裝配式變電站建筑結構優化設計研究

郭后二

裝配式變電站建筑結構優化設計研究

郭后二

（安徽華電工程咨詢設計有限公司 安徽合肥 230000）

變電站建筑物采用單層鋼框架結構，綜合考慮到跨度和荷載的因素，可以定型化設計、工廠化生產，適合于裝配式施工建造，能夠真正體現輕鋼體系輕質、快速高效、布置靈活等一系列優勢。符合國家電網公司提出的“兩型三新一化”變電站的建設思路，可以實現建設可持續發展社會的要求，對未來的變電站建設具有重大的指導意義。

裝配式變電站；建筑結構；優化設計

引言

我國已改過去鋼材不足的局面，轉而成為鋼材供大于求，現在國家的政策導向不是不用鋼材，而是積極合理的擴大鋼結構在變電站建筑中的應用。在預制裝配式結構類型中，滿足變電站消防要求的預制裝配式結構類型中目前常用的有裝配式混凝土結構、裝配式預應力混凝土結構、鋼結構三種結構體系。另外我國勞動力價格低廉，屬于技術密集型的鋼結構體系在節約勞動力方面的優勢在價格上顯示不出來。如果定型化、批量化設計建造，則可以在一定程度上降低材料成本。因此，有必要對裝配式變電站建筑結構中鋼結構的應用進行分析和介紹。

1 建筑方案設計

安徽亳州孫廟110kV變電站站址位于利辛縣孫廟鄉縣道X050北側24m處，現狀為麥地，地面高程28.00～28.20m，地勢平坦。站址區域為建設用地，非基本農田。

站址布置方位選擇為北偏東1.09°，平行于X050縣道，站址南側征地線和進站道路位置與可研征地線重合。其他方向的征地線在可研征地紅線內。站區場地設計標高為30.80m，詳情見表1。

表1 主要技術經濟指標

1.1 建筑平面、立面、剖面設計

（1）建筑方案以研究建筑物可裝配化方案為重點，對整個建筑物進行統一規劃，軸網及墻板模數化，使建筑有極強的延展性和可復制性。

（2）優化設計程序，采用先結構、后建筑立面，再建筑平面的逆向設計程序，減少裝配式預制構件的類型，以保證裝配式墻板為最優方案。

（3）從解決裝配式建筑的實際問題出發，選擇成熟外墻維護技術和通用產品，提高標準化水平，實現可復制，從設計角度減少構件形式和數量的多樣性，降低施工難度[1]。

（4）立面設計：按照變電站工業建筑的屬性定位，本著“化繁為簡”的設計理念，運用模塊化設計理念，將立面元素優化、集成，提煉其核心功能，剝離與變電站無關的多余裝飾，化多樣為同一，為實現工廠定制化生產提供前提條件。

（5）建筑風格：全站建筑采用同一的建筑元素與材質，形成統一風格。

1.2 生產綜合室技術經濟指標

本變電站建筑最大的亮點就是建筑平面及功能房間的優化整合。根據無人值守智能變電站的性質和工藝專業要求及總平面布置，優化后建筑平面布局緊湊，功能分區合理，站內交通組織流暢。與可研方案相比，全站僅設一棟生產綜合室，取消了原獨立10kV開關室。

為了最大程度節省全站建筑用地面積，全站建筑物僅設生產綜合室一棟，建筑面積約489.5m2。

按照建設“兩型三新一化”變電站的設計要求，本方案取消儀器材料間、警衛室及衛生間，僅保留安全工具間、資料間，用于放一些日常維護、檢測的工具[2]。

2 生產綜合室結構設計

2.1 生產綜合室結構選型

2.1.1 裝配式建筑結構體系

鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性好、施工進度快、地基費用省、占用面積小、工業化程度高、外形美觀等優點，與混凝土結構相比，它是環保型的和可再次利用的，也是易于產業化的結構[3]。

經比較分析得出：裝配式鋼結構體系符合現行的國家有關標準和規范的規定，方案合理實用，能夠解決傳統變電站建設中的一些技術難題，諸如：

（1）設計、建設標準不統一；

（2）施工隊伍技術水平參差不齊；

（3）施工工藝復雜，建設周期長；

（4）施工污染環境；

（5）施工管理成本較高等技術難題。

2.1.2 裝配式鋼結構與常規混凝土結構的技術經濟比較

鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性好、施工進度快、地基費用省、占用面積小、工業化程度高、外形美觀等優點，與混凝土結構相比，它是環保型的和可再次利用的，也是易于產業化的結構。

裝配式鋼結構與常規鋼筋混凝土結構相比具有輕質高強、空間布置靈活、較強的抗震能力、工廠化生產、標準化施工等諸多優點，但鋼筋混凝土結構在防火，耐久性方面有明顯優勢，因此鋼結構的防腐和防火問題，在設計、制作、防護、安裝時必須引起足夠的注意。

經統計分析，同等條件下鋼筋混凝土結構常規方案的單位工程造價為2400元左右，而裝配式鋼結構的單位工程造價為3500元。盡管當前裝配式鋼結構的單位工程造價高于鋼筋混凝土結構，但主要因素不在結構體系而是建筑內外墻板、樓板、防火及構配件成本較高。另外我國勞動力價格低廉，屬于技術密集型的鋼結構體系在節約勞動力方面的優勢在價格上顯示不出來。如果定型化、批量化設計建造，則可以在一定程度上降低材料成本。另外鋼結構工程可以縮短工期，故相應的工程貸款利息和管理費用大為節省，可以用來彌補較高的建安費。

2.1.3 結構形式選擇

生產綜合室采用鋼框架結構體系，鋼框架結構建筑體系是一種優良的抗震結構體系，具有自重輕、地震反應小，鋼材強度高、延性好、塑性變形能力強等優點，因此其抗震性能是其他鋼筋混凝土和砌體結構無法比擬的，尤其在遭遇罕遇地震下能夠避免建筑物的整體倒塌性破壞。

2.2 屋面板結構體系選型

常見屋面板結構有：全現澆混凝土樓板、裝配整體式混凝土樓板、鋼骨架輕型屋面板、鋼筋桁架樓承板組合樓板、壓型鋼板組合樓板、裝配式預制混凝土板。其中全現澆混凝土樓板、裝配整體式混凝土樓板與鋼結構梁的連接不適用于鋼結構體系。

2.3 梁柱截面形式選擇及優化

2.3.1 梁截面形式選擇及優化

根據PKPM-STS模塊計算結果，框架梁彎矩中端部彎矩最大，跨中彎矩小于端部彎矩較多。如跨度較大時梁全截面均按端部彎矩確定，將造成梁跨中截面強度富余，跨中附近截面不能充分發揮材料性能。故通過對A～B軸線間11m跨度梁采用變截面的方式進行截面設計，減少梁跨中部的截面，實現節省鋼材，貫徹綠色變電站設計理念，見圖1。框架梁端部彎矩最大，跨度11m處通過從梁端向跨中變截面的方式進行梁變截面設計，與等截面梁（見圖2）相比，在滿足強度和剛度的條件下可減少梁跨中部的截面0.1m，工程減少鋼材用量約為0.4t。

圖1 11m跨度處框架梁彎矩包絡圖

圖2 等截面梁示意圖

2.3.2 柱截面類型選擇

常見的鋼結構構件截面類型主要有：箱型截面、寬翼緣熱軋H型鋼、焊接H型鋼、組合格構式、熱軋工字鋼、熱軋槽鋼等。

本單體中鋼柱受荷面積適中且屋面荷載較小，且框架柱兩個方向受力較均勻，故初選焊接H型鋼型截面、箱型截面、十字形截面三種截面進行比較。根據上文比較結果，鋼材采用Q345B級鋼，A～B軸線間11m跨度梁采用變截面梁，建立二種不同柱截面模型比較其技術經濟性能。

2.4 連接節點優化設計

框架節點設計首先要滿足抗震性能要求，傳力清晰，受力可靠，實現“強節點”的抗震設計理念。

節點為全固接節點，同時焊接工作在工廠完成，焊縫質量容易得到保證，現場拼接采用螺栓連接，施工方便、快捷；樓層次梁支座均采用鉸接節點，梁腹板通過連接板與支座梁加勁肋全螺栓連接，該節點構造簡單、施工方便。

3 結論

盡管當前裝配式鋼結構的單位工程造價高于鋼筋混凝土結構，但主要因素不在結構體系而是建筑內外墻板、樓板、防火及構配件成本較高。鋼結構工程可以縮短工期，故相應的工程貸款利息和管理費用大為節省，可以用來彌補較高的建安費。總體來說，裝配式鋼結構較常規的的鋼筋混凝土結構優勢明顯將是未來裝配式變電站發展的主流趨勢。

[1]張浩，孟玲輝.建筑結構設計優化方法的應用研究[J].四川水泥，2016（04）.

[2]姚大園.建筑結構設計優化方法及應用[J].江西建材，2012（06）.

[3]倪順華.房屋結構設計優化技術的應用研究[J].黑龍江科技信息，2016（12）.

TM63

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1004-7344（2016）31-0098-02

2016-10-15