管架結(jié)構(gòu)選型方案的比較

陳天驕 （安徽萬緯工程管理有限公司，安徽 安慶 246002）

0 前 言

石油化工建設(shè)項目中，系統(tǒng)管架是支撐管道和電纜橋架的主要結(jié)構(gòu)，量大面廣，聯(lián)系著整個廠區(qū)各個裝置。對于管架結(jié)構(gòu)，應(yīng)該從“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠、美觀實用”的原則出發(fā)，力爭達到較好的經(jīng)濟、實用和美觀的效果。

關(guān)于管架的結(jié)構(gòu)形式，通常有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及兩者相組合的形式?；炷两Y(jié)構(gòu)造價低，日后維護成本低，從經(jīng)濟合理的角度，是結(jié)構(gòu)選型時的優(yōu)先方案。鋼結(jié)構(gòu)具有易于工廠加工、安裝速度快、構(gòu)件斷面相對較小等優(yōu)點，從節(jié)省工期、便于改造的角度有一定的優(yōu)勢，目前相關(guān)應(yīng)用也日趨廣泛。

由于結(jié)構(gòu)施工工程量大，涉及到工期目標與經(jīng)濟指標的綜合比較、平衡，需要結(jié)合工程特點，在項目前期合理地進行分析，選用適宜的結(jié)構(gòu)方案。

本文從技術(shù)、造價、工期、預(yù)埋件、施工難度等相關(guān)方面，對安慶石化煉化一體化項目中新區(qū)系統(tǒng)管架得到的數(shù)據(jù)進行對比分析，為今后類似項目的決策提供參考。

1 安石化煉化一體化項目管網(wǎng)工程概況

新區(qū)全廠工藝及熱力管網(wǎng)工程包括：新建約156km的管道及配套的管架、電氣、儀表。2012年1月8日土建工程正式開工，2012年9月30日土建工程結(jié)束，土建施工周期9個月；2012年10月5日管道開始施工，2013年3月27日試壓基本結(jié)束；2013年3月30日工程中交，工程施工歷時15個月。

2 四種方案的技術(shù)分析

四種結(jié)構(gòu)形式考慮：鋼結(jié)構(gòu)管架、混凝土結(jié)構(gòu)管架、二種混凝土與鋼結(jié)構(gòu)不同混合式管架。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)管架

材料采用H型鋼、無縫圓鋼管等鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式多為桁架式、縱梁式。由于并適于改建、擴建的需要，且鋼結(jié)構(gòu)管架建設(shè)周期短、外觀輕巧美觀，所以近年來應(yīng)用廣泛。鋼結(jié)構(gòu)管架的缺點是：造價高，后期防火、防腐等維護的費用較高；橫向剛度較小，需要設(shè)置橫向支撐，在固定管架處，若橫向推力較大，道路或工藝不容許設(shè)置橫向支撐，則管架柱的截面比較大。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)管架

混凝土結(jié)構(gòu)管架整體造價比較低，建成后幾乎無維護費用。橫向框架整體現(xiàn)澆式，橫向剛度大，且混凝土材料本身耐腐蝕性能好。缺點是：施工、建設(shè)周期長，且改、擴建能力差。

2.3 第一種混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)混合式管架

即橫向采用混凝土結(jié)構(gòu)、縱向聯(lián)系構(gòu)件采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式。此種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點為：橫向剛度大、管架柱耐腐蝕性能好；且一定的鋼結(jié)構(gòu)施工便捷、建設(shè)周期短。當選用鋼桁架形式時，其用鋼量與全鋼結(jié)構(gòu)相當，從經(jīng)濟性角度不占優(yōu)勢。此種形式的管架在石化有些項目揚巴等合資項目中應(yīng)用比較廣泛。

2.4 第二種混合結(jié)構(gòu)形式

即橫向框架下部采用現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用鋼框架結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)形式下部為混凝土結(jié)構(gòu)，防火防腐維護費用低，且橫向剛度大；由于混凝土柱高度有限，不用高支模，且上部為鋼結(jié)構(gòu)，直接與縱向聯(lián)系構(gòu)件相連，柱側(cè)無埋件；縱向空腹桁架為工廠預(yù)制，施工安裝方便；另外縱向聯(lián)系構(gòu)件采用空腹桁架代替鋼縱梁，截面更加經(jīng)濟合理，進一步降低造價，整體造價介于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間，且外形輕巧簡潔、美觀大方。

3 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)經(jīng)濟指標對比

為比較不同結(jié)構(gòu)形式的造價差別，本文試圖通過兩種方法對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價差異進行比較：一是利用總體設(shè)計之前，估算的相關(guān)工程量，分別套用相關(guān)概算指標，計算不同的工程造價；二是通過將系統(tǒng)管廊中主要梁、柱混凝土等構(gòu)件，替代為相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)，計算兩者造價差別。

①利用總體設(shè)計階段評審資料中的相應(yīng)工程量，套用概算指標，對比相關(guān)費用（見表1）。

不同結(jié)構(gòu)形式管架工程量對比 表1

②在基礎(chǔ)設(shè)計階段，系統(tǒng)管架的榀數(shù)減少到382榀，按照已確定的“上部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，跨越道路的桁架采用鋼結(jié)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)形式，此階段估算相應(yīng)的工程量見表2。

表2

總體設(shè)計方案，擬建488榀管架對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)用量為1950t，基礎(chǔ)設(shè)計階段擬建382榀管架對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)用量為1464t，單榀架用鋼量大體相當。從以上數(shù)據(jù)可以看出，總體設(shè)計有關(guān)結(jié)構(gòu)工程量的估算較為準確，可以用來做相關(guān)費用對比的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表3

表4

③根據(jù)《安徽省建筑工程綜合估價表(2000)》及安慶市建價（2011）18號文，套用相關(guān)概算指標，針對表一相關(guān)工程量，計算兩方案造價差情況，見表3。

當上部全部采用鋼結(jié)構(gòu)管架時，結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)造價為18572.8萬元；采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，造價為10510萬元，兩種方案造價差8062.3萬元。

④根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖，抽取管架結(jié)構(gòu)的主要混凝土梁、柱構(gòu)件，替換為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過套用定額比較相關(guān)造價差別。

a.新區(qū)系統(tǒng)管廊設(shè)計分為三個圖幅區(qū)，主要的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括：

圖幅一：共1～79軸，其中1～38軸，縱向長350m、寬17m（3根立柱）、高度18m；39～79軸縱向長290m、橫向?qū)?m（2根立柱，其中有4軸為3根立柱寬13m）、高度18m（5層梁）。

圖幅二：共1～80軸，其中1～33軸，縱向長240m、寬17m（3根立柱）、高度18m；34～80軸，縱向長294m、寬9m（2根立柱）、高度18m（5層梁）。

圖幅三：共1～210軸，其中1～73軸，縱向長450m、寬9m（2根立柱）、高度18m（5層梁）；74～210軸，縱向長680m、寬9m（2根立柱）、平均高度10m（3層梁）。

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

b.將以上混凝土構(gòu)件替換為鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計選用的混凝土梁、柱截面特性，參照本項目常減壓裝置鋼結(jié)構(gòu)主管架構(gòu)件斷面，全場熱力管網(wǎng)水泥框架折合為鋼框架需用結(jié)構(gòu)材料：

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

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

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

共需鋼結(jié)構(gòu)5338.8t，經(jīng)套用定額計算安裝費為35177141.54元，材料費為38439360元（鋼材按7200元/t計算）。

因結(jié)構(gòu)形式的變化對地下基礎(chǔ)工程量的影響不大，根據(jù)系統(tǒng)管廊地下基礎(chǔ)相應(yīng)圖紙，測算基礎(chǔ)工程預(yù)算費用為13350021.82元。

上部鋼結(jié)構(gòu)總預(yù)算費用為13350021.82+35177141.54+38439360=86966523.36元。

c.目前，全廠熱力管網(wǎng)的實際報批結(jié)算額為36030000元（含主材費、含基礎(chǔ)部分），因此，當上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)工程投資需增加：86966523.36-36030000=50936523.36元。

⑤A、B兩種方法的比較結(jié)果之間仍有一定的差異，主要原因是A方法的基數(shù)依據(jù)是總體設(shè)計時估算的488榀管架，B方法考慮的是382榀管架。同時由于鋼結(jié)構(gòu)截面相對較小，橫向穩(wěn)定性較差，主要構(gòu)件采用鋼構(gòu)件后，需要增加一定橫向支撐，這計算過程中未能計入該部分工程量。綜合A、B兩種方案，類似于煉化一體化項目，當上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)管架的工程造價將增加約6000萬元。由于鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中需定期防腐，在長期使用過程中，鋼結(jié)構(gòu)的花費將進一步增加。

4 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)方案的建設(shè)周期對比

4.1 絕對周期的比較

①在同等設(shè)計條件下，鋼結(jié)構(gòu)型式圖紙(鋼柱、鋼梁、平臺)較鋼筋混凝土型式圖紙(模板、配筋、埋件、平臺)出圖速度快。尤其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要使用大量預(yù)埋件，涉及到預(yù)埋件的設(shè)計輸入條件（荷載、標高等）未最終確定前，結(jié)構(gòu)圖無法出圖。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，鋼結(jié)構(gòu)管架出圖時間可提前40d，考慮到系統(tǒng)管架的大型型鋼定貨周期較長（H型鋼定貨時間較屬于地材的鋼筋水泥訂貨周期增加20d），鋼結(jié)構(gòu)出圖時間較混凝土結(jié)構(gòu)可提前20d。

②無論上部采用鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)施工的周期基本相同。上部結(jié)構(gòu)施工階段，如考慮鋼結(jié)構(gòu)可充分預(yù)制，混凝土結(jié)構(gòu)每單層需增加：支模及鋼筋綁扎10d，上層結(jié)構(gòu)施工前、下層梁的養(yǎng)護14d，新區(qū)系統(tǒng)管架最高處為5層的管架，因此采用鋼結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)施工周期可縮短5×（10+14）=120d。

綜上，當周邊預(yù)制場地足夠，鋼結(jié)構(gòu)可充分預(yù)制時，系統(tǒng)管架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，施工周期較采用混凝土結(jié)構(gòu)可縮短140d。

4.2 實際的施工過程相關(guān)節(jié)點

在煉化一體化項目系統(tǒng)管廊施工過程中，混凝土管架的施工周期并未成為管廊施工的主矛盾線，主要是后續(xù)專業(yè)管道出圖時間較遲，給土建施工留足了時間。具體到圖時間見表4。

從到圖時間表中可以看出，主要的管架混凝土結(jié)構(gòu)到圖最早時間為2012年1月15日，最遲時間為2012年4月28日。管道單線圖到圖時間為2012年8月1日。在保證管道安裝工作到圖后，即可全面開展管道上架施工的前提下，可供結(jié)構(gòu)施工的周期最短為3個月，最長為6個半月，工期目標不難實現(xiàn)。

4.3 通過比較可以得到的結(jié)論

當預(yù)制可以充分進行時，鋼結(jié)構(gòu)管架施工的絕對周期短，對于結(jié)構(gòu)層數(shù)多的系統(tǒng)管架，鋼結(jié)構(gòu)管架的工期優(yōu)勢更明顯。以安慶煉化一體化五層高系統(tǒng)管架為例，鋼結(jié)構(gòu)管架施工周期可縮短4個月，當遇冬季施工時，鋼結(jié)構(gòu)的工期優(yōu)勢將進一步明顯。

在目前階段，邊設(shè)計邊施工的情況不能避免，由于客觀存在的設(shè)計周期的需要，系統(tǒng)管線工藝管道出圖較晚。從安慶煉化一體化項目經(jīng)驗來看，如果系統(tǒng)管道圖出圖節(jié)點不能提前，鋼結(jié)構(gòu)施工周期短的優(yōu)勢對項目總體進度沒有大的作用。

5 其他與方案選擇相關(guān)的問題

5.1 預(yù)埋件問題

煉化一體化項目系統(tǒng)管架采用的是混凝土結(jié)構(gòu)，施工過程中混凝土梁預(yù)埋件的問題，影響現(xiàn)場施工進度一個月以上。錯、漏的埋件數(shù)量清單分類見表5。

表5

由于系統(tǒng)管架的配筋率較高，在已完工的混凝土管架上重新植筋設(shè)置埋件，難度很大。在選擇了混凝土結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)管架結(jié)構(gòu)的形式后，應(yīng)充分預(yù)留埋件的位置，在梁的上、下端面通長范圍、柱內(nèi)側(cè)等間距布置預(yù)埋件，這樣即便專業(yè)對接時有遺漏，也可利用富余的臨近埋件進行適當?shù)母脑?，減少埋件返工對工程進度的影響。

5.2 腳手架費用的問題

煉化一體化項目系統(tǒng)管架施工過程中，施工單位腳手架搭設(shè)進度慢，對工程進度有一定的影響。經(jīng)調(diào)研，鋼管腳手架定額費用與實際費用差異較大，具體見表6。

表6

從表中可以看出，滿堂腳手架的人工、材料費用市場價格高出定額規(guī)定的10倍。當承包商承建的是裝置工程時，由于腳手架費用所占比率不高，價差的問題可通過其他專業(yè)工程予以平衡；如果僅承建了系統(tǒng)管架工程，腳手架費用占整個工程投入的比率大，價差的問題難以平衡，造成了施工單位積極性不高。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

①系統(tǒng)管架的結(jié)構(gòu)形式，通常有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及兩種結(jié)構(gòu)相組合的形式。混凝土結(jié)構(gòu)造價低，日后維護成本低，經(jīng)濟合理。鋼結(jié)構(gòu)易于工廠加工、安裝速度快、從節(jié)省工期、便于改造的角度有一定的優(yōu)勢。

對于特殊部位，如當管廊跨越道路或鐵路時，跨度比較大，一般需要采用鋼結(jié)構(gòu)桁架。當局部管架影響到大件吊裝和設(shè)備運輸時，為避免局部障礙對交通運輸全局造成影響，對于相應(yīng)部位，建設(shè)單位通常也會明確要求設(shè)計采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制的結(jié)構(gòu)形式，以利于在大件運輸和吊裝完成后，利用較短的施工周期完成結(jié)構(gòu)施工。對于必須在裝置檢修期間完成的改造項目，其系統(tǒng)管架也應(yīng)選用鋼結(jié)構(gòu)。

對于其他部位，應(yīng)根據(jù)工程特點，涉及到工期目標與經(jīng)濟指標的綜合比較、平衡，在項目前期合理地進行分析，選用適宜的結(jié)構(gòu)方案。

②從安石化煉化一體化項目建設(shè)經(jīng)驗看來，系統(tǒng)管架采用混凝土結(jié)構(gòu)，投資較采用鋼結(jié)構(gòu)形式將節(jié)省約6千萬元，并且減少了日后維護費用。

從工期角度，采用混凝土結(jié)構(gòu)，理論上工期較鋼結(jié)構(gòu)形式增加了4個半月，但由于配管圖出圖所需的客觀時間較長，在結(jié)構(gòu)圖主要圖紙出圖后約6個月才能出圖，所以混凝土結(jié)構(gòu)施工所用的時間對總體工程進度未造成實質(zhì)的影響。只有當設(shè)計進度中，結(jié)構(gòu)出圖與配管出圖間隔縮智短至2個月以內(nèi)時，選擇鋼結(jié)構(gòu)管架的工期優(yōu)勢才能得以體現(xiàn)。

③從安慶項目的經(jīng)驗看來，混凝土結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)管架的一種經(jīng)濟合理、美觀實用的結(jié)構(gòu)形式。

6.2 建議

①當選擇了混凝土結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)管架結(jié)構(gòu)的形式時，應(yīng)充分預(yù)留埋件的位置，在梁的上、下端面通長范圍、柱內(nèi)側(cè)等間距布置預(yù)埋件，減少埋件返工對工程進度的影響。

定額中腳手架的費用較低，對于系統(tǒng)管架這類腳手工程比率高的項目，有關(guān)腳手架的費用應(yīng)根據(jù)市場價格合理地進行調(diào)整，以調(diào)動施工單位的積極性。

如采用下部混凝土、上部鋼桁架形式的系統(tǒng)管架，結(jié)構(gòu)較美觀，上部鋼結(jié)構(gòu)施工周期短，但由于上部鋼結(jié)構(gòu)選用的是鋼桁架形式增加了上部用鋼量，總體用鋼量不低于全鋼結(jié)構(gòu)形式，從經(jīng)濟性角度并不比全鋼結(jié)構(gòu)管架占優(yōu)勢。

②我們可考慮管架下部柱采用混凝土結(jié)構(gòu)、上部采用鋼結(jié)構(gòu)框架的管架結(jié)構(gòu)形式，適當減少用鋼量，以利于進一步發(fā)揮組合式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

[1] GB50010—2011,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2] GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.