雙碳背景下模塊化裝配式變電站設(shè)計研究

張敏 鄒盛 王庭華 周洪偉 宗炫君

摘要：近年來，裝配式建筑在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，積極研究裝配式建筑在節(jié)能方面的技術(shù)是助力我國提前達(dá)到“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的必然選擇。本文論述了裝配式變電站的建筑設(shè)計和構(gòu)筑物設(shè)計方案，提出了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的智慧變電站建設(shè)模式。通過對墻體、門窗、電纜溝、道路等模塊化構(gòu)件進(jìn)行分析，明確了變電站的模塊化建設(shè)具備很好的低碳環(huán)保效果、良好的交互性和可靠性等優(yōu)勢。為雙碳背景下模塊化裝配式變電站的設(shè)計和建設(shè)提供思路。

關(guān)鍵詞：雙碳背景;變電站;模塊化;裝配式設(shè)計

Research on modular prefabricated substation design under dual carbon background

Zhang Min，Zou Sheng，Wang Tinghua，Zhou Hongwei，Zong Xuanjun

（ Economic and Technological Research Institute of Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu，210008）

Abstract：In recent years，the application of prefabricated building in the construction industry is more and more widely，actively studying the prefabricated building in energy saving technology is the inevitable choice to help China to achieve the goal of "carbon peak，carbon neutrality" in advance.This paper discusses the architectural design and structure design scheme of prefabricated substation，and puts forward the smart substation construction mode of "standardized design，factory processing，and prefabricated construction".Through the analysis of modular components such as walls，doors and Windows，cable trenches and roads，it is clear that the modular construction of substation has good low-carbon environmental protection effect，good interaction and reliability.It provides ideas for the design and construction of modular prefabricated substation under dual carbon background.

Keywords：Double carbon background;Substation;Modular;Assembly design

1 引言

碳達(dá)峰、碳中和對全球來說既是一場能源革命，更是一場經(jīng)濟(jì)與社會革命[1]。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)處于轉(zhuǎn)型升級的重要機(jī)遇期，完善碳排放優(yōu)化方案，服務(wù)于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)能源綠色低碳發(fā)展，對于我國的經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[2]。電力行業(yè)作為能源消耗大戶以及污染氣體排放的重要貢獻(xiàn)者，在“節(jié)能減排”方面具有很大的潛力[3]。變電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[4]。

隨著建筑建設(shè)周期的不斷縮短，張培是建筑應(yīng)運(yùn)而生。裝配式建筑具有綠色施工、環(huán)保節(jié)能、工期節(jié)約、質(zhì)量提高等優(yōu)點(diǎn)，裝配式建筑的應(yīng)用順應(yīng)了電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展潮流[5]。作為城市型變電站，土建設(shè)計應(yīng)當(dāng)綜合考慮變電站與區(qū)域土地的綜合利用、城市建設(shè)、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)城市或區(qū)域設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容[6]。我國現(xiàn)有的變電站在建筑設(shè)計中通常是使用鋼管桿和混凝土相結(jié)合所制作的框架，這種框架結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了變電站結(jié)構(gòu)的安全性[7]。裝配式變電站是智能變電站的一種新穎的形式，該類型變電站采用裝配式技術(shù)，先對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)、組裝，然后再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行裝配安裝[8]。遵循建筑設(shè)計的一般規(guī)律，深入研究裝配式變電站的特征和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，全面提升整體土建水平，對于電力行業(yè)發(fā)展具有重要的支撐作用[9]。

本文論述了裝配式變電站的建筑設(shè)計和構(gòu)筑物設(shè)計方案，提出了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的智慧變電站建設(shè)模式。通過對墻體、門窗、電纜溝、道路等模塊化構(gòu)件進(jìn)行分析，明確了變電站的模塊化建設(shè)具備很好的低碳環(huán)保效果、良好的交互性和可靠性等優(yōu)勢。

2裝配式變電站設(shè)計

2.1 裝配式變電站理念

根據(jù)國務(wù)院2016年度《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，大力發(fā)展裝配式建筑是建筑方式的重大變革，是新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，有利于節(jié)約資源、能源，減少施工污染，提升勞動生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，有利于促進(jìn)建筑業(yè)與信息化工業(yè)化深度融合，是推動綠色建筑發(fā)展的先進(jìn)建造方式。智慧變電站的裝配化設(shè)計應(yīng)符合國家的有關(guān)政策、法規(guī)，推行設(shè)計理念創(chuàng)新，突出智慧變電站工業(yè)設(shè)施定位，創(chuàng)新方案應(yīng)合理適用，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向，具備可實(shí)施性和推廣價值。

所謂裝配式建筑，就是把傳統(tǒng)建造方式中的大量的建筑部品由車間生產(chǎn)加工完成，在工廠加工制作好建筑構(gòu)件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等），運(yùn)到工地現(xiàn)場，通過可靠連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成的的建筑。裝配式建筑主要包括裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑等，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用，是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的方式的代表。

模塊化裝配式變電站的設(shè)計，必須堅持節(jié)約資源、充分考慮社會效益的原則。推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的智慧變電站建設(shè)模式。按照“3C綠色電網(wǎng)”要求，功能集成、配置優(yōu)化，形成“安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)?！钡脑O(shè)計方案。

變電站裝配式模塊化建筑物，全部部件在充分考慮智慧變電站各配電裝置房間功能要求的前提下，進(jìn)行模塊化的設(shè)計。模塊化設(shè)計是進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計而非單純的拆分設(shè)計，最終的設(shè)計成果是將整個智慧變電站的裝配式生產(chǎn)配電樓細(xì)分成裝配式構(gòu)件，并對每個構(gòu)件（梁、柱、墻板、節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行編號和歸類，并將其數(shù)據(jù)化，生成構(gòu)件身份信息數(shù)據(jù)庫。模塊部件先在工廠生產(chǎn)預(yù)制，再運(yùn)到施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝。裝配式建筑改變了傳統(tǒng)的建筑模式，大大減少了現(xiàn)場的作業(yè)量，有助于提高建筑質(zhì)量、縮減建設(shè)工期、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。推動裝配式智慧變電站的實(shí)施，顯著提高變電站的建設(shè)效率、提升變電站的工程質(zhì)量，有助于提高電網(wǎng)建設(shè)能力。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)形式

目前常用的裝配式結(jié)構(gòu)有裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、門式鋼架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式，不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)對比見下表1，通過對比，選用鋼框架結(jié)構(gòu)作為裝配式變電站的首選結(jié)構(gòu)。

裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)是由鋼梁和鋼柱組成的能承受垂直和水平荷載的結(jié)構(gòu)。這種體系受力明確，平面布置靈活，可在工廠制作鋼柱、鋼梁等構(gòu)件，運(yùn)到現(xiàn)場后通過高強(qiáng)螺栓連接拼接，現(xiàn)場僅有臨時安裝焊接，安裝速度快，抗震性能好，梁柱截面小，能獲得更多的使用面積。鋼結(jié)構(gòu)已成為模塊化建設(shè)首選的結(jié)構(gòu)型式，且適合智慧變電站的建設(shè)要求。

2.3 裝配式建筑設(shè)計

（1） 墻體設(shè)計

墻體是建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，其所用材料的隔熱保溫性能直接影響建筑的傳熱量。玻璃纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合板（簡稱GRC板）是用水泥砂漿作為基材、抗堿玻璃纖維作為增強(qiáng)材料制成板材面層，然后將其與其他保溫絕熱材料復(fù)合而成的一種新型復(fù)合板，如圖1所示。該板具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保、防火、防水、耐候性強(qiáng)、藝術(shù)質(zhì)感好、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)，尤其在節(jié)能、安全性能與裝飾效果方面遠(yuǎn)優(yōu)于其他墻材。

GRC復(fù)合外墻板的制作工藝一般采用直接噴射法反打成型工藝，將配制好得玻璃纖維混凝土噴射在模板上，即先成型復(fù)合墻板的外表面，后成型復(fù)合墻板的內(nèi)表面，反打成型工藝中模板即為墻板的外表面，其優(yōu)點(diǎn)是墻板外表面質(zhì)量高，質(zhì)感細(xì)膩，能夠保證產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)良的密實(shí)性，強(qiáng)度和抗裂性能。

GRC板材已有60多年發(fā)展歷史，主要應(yīng)用于建筑內(nèi)外墻及各類裝飾構(gòu)件?？傮w而言，GRC板材存在以下優(yōu)點(diǎn)：性能指標(biāo)優(yōu)秀、耐久性好，應(yīng)用廣泛;顯著降低安裝工作量，裝飾保溫一體化;具有良好的抗震性能，預(yù)留各種埋件、開孔及管線方便;材取材方便，加工靈活，利于定型設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化。

（2） 門窗設(shè)計

玻璃外窗作為一種特殊的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，兼具絕熱（保溫、隔熱）、隔聲、安全防護(hù)、采光、觀景等復(fù)合功能。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，玻璃外窗是建筑節(jié)能中比較薄弱的環(huán)節(jié)，其能耗占建筑總能耗的比例較大，其中隔熱損失為1/3，冷風(fēng)滲透為1/3。所以，在保證采光、通風(fēng)要求的條件下，應(yīng)當(dāng)盡量減小建筑物的外門窗洞口的面積，提高外門窗的氣密性，減少空調(diào)外滲，提高外門窗的隔熱性能。

根據(jù)以上目標(biāo)，可以使用斷橋鋁合金中空玻璃窗，改善門窗的隔熱性能，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計對建筑外門窗的抗風(fēng)壓提出要求：性能不低于GB/T 7106《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》規(guī)定的6級標(biāo)準(zhǔn)。即在10Pa壓差下，每小時每米縫隙的空氣滲透量在1.0～1.5m3之間以及每小時每平方米面積的空氣滲透量在3.0～4.3m3之間。建筑外門窗要求：氣密性能分級不得低于6級，水密性能分級不得低于6級，保溫性能分級為7級，隔音性能分級為4級，外門窗采光性能等級不低于3級。

3 裝配式變電站構(gòu)筑物設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”，減少現(xiàn)場“濕作業(yè)”，提高機(jī)械化施工應(yīng)用范圍，減少現(xiàn)場勞動力投入，縮短建設(shè)施工周期，降低現(xiàn)場安全風(fēng)險，提高工程建設(shè)質(zhì)量、工藝水平。變電站小型構(gòu)筑物采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。通過梳理目前已建變電站構(gòu)筑物的模塊化設(shè)計成果，提出電纜溝、道路、圍墻基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、小型設(shè)備基礎(chǔ)及水工構(gòu)筑物等可采用模塊化設(shè)計，工廠化加工，運(yùn)抵現(xiàn)場后機(jī)械化施工。

3.1 裝配式電纜溝

預(yù)制鋼筋混凝土電纜溝是由工廠預(yù)制溝體，運(yùn)到現(xiàn)場再進(jìn)行組裝，目前已在部分變電站內(nèi)采用，如圖3所示。預(yù)制混凝土電纜溝的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，施工快捷，可縮短工期，溝體平整，工序較少且施工質(zhì)量較易得到保證，現(xiàn)場濕作業(yè)較少。

3.2 裝配式道路

變電站道路是變電站土建工程中的重要組成部分，其施工進(jìn)度、建設(shè)工期、道路質(zhì)量影響著整個變電站的大件設(shè)備和建筑材料的運(yùn)輸。目前，變電站道路大部分采用水泥或?yàn)r青傳統(tǒng)路面，二者有較為成熟的設(shè)計和施工理論、經(jīng)驗(yàn)。伴隨著社會經(jīng)濟(jì)和物質(zhì)文明不斷發(fā)展，人們對路面既要求安全、舒適、平穩(wěn)，又要求美觀、環(huán)保、施工便捷、可循環(huán)利用等等。裝配式道路便是滿足要求的選擇。

裝配式道路是由一塊塊板面組成，這些板面在工廠提前預(yù)制好，運(yùn)至現(xiàn)場即可鋪裝成道路，后期可以隨時拆除并重復(fù)使用，如圖4所示。預(yù)制道路施工效率高，減少了現(xiàn)澆、凝固等多個環(huán)節(jié)，大大節(jié)約工期。預(yù)制道路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，所有道路均由工廠定制生產(chǎn)，工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度更高，質(zhì)量更有保證。預(yù)制道路可大幅減少建筑垃圾的產(chǎn)生，綠色環(huán)保，可實(shí)現(xiàn)快速安裝、循環(huán)利用，零排放、零固棄的綠色生態(tài)可循環(huán)的建設(shè)目標(biāo)。

3.3 裝配式基礎(chǔ)

（1） 圍墻基礎(chǔ)

圍墻基礎(chǔ)承受承載上部構(gòu)造柱、墻板等荷載，荷載較小，圍墻及上部構(gòu)造柱均可采用預(yù)制，墻體可根據(jù)市政的規(guī)劃要求盡心拼裝。圍墻柱基礎(chǔ)采用獨(dú)立杯口式預(yù)制基礎(chǔ)，抗風(fēng)柱可直接插入現(xiàn)場杯口基礎(chǔ)中，如圖5所示，現(xiàn)場直接吊裝，施工速度快。

（2） 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

變電站建筑物無論是鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土結(jié)構(gòu)，建筑高度都較低，基礎(chǔ)形式則以淺基礎(chǔ)居多，其中柱下獨(dú)立基礎(chǔ)以其受力明確、形式簡單得到廣泛應(yīng)用。變電站建筑物普遍采用現(xiàn)澆基礎(chǔ)。但是現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)存在以下缺點(diǎn)：

施工周期長?；A(chǔ)支模，鋼筋板扎，基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)均耗時較長，僅混凝土養(yǎng)護(hù)周期就長達(dá)28天，大大延長上部鋼結(jié)構(gòu)施工工期。

施工質(zhì)量難以保證?；A(chǔ)短柱配筋較密，鋼柱腳錨桿定位要求嚴(yán)格，現(xiàn)場施工質(zhì)量不如預(yù)制構(gòu)件。

資源耗費(fèi)量大?，F(xiàn)澆作業(yè)對環(huán)境影響大，現(xiàn)澆基礎(chǔ)不可重復(fù)使用，資源損耗遠(yuǎn)大于預(yù)制構(gòu)件。

柱下獨(dú)立基礎(chǔ)形式簡單，連接方式明確，變電站建筑物裝配式基礎(chǔ)可以參照獨(dú)立基礎(chǔ)形式進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計，變電站建筑物裝配式基礎(chǔ)應(yīng)包含以下部件：獨(dú)立基礎(chǔ)、基礎(chǔ)柱、拉梁。變電站建筑物獨(dú)立基礎(chǔ)拆分設(shè)計思路為：獨(dú)立基礎(chǔ)及基礎(chǔ)柱及鋼柱地腳螺栓整體預(yù)制，基礎(chǔ)拉梁整體預(yù)制，基礎(chǔ)拉梁采用快捷可靠的連接與基礎(chǔ)進(jìn)行連接?，F(xiàn)場拉梁與基礎(chǔ)的連接可以通過牛腿連接、螺栓連接、焊接連接連接方式與預(yù)制基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可靠連接。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)見下圖5。

（3） 設(shè)備基礎(chǔ)

110kV變電站室內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)包括主變基礎(chǔ)、開關(guān)柜基礎(chǔ)、GIS設(shè)備基礎(chǔ)、電容器基礎(chǔ)，電抗器基礎(chǔ)、接地變基礎(chǔ)、二次設(shè)備基礎(chǔ)等，室內(nèi)設(shè)備種類繁多，規(guī)格、形式不一，現(xiàn)場澆筑混凝土耗費(fèi)大量時間，養(yǎng)護(hù)時間長，損耗多。根據(jù)設(shè)備基礎(chǔ)形式的不同，不同的設(shè)備基礎(chǔ)采用不同的預(yù)制構(gòu)件形式。

主板基礎(chǔ)現(xiàn)場澆筑為下部板式基礎(chǔ)加上部條形基礎(chǔ)的形式，基礎(chǔ)形式見圖6，該基礎(chǔ)多用于小型電氣設(shè)備。預(yù)制基礎(chǔ)通常采用預(yù)制油坑地板基礎(chǔ)、預(yù)制條形基礎(chǔ)和預(yù)制有坑側(cè)壁三種基礎(chǔ)構(gòu)件組裝的形式實(shí)現(xiàn)。

3.4 裝配式水工構(gòu)筑物

事故油池、消防水池等水工構(gòu)筑物是在變電施工中重要的地下構(gòu)筑物，因現(xiàn)場支模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)等均需耗費(fèi)較長時間，影響工期。通過在工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接的方式，可大大提高工期，同時工程制作標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量也高于現(xiàn)場澆筑。

事故油池和消防水池都可以采用模塊化預(yù)制箱體組合的方式，根據(jù)不同容積要求的油池進(jìn)行折算，再進(jìn)行組合。每組預(yù)制箱體底部節(jié)段+標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段+蓋板，組與組之間采用設(shè)置鋼套管連接的方式，實(shí)現(xiàn)整體串聯(lián)，如圖7所示。

4 結(jié)論

為了對雙碳背景下模塊化裝配式變電站設(shè)計提供思路，本文探討了模塊化裝配式變電站理念以及裝配式構(gòu)筑物設(shè)計，通過研究，得到以下結(jié)論：

（1） 提出了模塊化裝配式變電站的設(shè)計方案，選用鋼框架結(jié)構(gòu)作為裝配式變電站的首選結(jié)構(gòu)，這種體系受力明確，平面布置靈活。推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的智慧變電站建設(shè)模式。

（2） 通過對墻體、門窗、電纜溝、道路、基礎(chǔ)和水工構(gòu)筑物模塊化構(gòu)件進(jìn)行分析，確定了變電站模塊化構(gòu)件的選型和對應(yīng)特點(diǎn)，明確了建設(shè)具備很好的低碳環(huán)保效果、良好的交互性和可靠性等優(yōu)勢。

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基金項目：2021年國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院科技項目

作者簡介：

張敏（1992-），男，碩士，經(jīng)濟(jì)師，工商管理，從事電力咨詢項目研究與管理工作;

鄒盛（1987-），男，江蘇人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計及研究工作，）;

王庭華（1967-），男，江蘇人，碩士，高級工程師，從事輸變電工程設(shè)計與管理;

周洪偉（1979-），男，江蘇人，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃及電氣設(shè)計與研究工作;

宗炫君（1990-），女，江蘇省，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作）。