裝配式變電站圍護結構的發展與材料性能

尹洪濤，余 巍，周 俊

(1.中南電力設計院有限公司，武漢 430072；2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

國家標準《裝配式建筑評價標準》已于2018年2月1日起實施，該標準精神與國家電網全面貫徹實施的“兩型一化”建設原則相一致。近年來電網系統設計人員一直在工程實踐中探索環境友好型裝配式變電站的設計方式。裝配式變電站指的是其主要建筑物采用工廠預制加工、現場安裝的方式施工，這種方式在很大程度上減少了現場制作混凝土所需水資源的消耗，同時降低了對工地周邊環境的影響，并且有效縮短了土建施工工期。目前裝配式變電站的設計水平已近成熟，其建筑主體結構、圍護結構、防火墻、電纜溝等工廠預制件的材料選擇和加工工藝，以及現場安裝施工工藝也日趨完善[1]。其中裝配式圍護結構是頗具特點的一個重要方面。該文將詳細論述裝配式變電站圍護結構的現狀和發展特點，為后續裝配式變電站的設計和施工工作提供有力的理論支撐。

1 裝配式變電站圍護結構的發展形式

變電站經歷了戶外型變電站、戶內型變電站、地下或半地下變電站、裝配式變電站等四種不同的結構模式[2]。相應地，變電站圍護結構也經歷了三種發展形式，即傳統砌筑圍護結構、預制板式圍護結構、輕質板裝配式圍護結構。目前經濟技術高速發展，因大規模的工程對變電站的施工工期和質量要求越來越高，裝配式圍護結構應運而生，其改變了以往傳統式圍護結構的種種弊端，實現了多個構件預制工廠化和現場安裝便捷化，逐漸成為被廣泛應用的新型構建方式。

1.1 傳統砌筑圍護結構

傳統磚砌圍護結構的墻體材料采用蒸壓灰砂磚或混凝土實心砌塊，圍護結構的面層一般采用砂漿粉刷或干粘石飾面。傳統變電站圍護結構的磚砌建筑方式施工程序復雜，墻體強度及穩定性較低，易出現裂縫滲水，由于環境的影響粉刷時涂料易褪色且有色差，外觀無法達標，已不適用于大規模的變電站。

1.2 預制板式圍護結構

預制板式圍護結構采用現鋼模澆鑄而成，墻體的強度和穩定性相比于磚砌式圍護結構較好，但鋼模成品自重大不易吊裝，且鋼模規格有偏差，組裝后板與板之間的縫隙需要二次加工裝飾才能達到預期效果，安裝好后墻體表面需要二次粉刷。

1.3 裝配式圍護結構

裝配式圍護結構通常由四部分組成：柱、墻板、柱帽以及壓頂。大部分裝配式圍護結構的構件預先在工廠進行制作。目前，變電站較通用的裝配式圍護結構形式主要包括：預制混凝土柱+預制墻板實體圍護結構、型鋼柱+預制墻板實體圍護結構、鋼柱+鋼格柵通透式圍護結構[3]。圍護結構墻體板自重較輕，組裝便捷，墻體表面經打磨處理無需二次加工裝飾，縮短了施工時間，減少了二次裝飾費用，經濟效益顯著提升。

1.4 傳統圍護結構與裝配式圍護結構的對比分析

傳統圍護結構是采用磚砌塊墻、墻體粉刷及涂料二次裝飾，其施工工序繁瑣，施工速度慢，耗時耗力，而且易開裂。傳統墻面由于受到施工、環境等多因素的影響，容易出現多處裂縫，裂縫情況較輕微者，會導致建筑本身出現滲漏、影響整體美觀，裂縫情況較為嚴重者，會直接影響建筑本身的強度、剛度、穩定性以及耐久性。

裝配式圍護結構以水泥基復合材料為主，自身重量相對較輕，生產過程中的耗能較少，施工過程中機械化水平較高，有效防止裂縫的產生。墻體板在工廠內加工完成，再運至施工現場進行裝配，且安裝工序較為簡單，這樣一來就能避免墻面在建設過程中受到其他因素影響的情況，以此從根本上提升施工質量。表1為2種結構的對比分析。

表1 傳統圍護結構與裝配式圍護結構的對比分析

2 裝配式圍護結構的材料性能分析

我國的裝配式圍護結構通常由柱、墻板、柱帽以及壓頂四部分組成，大部分構件通過預制廠制造而成。基礎施工完成后，預制構件按照立柱→插板→壓頂→柱帽現場安裝，裝配過程中由中小型吊裝設備施工完成。

2.1 墻柱材料

墻柱分為預制混凝土柱、HW型鋼柱和玻璃鋼H型柱三種類型。預制混凝土鋼柱的柱體柱斷面尺寸為300 mm×300 mm，結構穩定、抗腐蝕、外形美觀，可以二次粉刷飾面，但砼柱自重較大，運輸和吊裝較困難，現場制作和養護工藝復雜；HW型鋼柱斷面尺寸為125 mm×125 mm，由工廠預制加工，自重較輕，運輸吊裝便捷，造價低于混凝土鋼柱，但其防腐蝕性能較差，且型鋼柱與墻體的外觀色澤通常不一致；玻璃鋼H型柱自重小、耐高溫、抗腐蝕性強、強度高，還具有良好的絕緣性能，但玻璃鋼在紫外線和風沙雨雪的作用下容易老化，隨著時間的推移玻璃鋼型材的力學性能也會逐漸下降，甚至可能達不到圍護結構設計要求的使用年限。

2.2 墻板材料

裝配式圍護結構的墻板材料通常選用預制混凝土板、ALC板(蒸壓加汽混凝土板)、FC板(復合纖維水泥加壓板)以及水泥基擠塑空心板[4]，其中壓頂和柱帽的材料應與墻、柱選材保持一致，一般采用輕質材料或混凝土板。

2.2.1 預制混凝土板

預制混凝土板一般由C25和C30混凝土配筋澆筑及蒸汽養護而成，該類板的優點是取材便捷，加工工藝簡單，造價低，但缺點是自重較大，需要中型吊裝設備，且外觀不太美觀，需要二次裝飾或修補。在裝配式圍護結構中一般采用100～180 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的預制混凝土板。

2.2.2 ALC板

ALC板是一種多氣孔混凝土成型板材。這種板由水泥、石灰和粉煤灰(或硅砂)等原料通過高壓蒸汽養護制作而成，同時對混凝土板內的鋼筋網進行防銹處理。ALC板的優點是自重輕，其密度是粘土磚的1/4，普通混凝土的1/5，耐火性高(120 mm厚的ALC板墻體耐火極限可達3 h以上)、抗震性能優越、隔音效果好等；主要缺點是，ALC板的強度相較于預制混凝土板更低，碰撞易裂，因此在運輸和安裝時需要加強保護措施，且板材孔隙率大吸水性高，需要進行防水面涂料的二次裝飾工作。通常采用100～150 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的ALC板進行裝配式圍護結構的設計和施工。

2.2.3 FC板

FC板是一種新型環保建筑材料，它由木纖維和水泥等原料通過混合制漿、加壓成型、高溫養護制作而成。FC板的優點是自重輕、強度高、防火防水性能優越、抗震隔音效果好，且不含石棉等有害物質；其主要缺點是單價較高，是ALC板的1.6倍，預制混凝土板的1.25倍。在裝配式圍護結構的設計施工中，通常選用10～50 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的FC板。除此之外，FC板通常與防火板、鋼筋龍骨等組合形成復合墻體。

2.2.4 水泥基擠塑空心板

水泥基墻板屬于輕質墻體板材，主要的原材料是水泥、工業廢渣、石膏。水泥基墻板優點是由工廠模具生產，表面光潔度高，抗腐蝕性好，無需二次裝飾，安裝時采用層插式，不需要連接件，可大幅縮短工期節省人工，使用過程中無需維護，耐久性好。一般選用50～100 mm厚、承受面荷載大于2 kPa的水泥基擠塑空心板。

3 裝配式圍護結構的施工特點

裝配式圍護結構的大部分構件能在預制廠制作以及現場安裝，例如輕質板、立柱、基礎等。裝配式圍護結構構件運到現場后，均可采用機械化組裝施工，勞動力大量減少，降低了施工成本；裝配式圍護結構的建構材料多為輕型材料，自重相比于傳統磚砌材料減輕一半；每道工序精度高、進度快，縮短了施工工期；施工現場噪音小，廢水廢物排放少，有利于節能環保。

裝配式圍護結構的墻體采用工廠預制的承插式預制柱和預制混凝土板，基礎的承插式預制柱則需要進行現場預制。預制柱基礎的施工工藝與普通基礎相同，承插式預制柱結構與工字鋼結構類似，由鋼模澆筑而成[5]。現場采用干式施工安裝、現場組裝便捷，工期較短。混凝土板由上向下插入預制柱，通過嵌縫等固定措施使兩者形成整體。承插式預制柱為凹槽形柱，由于每段圍護結構的實際長度與設計間隔模數不完全相符，因此實際柱間距比設計柱間距小200～300 mm，立柱的安裝與墻板之間會預留4 mm寬的縫隙，有效防止由于不均勻沉降或溫差產生的裂縫，確保墻面的穩定性和整體性。

4 工程實例

近年來，為貫徹國家電網公司推進基建標準工藝實現“兩型一化”的戰略需求，多個省份開啟了變電站裝配式建筑設計的探索之旅。

500 kV禎州裝配式變電站[6]混凝土柱裝配式圍護結構方案為：ALC墻板嵌入承插式預制柱，柱間的距離為5.2 m，采用獨立擴展基礎。其中柱間插入4塊預制ALC板，底部墻板的下沿高于室內設計標高100 mm，頂部墻板為裝飾板，各塊ALC板材寬度均為600 mm。ALC板圍護結構兩面現場處理：ALC墻板間的縫隙采用ALC嵌縫劑進行處理，涂丙乳密封液一道，披防水膩子一道，刷外墻防水彈性涂料兩道。預制柱采用鋼筋混凝土柱，柱側預留槽口方便墻板插入安裝。同時選用細石混凝土對墻板與預制柱間的縫隙進行填縫處理。此外，基礎為鋼筋混凝土基礎，基礎間設連梁。

廣東省首座500 kV裝配式變電站[7]圍護結構采用現澆混凝土柱預留凹槽嵌鑲ALC板，其中現澆鋼筋混凝土柱設凹槽，橫裝150 mm厚ALC板，ALC板的兩端嵌鑲在鋼筋混凝土柱預設的槽內，空隙用細石混凝土填實；圍護結構頂部的裝飾板采用ALC花紋裝飾板，墻板表面涂丙乳密封液一道、披防水膩子一道、刷外墻防水彈性涂料兩道。

湖北臥龍500 kV變電站裝配式圍護結構采用復合式墻體結構，±0.000 m以下的墻體材料采用240 mm厚蒸壓灰砂磚，±0.000 m以上的外墻材料采用復合裝配式夾芯板。復合墻體靠室外一側采用50 mm厚巖棉夾芯板，中層采用50 mm厚巖棉卷氈，靠室內一側采用特級耐火紙面石膏板。墻板采用板寬模數為1 M的水平橫置式條形板，板長可根據實際要求進行裁切，板間通過螺釘以及墻體檁條連接成整體。±0.000 m以上的內墻材料選擇輕鋼龍骨特級耐火紙面石膏板，板厚為100 m。

臥龍500 kV變電站在設計階段曾進行了常規式設計與裝配式設計的方案對比[8]。在空間利用率方面，裝配式圍護結構墻體的材料比一般的磚墻更輕薄，可以節省出更多空間；在外立面造型方面，裝配式外墻面采用復合夾芯板，墻板間通過橫向拼接，一般為淺灰色，落地窗設計為茶色玻璃，建筑整體簡潔大方，而常規式方案采用白色磚，窗戶為單個方形小窗等距分布，視覺效果平淡，裝配式方案體現了極簡主義的工業美學風格。

實踐表明，裝配式圍護結構施工工藝能有效地縮短工期，節約資源和勞動力，質量可控性強，降低工程成本，比常規方案有著顯著的經濟效益優勢。

5 結 語

作為變電站的重要組成部分，裝配式圍護結構主要作用在于隔離和防護。相比傳統砌體圍護結構，其優點包括：可工廠化生產，節能環保，現場組裝無濕作業，施工工期短。因此裝配式圍護結構具有較好的經濟效益與社會效益。該文通過分析裝配式圍護結構墻體材料優缺點和施工特點，希望對變電站裝配式圍護結構的具體應用提供有效的借鑒。

[1] 張飛強.裝配式變電站探索與安裝技術[D].杭州：浙江大學,2011.

[2] 徐 峰.裝配式變電站的發展及土建設計[J].科技傳播,2010(9):86-87.

[3] 吳成泉.110 kV變電站裝配式圍護結構的研究與應用[J].工業技術，2017(21):70-71.

[4] 周 健.工業化裝配式圍護結構結構研究及在變電站工程中的應用[J].建材裝飾，2015(48):238-239.

[5] 沈青松.變電站裝配式圍護結構與防火墻的設計及工程應用[J].浙江電力，2014,33(03):28-30，68.

[6] 方曉肆.變電站裝配式圍護結構設計與施工的研究[J].湖北電力.2009,33(6):19-20.

[7] 張麗麗.500 kV智能變電站一次設計及工程應用研究[D].濟南：山東大學,2016.

[8] 唐 亮.500 kV智能變電站常規式與裝配式建筑方案比較[J].電力勘測設計,2017(2):51-55.