裝配式變電站圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展與材料性能

尹洪濤，余 巍，周 俊

(1.中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430072；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

國家標準《裝配式建筑評價標準》已于2018年2月1日起實施，該標準精神與國家電網(wǎng)全面貫徹實施的“兩型一化”建設(shè)原則相一致。近年來電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計人員一直在工程實踐中探索環(huán)境友好型裝配式變電站的設(shè)計方式。裝配式變電站指的是其主要建筑物采用工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場安裝的方式施工，這種方式在很大程度上減少了現(xiàn)場制作混凝土所需水資源的消耗，同時降低了對工地周邊環(huán)境的影響，并且有效縮短了土建施工工期。目前裝配式變電站的設(shè)計水平已近成熟，其建筑主體結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)、防火墻、電纜溝等工廠預(yù)制件的材料選擇和加工工藝，以及現(xiàn)場安裝施工工藝也日趨完善[1]。其中裝配式圍護結(jié)構(gòu)是頗具特點的一個重要方面。該文將詳細論述裝配式變電站圍護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展特點，為后續(xù)裝配式變電站的設(shè)計和施工工作提供有力的理論支撐。

1 裝配式變電站圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展形式

變電站經(jīng)歷了戶外型變電站、戶內(nèi)型變電站、地下或半地下變電站、裝配式變電站等四種不同的結(jié)構(gòu)模式[2]。相應(yīng)地，變電站圍護結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了三種發(fā)展形式，即傳統(tǒng)砌筑圍護結(jié)構(gòu)、預(yù)制板式圍護結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)板裝配式圍護結(jié)構(gòu)。目前經(jīng)濟技術(shù)高速發(fā)展，因大規(guī)模的工程對變電站的施工工期和質(zhì)量要求越來越高，裝配式圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，其改變了以往傳統(tǒng)式圍護結(jié)構(gòu)的種種弊端，實現(xiàn)了多個構(gòu)件預(yù)制工廠化和現(xiàn)場安裝便捷化，逐漸成為被廣泛應(yīng)用的新型構(gòu)建方式。

1.1 傳統(tǒng)砌筑圍護結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)磚砌圍護結(jié)構(gòu)的墻體材料采用蒸壓灰砂磚或混凝土實心砌塊，圍護結(jié)構(gòu)的面層一般采用砂漿粉刷或干粘石飾面。傳統(tǒng)變電站圍護結(jié)構(gòu)的磚砌建筑方式施工程序復(fù)雜，墻體強度及穩(wěn)定性較低，易出現(xiàn)裂縫滲水，由于環(huán)境的影響粉刷時涂料易褪色且有色差，外觀無法達標，已不適用于大規(guī)模的變電站。

1.2 預(yù)制板式圍護結(jié)構(gòu)

預(yù)制板式圍護結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)鋼模澆鑄而成，墻體的強度和穩(wěn)定性相比于磚砌式圍護結(jié)構(gòu)較好，但鋼模成品自重大不易吊裝，且鋼模規(guī)格有偏差，組裝后板與板之間的縫隙需要二次加工裝飾才能達到預(yù)期效果，安裝好后墻體表面需要二次粉刷。

1.3 裝配式圍護結(jié)構(gòu)

裝配式圍護結(jié)構(gòu)通常由四部分組成：柱、墻板、柱帽以及壓頂。大部分裝配式圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)件預(yù)先在工廠進行制作。目前，變電站較通用的裝配式圍護結(jié)構(gòu)形式主要包括：預(yù)制混凝土柱+預(yù)制墻板實體圍護結(jié)構(gòu)、型鋼柱+預(yù)制墻板實體圍護結(jié)構(gòu)、鋼柱+鋼格柵通透式圍護結(jié)構(gòu)[3]。圍護結(jié)構(gòu)墻體板自重較輕，組裝便捷，墻體表面經(jīng)打磨處理無需二次加工裝飾，縮短了施工時間，減少了二次裝飾費用，經(jīng)濟效益顯著提升。

1.4 傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)與裝配式圍護結(jié)構(gòu)的對比分析

傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)是采用磚砌塊墻、墻體粉刷及涂料二次裝飾，其施工工序繁瑣，施工速度慢，耗時耗力，而且易開裂。傳統(tǒng)墻面由于受到施工、環(huán)境等多因素的影響，容易出現(xiàn)多處裂縫，裂縫情況較輕微者，會導(dǎo)致建筑本身出現(xiàn)滲漏、影響整體美觀，裂縫情況較為嚴重者，會直接影響建筑本身的強度、剛度、穩(wěn)定性以及耐久性。

裝配式圍護結(jié)構(gòu)以水泥基復(fù)合材料為主，自身重量相對較輕，生產(chǎn)過程中的耗能較少，施工過程中機械化水平較高，有效防止裂縫的產(chǎn)生。墻體板在工廠內(nèi)加工完成，再運至施工現(xiàn)場進行裝配，且安裝工序較為簡單，這樣一來就能避免墻面在建設(shè)過程中受到其他因素影響的情況，以此從根本上提升施工質(zhì)量。表1為2種結(jié)構(gòu)的對比分析。

表1 傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)與裝配式圍護結(jié)構(gòu)的對比分析

2 裝配式圍護結(jié)構(gòu)的材料性能分析

我國的裝配式圍護結(jié)構(gòu)通常由柱、墻板、柱帽以及壓頂四部分組成，大部分構(gòu)件通過預(yù)制廠制造而成?；A(chǔ)施工完成后，預(yù)制構(gòu)件按照立柱→插板→壓頂→柱帽現(xiàn)場安裝，裝配過程中由中小型吊裝設(shè)備施工完成。

2.1 墻柱材料

墻柱分為預(yù)制混凝土柱、HW型鋼柱和玻璃鋼H型柱三種類型。預(yù)制混凝土鋼柱的柱體柱斷面尺寸為300 mm×300 mm，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗腐蝕、外形美觀，可以二次粉刷飾面，但砼柱自重較大，運輸和吊裝較困難，現(xiàn)場制作和養(yǎng)護工藝復(fù)雜；HW型鋼柱斷面尺寸為125 mm×125 mm，由工廠預(yù)制加工，自重較輕，運輸?shù)跹b便捷，造價低于混凝土鋼柱，但其防腐蝕性能較差，且型鋼柱與墻體的外觀色澤通常不一致；玻璃鋼H型柱自重小、耐高溫、抗腐蝕性強、強度高，還具有良好的絕緣性能，但玻璃鋼在紫外線和風(fēng)沙雨雪的作用下容易老化，隨著時間的推移玻璃鋼型材的力學(xué)性能也會逐漸下降，甚至可能達不到圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的使用年限。

2.2 墻板材料

裝配式圍護結(jié)構(gòu)的墻板材料通常選用預(yù)制混凝土板、ALC板(蒸壓加汽混凝土板)、FC板(復(fù)合纖維水泥加壓板)以及水泥基擠塑空心板[4]，其中壓頂和柱帽的材料應(yīng)與墻、柱選材保持一致，一般采用輕質(zhì)材料或混凝土板。

2.2.1 預(yù)制混凝土板

預(yù)制混凝土板一般由C25和C30混凝土配筋澆筑及蒸汽養(yǎng)護而成，該類板的優(yōu)點是取材便捷，加工工藝簡單，造價低，但缺點是自重較大，需要中型吊裝設(shè)備，且外觀不太美觀，需要二次裝飾或修補。在裝配式圍護結(jié)構(gòu)中一般采用100～180 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的預(yù)制混凝土板。

2.2.2 ALC板

ALC板是一種多氣孔混凝土成型板材。這種板由水泥、石灰和粉煤灰(或硅砂)等原料通過高壓蒸汽養(yǎng)護制作而成，同時對混凝土板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)進行防銹處理。ALC板的優(yōu)點是自重輕，其密度是粘土磚的1/4，普通混凝土的1/5，耐火性高(120 mm厚的ALC板墻體耐火極限可達3 h以上)、抗震性能優(yōu)越、隔音效果好等；主要缺點是，ALC板的強度相較于預(yù)制混凝土板更低，碰撞易裂，因此在運輸和安裝時需要加強保護措施，且板材孔隙率大吸水性高，需要進行防水面涂料的二次裝飾工作。通常采用100～150 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的ALC板進行裝配式圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工。

2.2.3 FC板

FC板是一種新型環(huán)保建筑材料，它由木纖維和水泥等原料通過混合制漿、加壓成型、高溫養(yǎng)護制作而成。FC板的優(yōu)點是自重輕、強度高、防火防水性能優(yōu)越、抗震隔音效果好，且不含石棉等有害物質(zhì)；其主要缺點是單價較高，是ALC板的1.6倍，預(yù)制混凝土板的1.25倍。在裝配式圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工中，通常選用10～50 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的FC板。除此之外，F(xiàn)C板通常與防火板、鋼筋龍骨等組合形成復(fù)合墻體。

2.2.4 水泥基擠塑空心板

水泥基墻板屬于輕質(zhì)墻體板材，主要的原材料是水泥、工業(yè)廢渣、石膏。水泥基墻板優(yōu)點是由工廠模具生產(chǎn)，表面光潔度高，抗腐蝕性好，無需二次裝飾，安裝時采用層插式，不需要連接件，可大幅縮短工期節(jié)省人工，使用過程中無需維護，耐久性好。一般選用50～100 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的水泥基擠塑空心板。

3 裝配式圍護結(jié)構(gòu)的施工特點

裝配式圍護結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件能在預(yù)制廠制作以及現(xiàn)場安裝，例如輕質(zhì)板、立柱、基礎(chǔ)等。裝配式圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件運到現(xiàn)場后，均可采用機械化組裝施工，勞動力大量減少，降低了施工成本；裝配式圍護結(jié)構(gòu)的建構(gòu)材料多為輕型材料，自重相比于傳統(tǒng)磚砌材料減輕一半；每道工序精度高、進度快，縮短了施工工期；施工現(xiàn)場噪音小，廢水廢物排放少，有利于節(jié)能環(huán)保。

裝配式圍護結(jié)構(gòu)的墻體采用工廠預(yù)制的承插式預(yù)制柱和預(yù)制混凝土板，基礎(chǔ)的承插式預(yù)制柱則需要進行現(xiàn)場預(yù)制。預(yù)制柱基礎(chǔ)的施工工藝與普通基礎(chǔ)相同，承插式預(yù)制柱結(jié)構(gòu)與工字鋼結(jié)構(gòu)類似，由鋼模澆筑而成[5]?，F(xiàn)場采用干式施工安裝、現(xiàn)場組裝便捷，工期較短?；炷涟逵缮舷蛳虏迦腩A(yù)制柱，通過嵌縫等固定措施使兩者形成整體。承插式預(yù)制柱為凹槽形柱，由于每段圍護結(jié)構(gòu)的實際長度與設(shè)計間隔模數(shù)不完全相符，因此實際柱間距比設(shè)計柱間距小200～300 mm，立柱的安裝與墻板之間會預(yù)留4 mm寬的縫隙，有效防止由于不均勻沉降或溫差產(chǎn)生的裂縫，確保墻面的穩(wěn)定性和整體性。

4 工程實例

近年來，為貫徹國家電網(wǎng)公司推進基建標準工藝實現(xiàn)“兩型一化”的戰(zhàn)略需求，多個省份開啟了變電站裝配式建筑設(shè)計的探索之旅。

500 kV禎州裝配式變電站[6]混凝土柱裝配式圍護結(jié)構(gòu)方案為：ALC墻板嵌入承插式預(yù)制柱，柱間的距離為5.2 m，采用獨立擴展基礎(chǔ)。其中柱間插入4塊預(yù)制ALC板，底部墻板的下沿高于室內(nèi)設(shè)計標高100 mm，頂部墻板為裝飾板，各塊ALC板材寬度均為600 mm。ALC板圍護結(jié)構(gòu)兩面現(xiàn)場處理：ALC墻板間的縫隙采用ALC嵌縫劑進行處理，涂丙乳密封液一道，披防水膩子一道，刷外墻防水彈性涂料兩道。預(yù)制柱采用鋼筋混凝土柱，柱側(cè)預(yù)留槽口方便墻板插入安裝。同時選用細石混凝土對墻板與預(yù)制柱間的縫隙進行填縫處理。此外，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間設(shè)連梁。

廣東省首座500 kV裝配式變電站[7]圍護結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土柱預(yù)留凹槽嵌鑲ALC板，其中現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱設(shè)凹槽，橫裝150 mm厚ALC板，ALC板的兩端嵌鑲在鋼筋混凝土柱預(yù)設(shè)的槽內(nèi)，空隙用細石混凝土填實；圍護結(jié)構(gòu)頂部的裝飾板采用ALC花紋裝飾板，墻板表面涂丙乳密封液一道、披防水膩子一道、刷外墻防水彈性涂料兩道。

湖北臥龍500 kV變電站裝配式圍護結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式墻體結(jié)構(gòu)，±0.000 m以下的墻體材料采用240 mm厚蒸壓灰砂磚，±0.000 m以上的外墻材料采用復(fù)合裝配式夾芯板。復(fù)合墻體靠室外一側(cè)采用50 mm厚巖棉夾芯板，中層采用50 mm厚巖棉卷氈，靠室內(nèi)一側(cè)采用特級耐火紙面石膏板。墻板采用板寬模數(shù)為1 M的水平橫置式條形板，板長可根據(jù)實際要求進行裁切，板間通過螺釘以及墻體檁條連接成整體?！?.000 m以上的內(nèi)墻材料選擇輕鋼龍骨特級耐火紙面石膏板，板厚為100 m。

臥龍500 kV變電站在設(shè)計階段曾進行了常規(guī)式設(shè)計與裝配式設(shè)計的方案對比[8]。在空間利用率方面，裝配式圍護結(jié)構(gòu)墻體的材料比一般的磚墻更輕薄，可以節(jié)省出更多空間；在外立面造型方面，裝配式外墻面采用復(fù)合夾芯板，墻板間通過橫向拼接，一般為淺灰色，落地窗設(shè)計為茶色玻璃，建筑整體簡潔大方，而常規(guī)式方案采用白色磚，窗戶為單個方形小窗等距分布，視覺效果平淡，裝配式方案體現(xiàn)了極簡主義的工業(yè)美學(xué)風(fēng)格。

實踐表明，裝配式圍護結(jié)構(gòu)施工工藝能有效地縮短工期，節(jié)約資源和勞動力，質(zhì)量可控性強，降低工程成本，比常規(guī)方案有著顯著的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

作為變電站的重要組成部分，裝配式圍護結(jié)構(gòu)主要作用在于隔離和防護。相比傳統(tǒng)砌體圍護結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點包括：可工廠化生產(chǎn)，節(jié)能環(huán)保，現(xiàn)場組裝無濕作業(yè)，施工工期短。因此裝配式圍護結(jié)構(gòu)具有較好的經(jīng)濟效益與社會效益。該文通過分析裝配式圍護結(jié)構(gòu)墻體材料優(yōu)缺點和施工特點，希望對變電站裝配式圍護結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用提供有效的借鑒。

[1] 張飛強.裝配式變電站探索與安裝技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué),2011.

[2] 徐 峰.裝配式變電站的發(fā)展及土建設(shè)計[J].科技傳播,2010(9):86-87.

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[4] 周 健.工業(yè)化裝配式圍護結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)研究及在變電站工程中的應(yīng)用[J].建材裝飾，2015(48):238-239.

[5] 沈青松.變電站裝配式圍護結(jié)構(gòu)與防火墻的設(shè)計及工程應(yīng)用[J].浙江電力，2014,33(03):28-30，68.

[6] 方曉肆.變電站裝配式圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的研究[J].湖北電力.2009,33(6):19-20.

[7] 張麗麗.500 kV智能變電站一次設(shè)計及工程應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學(xué),2016.

[8] 唐 亮.500 kV智能變電站常規(guī)式與裝配式建筑方案比較[J].電力勘測設(shè)計,2017(2):51-55.