預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在變電站工業(yè)化項(xiàng)目中的應(yīng)用

李政道 譚 波 陳 哲 熊美琴

1. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣東 深圳 518060；2. 深圳新能電力開發(fā)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 深圳 518052

預(yù)制裝配式變電站是采用先進(jìn)、可靠、環(huán)保的智能模塊化單元組裝而成的集約型封閉式變電站。它以信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息收集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能。與常規(guī)變電站相比，預(yù)制裝配式變電站是占地少、工期短、成本低、無噪聲、無輻射、免維護(hù)的環(huán)保型智能變電站。我國的變電站工程建設(shè)大都采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場作業(yè)方法，導(dǎo)致建筑隊(duì)伍難以管理，工程質(zhì)量難以保證，且工期長[1]。為降低變電站工程建設(shè)的不利影響，2014年初，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司（下稱“南方電網(wǎng)公司”）基建部要求各省級(jí)電網(wǎng)公司及廣州、深圳供電局開展標(biāo)準(zhǔn)化工程試點(diǎn)建設(shè)，對項(xiàng)目設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)、施工安裝、運(yùn)維全過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)和管理，以期形成完整的系統(tǒng)理論體系，最大程度實(shí)現(xiàn)可復(fù)制、可推廣的新型精益化建設(shè)管理模式，從而提高變電站建設(shè)的質(zhì)量和效益。

1 預(yù)制裝配式變電站特點(diǎn)

1.1 整站設(shè)計(jì)、工法先進(jìn)

預(yù)制裝配式變電站是遵循一定的原則，將站內(nèi)所有電氣設(shè)備安裝在一個(gè)性能優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)隔熱、防火、防潮，同時(shí)具有五面通風(fēng)、全封閉、可拆裝、增減間隔方便等優(yōu)點(diǎn)。

裝配式變電站內(nèi)一、二次設(shè)備分別采用國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先設(shè)備和常規(guī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其中二次設(shè)備也可采用進(jìn)口PLC自動(dòng)化系統(tǒng)。二次線采用先進(jìn)的全站線束，整體布置，模塊化插拔各個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)工法先進(jìn)的建設(shè)方式。

1.2 預(yù)制裝配、工期優(yōu)化

裝配式變電站設(shè)計(jì)基于以往裝配式建筑的建造經(jīng)驗(yàn)，對變電站預(yù)制構(gòu)件采用定型模具進(jìn)行大規(guī)模工廠生產(chǎn)，并在加工完成后運(yùn)至施工現(xiàn)場裝配，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工一體化，消除了由于設(shè)計(jì)和施工分離及不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的工期影響[2]，有利于構(gòu)件和施工現(xiàn)場管理，從而有效提高變電站的建設(shè)效率。

1.3 智能制造、組織協(xié)調(diào)

裝配式變電站采用全站智能化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)“四遙”的獨(dú)立運(yùn)行及系統(tǒng)監(jiān)測反饋與控制。變電站采用國際先進(jìn)技術(shù)，為設(shè)備提供戶內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，避免了不利環(huán)境條件的侵害。變電站也可采用PLC面保護(hù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息交換、邏輯計(jì)算及控制執(zhí)行。

常規(guī)變電站工程的大部分施工作業(yè)都在建設(shè)現(xiàn)場，致使現(xiàn)場人員繁多，器械繁雜，給管理人員對現(xiàn)場的管理和組織協(xié)調(diào)帶來極大的考驗(yàn)，進(jìn)而影響施工的質(zhì)量及進(jìn)度。而裝配式變電站工程的大部分構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝，減少了現(xiàn)場作業(yè)量和建設(shè)人員，有效實(shí)現(xiàn)了組織、協(xié)調(diào)與管理的輕量化。

1.4 環(huán)境友好、節(jié)能環(huán)保

裝配式變電站的外殼采用熱鍍鋅鋼板和電力鐵塔制造技術(shù)[3]，外形設(shè)計(jì)美觀。裝配式變電站采用的鋼結(jié)構(gòu)主體可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，其中建筑材料大都是鋼構(gòu)件，而螺栓連接的鋼構(gòu)件具有易拆除的特點(diǎn)，故建筑拆除后的鋼材大部分可回收再利用。

在變電站建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)均有應(yīng)用。裝配式變電站的鋼構(gòu)件采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝的方式，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)和現(xiàn)澆工作量，從而減少粉塵、噪聲等污染，有效避免建設(shè)過程中的環(huán)境污染和資源消耗等[4]。

2 110 kV龍華中心變電站工程實(shí)例

2.1 工程概況

110 kV龍華中心變電站為南方電網(wǎng)公司2015年混凝土組件預(yù)制的工廠化輸變電工程試點(diǎn)項(xiàng)目之一，也是深圳電網(wǎng)進(jìn)行全預(yù)制裝配式應(yīng)用的重點(diǎn)項(xiàng)目，位于深圳市龍華新區(qū)龍華街道，建成投產(chǎn)后將主要分擔(dān)110 kV龍華站、油松站及松北站負(fù)荷，為龍華街道中部供電。

變電站主體建筑結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土現(xiàn)場裝配，總平面全戶內(nèi)布置，主體4層全地上布置，占地面積670.89 m2、總建筑面積2 597.74 m2。變電站采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，地面以下采用現(xiàn)澆方式，地面以上采用預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合的施工方式（圖1、圖2）。其中，框架柱為預(yù)制，而梁柱節(jié)點(diǎn)為現(xiàn)澆，梁、板分別采用疊合梁和疊合板，外墻采用預(yù)制鋼筋混凝土外墻板，主體樓梯為預(yù)制裝配式樓梯，項(xiàng)目預(yù)制率高達(dá)61.25%。

圖1 地上預(yù)制部分

圖2 地下現(xiàn)澆部分

2.2 建（構(gòu)）筑物概況

批復(fù)用地紅線面積僅1 519 m2，且地塊異形，所以采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊構(gòu)件建設(shè)。站區(qū)內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式方案生產(chǎn)建（構(gòu)）筑物的成果為：采用小型化設(shè)計(jì)，無典型設(shè)計(jì)（以下簡稱“典設(shè)”）套用，總方案建設(shè)規(guī)模與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)總方案CSG-110B-G2a接近。布置形式和面積與典設(shè)（G1-1GIS2）有差異。共4層，單跨結(jié)構(gòu)，地上1層為主變壓器室、GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）室；地上2層為電纜層；地上3層為高壓室、主控通信室；地上4層為電容器室、接地變壓器室、蓄電池室（圖3）。

圖3 龍華中心變電站各層平面效果

2.3 構(gòu)件生產(chǎn)

2.3.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)方案的確定需綜合考慮預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)至安裝過程的各類因素，合理拆分構(gòu)件，優(yōu)化構(gòu)件的形狀尺寸。預(yù)制構(gòu)件的尺寸遵循少規(guī)格、多組合的原則，以提高構(gòu)件模具的重復(fù)使用率。

為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)配送、標(biāo)準(zhǔn)安裝，可進(jìn)行統(tǒng)一柱距、統(tǒng)一層高設(shè)計(jì)，優(yōu)化構(gòu)件模塊的形狀尺寸，將主體建筑所有梁、板、柱、梯模塊化。統(tǒng)一柱距：縱向軸線尺寸由原設(shè)計(jì)6.0、5.5、3.0 m改為6.0、3.0 m，使預(yù)制外墻板寬度統(tǒng)一為3.0 m，總軸線尺寸不變。統(tǒng)一層高：層高由原設(shè)計(jì)1.5、5.0、4.5、5.5 m改為3.5、5.4 m，使預(yù)制外墻板高度統(tǒng)一為2種規(guī)格，總層高不變。調(diào)整板厚：將板厚從120 mm改為250 mm，以便減去次梁，減少預(yù)制梁的數(shù)量及類型。

相比傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計(jì)方法，BIM的應(yīng)用可使工程量與模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，根據(jù)項(xiàng)目情況在模型中設(shè)置參數(shù)進(jìn)行構(gòu)件拆分，同時(shí)利用項(xiàng)目BIM標(biāo)準(zhǔn)體系中對預(yù)制構(gòu)件的編碼，可更快地統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件及預(yù)制率（圖4、圖5）。通過對預(yù)制構(gòu)件的統(tǒng)計(jì)，可分別匯總出柱、梁、板、樓梯等構(gòu)件的預(yù)制體積及總體積，從而計(jì)算出預(yù)制率。其中，柱、梁、板、樓梯的預(yù)制率分別可達(dá)67.23%、40.06%、36.42%、54.57%，而總預(yù)制率為61.25%。

2.3.2 構(gòu)件拆分生產(chǎn)

圖4 預(yù)制構(gòu)件整體效果

圖5 預(yù)制構(gòu)件拆分

為便于工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配，裝配式建筑需要對建筑地面以上部分進(jìn)行模數(shù)化拆分。通過合理拆分，減少模具，可以凸顯降低造價(jià)、利于運(yùn)輸、方便吊裝、適應(yīng)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。另外，構(gòu)件的生產(chǎn)與加工不受施工現(xiàn)場進(jìn)度的影響，可與變電站“三通一平”工程同步進(jìn)行，大大縮短了工期。

預(yù)制構(gòu)件采用工廠化生產(chǎn)，不受季節(jié)和天氣等外部影響，效率高；高精度模具的應(yīng)用，使構(gòu)件質(zhì)量得到提高，且具有較好的均一性。同時(shí)，龍華變電站的設(shè)備、材料按施工進(jìn)度要求定時(shí)、定點(diǎn)配送，有效解決了以往設(shè)備、材料占用非建設(shè)場地的問題。

2.4 裝配施工

為保證施工質(zhì)量，預(yù)制構(gòu)件安裝前需要進(jìn)行定位，同時(shí)，還需要在施工過程中對鋼梁的位移和標(biāo)高等參數(shù)進(jìn)行跟蹤測量[5]，并對安裝的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行全程控制，確保所有的構(gòu)件安裝符合要求。同時(shí)，現(xiàn)場采用專業(yè)化機(jī)械施工，降低了對人工數(shù)量和技能的需求，能緩解施工場地不足的影響。

2.4.1 預(yù)制柱柱節(jié)點(diǎn)連接

預(yù)制柱柱節(jié)點(diǎn)采用灌漿套筒連接，滿足一級(jí)接頭要求，接頭抗拉強(qiáng)度較現(xiàn)澆增加15%，灌漿料抗壓強(qiáng)度大于85 MPa（安裝前進(jìn)行試塊檢測）。橫向節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆模式一致，抗震性能等同現(xiàn)澆。采用灌漿套筒連接可保證連接質(zhì)量，解決同截面主筋搭接問題，并符合模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)假設(shè)條件（圖6）。

2.4.2 預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)連接

梁柱端部裸露的鋼筋交叉水平放置后，利用模板，將此部分整體現(xiàn)澆。吊裝作業(yè)時(shí)按構(gòu)件安裝時(shí)的姿態(tài)進(jìn)行吊點(diǎn)設(shè)置，梁為水平雙掛點(diǎn)，柱為豎向上部雙側(cè)掛點(diǎn)。梁柱接頭采用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土現(xiàn)澆，受力傳遞明確，整體性強(qiáng)，有利于建筑抗震（圖7）。

圖6 灌漿套筒連接技術(shù)

圖7 梁柱節(jié)點(diǎn)連接模型

2.4.3 外墻防水處理

外墻板可采用實(shí)體墻，也可采用夾心墻體。墻板間連接分為上下拼接、左右拼接2種。墻體采用3道防水措施：最外層采用MS耐候膠密封（使用壽命達(dá)20 a），彈性好，可防止開裂和滲漏；第2層采用聚乙烯棒填充；內(nèi)層采用構(gòu)造防水及導(dǎo)流措施，行業(yè)應(yīng)用效果明顯。

3 技術(shù)創(chuàng)新與效益分析

3.1 技術(shù)創(chuàng)新

3.1.1 預(yù)制疊合板安裝技術(shù)創(chuàng)新

單層的預(yù)制梁柱安裝完成后，在吊裝樓板前，做好下方支撐體系，支撐方式在設(shè)計(jì)過程中計(jì)算考慮，采用滿堂架或?qū)Ｓ弥喂ぞ摺ｎA(yù)制板的吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)為6處，在構(gòu)件出廠前標(biāo)出掛點(diǎn)，單層吊裝完成后，同時(shí)處理好上部疊合部分的埋件后進(jìn)行整體現(xiàn)澆。利用預(yù)制板作為底模，減少模板工程量。將疊合板應(yīng)用于樓蓋系統(tǒng)，可采用減重體填充降低質(zhì)量，其中次梁的取消降低了施工難度。

3.1.2 基于BIM的信息化管理技術(shù)

近年來，BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目，用來推動(dòng)建筑業(yè)信息化改革[6]。通過BIM一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、預(yù)制工廠生產(chǎn)技術(shù)和施工現(xiàn)場裝配技術(shù)的整合利用，使各階段信息無損共享，從而實(shí)現(xiàn)變電站的“設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配一體化”。BIM技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)基于同一BIM模型，實(shí)現(xiàn)信息統(tǒng)一和共享，確保了各參與方的溝通質(zhì)量和效率[7]。各方對工程進(jìn)行協(xié)同管理，使工程在設(shè)計(jì)、構(gòu)件、質(zhì)量、安全等方面的管理更加信息化，提高了項(xiàng)目管理的效率[8]。

另外，利用三維BIM輔助設(shè)計(jì)，可進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件和機(jī)電管線碰撞檢查。在設(shè)計(jì)過程中，共檢查出多處問題：夾層鋼筋碰撞43處、二層鋼筋碰撞21處、預(yù)制構(gòu)件自身缺漏2處、預(yù)埋件位置不合理2處、預(yù)埋管道位置錯(cuò)誤3處、建筑與結(jié)構(gòu)不合理3處。裝配式變電站的BIM信息化管理是以BIM模型為項(xiàng)目的信息源，結(jié)合資源裝配計(jì)劃，以云技術(shù)、RFID（射頻識(shí)別）等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)終端技術(shù)為信息采集和應(yīng)用手段，服務(wù)于預(yù)制裝配式建造的一體化全過程管理，實(shí)現(xiàn)了基于BIM的信息化管理技術(shù)創(chuàng)新。

3.2 效益分析

3.2.1 建設(shè)成本

在“四節(jié)一環(huán)?！狈矫?，具體在人工、模板、用水、用電、垃圾處理、裝修等方面，龍華中心裝配式變電站的優(yōu)勢凸顯，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。其中，安裝方面的直接成本減少66萬元，算上節(jié)能減排及后期修理維護(hù)的費(fèi)用，產(chǎn)生的間接效益為291萬元。

在造價(jià)方面，主要對典設(shè)和龍華中心變電站地上建筑部分進(jìn)行對比。龍華中心變電站為單個(gè)站的建設(shè)，預(yù)制量小、種類多，導(dǎo)致模具無法攤銷，構(gòu)件制作成本高。其中，總建筑費(fèi)用造價(jià)為3 439 元/m2，較典設(shè)增幅31.07%，但若在批量生產(chǎn)的情況下，單位造價(jià)只高出2%～14%。因此，擴(kuò)大預(yù)制規(guī)模、優(yōu)化構(gòu)件種類，可降低構(gòu)件制作成本。隨著裝配式建筑的不斷推廣，經(jīng)驗(yàn)和資源越來越豐富，裝配式結(jié)構(gòu)的造價(jià)將會(huì)不斷下降。

3.2.2 節(jié)能環(huán)保

龍華中心裝配式變電站的主變壓器采用將散熱器與本體分散布置于2個(gè)房間的方式（圖8）。其中，散熱器室采用電動(dòng)百葉窗，確保散熱效果；主變壓器室采用隔聲墻，最大化降低噪聲。而南方電網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)的主變壓器一般設(shè)有9 kW風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)每年電費(fèi)約2.8萬元；按6臺(tái)風(fēng)機(jī)計(jì)算，裝配式變電站全年可節(jié)省電費(fèi)約17萬元；按25 a生命周期計(jì)算，共可節(jié)省電費(fèi)約420萬元。

圖8 龍華中心裝配式變電站主變壓器分布示意

4 推廣建議

預(yù)制裝配式在設(shè)計(jì)、施工、管理方面都與傳統(tǒng)現(xiàn)澆不同[9]，裝配式的優(yōu)點(diǎn)主要有：質(zhì)量易控，濕作業(yè)減少，節(jié)能環(huán)保，工期縮短。缺點(diǎn)主要有：設(shè)計(jì)工作量增大，有經(jīng)驗(yàn)的參建單位不夠，預(yù)制產(chǎn)業(yè)配套不完善，招投標(biāo)預(yù)期效果減弱[10]。而工期縮短作為裝配式建設(shè)一大優(yōu)勢，受施工方案及熟練程度影響，表現(xiàn)可能不明顯?？偨Y(jié)建筑行業(yè)和本項(xiàng)目建設(shè)情況，本項(xiàng)目工期方面優(yōu)勢明顯，較常規(guī)工期縮短約35%。同時(shí)，大部分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊均適用于適度優(yōu)化后的V2.0典型設(shè)計(jì)，構(gòu)件圖的設(shè)計(jì)已充分考慮了現(xiàn)場安裝工藝及實(shí)施難度，所有輔助施工的預(yù)埋件及節(jié)點(diǎn)均在設(shè)計(jì)圖中體現(xiàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)G4層的實(shí)施條件，同時(shí)豐富了G4層內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)件。因此，在預(yù)制裝配式變電站的市場推廣方面，建議如下：

1）培育產(chǎn)業(yè)。通過試點(diǎn)培育構(gòu)件制造產(chǎn)業(yè)，豐富完善預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2）優(yōu)化典型設(shè)計(jì)。對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)按預(yù)制拆分的原則進(jìn)行適度優(yōu)化與調(diào)整，拆分后的構(gòu)件形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)圖按G4層深度設(shè)計(jì)，豐富標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)G4層內(nèi)容。

3）標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的工藝設(shè)計(jì)，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流程作業(yè)指導(dǎo)書。

4）驗(yàn)收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過嚴(yán)格執(zhí)行JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、JG/T 398—2012《鋼筋連接用灌漿套筒》、JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》等驗(yàn)收規(guī)范，積累經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)充完善相應(yīng)的驗(yàn)收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

通過現(xiàn)階段的實(shí)施體會(huì)，為推廣應(yīng)用預(yù)制裝配式，需要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面找到一個(gè)平衡，去規(guī)劃預(yù)制總量規(guī)模，培育配套產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定作業(yè)及驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的總體框架下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊化、構(gòu)件生產(chǎn)工廠化、施工安裝機(jī)械化、項(xiàng)目管理精細(xì)化的目標(biāo)。隨著后續(xù)項(xiàng)目建設(shè)人工成本的增加，預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)業(yè)配套日趨完善，預(yù)制工程批量建設(shè)，其社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)非常明顯。

5 結(jié)語

110 kV龍華中心預(yù)制裝配式變電站是混凝土組件預(yù)制的工廠化輸變電工程試點(diǎn)的重要建設(shè)項(xiàng)目。雖然預(yù)制裝配式變電站存在設(shè)計(jì)周期長、有經(jīng)驗(yàn)的單位少、招標(biāo)可選擇范圍小、項(xiàng)目需分開發(fā)包、土建造價(jià)增加等缺點(diǎn)，但同時(shí)也具有便于構(gòu)件管理、構(gòu)件質(zhì)量有保證、緩解場地不足難題、綠色環(huán)保、利于安全文明施工管理等優(yōu)點(diǎn)。另外，預(yù)制裝配式變電站能縮短近一半工期，使項(xiàng)目可提前投入使用，能創(chuàng)造潛在的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。構(gòu)件模具還可用于其他項(xiàng)目構(gòu)件生產(chǎn)，提高后續(xù)變配電站建設(shè)質(zhì)量、縮短工期，并積累設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工管理經(jīng)驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)制裝配式變電站的技術(shù)、產(chǎn)品及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)定會(huì)很快成熟起來，也將會(huì)成為變電站建設(shè)的重要方案之一。