装配式建构筑物在特高压换流站工程中的应用

常 伟，陈 乐，王茂忠，张玉明，李学鹏

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.国家电网有限公司直流建设分公司，北京 100032)

随着科学技术的发展和进步，传统的现浇混凝土建筑模式已逐步向“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的建筑模式发展[1],随之提出“两型一化”、“3C绿色”的建设理念，都对电网工程的建设提出了更高要求[2]。特高压换流站工程具有建设效率快、施工工期紧、环保要求严、质量要求高等特点[3]。与常规的现浇混凝土设计方案相比较，装配式建构筑物具有绿色环保、施工周期短、工厂化和模块化程度高、节能降效等优点[4]。装配式建筑技术日渐成熟，但换流站工程建设地点往往较为偏远，装配式建构筑物选择必须综合考虑建筑材料、当地施工技术水平等因素[5]。

促进传统建筑转型升级，大力发展装配式建筑成为了中国现代建筑产业发展的必然趋势[6-7]。国内学者对装配式建筑墙体进行了大量研究[8-10]。另一方面，国内学者对装配式建构筑物在变电工程中的应用进行了相关研究，张喆[11]从节能环保角度分析了500 kV变电站装配式建筑的围墙维护体系；陈俊杰等[12]提出了装配式建筑物建筑结构一体化采用预制轻骨料混凝土型钢组合空心墙板组合体系。袁文兵[13]研究了装配式换流变防火墙的抗震性能; 余巍等[14]介绍了巴西美丽山二期换流站工程主要建构筑物采用装配式结构设计方案及技术难点；陈俊等[15-16]分析总结了特高压换流站目前常用的几种装配式结构体系优缺点及其适用范围。

本文结合特高压换流站工程实例，论述了主要建构筑物采用装配式的材料应用现状、建设工期及造价，对装配式建构筑物的结构体系、结构连接节点、建筑墙体等进行了分析比较，综合考虑节能环保、防火性能、隔声降噪、施工效率及经济效益等因素，提出了装配式建构筑物结构型式、围护系统、技术难点及施工方案，为装配式建构筑物在后续特高压换流站工程中的应用提供了借鉴。

1 特高压换流站装配式建筑物的应用

1.1 装配式建筑物的结构选型

1.1.1 阀厅

特高压换流站换流区布置高、低端4座阀厅，可采用面对面布置，也可采用一字型布置[17]。具体工程从抗震、工期、造价等因素考虑，阀厅可采用钢筋混凝土框架结构、钢-钢筋混凝土混合结构或纯钢结构，其中，阀厅钢结构支撑体系及屋盖体系或钢结构为天然的装配式结构。如图1所示。

(a)计算模型 (b)工程实例图1 钢结构阀厅

已建的特高压换流站工程高、低端阀厅多采用钢结构或钢-钢筋混凝土混合结构。考虑到工期影响，钢筋混凝土框架结构基本无工程实例。由此可见，特高压换流站阀厅的装配化程度相对较高。

1.1.2 换流变防火墙

换流变防火墙是指换流变压器与阀厅之间的纵向防火墙以及换流变压器之间的横向防火墙。目前，国内已建设的特高压换流站工程中主要采用钢筋混凝土框架填充墙或钢筋混凝土抗震墙结构,如图2所示。

(a)计算模型 (b)工程实例图2 现浇防火墙

已建的特高压换流站工程换流变防火墙采用装配化程度不高，主要原因在于防火墙较高导致梁柱连接节点受力复杂、阀侧套管穿纵向防火墙导致装配式板需要提前预留大的孔洞、装配式填充板的防火性能以及阀厅的密闭性要求等。

作为中国特高压直流输电技术全方位走出去的第一个工程“巴西美丽山二期±800 kV特高压直流输电工程”，里约及欣古换流站除阀厅主体钢结构外，换流变防火墙采用了预制钢筋混凝土装配式结构，如图3所示。

(a)计算模型 (b)工程实例图3 装配式防火墙

防火墙柱较高，需分段预制，现场拼装。预制柱两边预留凹槽，预制钢筋混凝土墙板从上往下嵌入式安装，预制柱插入杯口式基础中。整个安装过程为无湿作业，达到绿色环保施工。

1.1.3 控制楼

主/辅控制楼一般为3/2层结构，可采用钢框架结构、钢筋混凝土框架结构、预制装配式框架结构等型式。国内已建工程中，控制楼基本均采用了钢筋混凝土框架填充墙方案。

±800 kV灵州换流站控制楼采用了钢框架结构，工厂化生产、现场组装，符合装配式建筑的理念。其中主控制楼计算模型如图4所示。

(a)计算模型 (b)工程实例图4 主控制楼

灵州换流站控制楼框架柱采用箱型截面，框架梁在互相垂直的2个方向都与框架柱刚接，梁与柱连接采用了焊缝连接和栓焊混合连接2种形式。

已建的特高压换流站工程中，除灵州—绍兴特高压直流输电工程的送、受端换流站控制楼采用钢结构外，其他换流站控制楼多采用框架填充墙结构，因此，控制楼的装配化程度不高，主要原因在于控制楼层不高，施工周期不长，钢结构造价较高，还需考虑防火问题，因此，国内特高压换流站控制楼装配化程度不高。

巴西美丽山二期±800 kV特高压直流输电工程主控制楼采用全预制装配式钢筋混凝土框架结构。主要构件有预制柱、预制梁、预制空心楼板以及预制内外墙板。所有构件均在工厂内由流水线制作完成后运输到现场组装。控制楼的安装基本实现了现场无模板支护，施工过程中的环境污染得到有效控制，同时大大加快了施工进度。

控制楼预制梁柱的连接一般有2种方式。

a.柱牛腿上预埋锚筋与预制梁端预留孔通过二次灌浆锚固连接。

b.柱牛腿上预留埋铁与梁端预留的埋铁通过焊接连接。梁支座负筋与预制柱中预埋的锚筋通过套筒连接。预制梁柱节点连接如图5所示。

(a)连接1 (b)连接2图5 预制梁柱节点连接

控制楼外墙采用与阀厅防火墙相同的嵌入式墙板安装方法。控制楼内部隔墙有2种，在对防火有特殊要求的楼梯部位采用240 mm厚混凝土砌块,其他部分隔墙采用预制钢筋混凝土墙板,采用与预制柱上埋铁焊接的方法固定。

1.1.4 检修备品库

特高压换流站内检修备品库多采用钢筋混凝土排架结构+钢屋盖、钢排架结构+钢屋盖以及预制装配式钢筋混凝土框架结构+钢屋架,如图6所示。

(a)计算模型 (b)工程实例图6 检修备品库

已建的特高压换流站工程中，检修备品库的屋盖体系基本采用钢屋盖。钢结构排架和钢筋混凝土框排架结构在工程中均有应用。

1.1.5 户内GIS室

已建的特高压换流站工程中，户内GIS室基本采用门式刚架结构，H型钢柱、H型钢梁，如图7所示。户内GIS室装配化程度相对比较高。

图7 户内GIS室

1.1.6 空冷器保温室

国内建设的特高压送端换流站一般设置空冷器保温室，采用单层门式刚架结构，可开启式屋盖体系，符合装配式建筑的理念，如图8所示。

(a)门式刚架 (b)外围护图8 空冷器保温室

1.1.7 继电器室

继电器室平面布置规整，单层布置，其结构型式多为钢筋混凝土框架填充墙结构，也有部分工程采用了装配式方案。装配式结构可采用轻钢结构+ALC 加气混凝土外墙板、预制钢筋混凝土框架结构+预制钢筋混凝土墙挂板、工字钢框架+装饰防火板复合外墙挂板、钢结构+AS水泥基复合外墙挂板。

从近年特高压换流站工程实践来看，继电器室等单层建筑物多采用钢筋混凝土框架填充墙方案，装配化程度不高。若考虑装配式，其结构型式采用钢结构、外墙板采用可预留电气埋管的装饰防火板或AS水泥基复合外墙板。

1.2 装配式建筑物围护材料选型

装配式建筑物围护材料应综合比较其防火性能、施工效率、经济效益、节能环保、隔声降噪等因素，选择出符合特高压换流站需求的装配式建筑墙体维护系统。

1.2.1 外墙材料的选择

a.金属面岩棉夹芯板指上下2层为金属薄板，芯材是具有一定刚度岩棉的保温材料，采用专用的自动化生产线复合而成、具有承载力的结构板材，安装构造层次为钢龙骨，作为墙体的支撑结构，室外侧通过自攻螺钉把金属岩棉夹芯板固定在墙梁上。此种外墙保温隔热、吸音隔声方面效果显著，同时由于其整体刚度较好、扣接方式合理、固定方法简单，无需现场二次加工，因此其安装周期、经济效益均有较大优势。

b.金属装饰复合外墙的构造层次为外墙板+钢龙骨(内填充岩棉)+内墙板，另外在保温层外侧铺设防水透气层，以保证外墙系统的抗空气渗透及防水能力，在保温棉内侧铺设隔汽层，以阻止室内潮湿空气进入保温层而影响外墙系统的保温隔热性能。金属板外墙系统外侧板材材料的种类有压型钢板、压型铝板和铝镁锰板等金属板材。此种外墙材料属于轻量化的材质，减少了建筑结构和基础负荷，具有优良的加工性能，色彩的多样化及良好的安全性,能完全适应各种复杂造型的设计，为建筑外装提供了良好的选择条件，金属装饰复合外墙如图9所示。

图9 金属装饰复合外墙

c.硅酸盐板复合外墙，其构造为外侧纤维增强硅酸盐装饰一体板、龙骨(内充岩棉)、石膏板(或硅酸盐板)。此种外墙防火性能较金属复合板外墙更为优越，耐久性达50年左右，且可以适用于易腐蚀地区，如某些工厂区域、酸雨区域等，但是防水性和工厂化程度不如金属岩棉夹芯板，硅酸盐板复合外墙如图10所示。

图10 硅酸盐板复合外墙

1.2.2 内墙材料的选择

a.条板类隔墙，墙体直接由各类墙板拼装而成，隔墙板自身承重，直接固定于建筑主体结构上，不需要设置隔墙龙骨。通常分为复合墙板、单一材料板材、空心板材等类型，具有耐潮、稳固、保温、隔音等优点，市场上常见的商品有增强水泥聚苯板、复合夹芯板、钢丝网水泥板、蒸压加气混凝土板等，厚度大多为60～100 mm，宽约600～1200 mm，高度同房间实际高度相同。

b.轻钢龙骨纸面石膏板隔墙是以建筑石膏为主要原料，掺入适量添加剂与纤维做板芯，以特制的板纸为护面，经加工制成的板材。轻钢龙骨纸面石膏板隔墙是将纸面石膏板固定在轻钢龙骨上形成的非承重墙，直接涂抹石膏腻子以获得更为完美的装饰表面。

c.轻钢龙骨纤维增强硅酸钙板隔墙是一种典型的装修纤维增强硅酸钙板，采用特殊工艺制造，具有优良的防火性能，用水泥砂浆抹面比较困难，需要附加钢丝网。轻钢龙骨纤维增强硅酸盐板隔墙可以填充岩棉提高防火、隔声和保温性能。纤维增强硅酸盐板作为装修材料，其燃烧性能为A级。

d.轻钢龙骨玻镁板隔墙，玻镁板俗称氧化镁板，与水泥纤维板和石膏板都属于无机矿类板材，与轻钢龙骨复合，在室内装修中被广泛作为墙板和天花板使用。玻镁板的主要成分是氧化镁、氯化镁、玻纤网、轻质填充材料等。玻镁板最显著的特性是防火性能好，属于A级不燃材料。

2 特高压换流站装配式构筑物的应用

从国家电网有限公司提出“两型一化”施工理念开始，我国输变电行业全面开展了装配化施工的研究和试验，其中在装配式围墙和电缆沟上陆续实现了部分工程实际应用，装配式构件材质也从易变形的有机复合材料发展到性能稳定的高强水泥基钢筋混凝土材料，并取得了良好效果。

2.1 装配式普通围墙

装配式普通围墙立柱和墙板均采用水泥基复合材料，工厂统一生产，产品成型后统一养护，具有施工周期短、使用年限长、后期维修成本低的技术特点。装配式普通围墙如图11所示。

(a)三维模型(b)工程实例图11 装配式普通围墙

2.2 装配式降噪围墙

换流站工程需根据环评批复意见所确定的噪声控制标准，对站内噪声进行预测，根据噪声计算结果，确定是否加高围墙、按照降噪围墙考虑。降噪围墙一般采用上部隔音屏障+下部实体墙的组合方案。上部隔音屏障可选用轻型钢结构。下部实体墙结构一般有3种结构型式：第1种是钢筋混凝土框架填充墙，钢筋混凝土框架柱，混凝土柱之间采用砌体填充，简称“框架填充”；第2种是钢筋混凝土框架填充墙，钢筋混凝土框架柱，混凝土柱之间采用预制板填充，简称“半预制”；第3种是预制装配式墙体，预制混凝土柱(梁)、预制装配式板墙，简称“全预制”。

降噪围墙上部主体结构工程造价主要包括实体围墙费用和隔音屏障两部分费用。根据实体围墙的结构型式不同及实体围墙与隔音屏障的高度取值不同，降噪围墙的总体费用也会有所差异。

框架填充墙是工程造价最优的降噪围墙结构方案。框架填充方案与半预制方案的差别仅仅是填充材料的不同。两种不同方案的工程造价差异主要取决于不同填充材料的单价费用。砌体填充墙工程造价低、施工周期长、墙体易裂缝。预制板墙组件简单、施工方便、墙体不易裂缝，但造价较高。

降噪围墙采用半预制方案的工程费用多于框架填充墙方案，但较全预制方案费用低。从推动装配式角度出发，降噪围墙应首选现浇框架梁柱+预制板墙的半预制方案，如图12所示。

(a)实体围墙(b)实体围墙+隔音屏障图12 装配式降噪围墙

2.3 装配式电缆沟道

换流站电缆沟道一般选用砖砌、素混凝土现浇或者是钢筋混凝土现浇的方式。

装配式混凝土电缆沟应用的关键在于预制混凝土沟道构件的制作成型精度和强度、预制件联接紧固和密封防水技术、沟道排水处理措施和沟道异形断面处的处理等[18]。装配式电缆沟道在特高压换流站工程中应用相对较多，电缆沟的工厂化预制可靠性、接口对接工艺的严密性、接缝的防水性、沉降缝处理等关键技术均得到成功验证。

a.材料

目前装配式混凝土电缆沟具有高强度、高韧性、易浇筑及高抗裂性能的特点，可满足在保证设计受力要求的前提下尽可能减小电缆沟的壁厚，以方便运输、安装及环保节能的需要。预制电缆沟道构件主要为槽式和隧道式，如图13所示。

(a)槽式电缆沟预制构件

(b)隧道式电缆沟预制构件图13 装配式电缆沟道

b.接头连接

预制装配式电缆沟的接头连接方式关系着电缆沟轴线抗弯性能和整体稳定性，一般采用预应力筋连接接头、螺栓连接接头或承插式接头。综合采用(如同时采取承插式接头加预应力筋连接)2种以上接头型式更能提升电缆沟抗弯能力。

c.拼缝防水

装配式电缆沟拼缝防水应采用弹性密封原理，以预制成型弹性密封垫为主要防水措施，并保证弹性垫的界面应力满足限值要求，弹性密封垫的界面应力不应低于1.5 MPa。沟道接口采用承插式接口，受口侧槽深20 mm、插口侧凸出25 mm，构件间采用截面为35 mm×12 mm的止水胶条和树脂胶进行密封隔离，确保接缝紧密防水。

d.排水

装配式电缆沟一般尽可能采用等截面预制件，以利于预制模板的重复使用，便于降低成本。在竖向布置设有场地表面排水坡度时，电缆沟沟底排水坡度等同于场地地表坡度，可以做到等截面预制。当场地不设排水坡度时，装配式电缆沟就不能像现浇混凝土电缆沟一样为满足沟底排水要求采取变高的方式，工程实践中通常采取2种措施，解决电缆沟底的排水问题。第1种采用等截面预制沟道，电缆沟采用埋入地下布置，高端起点电缆沟顶覆土100 mm，低端随电缆沟底排水坡度，沟顶覆土厚度逐步增加。此时电缆沟需每隔6～8 m设置出地面检修人孔；第2种为预制电缆沟侧壁高度预留沟底部找坡厚度，电缆沟安装完成后再按照0.3%的坡度用细石混凝土做沟底找坡层。

3 装配式建构筑物技术难点

预制装配式结构具有构件工厂预制化，现场建设装配化、施工机械化的特点，可以减少现场“湿作业”，减少现场劳动力投入，缩短建设施工周期，提高工程建设质量，提升现场安全文明施工水平。装配式混凝土结构具有建设工期短、产品质量高、能源损耗低、环境污染小等优势，是实现建筑行业可持续发展的必然选择。

装配式混凝土结构发展的一个重要制约因素是节点连接问题[19]。对于装配式框架结构，梁柱节点尤其关键，其对装配式混凝土结构的抗震性能具有直接影响[20]。梁柱节点连接可采用湿连接和干连接2种。国内外学者关于预制混凝土梁柱节点连接开展了系列研究，但仍然不够全面完善，对于预制混凝土框架节点连接的研究尚需进一步深入研究。

换流站建构筑物存在着电气一次、电气二次、采暖通风及水工等专业需要的电力电缆、管网通道。现浇结构中如有部分遗漏，可采用后开孔的补救方法。但是装配式结构对于后开孔有较大的限制，特别是穿楼板的孔洞。因此在预制工厂加工构件前，需要提前做好相应的通道规划，并提前与相关专业配合，避免后期补救对预制构件的破坏。

4 结语

装配式建构筑物绿色环保的施工工艺极大减少了现场湿水作业，节约了施工工期。目前，国内特高压换流站工程装配式建构筑物装配率还不是很高，主要是受限于理论试验研究还不够充分，缺乏工程实践经验。

本文对特高压换流站工程建构筑物结构型式进行了基本的介绍，总结分析了装配式建构筑物在特高压换流站工程中的发展现状和应用，并提出相应技术方案。目前，装配式建构筑物在特高压换流站工程的应用还未完全普及，随着理论和试验的深入研究及各方面技术的日渐成熟，这些问题将会得到很好地解决，装配式建构筑物技术也将会在特高压换流站工程中得到更广泛的应用。