管架結構選型方案的比較

陳天驕 （安徽萬緯工程管理有限公司，安徽 安慶 246002）

0 前 言

石油化工建設項目中，系統管架是支撐管道和電纜橋架的主要結構，量大面廣，聯系著整個廠區各個裝置。對于管架結構，應該從“技術先進、經濟合理、安全可靠、美觀實用”的原則出發，力爭達到較好的經濟、實用和美觀的效果。

關于管架的結構形式，通常有混凝土結構、鋼結構以及兩者相組合的形式。混凝土結構造價低，日后維護成本低，從經濟合理的角度，是結構選型時的優先方案。鋼結構具有易于工廠加工、安裝速度快、構件斷面相對較小等優點，從節省工期、便于改造的角度有一定的優勢，目前相關應用也日趨廣泛。

由于結構施工工程量大，涉及到工期目標與經濟指標的綜合比較、平衡，需要結合工程特點，在項目前期合理地進行分析，選用適宜的結構方案。

本文從技術、造價、工期、預埋件、施工難度等相關方面，對安慶石化煉化一體化項目中新區系統管架得到的數據進行對比分析，為今后類似項目的決策提供參考。

1 安石化煉化一體化項目管網工程概況

新區全廠工藝及熱力管網工程包括：新建約156km的管道及配套的管架、電氣、儀表。2012年1月8日土建工程正式開工，2012年9月30日土建工程結束，土建施工周期9個月；2012年10月5日管道開始施工，2013年3月27日試壓基本結束；2013年3月30日工程中交，工程施工歷時15個月。

2 四種方案的技術分析

四種結構形式考慮：鋼結構管架、混凝土結構管架、二種混凝土與鋼結構不同混合式管架。

2.1 鋼結構管架

材料采用H型鋼、無縫圓鋼管等鋼結構。結構形式多為桁架式、縱梁式。由于并適于改建、擴建的需要，且鋼結構管架建設周期短、外觀輕巧美觀，所以近年來應用廣泛。鋼結構管架的缺點是：造價高，后期防火、防腐等維護的費用較高；橫向剛度較小，需要設置橫向支撐，在固定管架處，若橫向推力較大，道路或工藝不容許設置橫向支撐，則管架柱的截面比較大。

2.2 混凝土結構管架

混凝土結構管架整體造價比較低，建成后幾乎無維護費用。橫向框架整體現澆式，橫向剛度大，且混凝土材料本身耐腐蝕性能好。缺點是：施工、建設周期長，且改、擴建能力差。

2.3 第一種混凝土結構與鋼結構混合式管架

即橫向采用混凝土結構、縱向聯系構件采用鋼桁架的結構形式。此種結構形式的優點為：橫向剛度大、管架柱耐腐蝕性能好；且一定的鋼結構施工便捷、建設周期短。當選用鋼桁架形式時，其用鋼量與全鋼結構相當，從經濟性角度不占優勢。此種形式的管架在石化有些項目揚巴等合資項目中應用比較廣泛。

2.4 第二種混合結構形式

即橫向框架下部采用現澆混凝土框架結構，上部采用鋼框架結構。此種結構形式下部為混凝土結構，防火防腐維護費用低，且橫向剛度大；由于混凝土柱高度有限，不用高支模，且上部為鋼結構，直接與縱向聯系構件相連，柱側無埋件；縱向空腹桁架為工廠預制，施工安裝方便；另外縱向聯系構件采用空腹桁架代替鋼縱梁，截面更加經濟合理，進一步降低造價，整體造價介于鋼結構和混凝土結構之間，且外形輕巧簡潔、美觀大方。

3 鋼結構與混凝土結構方案的技術經濟指標對比

為比較不同結構形式的造價差別，本文試圖通過兩種方法對鋼結構和混凝土結構的工程造價差異進行比較：一是利用總體設計之前，估算的相關工程量，分別套用相關概算指標，計算不同的工程造價；二是通過將系統管廊中主要梁、柱混凝土等構件，替代為相應鋼結構，計算兩者造價差別。

①利用總體設計階段評審資料中的相應工程量，套用概算指標，對比相關費用（見表1）。

不同結構形式管架工程量對比 表1

②在基礎設計階段，系統管架的榀數減少到382榀，按照已確定的“上部采用鋼筋混凝土結構，跨越道路的桁架采用鋼結構”的結構形式，此階段估算相應的工程量見表2。

表2

總體設計方案，擬建488榀管架對應鋼結構用量為1950t，基礎設計階段擬建382榀管架對應鋼結構用量為1464t，單榀架用鋼量大體相當。從以上數據可以看出，總體設計有關結構工程量的估算較為準確，可以用來做相關費用對比的基礎數據。

表3

表4

③根據《安徽省建筑工程綜合估價表(2000)》及安慶市建價（2011）18號文，套用相關概算指標，針對表一相關工程量，計算兩方案造價差情況，見表3。

當上部全部采用鋼結構管架時，結構、基礎造價為18572.8萬元；采用鋼筋混凝土結構時，造價為10510萬元，兩種方案造價差8062.3萬元。

④根據結構施工圖，抽取管架結構的主要混凝土梁、柱構件，替換為鋼結構構件，通過套用定額比較相關造價差別。

a.新區系統管廊設計分為三個圖幅區，主要的混凝土結構構件包括：

圖幅一：共1～79軸，其中1～38軸，縱向長350m、寬17m（3根立柱）、高度18m；39～79軸縱向長290m、橫向寬9m（2根立柱，其中有4軸為3根立柱寬13m）、高度18m（5層梁）。

圖幅二：共1～80軸，其中1～33軸，縱向長240m、寬17m（3根立柱）、高度18m；34～80軸，縱向長294m、寬9m（2根立柱）、高度18m（5層梁）。

圖幅三：共1～210軸，其中1～73軸，縱向長450m、寬9m（2根立柱）、高度18m（5層梁）；74～210軸，縱向長680m、寬9m（2根立柱）、平均高度10m（3層梁）。

綜上所述，可以算出圖幅一有立柱（38×3+41×2+4）×18=3600m、有梁（350×3+17×38+290×2+9×37+13×4）×5=13305m；圖幅二中立柱（33×3+47×2）×18=3474m、梁（240×3+17×33+294×2+9×47）×5=11460m；圖幅三中立柱73×2×18+137×2×10=5368m、梁(450×2+9×73)×5+(680×2+9×137)×3=15564m。

b.將以上混凝土構件替換為鋼結構。根據設計選用的混凝土梁、柱截面特性，參照本項目常減壓裝置鋼結構主管架構件斷面，全場熱力管網水泥框架折合為鋼框架需用結構材料：

圖幅一：柱HW400×400×13×21計3600m，梁HN500×200×10×16計13305m。

圖幅二：柱HW400×400×13×21計3474m，梁HN500×200×10×16計11460m。

圖幅三：柱HW300×305×15×15計5368m，梁HN500×200×10×16計15564m。

共需鋼結構5338.8t，經套用定額計算安裝費為35177141.54元，材料費為38439360元（鋼材按7200元/t計算）。

因結構形式的變化對地下基礎工程量的影響不大，根據系統管廊地下基礎相應圖紙，測算基礎工程預算費用為13350021.82元。

上部鋼結構總預算費用為13350021.82+35177141.54+38439360=86966523.36元。

c.目前，全廠熱力管網的實際報批結算額為36030000元（含主材費、含基礎部分），因此，當上部結構采用鋼結構時，結構工程投資需增加：86966523.36-36030000=50936523.36元。

⑤A、B兩種方法的比較結果之間仍有一定的差異，主要原因是A方法的基數依據是總體設計時估算的488榀管架，B方法考慮的是382榀管架。同時由于鋼結構截面相對較小，橫向穩定性較差，主要構件采用鋼構件后，需要增加一定橫向支撐，這計算過程中未能計入該部分工程量。綜合A、B兩種方案，類似于煉化一體化項目，當上部結構采用鋼結構時，系統管架的工程造價將增加約6000萬元。由于鋼結構在使用過程中需定期防腐，在長期使用過程中，鋼結構的花費將進一步增加。

4 鋼結構與混凝土結構方案的建設周期對比

4.1 絕對周期的比較

①在同等設計條件下，鋼結構型式圖紙(鋼柱、鋼梁、平臺)較鋼筋混凝土型式圖紙(模板、配筋、埋件、平臺)出圖速度快。尤其鋼筋混凝土結構需要使用大量預埋件，涉及到預埋件的設計輸入條件（荷載、標高等）未最終確定前，結構圖無法出圖。根據設計經驗，鋼結構管架出圖時間可提前40d，考慮到系統管架的大型型鋼定貨周期較長（H型鋼定貨時間較屬于地材的鋼筋水泥訂貨周期增加20d），鋼結構出圖時間較混凝土結構可提前20d。

②無論上部采用鋼結構還是混凝土結構，基礎施工的周期基本相同。上部結構施工階段，如考慮鋼結構可充分預制，混凝土結構每單層需增加：支模及鋼筋綁扎10d，上層結構施工前、下層梁的養護14d，新區系統管架最高處為5層的管架，因此采用鋼結構，上部結構施工周期可縮短5×（10+14）=120d。

綜上，當周邊預制場地足夠，鋼結構可充分預制時，系統管架采用鋼結構形式，施工周期較采用混凝土結構可縮短140d。

4.2 實際的施工過程相關節點

在煉化一體化項目系統管廊施工過程中，混凝土管架的施工周期并未成為管廊施工的主矛盾線，主要是后續專業管道出圖時間較遲，給土建施工留足了時間。具體到圖時間見表4。

從到圖時間表中可以看出，主要的管架混凝土結構到圖最早時間為2012年1月15日，最遲時間為2012年4月28日。管道單線圖到圖時間為2012年8月1日。在保證管道安裝工作到圖后，即可全面開展管道上架施工的前提下，可供結構施工的周期最短為3個月，最長為6個半月，工期目標不難實現。

4.3 通過比較可以得到的結論

當預制可以充分進行時，鋼結構管架施工的絕對周期短，對于結構層數多的系統管架，鋼結構管架的工期優勢更明顯。以安慶煉化一體化五層高系統管架為例，鋼結構管架施工周期可縮短4個月，當遇冬季施工時，鋼結構的工期優勢將進一步明顯。

在目前階段，邊設計邊施工的情況不能避免，由于客觀存在的設計周期的需要，系統管線工藝管道出圖較晚。從安慶煉化一體化項目經驗來看，如果系統管道圖出圖節點不能提前，鋼結構施工周期短的優勢對項目總體進度沒有大的作用。

5 其他與方案選擇相關的問題

5.1 預埋件問題

煉化一體化項目系統管架采用的是混凝土結構，施工過程中混凝土梁預埋件的問題，影響現場施工進度一個月以上。錯、漏的埋件數量清單分類見表5。

表5

由于系統管架的配筋率較高，在已完工的混凝土管架上重新植筋設置埋件，難度很大。在選擇了混凝土結構作為系統管架結構的形式后，應充分預留埋件的位置，在梁的上、下端面通長范圍、柱內側等間距布置預埋件，這樣即便專業對接時有遺漏，也可利用富余的臨近埋件進行適當的改造，減少埋件返工對工程進度的影響。

5.2 腳手架費用的問題

煉化一體化項目系統管架施工過程中，施工單位腳手架搭設進度慢，對工程進度有一定的影響。經調研，鋼管腳手架定額費用與實際費用差異較大，具體見表6。

表6

從表中可以看出，滿堂腳手架的人工、材料費用市場價格高出定額規定的10倍。當承包商承建的是裝置工程時，由于腳手架費用所占比率不高，價差的問題可通過其他專業工程予以平衡；如果僅承建了系統管架工程，腳手架費用占整個工程投入的比率大，價差的問題難以平衡，造成了施工單位積極性不高。

6 結論和建議

6.1 結論

①系統管架的結構形式，通常有混凝土結構、鋼結構以及兩種結構相組合的形式。混凝土結構造價低，日后維護成本低，經濟合理。鋼結構易于工廠加工、安裝速度快、從節省工期、便于改造的角度有一定的優勢。

對于特殊部位，如當管廊跨越道路或鐵路時，跨度比較大，一般需要采用鋼結構桁架。當局部管架影響到大件吊裝和設備運輸時，為避免局部障礙對交通運輸全局造成影響，對于相應部位，建設單位通常也會明確要求設計采用鋼結構預制的結構形式，以利于在大件運輸和吊裝完成后，利用較短的施工周期完成結構施工。對于必須在裝置檢修期間完成的改造項目，其系統管架也應選用鋼結構。

對于其他部位，應根據工程特點，涉及到工期目標與經濟指標的綜合比較、平衡，在項目前期合理地進行分析，選用適宜的結構方案。

②從安石化煉化一體化項目建設經驗看來，系統管架采用混凝土結構，投資較采用鋼結構形式將節省約6千萬元，并且減少了日后維護費用。

從工期角度，采用混凝土結構，理論上工期較鋼結構形式增加了4個半月，但由于配管圖出圖所需的客觀時間較長，在結構圖主要圖紙出圖后約6個月才能出圖，所以混凝土結構施工所用的時間對總體工程進度未造成實質的影響。只有當設計進度中，結構出圖與配管出圖間隔縮智短至2個月以內時，選擇鋼結構管架的工期優勢才能得以體現。

③從安慶項目的經驗看來，混凝土結構是系統管架的一種經濟合理、美觀實用的結構形式。

6.2 建議

①當選擇了混凝土結構作為系統管架結構的形式時，應充分預留埋件的位置，在梁的上、下端面通長范圍、柱內側等間距布置預埋件，減少埋件返工對工程進度的影響。

定額中腳手架的費用較低，對于系統管架這類腳手工程比率高的項目，有關腳手架的費用應根據市場價格合理地進行調整，以調動施工單位的積極性。

如采用下部混凝土、上部鋼桁架形式的系統管架，結構較美觀，上部鋼結構施工周期短，但由于上部鋼結構選用的是鋼桁架形式增加了上部用鋼量，總體用鋼量不低于全鋼結構形式，從經濟性角度并不比全鋼結構管架占優勢。

②我們可考慮管架下部柱采用混凝土結構、上部采用鋼結構框架的管架結構形式，適當減少用鋼量，以利于進一步發揮組合式結構的優勢。

[1] GB50010—2011,鋼筋混凝土結構工程設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[2] GB50017—2003,鋼結構工程設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2003.

[3] GB50011—2010,建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.