電廠主廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

常秀端

隨著我國現(xiàn)代電力行業(yè)的不斷快速發(fā)展,電廠主廠房的建筑類型及規(guī)模也在不斷變化,新型的主廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越廣泛。同時(shí)，主廠房的承重負(fù)載較大,跨度和層高都很大，而且根據(jù)工藝使用要求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠和經(jīng)濟(jì)性都提出了非常高的要求。主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量對于保證電廠系統(tǒng)的正常運(yùn)行也會起到至關(guān)重要的作用,需要將主廠房的整體建筑設(shè)計(jì)方案作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)工作之一來進(jìn)行優(yōu)化研究。

1.主廠房建筑結(jié)構(gòu)中存在的技術(shù)問題

對于電廠主廠房的內(nèi)部建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建筑的類型分區(qū)繁多,結(jié)構(gòu)也是復(fù)雜多樣[1],而且主部分廠房建筑中的施工設(shè)備比較重要,投資比較大,設(shè)計(jì)相對比較難,主部分廠房建筑施工過程中的設(shè)計(jì)技術(shù)也是直接影響主部分廠房施工質(zhì)量的重要因素。主廠房內(nèi)的配套設(shè)備布置及荷載都需要各專業(yè)提資，各專業(yè)設(shè)計(jì)相互交叉進(jìn)行。各種相關(guān)專業(yè)之間的相互融合也一直是整個項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。只有專業(yè)之間高效地互動結(jié)合，才能夠有效保證整個建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，只有充分了解相關(guān)設(shè)備的實(shí)際使用情況和技術(shù)要求,才能做好主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和目的

圖1 某發(fā)電廠廠房效果圖

工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要圍繞“循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)電、節(jié)約能源、提高效率、提高安全可靠性”的基本設(shè)計(jì)要求[2],以“經(jīng)濟(jì)適用、系統(tǒng)簡單、合理備用、安全可靠、高效環(huán)保、以人為本”為工程設(shè)計(jì)的最基本原則,并堅(jiān)持依靠工程技術(shù)的不斷進(jìn)步,積極穩(wěn)妥地深入推廣國內(nèi)外先進(jìn)工程技術(shù),因地制宜地大量采用新建筑材料、新建筑設(shè)備、新建筑工藝、新建筑布置、新建筑結(jié)構(gòu)等作為技術(shù)手段,以大大提高電廠的生產(chǎn)可靠性、可用率、勞動生產(chǎn)率,降低電廠造價(jià)、綜合煤耗、水耗、廠用電等費(fèi)率,節(jié)約能源,節(jié)約電廠占地。

3.主廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工藝需求

在電廠中主要設(shè)備包括三大發(fā)電設(shè)備:鍋爐、發(fā)電機(jī)和動力汽輪機(jī),這三大發(fā)電設(shè)備主要分別布置在三個主要的廠房中,它們具有不同的技術(shù)原理和性能特點(diǎn)。由于電廠的各個鍋爐大多數(shù)都是采用半露天式的建筑形式,鍋爐的頂部運(yùn)轉(zhuǎn)室底層以下部分的門需要定期做好完全封閉式的管理,運(yùn)轉(zhuǎn)室底層以上部分的門需要完全敞開。而且電廠需要根據(jù)不同氣候地區(qū)的寒冷氣候變化條件,對電廠鍋爐房的運(yùn)轉(zhuǎn)層部分加強(qiáng)安全防護(hù)進(jìn)行保障,以防在一些寒冷氣候地區(qū)對電廠鍋爐房的質(zhì)量運(yùn)行造成不良影響。另外電廠鍋爐與各個鍋爐之間還需要分別設(shè)置一部可以通往各個鍋爐頂部的電梯。同時(shí)也需要考慮工藝及各專業(yè)的需求，并結(jié)合項(xiàng)目場地基本抗震烈度及場地類別，綜合現(xiàn)場形式，找出主廠房最優(yōu)布置方案。

3.2 主廠房的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

常規(guī)來講，我國電廠主廠房的建筑結(jié)構(gòu)布置基本以最常見的框架結(jié)構(gòu)形式，但主廠房布局中的建筑布置由于建筑物的體積比較大,空間的綜合利用率相對比較小,而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還需要根據(jù)實(shí)際使用情況合理進(jìn)行空間分布,進(jìn)行更加科學(xué)合理的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置。

大型發(fā)電廠的廠房整體布置一般都會考慮選擇主體鋼結(jié)構(gòu)框架再加上其他支撐帶的結(jié)構(gòu)。在發(fā)生較大地震時(shí),這種廠房結(jié)構(gòu)能夠較好地協(xié)調(diào)主體鋼結(jié)構(gòu)框架和其他支撐結(jié)構(gòu)受力點(diǎn),具有良好的機(jī)械抗震傳動性能和較大的地震抗側(cè)性和剛度。如果廠房中各種抗震設(shè)備整體布置過于緊密集中，也可能會容易造成很多的地震問題,需要將各種抗震設(shè)備的整體布置空間做好合理分配,能夠同時(shí)起到完全保護(hù)抗震廠房的主要效果,也就是能夠很好滿足大型抗震廠房設(shè)計(jì)的基本要求。

整個廠房的橫截面上的結(jié)構(gòu),在整個廠房的整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時(shí),也可能會直接增加整個廠房整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部地震支撐,在廠房鋼結(jié)構(gòu)的地震支撐下,減少廠房支撐的力和面積,能夠有效增加整個廠房內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的支撐剛度,有效地保護(hù)整個廠房。廠房內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)支撐面積大小會因?yàn)槭艿胶芏嗫陀^因素的直接影響,廠房的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就需要充分考慮到整個廠房的結(jié)構(gòu)支撐力和面積,保證整個廠房結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定。例如在研究確定地下主發(fā)電廠房主體結(jié)構(gòu)及加熱鍋爐等主要用電設(shè)備的建筑標(biāo)高時(shí)[3],需要充分考慮地下排水設(shè)施以及電纜等主要設(shè)備的地理位置,要保證留有進(jìn)行調(diào)整的空間余地。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

在整個主廠房的設(shè)計(jì)中，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是至關(guān)重要的。只有做好了主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化才能提高電廠的實(shí)用性與安全性。通常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化方法可借助“體系空間優(yōu)化法”方法，根據(jù)每個房間的建筑使用性能和功能需求,對其建筑內(nèi)部空間進(jìn)行優(yōu)化。

由于不同的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系類型可以為其提供的建筑內(nèi)部空間的面積大小不同,在進(jìn)行建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一階段[4],應(yīng)該首先根據(jù)各專業(yè)提資的工藝流程和實(shí)際功能需求,選用合適的建筑結(jié)構(gòu)體系類型。

在非重大地震自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)進(jìn)行主廠房抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的裝修方案設(shè)計(jì)選型時(shí),應(yīng)該要優(yōu)先考慮選用地震抗風(fēng)變化性能比較好的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系,也就是說要選用地震風(fēng)壓大和體型變化系數(shù)較小的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系。

在對整個結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行內(nèi)部平面布置時(shí),應(yīng)考慮選取整個結(jié)構(gòu)內(nèi)部平面整體形狀和整個結(jié)構(gòu)整體剛度之間分布均勻?qū)ΨQ的一種結(jié)構(gòu)外力體系設(shè)計(jì)類型,這樣也就可以在很大一定程度上有效減小螺旋風(fēng)荷載外力作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)外力效應(yīng)及其引起的機(jī)體結(jié)構(gòu)外力變形和機(jī)體內(nèi)力的相互影響。

3.4 結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

在主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在充分注重建筑整體效果的同時(shí),也應(yīng)特別注重加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上的整體以及對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為有效減少底部混凝土截面,可選擇采用一些高強(qiáng)度的混凝土標(biāo)號,這樣既可以滿足其承受力度的要求,也可大大節(jié)約施工成本。

對于主廠房結(jié)構(gòu)件，主要承受壓彎變形，因此在選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)應(yīng)特別關(guān)注壓彎構(gòu)件的相關(guān)性能。影響構(gòu)件壓彎能力構(gòu)件的影響因素主要有:構(gòu)件截面寬度尺寸、混凝土構(gòu)件強(qiáng)度壓力等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等[5],其主要影響因素分別是橫向軸壓力對比和縱向配箍筋量的比值。建筑構(gòu)件的配筋剛度不斷增大必將直接使得建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部地震振動作用增大,這樣建筑之間分配出的內(nèi)力也許就相應(yīng)地會增大,此時(shí)必須適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋使用量，滿足與建筑構(gòu)造的活動約束力和使用條件。

4.結(jié)束語

由于國家對大型投資項(xiàng)目的工程造價(jià)成本及項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性提出越來越高的要求，發(fā)電廠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也面臨更精細(xì)化的要求。傳統(tǒng)的定額設(shè)計(jì)或者標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)需要不斷改變思路，更多設(shè)計(jì)優(yōu)化和創(chuàng)新的思路有待更深入地探討和研究。本著節(jié)約設(shè)備占地、節(jié)能、環(huán)保、減排、節(jié)水和有效提高發(fā)電機(jī)組總體經(jīng)濟(jì)效益的目的，五大主題已逐漸成為電廠的性能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過對發(fā)電設(shè)備性能特性和發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范的全面系統(tǒng)分析和深入研究,在保證設(shè)備安全穩(wěn)定正常運(yùn)行的技術(shù)基礎(chǔ)上,突破以往傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)管理思維,以設(shè)備總體經(jīng)濟(jì)效益最高為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn),追求設(shè)計(jì)投資和設(shè)備運(yùn)行期間經(jīng)濟(jì)效益最大的優(yōu)化。