裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中的應(yīng)用及發(fā)展分析

周承宗Zhou Chengzong

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京 211102）

0 引言

土建工程領(lǐng)域在傳統(tǒng)的粗放型發(fā)展模式下，存在建設(shè)周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)污染大、質(zhì)量控制難等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，近年來(lái)，國(guó)家積極倡導(dǎo)土建工程建設(shè)向綠色節(jié)能方向轉(zhuǎn)型，大力支持裝配式建筑的研究與應(yīng)用。

裝配式建筑是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制品部件集成的建筑。裝配式建筑的各構(gòu)件、部件在工廠中預(yù)制批量生產(chǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配安裝，大大縮短了施工工期，減少了環(huán)境污染，有利于實(shí)現(xiàn)建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益[1]。

電力工程（如發(fā)電廠、變電站、換流站等）作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，工程投資高、工作量大、工序復(fù)雜、參建隊(duì)伍多，需綜合考量建筑施工對(duì)環(huán)境的影響。隨著工程建設(shè)節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，現(xiàn)澆混凝土建筑在電力工程領(lǐng)域的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯，主要體現(xiàn)在主廠房及電纜溝等的土建施工處于整個(gè)工程建設(shè)的關(guān)鍵路徑上，而現(xiàn)澆混凝土建筑施工工期長(zhǎng)、受外部環(huán)境條件影響大，現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力需求大，模板用材和用水量大，施工廢料、廢水多，不符合節(jié)能和環(huán)保理念[2]。裝配式結(jié)構(gòu)卻能夠憑借自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)克服現(xiàn)澆混凝土建筑的這些不足，因此裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中具有良好的發(fā)展前景。

本文通過(guò)研究調(diào)查與行業(yè)綜述，對(duì)國(guó)內(nèi)裝配式建筑的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，分析了裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程附屬構(gòu)筑物及主體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中的發(fā)展前景進(jìn)行了探討，相關(guān)研究結(jié)論可為裝配式結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用提供參考，以促進(jìn)電力工程建設(shè)的綠色低碳化發(fā)展。

1 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

我國(guó)裝配式建筑的發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段。第一階段是20世紀(jì)50～80年代的創(chuàng)建期和起步期，主要是參照蘇聯(lián)的建造模式，具有代表性的有裝配式多層框架結(jié)構(gòu)、大板建筑等，同時(shí)當(dāng)時(shí)的發(fā)電廠等工業(yè)廠房大都采用預(yù)制混凝土框、排架結(jié)構(gòu)。第二階段是20世紀(jì)80年代至2000年的探索期，期間隨著商品混凝土的出現(xiàn)，新建建筑逐漸采用現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)。而在電力工業(yè)領(lǐng)域，隨著單機(jī)容量的增加，廠房高度、跨度越來(lái)越大，預(yù)制構(gòu)件的單件重量越來(lái)越重，裝配式建筑在設(shè)計(jì)能力、構(gòu)件制備的質(zhì)量控制和裝配施工技術(shù)等方面的缺點(diǎn)愈加突出，因此其發(fā)展突然陷入停滯，相關(guān)研究也越來(lái)越少。第三階段是2000年至今的快速發(fā)展期，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，基建規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)家和地方政府接連出臺(tái)多項(xiàng)政策大力支持裝配式建筑發(fā)展，“發(fā)展智能建造，推廣綠色建材、裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)住宅，建設(shè)低碳城市”被寫入國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要，我國(guó)建筑工業(yè)化進(jìn)入新一輪的高速發(fā)展期[3-5]。

國(guó)家電網(wǎng)公司自2007年以來(lái)就開始大力提倡建設(shè)“兩型一化”變電站、換流站，重要體現(xiàn)之一就是裝配式變電站，同時(shí)還推動(dòng)開展了變電站裝配式建筑物、變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)技術(shù)研究。進(jìn)入“十四五”以來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，各發(fā)電企業(yè)也積極探索節(jié)能、高效、環(huán)保的建筑結(jié)構(gòu)方案，可以預(yù)見(jiàn)，發(fā)電企業(yè)針對(duì)裝配式建筑的各項(xiàng)推廣應(yīng)用措施將陸續(xù)出臺(tái)。

目前，電力工程中裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：一是電纜溝、圍墻、防火墻等附屬構(gòu)筑物具有明顯模數(shù)特征，采用工廠預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，不用磚砌體或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。二是裝配整體式結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為主體結(jié)構(gòu)，采用輕質(zhì)墻板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，取消磚砌或粉刷，但裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)。

2 電力工程附屬構(gòu)筑物中裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.1 裝配式電纜溝

作為敷設(shè)電纜的地下通道，電纜溝是電力土建工程的重要組成部分。電纜溝施工無(wú)論是磚砌還是現(xiàn)澆，其現(xiàn)場(chǎng)的施工工期都較長(zhǎng)，在一些擴(kuò)建工程中或低溫陰雨、工期短等特殊條件下施工更是受到諸多制約。而裝配式電纜溝具有施工工期短、質(zhì)量可靠、現(xiàn)場(chǎng)安全好控制等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

裝配式電纜溝采用混凝土和鋼模板施工技術(shù)，先在工廠對(duì)電纜溝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段預(yù)制，然后運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成[7]。在確定裝配式電纜溝的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，既要系統(tǒng)考慮混凝土電纜溝的安全性、功能適用性要求，又要結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，綜合考慮基本段溝身及蓋板的結(jié)構(gòu)選型、交叉連接，以及轉(zhuǎn)彎段溝身及蓋板的結(jié)構(gòu)選型與處理方式、預(yù)制段之間的拼裝連接構(gòu)造與防滲水措施、溝底排水溝坡度設(shè)置等各個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題。

按照預(yù)制構(gòu)件的類型，裝配式電纜溝可分為L(zhǎng)型、U型（圖1）和板式電纜溝[6]。電纜溝側(cè)壁、底板均采用混凝土預(yù)制，每段長(zhǎng)1.2～2m，每段自重控制在1500kg以內(nèi)，以便于運(yùn)輸及安裝。根據(jù)具體工程需要及施工策劃，由生產(chǎn)廠家預(yù)制不同電纜溝交叉處的“T”“L”及“+”型交叉預(yù)制件。電纜溝每段之間采用M20螺桿連接，標(biāo)準(zhǔn)段之間采用防水密封膠；預(yù)制電纜溝中下部預(yù)留吊裝孔，方便吊裝（圖2）。

圖1 U型裝配式電纜溝

圖2 裝配式電纜溝的吊裝施工

與磚砌或現(xiàn)澆電纜溝不同，預(yù)制裝配式電纜溝在分段拼接處存在縫隙滲水問(wèn)題，通常采用以下三種接縫防滲措施：（1）填充發(fā)泡劑+硅酮耐候膠勾縫止水，在每段預(yù)制混凝土電纜溝的兩端沿?cái)嗝鎯?nèi)外壁邊緣（底板下部除外）預(yù)留20mm×3mm槽口，拼縫寬度取5mm，預(yù)制電纜溝拼接就位后，在預(yù)留槽口內(nèi)填充發(fā)泡劑，后用硅酮耐候膠勾縫形成止水縫。該方法施工簡(jiǎn)單，沒(méi)有濕作業(yè)，施工速度快，而且經(jīng)濟(jì)適用。（2）止水橡膠條止水，在預(yù)制電纜溝斷面中心位置均預(yù)設(shè)梯形或半弧形公槽或母槽，安裝前將6mm厚的通長(zhǎng)橡膠條固定在每段電纜溝端部的母槽內(nèi)，構(gòu)件就位后擰緊外側(cè)對(duì)拉螺栓擠壓橡膠條形成止水縫。該方法止水效果可靠，缺點(diǎn)是成本較高。（3）微膨脹漿料灌縫止水，預(yù)制電纜溝溝壁端面及底板端面中心位置均預(yù)設(shè)1/2圓弧凹槽，直徑40mm，構(gòu)件就位后從頂部澆灌微膨脹漿料形成止水縫。該方法施工較為簡(jiǎn)單，成本不高，缺點(diǎn)是存在濕作業(yè)，電纜溝底部存在漏漿的可能。

2.2 裝配式圍墻、防火墻

裝配式圍墻（圖3）主要由基礎(chǔ)、圍墻柱、預(yù)制墻板和壓頂梁裝配而成。根據(jù)材料類型的不同，目前在變電站、發(fā)電廠等電力工程中已經(jīng)得到應(yīng)用的裝配式圍墻形式主要有以下幾種：預(yù)制混凝土柱加預(yù)制墻板實(shí)體圍墻、預(yù)制型鋼柱加預(yù)制墻板實(shí)體圍墻、預(yù)制混凝土柱加擠壓水泥纖維板圍墻、預(yù)制混凝土柱加玻璃纖維增強(qiáng)水泥板圍墻等。

圖3 裝配式圍墻

圍墻主要依靠預(yù)制圍墻柱受力，柱設(shè)有凹槽，安裝完成后卡入預(yù)制墻板，上部再采用壓頂梁進(jìn)行封口。圍墻柱在基礎(chǔ)中的常見(jiàn)安裝方式有焊接、螺栓連接、杯口插入式連接三種。其中，杯口插入式最為可靠，需現(xiàn)場(chǎng)澆筑杯口基礎(chǔ)和基礎(chǔ)梁，插入圍墻柱后二次澆灌強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的細(xì)石混凝土；螺栓連接裝配化程度最高，但對(duì)基礎(chǔ)預(yù)留螺栓的精度要求也較高；焊接連接是將圍墻柱底部的預(yù)置鋼板和基礎(chǔ)的預(yù)埋鋼板焊接固定，需特別注意對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施焊的部分做好防腐處理[9-11]。

裝配式防火墻（圖4）與裝配式圍墻的構(gòu)造原理基本相同，但由于防火墻通常高度較大，因此裝配式防火墻需要采用框架結(jié)構(gòu)，在墻頂處設(shè)置框架梁將框架柱連成一個(gè)整體；墻板需要梁作為支撐，故在地面處設(shè)置一道基礎(chǔ)梁，作為預(yù)制墻板的基礎(chǔ)；考慮到減少施工工序、節(jié)約工期的需求，裝配式防火墻可以根據(jù)實(shí)際情況取消中間標(biāo)高處的框架梁，僅在墻頂和墻底設(shè)置框架梁，以減少構(gòu)件數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

圖4 裝配式防火墻

相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)某換流站閥廳的預(yù)制鋼筋混凝土裝配式防火墻進(jìn)行了整體受力分析、抗震性能試驗(yàn)和理論分析，并對(duì)防火墻抗震性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明裝配式防火墻需采取適當(dāng)構(gòu)造措施以滿足受力要求[12]。

3 電力工程主體結(jié)構(gòu)中裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)主廠房

鋼結(jié)構(gòu)具有天生的裝配式屬性，由于其輕量級(jí)、高強(qiáng)度、抗震性能好、可快速施工等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際上已經(jīng)逐漸應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外地震高烈度區(qū)主廠房結(jié)構(gòu)。某發(fā)電廠項(xiàng)目位于棉蘭老島，由國(guó)內(nèi)某工程公司總承包建設(shè)。棉蘭老島當(dāng)?shù)氐卣鹪O(shè)防烈度可達(dá)8度，且由于項(xiàng)目坐落在海濱，風(fēng)荷載較大，同時(shí)考慮到當(dāng)?shù)芈浜蟮慕ㄖI(yè)水平，以及缺乏專業(yè)和成熟的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)人員及材料供應(yīng)保障體系，EPC團(tuán)隊(duì)決定對(duì)主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)形式（圖5）。主廠房樓板采用壓型鋼板底模+現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，外墻板采用壓型鋼板，內(nèi)墻板采用多孔磚砌筑，除內(nèi)墻板外，其余鋼結(jié)構(gòu)建材均為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造后通過(guò)海運(yùn)輸入。

圖5 施工中的裝配式鋼結(jié)構(gòu)主廠房

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用STAAD軟件建模計(jì)算，選取經(jīng)濟(jì)合理的鋼梁、鋼柱及支撐截面，梁柱連接、主次梁連接等各類型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為全螺栓拼接，減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量。鋼結(jié)構(gòu)工廠采用Takela對(duì)圖紙進(jìn)行放樣和節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)開孔、鋼結(jié)構(gòu)涂裝等均在工廠內(nèi)完成，有效提高了安裝效率。

與民用鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，火電廠主廠房因工藝的專業(yè)布置需求，常會(huì)出現(xiàn)一些樓板開孔、樓板不連續(xù)等平面不規(guī)則的情況，導(dǎo)致縱橫向框架剛度分布不均勻。同時(shí)，重型設(shè)備如粉斗、煤斗、高低壓加熱器、除氧器等的質(zhì)量分布相對(duì)集中且常位于結(jié)構(gòu)高層，進(jìn)而容易使主廠房產(chǎn)生抗震薄弱層。為增加鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗側(cè)剛度，需采用必要的抗震措施，目前常用的有框架-支撐體系、防屈曲耗能支撐（BRB）、鋼板剪力墻體系等[13]。

地震高烈度地區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)主廠房設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）合理選取抗震措施，需綜合考慮地震烈度大小、機(jī)組容量大小、結(jié)構(gòu)工程造價(jià)等因素；（2）支撐體系的布置較為復(fù)雜，主廠房設(shè)備、管道眾多，布設(shè)支撐時(shí)需避免與其干涉。

3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站

相對(duì)于發(fā)電廠主廠房，變電站主體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。得益于國(guó)家電網(wǎng)公司的創(chuàng)新推動(dòng)舉措，裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站（圖6）的應(yīng)用更加廣泛，裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)也更加成熟。在經(jīng)濟(jì)合理和非強(qiáng)侵蝕介質(zhì)環(huán)境的情況下，可采用鋼框架結(jié)構(gòu)、門式剛架結(jié)構(gòu)、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，并優(yōu)先選用定型的和標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點(diǎn)型式，以盡量減少構(gòu)件種類數(shù)量，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，提高施工速度。外墻材質(zhì)宜選用高密度纖維水泥板，內(nèi)隔墻材質(zhì)宜選用輕鋼龍骨石膏板，樓板可選擇鋼筋桁架樓承板等結(jié)構(gòu)形式[14]。

圖6 施工中的裝配式配電房

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火性能較差，而變電站等工業(yè)建筑通常要求具有較高的防火等級(jí)，為了防止和減小鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的抗火設(shè)計(jì)，采取安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防火保護(hù)措施。鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮環(huán)境中介質(zhì)的腐蝕性，以及周邊環(huán)境條件、施工和維修條件等因素，因地制宜，綜合制定防腐蝕方案和選擇防腐蝕材料。

在新技術(shù)的融合方面，BIM技術(shù)現(xiàn)已較深入地應(yīng)用于裝配式變電站的設(shè)計(jì)和施工的全過(guò)程中，在現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化管理、縮短工期、節(jié)約成本、保證質(zhì)量、提高項(xiàng)目管理水平方面發(fā)揮了較大作用，能夠滿足高精度的鋼柱定位要求、避免構(gòu)件干擾碰撞及提高現(xiàn)場(chǎng)裝配率[15]。

4 裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中的發(fā)展前景

總的來(lái)說(shuō)，裝配式建筑推廣發(fā)展的影響因素可歸結(jié)為政策因素、技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素和市場(chǎng)因素，但最終其他因素都可轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)因素[2]。在裝配式建筑發(fā)展前期，由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化不成熟，預(yù)制構(gòu)件的制作成本相對(duì)較高，市場(chǎng)認(rèn)知度較低，裝配式建筑在同價(jià)格較低的傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式建筑的競(jìng)爭(zhēng)中難以憑借優(yōu)勢(shì)贏得市場(chǎng)，此階段其主要借助政策因素實(shí)現(xiàn)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)裝配式建筑的政策支持力度不斷加大，一方面不斷完善裝配式建筑配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面對(duì)落實(shí)裝配式建筑的發(fā)展提出了具體要求，裝配式建筑呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

另一方面，建筑勞務(wù)用工市場(chǎng)的變化有利于裝配式建筑的推廣，新生代農(nóng)民工逐步走向制造業(yè)和服務(wù)業(yè)就業(yè)，建筑行業(yè)勞動(dòng)力用人成本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，建筑行業(yè)的“人口紅利”即將消失。而裝配式結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式可大幅減少建筑用工，其推廣應(yīng)用符合社會(huì)用工發(fā)展的需要。

投資方的投資意愿不足以及工程總承包體制的制約是現(xiàn)階段裝配式建筑在電力工程中難以推廣應(yīng)用的主要原因。電力工程，特別是發(fā)電廠工程中，建筑結(jié)構(gòu)尺寸多樣，缺乏規(guī)律，構(gòu)件模數(shù)化處理難度較大，預(yù)制構(gòu)件單價(jià)高等，導(dǎo)致投資方投資意愿不足；預(yù)制構(gòu)件的吊裝施工和現(xiàn)場(chǎng)施工管理要求和成本都更高，工程總承包單位受利潤(rùn)因素影響，應(yīng)用意愿不足，使得裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中的發(fā)展滯后。但目前國(guó)家電網(wǎng)已做出全面推廣預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的決定，同時(shí)，在國(guó)外，海外發(fā)電廠總承包建設(shè)工程通常工期緊張，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。

5 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)裝配式建筑的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程附屬構(gòu)筑物及主體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討，主要得到以下結(jié)論：

（1）裝配式結(jié)構(gòu)在電力工程中的應(yīng)用有利于推動(dòng)電力工程建筑產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化以及節(jié)能化轉(zhuǎn)型；

（2）電力工程中裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：一是電纜溝、圍墻、防火墻等附屬構(gòu)筑物采用工廠預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)；二是房屋建筑主體結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為主，尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)；

（3）投資方的投資意愿不足以及工程總承包體制的制約是現(xiàn)階段裝配式建筑在電力工程中難以大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要原因。但目前國(guó)家電網(wǎng)有關(guān)全面推廣預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的決定，以及裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在海外發(fā)電廠總承包建設(shè)工程工期緊張下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將推動(dòng)裝配式結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)一步發(fā)展。