筑物隔墙在考虑建筑防火要求的基础上，全部采用预装式墙体。

3.1.4 窗户

常规变电站建筑物窗户在安装完毕后抹灰收口，窗台可根据《国家电网公司输变电工程标准工艺》[7]建成里高外低形式，防止雨水倒流；同时，窗口顶部设置滴水线，将雨水向两侧导流，避免雨水顺窗口流向窗户。本工程生产综合楼外墙铝单板包边收口后，在二次设计中未说明窗户、窗台的施工方法及尺寸要求，使得窗户无法做到窗台里高外低，只使用硅酮密封胶进行打缝；窗户顶部也未设置滴水线或滴水槽，无法将雨水向两侧导流，容易使雨水顺窗口流向窗户，造成积水。

结合本工程施工经验，建议装配式建筑围护结构在二次设计时应充分考虑窗户、窗台的施工方案及窗户上口滴水线的设置方法。

3.1.5 室内灯具及监控设备

常规变电站监控设备、开关及插座底盒镶嵌在砌体墙内，安装洞口在施工过程中已提前进行预留，在后期安装中只需使用螺丝安装，固定可靠且安装方便。本工程中因生产综合楼外墙内侧为石膏板，承重能力差，另外未提前考虑相关洞口的预留，使得监控设备、灯具开关及插座底盒螺栓无法可靠固定；为保证设备安装的牢固性，在加设附加龙骨后进行灯具安装。开关及插座底盒采用角钢焊接在钢龙骨上，安装质量不好控制。

建议对于装配式建筑外墙内侧的设计必须在二次设计时考虑开关、插座、灯具等设备的位置，并提供详细的施工方法。

3.2 施工进度

本工程生产综合楼土建施工历时313d，其中基础结构56d，主体框架结构147d，内外墙围护结构110d，而相同规模的常规式传统施工方案耗时一般需170d，其中基础结构45d，主体框架结构70d，内外墙围护结构55d。可见，在压缩施工周期方面，装配式方案并没有优势，原因如下。

3.2.1 基础结构

装配式结构基础与常规建筑结构形式基本相同，由于装配式基础内需埋设地脚螺栓，而地脚螺栓的预埋对建筑轴线尺寸、标高的精度要求较高；同时，根据结构承载力计算结果，使得基础柱内钢筋间距非常小，而地脚螺栓材料规格较大，需使用吊车进行吊装定位，施工难度大，导致该工序施工周期变长。

建议后续工程设计时考虑设置地脚螺栓定位板和卡盘，防止地脚螺栓位移，减小施工难度。

3.2.2 主体结构

本工程主体框架结构施工历时147d，其中招标采购23d，材料生产运输周期52d，钢结构的吊装、节点焊接及无损探伤试验26d，楼层板安装及屋面混凝土浇筑18d，防火涂料施工28d。

钢结构及外墙挂板数量多，需招标择优选择供应商，材料采购时间长。钢结构焊接在冬季施工时需进行保温，相应措施的费用多，且钢结构防火涂料对施工环境温度要求为5℃以上，冬季无法进行喷涂，使得材料到场后不能及时施工安装，造成工期延误，也增加了材料保管费用。另外，由于本站站址位于市区，受场地条件限制，新建生产综合楼周边场地狭小，装配式主体吊装施工可实施作业面少，不具备多作业面同时施工的条件；再者由于装配式作业面大，需使用大型吊车进行吊装作业，而在实施过程中，吊车只能停靠于站区外西侧，没有实现吊车位置的最有利布置，最大作业回转半径仅为40m左右，造成原需12t吊车即可完成的吊装任务，实际需采用80t吊车，在西南角最远处则采用了140t吊车。

3.2.3 建筑围护结构

生产综合楼建筑围护结构施工110d，其中外墙挂板龙骨焊接58d，铝单板材料现场测量、制作及安装30d，内墙石膏板施工34d。本工程设计阶段由于二次设计细化程度不足，使得外墙挂板门窗洞口需在现场加工制作，内墙上安装的灯具等设备需进行龙骨加固，铝单板需在内外墙挂板施工完毕后对洞口进行实测订做，造成工期的延误。

以上分析可以看出，装配式建筑的施工不同于常规建筑，其对于施工精度、施工现场组织方式、材料的运输及到场时序等方面的要求很高，建议在基础浇筑过程中注意控制各设计参数，特别是柱脚、螺栓预埋处、转角等承重部位，需控制好各点坐标与标高。另外，在钢结构构件吊装拼装后，对于尺寸偏差部位的处理，特别是钻孔或气割部位的处理，需实施严格的防锈措施；同时需根据装配式建筑施工特点，从施工现场总平面图布置、材料的进场时序、作业面间的组织协调等方面，提前完成施工组织设计[2]。对于施工时间的选择，结合内蒙古地区环境气候特点，钢结构施工宜在4月—10月实施。

3.3 工程造价

常规方案与装配式方案生产综合楼工程造价对比见表1。可以看出，本工程生产综合楼装配式方案比常规方案建筑工程费高约56%，主要是由于装配式方案所需的梁柱、墙板等都需在工厂进行预制及初步组装，且纤维水泥加压外墙挂板等部分材料生产厂家少且距离施工现场远，综合成本相对较高，而常规方案材料采购方便，地材价格较低。另外,装配式方案在施工组装过程中使用的特种机械费也相对较高。

3.4 环境影响

常规方案使用砂、石、水泥等不可再生材料，施工涉及混凝土现场浇筑、墙体现场砌筑、面砖镶贴等大量的湿作业环节，不仅产生废水、固体废物等垃圾，还会造成大量粉尘污染，不符合“四节一环保”要求。

表1 常规方案与装配式方案生产综合楼工程造价对比

装配式方案采用钢框架结构体系及新型建筑材料，因构件多数已在工厂内制作完成，现场只需进行简单的拼接与安装，施工方便、湿作业工作量少，也减少了噪声污染、污水和废水的排放，节约了水资源，对环境的负面影响较小[13-14]。装配式方案所采用的钢材等建筑材料还可实现全寿命周期回收利用，符合目前资源节约、环境友好的建设理念[6]。

4 建议

结合泰安110 kV装配式变电站工程实践，提出装配式变电站在设计施工过程中的注意事项。

（1）装配式变电站的建设程序和思路不同于常规变电站，应合理进行工程前期策划，坚持“设计、加工、装配”一体化思路。

（2）在装配式变电站建设中各专业间的沟通协调更加密切，需合理制订施工组织设计、设备材料到场进度及施工现场总图布置。

（3）应重视施工图纸的二次设计，对预制构件中的门窗洞口、管线精确定位预留。

（4）在满足工艺要求的基础上，结合平面布置方案合理制订预制构件的模数，提升装配式变电站建设水平，减少现场湿作业，提高装配率。

（5）装配式变电站对于工程设计、施工的精准度要求更高，可结合电网发展需要，有序推进三维数字化设计，提升工程建设信息化水平[12]。

5 结语

装配式变电站是基于工业化背景下的电网工程建设新模式，其在资源节约、环境友好等方面比常规建设方案有非常明显的优势，是未来变电站工程建设的发展趋势。虽然目前在工程进度、工程造价、空间划分及造型灵活性等方面还有所欠缺，但随着工业化水平的不断提升，装配式变电站建设模式的优势将愈加突出。