500kV智能變電站常規(guī)式與裝配式建筑方案比較

唐 亮，楊 牧

(1.中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430061；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

500kV智能變電站常規(guī)式與裝配式建筑方案比較

唐 亮1，楊 牧2

(1.中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430061；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430010)

裝配式變電站作為變電站建設(shè)的一種新模式已開始迅速發(fā)展，本文基于湖北省內(nèi)首座500 kV智能變電站——臥龍500 kV變電站為例，通過對其常規(guī)式與裝配式建筑方案進行介紹、對比與分析，總結(jié)出裝配式建筑方案的一系列長處及短板，并探討了隨著工業(yè)化程度的提升及人力成本的增加這些短板終將被補齊。本文所涉及的裝配式建筑方案相關(guān)做法及經(jīng)驗，對國內(nèi)部分變電站工程的設(shè)計也有一定的借鑒作用。

裝配式；常規(guī)式；建筑方案；對比。

隨著全國各行業(yè)工業(yè)化水平的整體提升，電力行業(yè)內(nèi)部也愈發(fā)重視相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。近年來，為貫徹國家電網(wǎng)公司推進電網(wǎng)建設(shè)創(chuàng)新變化的需求，為推進基建標準工藝實現(xiàn)“兩型一化”(環(huán)境友好型、資源節(jié)約型、工業(yè)化)的新嘗試，多個省份已在實際項目中開啟了變電站裝配式建筑建設(shè)的探索之旅。臥龍500 kV變電站是湖北省內(nèi)首座500 kV裝配式智能變電站，我院有幸參與設(shè)計并有此機會根據(jù)所積累的資料做一定的分析與總結(jié)。

1 工程概況及設(shè)計歷程

1.1 工程概況

臥龍500 kV變電站坐落于湖北省襄陽市襄州區(qū)古驛鎮(zhèn)趙營村，南距襄陽市區(qū)約25 km，站址海拔97.5 m。本期規(guī)模1000 MVA主變壓器2組，500 kV出線4回，分別至南陽南2回、樊城2回，220 kV出線6回，每組主變低壓側(cè)安裝2組60 Mvar低壓并聯(lián)電容器和2組60 Mvar低壓并聯(lián)電抗器。

變電站的建筑物共包含主控通信樓、站用電室主變及220 kV繼電器和消防泡沫間小室、500 kV第一繼電器小室、500 kV第二繼電器小室等4棟建筑物，總建筑面積為1063.2 m2。其中主控通信樓與站用電室主變及220 kV繼電器和消防泡沫間小室均為包含有多個房間的組合式建筑，兩座繼電器小室均為單個房間獨立式建筑，因此特于每種類型中挑選一棟典型建筑進行分析，本文的研究對象遂選取主控通信樓與500 kV第一繼電器小室。

1.2 設(shè)計歷程

本工程首輪方案中建筑物依照慣例選用了已趨成熟的常規(guī)式做法。后期，湖北省電力公司經(jīng)多番考量及商榷，為配合全省范圍內(nèi)推廣裝配式變電站的戰(zhàn)略目標，遂決定將臥龍500 kV變電站按照全預(yù)制裝配式變電站進行設(shè)計，讓其成為拉開湖北省裝配式變電站標準化建設(shè)革命的序幕。因此機緣，我院得以就同一工程分別做了兩套詳細的方案，掌握大量的設(shè)計資料，亦為本文將兩種方案進行比較性的分析提供了前提條件。

2 建筑方案簡介

2.1 方案總體介紹

主控通信樓為整座智能變電站內(nèi)最為主要的生產(chǎn)建筑，其平面呈“一”字型布局，選址位于站內(nèi)輔助生產(chǎn)區(qū)內(nèi)，采用單層布置，平面軸線尺寸為24.7m×14.1 m(長×寬),建筑面積約為365 m2，層高為4.2 m。因臥龍變電站屬于智能變電站，無需大量人員于站內(nèi)值守運行，故主控通信樓內(nèi)功能房間的組成較為簡單，包含有通信及二次設(shè)備室、主控制室、蓄電池室、工具間、值班室、會議室、衛(wèi)生間等房間。

500 kV第一繼電器小室，平面呈“一”型布局，選址于500 kV配電裝置區(qū)域內(nèi)，單層布置，平面軸線尺寸為17.4 m×7.4 m(長×寬), 層高為4.2 m，建筑面積為135.1 m2。

2.2 常規(guī)式方案介紹

臥龍變電站常規(guī)式方案結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)、柱、梁、屋面板等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用C30混凝土，其余零星構(gòu)件選用C25混凝土。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間通過現(xiàn)澆形成剛性連接。

建筑其它做法如下：

(1)外墻及內(nèi)墻填充材料分別選用A7.5、A5.0加氣混凝土砌塊，裝飾材料分別為優(yōu)質(zhì)面磚及內(nèi)墻乳膠漆，墻體保溫層為30 mm厚硬質(zhì)巖棉板保溫層；

(2)屋面做法為50 mm厚鋼筋混凝土保護層+雙層1.5 mm厚三元乙丙卷材防水層+30 mm厚硬質(zhì)巖棉板作為保溫層+現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面板，通過材料找3%坡；

(3)頂棚則有暗架式鋁合金穿孔板吊頂、輕鋼龍骨紙面石膏板吊頂、鋁合金方形扣板吊頂、內(nèi)墻乳膠漆等多種做法；

(4)電磁屏蔽措施為墻體內(nèi)側(cè)襯Φ4 mm@50 mm×50 mm鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)屏蔽層，屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面板底襯Φ4 mm@50 mm×50 mm鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)屏蔽層，地面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)夾Φ4 mm @50 mm×50 mm鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)屏蔽層，所有屏蔽網(wǎng)之間相互焊接形成封閉六面屏蔽體，門采用復(fù)合鋼板屏蔽門。

2.3 裝配式方案介紹

臥龍變電站裝配式方案結(jié)構(gòu)形式采用單層鋼框架結(jié)構(gòu)，其框架梁柱及次梁均采用Q345－B號鋼材?？蚣芰号c框架柱之間的連接采用剛性連接，而次梁與主梁則采用鉸接的形式進行連接。建筑的其它做法如下：

(1)±0.000 m以下的墻體采用240 mm厚蒸壓灰砂磚，±0.000 m以上的外墻采用復(fù)合裝配式夾芯板。此種復(fù)合墻體靠室外一側(cè)為50 mm厚巖棉夾芯板(單層XRW板與單層AURORA板內(nèi)夾巖棉組合而成)，中間層為50 mm厚巖棉卷氈，靠室內(nèi)一側(cè)為特級耐火紙面石膏板。墻板為水平橫置式條形板，板寬模數(shù)為1 m，長度可按需進行任意裁切，其通過自攻螺釘與豎向墻體檁條進行連接?！?.000 m以上的內(nèi)墻采用100 m厚輕鋼龍骨特級耐火紙面石膏板。(雙面耐火紙面石膏板內(nèi)填100 mm厚防火巖棉組合而成)。

(2)屋面為倒置式防水隔熱屋面，從上至下次為50 mm厚鋼筋混凝土保護層、25 mm厚擠塑聚苯乙烯保溫隔熱板，1.5 mm厚自粘高聚物改性瀝青防水卷材+1.5 mm厚合成高分子防水涂膜、壓型鋼板底?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面板，通過鋼屋架結(jié)構(gòu)找3%坡。

(3)全站建筑物頂棚均采用暗架式鋁合金穿孔板吊頂，并保證與燈具與通風(fēng)口等協(xié)調(diào)布置。

(4)裝配式建筑物的屏蔽方案直接利用外墻已有的波紋金屬板作為電磁屏蔽層，地面墊層內(nèi)附加電磁屏蔽網(wǎng)并于端部處上翻，通過墻根處的Z型角鋼與墻面的波紋金屬板連接成整體。屋面同樣利用已有的壓型鋼板底模作為電磁屏蔽層，并在梁頂處通過L型包邊與墻面的波紋金屬板進行連接，以此將整座建筑連接成為一個閉合的六面屏蔽立方體。

3 兩種方案比較

因兩種方案建筑平面布局完全一致，此部分內(nèi)容不再贅述。下文將從功能性的滿足、造型處理、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟性、建設(shè)工期五個方面進行比較研究。

3.1 功能性的滿足

工業(yè)建筑設(shè)計的首要原則是滿足上游專業(yè)所提的工藝需求，主控樓及繼電器小室每個房間的面積均已有所規(guī)定，建筑專業(yè)按功能要求將上述房間進行排列組合以整理出合理的布局方式。下面將對兩種不同類型方案如何滿足功能性的需求加以比較。

3.1.1 空間劃分的靈活度

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的施工方式為現(xiàn)場全現(xiàn)澆模式，所以其在空間分隔時受到制約較小，開間和跨度在合理范圍內(nèi)均可以按需設(shè)置，結(jié)構(gòu)布局可輕松滿足主控通信樓及繼電器小室的房間布置需求。此外，作為飾面層涂料以及面磚的施工均不受結(jié)構(gòu)框架布局的影響，整個方案的空間劃分靈活度極高。

單層鋼框架結(jié)構(gòu)需在工廠按照設(shè)計尺寸進行預(yù)制，再運至現(xiàn)場進行安裝。由于尺寸在合理范圍內(nèi)的鋼構(gòu)件預(yù)制技術(shù)已很成熟，所以結(jié)構(gòu)本身對空間劃分的限制作用并不明顯。在進行外立面板材選擇時有橫板與豎版兩個待選項，板材寬度均以1 m為模數(shù)定制，如若采用豎板則板材尺寸無法配合門窗位置調(diào)整成壓型鋼板型材模數(shù)尺寸，因此只能選用橫板的模式。由此可見，裝配式方案如若要優(yōu)先滿足空間劃分的需求，建筑本身則需要在多樣性上做出相應(yīng)舍棄。

3.1.2 空間利用率

在建筑平面布局和軸網(wǎng)尺寸一致的前提下，筆者將兩種方案空間利用率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了比較，參見表1。

表1 面積利用率統(tǒng)計

從表1中可以看出，主控通信樓及繼電器小室在空間利用率上裝配式方案分別優(yōu)出3%及1%。裝配式方案采用的輕型鋼結(jié)構(gòu)不僅較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱截面更小、其圍護墻體也比一般磚墻更為輕薄，因此可以節(jié)省出更多的空間以供使用。

3.2 造型處理

3.2.1 外立面造型

裝配式方案外墻面采用復(fù)合夾芯板，顏色為淺灰色，板材間橫向拼接。窗戶設(shè)計為茶色玻璃豎條形落地窗，等距離間隔排列。建筑整體配色典雅大方，墻板與窗戶之間形成強烈的橫豎對比，條板與條窗間隔布置形成富有韻律的虛實對比，視覺效果突出。

常規(guī)式方案外墻面采用白色小尺寸面磚貼面，窗戶為單個方形小窗均勻分布，整體造型延續(xù)工業(yè)建筑一貫簡潔、克制的風(fēng)格，視覺效果較為平淡。

可以看出裝配式方案在采用新材料新工藝的契機上，對建筑立面造型的處理也做了一些新的嘗試，通過一些簡單而有效的對比手法創(chuàng)造出一種更具現(xiàn)代建筑氣息的立面風(fēng)格，對工業(yè)美學(xué)也做出了更好的闡釋。

3.2.2 室內(nèi)裝修效果

裝配式方案室內(nèi)墻面采用的為紙面石膏板，頂棚為鋁合金穿孔吊頂板。常規(guī)式方案室內(nèi)墻面采用的為內(nèi)墻乳膠漆，頂棚為鋁合金穿孔吊頂板。兩種方案在室內(nèi)裝修效果上基本一致。

3.3 節(jié)能環(huán)保

通常來說建筑物的節(jié)能環(huán)保主要體現(xiàn)在對建材資源的耗費程度、保溫隔熱效果、對環(huán)境的影響程度等方面。

3.3.1 主要建材的耗費量

裝配式方案所涉及的建筑材料主要有鋼柱、鋼梁、檁條、外墻板、內(nèi)墻板、屋地板等，各部分用量詳見表2。

表2 裝配式方案主要建材統(tǒng)計

常規(guī)式方案所涉及的建筑材料主要有鋼筋混凝土框架、鋼筋混凝土零星構(gòu)件、鋼筋、外墻板、內(nèi)墻板、屋地板等，各部分用量詳見表3。

表3 常規(guī)式方案主要建材統(tǒng)計

依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算得出裝配式方案中兩棟建筑總共耗費鋼材40.45 t，墻板按厚度100 mm折算之后總體積為81.64 m3，混凝土體積為999.44 m3。常規(guī)式方案中兩棟建筑總共耗費鋼筋42.29 t，砌體墻191.40 m3，混凝土約為1110.01 m3。通過圖1的對比可明顯看出，裝配式方案的主要材料耗費量均略低于或明顯低于常規(guī)式方案，由此可以說明裝配式方案在減少建筑材料等資源的消耗方面具有更大的優(yōu)勢。

圖1 主要建材耗費量對比圖

3.3.2 保溫隔熱效果

裝配式方案墻面起保溫作用的主要材料為50 mm厚巖棉板+50 mm厚巖棉卷氈，屋面保溫材料為25 mm厚擠塑聚苯乙烯保溫隔熱板。常規(guī)式方案墻面起保溫作用的主要材料為30 mm厚巖棉板+250 mm厚加氣混凝土砌塊，屋面保溫材料為30 mm厚巖棉板。窗戶均采用的斷橋鋁合金雙層玻璃窗。

從構(gòu)造做法上可以看出兩種方案的保溫隔熱性能差異主要體現(xiàn)在墻體上。巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/(m·K)，加氣混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.09 W/(m·K)，結(jié)合材料厚度計算得出常規(guī)式方案的墻體熱阻要明顯大于裝配式墻體，在保溫隔熱性能上常規(guī)式方案具有更大的優(yōu)勢。

3.3.3 對環(huán)境的影響程度

常規(guī)式建筑方案現(xiàn)場施工涉及到混凝土現(xiàn)場澆筑、墻體現(xiàn)場砌筑、面磚鑲貼等大量的濕作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅產(chǎn)生了廢水、固體廢物等垃圾，還會出現(xiàn)大量的粉塵污染空氣。而裝配式方案因構(gòu)件多數(shù)已在工廠組裝好，現(xiàn)場只需進行簡單的拼接及安裝，故而施工方便、濕作業(yè)的工作量少，對環(huán)境造成的負面影響較小。此外，裝配式方案所采用的鋼材等建筑材料可以實現(xiàn)全壽命周期的回收利用，也符合當(dāng)下環(huán)境友好的理念。

3.4 經(jīng)濟性

實際工程中，方案的經(jīng)濟性是需要納入重點考慮范疇的指標之一。建筑工程費、設(shè)備購置費及人工費是工程建設(shè)費用的主要組成部分，本文將就這三項費用進行對比與分析。

表4 建筑工程概算統(tǒng)計表 (單位:萬元)

通過表4中經(jīng)濟性的比較，可明顯看出裝配式方案比常規(guī)方案建筑工程費高出約24%左右，主要是由于裝配式方案所需的梁柱、墻板等都是需在工廠進行過預(yù)制及初步組裝的半成品，費用相對較高，其次建筑材料和使用的機械費用也相對高昂。設(shè)備購置費為給排水、通風(fēng)、照明等設(shè)備購置的費用，兩種方案對設(shè)備的需求一致所以該費用持平。人工費上常規(guī)式方案較裝配式方案高出約15%左右，裝配式方案因施工現(xiàn)場只需完成預(yù)制構(gòu)件的組裝及少量混凝土澆筑的工作，現(xiàn)場施工的作業(yè)量較常規(guī)式方案大為減少，與此同時現(xiàn)場的機械化施工手段也有助于縮短施工周期，以上因素聯(lián)合作用共同縮減了裝配式方案中人工費用的支出。

3.5 施工周期

臥龍變電站裝配式主控通信樓及繼電器小室的土建施工分別歷時46天和33天，而一般相同規(guī)模的常規(guī)式傳統(tǒng)施工方案耗時則分別約需70天和60天。實踐驗證，裝配式方案確實在壓縮施工周期方面具有更為明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

通過此次工程設(shè)計過程中所積累的經(jīng)驗及教訓(xùn)，現(xiàn)總結(jié)出裝配式建筑方案的設(shè)計要點，分列如下：

(1)優(yōu)先滿足工藝專業(yè)的相關(guān)需求；

(2)結(jié)合平面布置方案合理制定預(yù)制構(gòu)件的模數(shù)，確保提供最大的空間利用率；

(3)盡量規(guī)避造型設(shè)計時因模數(shù)化所帶來的限制，通過巧妙的處理手法創(chuàng)造出更為美觀現(xiàn)代的外立面造型；

(4)關(guān)注圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，進一步探索如何降低建筑能耗。

基于此次臥龍500 kV變電站工程對于裝配式方案的嘗試，并通過與常規(guī)式方案進行一系列比較，可以總結(jié)出裝配式方案的優(yōu)缺點。裝配式方案建筑用材較省，各構(gòu)件尺寸較小，在一定程度上節(jié)約了使用空間，其采用預(yù)制半成品現(xiàn)場組裝的施工模式不僅使得工程質(zhì)量更易于掌控，也節(jié)省了現(xiàn)場施工時間和人力資源的耗費，施工現(xiàn)場對環(huán)境的污染也有所減輕。但目前仍存在一些問題，例如造價相對偏高、空間劃分及造型靈活度有所欠缺等等。相信隨著工業(yè)化水平的進一步提升，預(yù)制構(gòu)件可以更為多樣化以靈活地滿足設(shè)計需求，與此同時，隨著人力成本的逐步抬高，耗費較少人力的裝配式方案造價偏高的弱勢將會越來越小，最終趨于平衡。

[1] 肖向東，等．預(yù)制裝配式變電站設(shè)計和建造技術(shù)研究[J]．建筑技術(shù)，2008，39(12)．

[2] 史繼寧．變電站土建設(shè)計要點及優(yōu)化策略研究[J]．科學(xué)之友，2011，(209)．

Comparison Conventional and Fabricated Architecture Scheme in 500 kV Intelligent Substation

TANG Liang1, YANG Mu2
(1.Central Southern China Electric Power Design Institute Limited Company, Wuhan 430072, China; 2.CHANGJIANG Institute of survey, planning, design and research, Wuhan 430010, China)

Fabricated substation has as seen a massive growth spurt as a new pattern. Taking the first 500 kV intelligent substation in Hubei province——Wolong 500 kV substation as an example, this article has offered introduction、comparison and analysis of Conventional and Fabricated Architecture Design. With summarizing advantages and disadvantages of fabricated design, it discussed that all those disadvantages would be resolved. The practices and experiences mentioned in this article can also be used for reference to design part of the domestic substations.

fabricated; conventional; architecture design; comparison.

TM63

B

1671-9913(2017)02-0051-05

2016-02-01

唐亮(1987- )，女，湖北恩施人，碩士，工程師，從事變電工程設(shè)計和研究。