鋼結構變電站與鋼筋混凝土變電站全壽命周期成本分析

繆 葉 周鴻斌 顏立軍

（國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫214000）

0 引言

國家電網(wǎng)自2007年以來就開始大力提倡建設“兩型一化”變電站，鋼結構由于自身重量輕、制造簡單、施工安裝周期短而被廣泛應用于變電站建設。當前，全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）理論在電力行業(yè)內主要應用在電網(wǎng)規(guī)劃、項目立項等階段，根據(jù)成本估算模型，對電網(wǎng)規(guī)劃及項目方案進行選擇[1]。本文以無錫110 kV某類鋼筋混凝土變電站和鋼結構變電站為例，對兩者進行全壽命周期經(jīng)濟性對比研究。

1 工程概況及施工成本預算編制原則

1.1 工程概況

無錫110 kV某類鋼筋混凝土變電站（以下簡稱A類變電站）建筑面積約1 897 m2，生產(chǎn)綜合樓為二層建筑；電壓等級110/10 kV；建設50 MVA主變壓器2臺，遠景建設3臺，110 kV出線2回，10 kV出線24回。該工程于2017年6月28日正式開工，土建部分于2018年3月13日結束。電氣總平面布置采用通用設計110-A2-3方案。

無錫110 kV某類鋼結構變電站（以下簡稱B類變電站）建筑面積約957 m2，生產(chǎn)綜合樓為單層建筑；電壓等級110/10 kV；建設50 MVA主變壓器2臺，遠景建設3臺，110 kV出線4回，10 kV出線24回。該工程于2018年11月10日正式開工，土建部分于2019年7月17日結束。電氣總平面布置采用通用設計110-A2-6方案。

1.2 施工成本預算編制原則

本文中選取的A、B類變電站參照的定額依據(jù)以文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]為基準。

2 主要結構設計差異分析

在保證變電站電氣一次部分基本不變的前提下，鋼結構變電站相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土變電站土建部分結構型式、圍護系統(tǒng)及屋蓋體系等發(fā)生了較大變化。主要結構差異如表1所示。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 重點分部分項工程人工費分析

重點分部分項工程人工費對比分析指標如表2所示。

由表2可以看出，B類變電站重點分部分項工程人工費比A類變電站節(jié)省約9.38萬元，約占A類成本的17.36%。因鋼結構變電站工業(yè)化水平較高，人工費均有不同程度降低，這對解決當前勞動力市場用工緊缺的問題有積極的推動作用，有利于提高整體土建施工人員的專業(yè)技能水平。

表1 主要結構設計差異

表2 重點分部分項工程人工費

3.2 重點分部分項工程材料費分析

重點分部分項工程材料費對比分析指標如表3所示。

表3 重點分部分項工程材料費

由表3分析可以看出，B類變電站重點分部分項工程材料費比A類變電站高出約109.38萬元，約占A類變電站成本的23.89%。可以看出，鋼結構變電站材料費用的增量與表2中的基本一致。鋼結構變電站建造過程中需要用到大量預制構件，價格比較高，且用鋼量大。除內墻結構、屋面防水等材料費相應減少以外，主體結構、外墻結構等采用的材料基本是成品裝配式，且部分為非常規(guī)產(chǎn)品需要定制，致使材料費的成本增量較大。

3.3 重點分部分項工程機械費分析

重點分部分項工程機械費分析指標如表4所示。

表4 重點分部分項工程機械費

由表4分析可以看出，B類變電站重點分部分項工程機械費約為A類變電站的2.48倍。鋼結構裝配式變電站要考慮鋼結構防火，且其為一層鋼框架結構，材料運輸主要以水平運輸為主，利用站內環(huán)形道路運送至各施工作業(yè)面，少量垂直運輸采用汽車吊代替塔吊，垂直運輸費降低。鋼筋混凝土變電站塔式起重機使用周期長，機械進出場費用高，鋼結構變電站主要使用輪胎式起重機吊裝，沒有塔吊進出場費用。

3.4 重點分部分項工程周轉材料費用分析

重點分部分項工程周轉材料費用對比分析指標如表5所示。

表5 重點分部分項工程周轉材料費

由表5分析可以看出，鋼結構變電站重點分部分項工程周轉材料費比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土變電站減少269 757元，減少了約81.43%。鋼結構變電站鋼梁鋼柱為汽車吊吊裝，復合木模板只用在基礎部分，而且若僅考慮裝修腳手架，用量將大幅度減少。周轉材料費用的降低會間接降低安全文明施工費，降低施工噪聲，消除工程部分安全隱患，從人文及環(huán)保的角度上看，符合綠色發(fā)展的理念。

3.5 鋼結構變電站建設過程增量效益分析

整體上，鋼結構變電站重點分部分項工程的成本增量為921 514.61元。其中，人工費及周轉材料費是減少的，這也體現(xiàn)了鋼結構變電站在節(jié)約人力及材料方面的優(yōu)越性。材料費及機械費的成本增量浮動較大，這是成本管理的關鍵。如表6所示。

表6 重點分部分項工程成本增量

4 全壽命周期成本分析

4.1 全壽命周期模型

全壽命周期成本分為前期成本、建設成本、使用成本和使用后成本[5]。全壽命周期模型采用HARKNESS[6]等的計算模型，其表達式為：

式中：LCC為全壽命周期折現(xiàn)值；Ka為前期費用；Ma為初始建設費用；Kn為第n年投資費用；Mn為第n年維護管理費用；En為其他費用；Vn為退役殘值；r為資金折現(xiàn)率；n為建筑物的壽命期。

工程設計使用年限為50年，社會折現(xiàn)率采用WEITZMAN[7]的模型，折現(xiàn)率隨周期遞減；0～30年取3.5%，31～50年取3.0%。

4.2 前期成本

假設鋼筋混凝土變電站和鋼結構變電站位于同一地區(qū)，項目前期成本較大的差異主要包含設計費和監(jiān)理費等。按照文獻[2]、文獻[8]中設計監(jiān)理費的計算規(guī)定，B類變電站設計費高出A類變電站約921 514.61×2.335%×（1+18%）=25 390.491元，監(jiān)理費高出約921 514.61×5.34%=49 208.88元。

4.3 建設成本

A類變電站施工周期為265天≈9個月，B類變電站土建周期為225天≈8個月。建設期貸款利息采用按月計息，建設期年利率為4.75%，建設期總利息Ct按式（2）計算：

式中：Cc為建設費用；i為月利率。

按照表6中重點分部分項工程成本增量估算建設期貸款利息差額，為-3 764.39元。

4.4 維護成本

A類變電站的維護費用主要是抹灰涂料等外墻裝飾費用，維修周期為10年[6]。外墻裝飾費用為98.6元/m2，維護面積為2 908.7 m2，單次費用為286 797.82元。

B類變電站的維護費用中，外墻板更換年限為25年，在壽命周期內需更換1次，其中外墻板更換費用為624.88元/m2，外墻面積為1 550 m2，更換費用為968 564元。按資金折現(xiàn)式（3）[6]計算：

式中：CM為維護成本；Cm為單次維護成本；r為資金折現(xiàn)率。

A類變電站的維護費用為537 550.88元，B類變電站的維護費用為409 444.94元，維護成本增量為-127 705.94元。

4.5 使用后成本

鋼筋混凝土變電站的余物清理費按照建筑工程新建直接費的20%取費[2]，相關調查研究表明，鋼結構建筑的拆除費用約占建設期費用的10%。A類變電站的余物清理費用為1 115 862.7元，B類變電站為650 082.81元。余物清理費用增量為-465 779.89元。

A類變電站采用的混凝土為不可再生混凝土，殘值為0。B類變電站采用的鋼柱、鋼梁、鋼構件、內墻鋼結構板等可實現(xiàn)全部回收再利用，確定殘值率為60%。B類殘值為878 347.2元，增量為-1 344 127.09元。

4.6 LCC理論分析

按式（6）計算全壽命周期增量成本，得到全壽命周期成本增量匯總表，如表7所示。

表7 全壽命周期成本增量

通過上述分析，從全壽命周期成本的角度來說，由于鋼結構后期維護成本較低和回收利用率高，鋼結構變電站較鋼筋混凝土變電站成本減少約47.95萬元。

4.7 社會效益分析

鋼結構變電站較鋼筋混凝土變電站社會效益更好，滿足建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化變電站的建設初衷。

（1）工期效益：鋼結構變電站可在現(xiàn)場快速拼裝，將施工串聯(lián)流程轉化為并聯(lián)流程，縮短建設工期，加快電網(wǎng)工程建設進度。

（2）質量效益：鋼結構變電站在設計階段，構件通過標準化設計進行拆分，使構件符合模數(shù)化要求，構件精度高，質量易于保證。

（3）環(huán)保效益：鋼結構變電站所有鋼構件、墻體、屋面均采用廠家成品，現(xiàn)場安裝，可減少現(xiàn)場濕作業(yè)工程量60%，減少建筑垃圾量80%，減少了建設過程中對周圍環(huán)境和居民生活的影響。

5 結論

本文通過對無錫110 kV某鋼筋混凝土變電站和鋼結構變電站進行全壽命周期成本分析評價，可以得出以下主要結論：

（1）在建設階段，鋼結構變電站用工量減少，材料費及機械費的增量較大，尤其是材料費比例增大，是成本管理的重點。但鋼結構變電站由于維護成本較低和回收利用率高，鋼結構變電站全壽命周期成本較鋼筋混凝土變電站成本減少約47.95萬元。

（2）隨著鋼結構變電站逐步實現(xiàn)標準化設計、工廠化生產(chǎn)、機械化施工，結構選用鋼框架結構，圍護選用水泥纖維板，屋面采用鋼骨架輕型板等，可以提高裝配效率，降低工程造價。未來鋼結構應在連接節(jié)點的材料、形式、設計方法方面實現(xiàn)創(chuàng)新，在保證安全的前提下提高其經(jīng)濟性。

（3）鋼結構變電站在工期、質量、環(huán)保等社會效益上更能滿足資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化建設的可持續(xù)發(fā)展要求。綜合全壽命周期經(jīng)濟效益和社會效益，鋼結構變電站符合今后電網(wǎng)建設發(fā)展的需求。