預制裝配式結構在變電站工業化項目中的應用

李政道 譚 波 陳 哲 熊美琴

1. 深圳大學土木與交通工程學院 廣東 深圳 518060；2. 深圳新能電力開發設計院有限公司 廣東 深圳 518052

預制裝配式變電站是采用先進、可靠、環保的智能模塊化單元組裝而成的集約型封閉式變電站。它以信息數字化、網絡化和標準化為基本要求，自動完成信息收集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能。與常規變電站相比，預制裝配式變電站是占地少、工期短、成本低、無噪聲、無輻射、免維護的環保型智能變電站。我國的變電站工程建設大都采用傳統的現場作業方法，導致建筑隊伍難以管理，工程質量難以保證，且工期長[1]。為降低變電站工程建設的不利影響，2014年初，中國南方電網有限責任公司（下稱“南方電網公司”）基建部要求各省級電網公司及廣州、深圳供電局開展標準化工程試點建設，對項目設計、構件生產、施工安裝、運維全過程進行標準化作業和管理，以期形成完整的系統理論體系，最大程度實現可復制、可推廣的新型精益化建設管理模式，從而提高變電站建設的質量和效益。

1 預制裝配式變電站特點

1.1 整站設計、工法先進

預制裝配式變電站是遵循一定的原則，將站內所有電氣設備安裝在一個性能優良的鋼結構箱體內，從而實現隔熱、防火、防潮，同時具有五面通風、全封閉、可拆裝、增減間隔方便等優點。

裝配式變電站內一、二次設備分別采用國內技術領先設備和常規綜合自動化系統，其中二次設備也可采用進口PLC自動化系統。二次線采用先進的全站線束，整體布置，模塊化插拔各個單元，實現工法先進的建設方式。

1.2 預制裝配、工期優化

裝配式變電站設計基于以往裝配式建筑的建造經驗，對變電站預制構件采用定型模具進行大規模工廠生產，并在加工完成后運至施工現場裝配，以實現設計與施工一體化，消除了由于設計和施工分離及不協調而導致的工期影響[2]，有利于構件和施工現場管理，從而有效提高變電站的建設效率。

1.3 智能制造、組織協調

裝配式變電站采用全站智能化設計，以實現電力系統“四遙”的獨立運行及系統監測反饋與控制。變電站采用國際先進技術，為設備提供戶內運行環境，避免了不利環境條件的侵害。變電站也可采用PLC面保護綜合自動化系統進行信息交換、邏輯計算及控制執行。

常規變電站工程的大部分施工作業都在建設現場，致使現場人員繁多，器械繁雜，給管理人員對現場的管理和組織協調帶來極大的考驗，進而影響施工的質量及進度。而裝配式變電站工程的大部分構件在工廠預制，現場組裝，減少了現場作業量和建設人員，有效實現了組織、協調與管理的輕量化。

1.4 環境友好、節能環保

裝配式變電站的外殼采用熱鍍鋅鋼板和電力鐵塔制造技術[3]，外形設計美觀。裝配式變電站采用的鋼結構主體可實現循環利用，其中建筑材料大都是鋼構件，而螺栓連接的鋼構件具有易拆除的特點，故建筑拆除后的鋼材大部分可回收再利用。

在變電站建設中，鋼結構與混凝土結構均有應用。裝配式變電站的鋼構件采用工廠預制、現場組裝的方式，減少了現場濕作業和現澆工作量，從而減少粉塵、噪聲等污染，有效避免建設過程中的環境污染和資源消耗等[4]。

2 110 kV龍華中心變電站工程實例

2.1 工程概況

110 kV龍華中心變電站為南方電網公司2015年混凝土組件預制的工廠化輸變電工程試點項目之一，也是深圳電網進行全預制裝配式應用的重點項目，位于深圳市龍華新區龍華街道，建成投產后將主要分擔110 kV龍華站、油松站及松北站負荷，為龍華街道中部供電。

變電站主體建筑結構采用預制混凝土現場裝配，總平面全戶內布置，主體4層全地上布置，占地面積670.89 m2、總建筑面積2 597.74 m2。變電站采用裝配整體式框架結構，地面以下采用現澆方式，地面以上采用預制和現澆相結合的施工方式（圖1、圖2）。其中，框架柱為預制，而梁柱節點為現澆，梁、板分別采用疊合梁和疊合板，外墻采用預制鋼筋混凝土外墻板，主體樓梯為預制裝配式樓梯，項目預制率高達61.25%。

圖1 地上預制部分

圖2 地下現澆部分

2.2 建（構）筑物概況

批復用地紅線面積僅1 519 m2，且地塊異形，所以采用標準化模塊構件建設。站區內采用鋼結構裝配式方案生產建（構）筑物的成果為：采用小型化設計，無典型設計（以下簡稱“典設”）套用，總方案建設規模與標準設計總方案CSG-110B-G2a接近。布置形式和面積與典設（G1-1GIS2）有差異。共4層，單跨結構，地上1層為主變壓器室、GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）室；地上2層為電纜層；地上3層為高壓室、主控通信室；地上4層為電容器室、接地變壓器室、蓄電池室（圖3）。

圖3 龍華中心變電站各層平面效果

2.3 構件生產

2.3.1 構件設計原則

設計方案的確定需綜合考慮預制構件生產至安裝過程的各類因素，合理拆分構件，優化構件的形狀尺寸。預制構件的尺寸遵循少規格、多組合的原則，以提高構件模具的重復使用率。

為實現標準設計、標準生產、標準配送、標準安裝，可進行統一柱距、統一層高設計，優化構件模塊的形狀尺寸，將主體建筑所有梁、板、柱、梯模塊化。統一柱距：縱向軸線尺寸由原設計6.0、5.5、3.0 m改為6.0、3.0 m，使預制外墻板寬度統一為3.0 m，總軸線尺寸不變。統一層高：層高由原設計1.5、5.0、4.5、5.5 m改為3.5、5.4 m，使預制外墻板高度統一為2種規格，總層高不變。調整板厚：將板厚從120 mm改為250 mm，以便減去次梁，減少預制梁的數量及類型。

相比傳統的工程量統計方法，BIM的應用可使工程量與模型實時關聯，根據項目情況在模型中設置參數進行構件拆分，同時利用項目BIM標準體系中對預制構件的編碼，可更快地統計出相應的預制構件及預制率（圖4、圖5）。通過對預制構件的統計，可分別匯總出柱、梁、板、樓梯等構件的預制體積及總體積，從而計算出預制率。其中，柱、梁、板、樓梯的預制率分別可達67.23%、40.06%、36.42%、54.57%，而總預制率為61.25%。

2.3.2 構件拆分生產

圖4 預制構件整體效果

圖5 預制構件拆分

為便于工廠生產、現場裝配，裝配式建筑需要對建筑地面以上部分進行模數化拆分。通過合理拆分，減少模具，可以凸顯降低造價、利于運輸、方便吊裝、適應生產等優點。另外，構件的生產與加工不受施工現場進度的影響，可與變電站“三通一平”工程同步進行，大大縮短了工期。

預制構件采用工廠化生產，不受季節和天氣等外部影響，效率高；高精度模具的應用，使構件質量得到提高，且具有較好的均一性。同時，龍華變電站的設備、材料按施工進度要求定時、定點配送，有效解決了以往設備、材料占用非建設場地的問題。

2.4 裝配施工

為保證施工質量，預制構件安裝前需要進行定位，同時，還需要在施工過程中對鋼梁的位移和標高等參數進行跟蹤測量[5]，并對安裝的關鍵點進行全程控制，確保所有的構件安裝符合要求。同時，現場采用專業化機械施工，降低了對人工數量和技能的需求，能緩解施工場地不足的影響。

2.4.1 預制柱柱節點連接

預制柱柱節點采用灌漿套筒連接，滿足一級接頭要求，接頭抗拉強度較現澆增加15%，灌漿料抗壓強度大于85 MPa（安裝前進行試塊檢測）。橫向節點與現澆模式一致，抗震性能等同現澆。采用灌漿套筒連接可保證連接質量，解決同截面主筋搭接問題，并符合模型計算節點假設條件（圖6）。

2.4.2 預制梁柱節點連接

梁柱端部裸露的鋼筋交叉水平放置后，利用模板，將此部分整體現澆。吊裝作業時按構件安裝時的姿態進行吊點設置，梁為水平雙掛點，柱為豎向上部雙側掛點。梁柱接頭采用高強度等級混凝土現澆，受力傳遞明確，整體性強，有利于建筑抗震（圖7）。

圖6 灌漿套筒連接技術

圖7 梁柱節點連接模型

2.4.3 外墻防水處理

外墻板可采用實體墻，也可采用夾心墻體。墻板間連接分為上下拼接、左右拼接2種。墻體采用3道防水措施：最外層采用MS耐候膠密封（使用壽命達20 a），彈性好，可防止開裂和滲漏；第2層采用聚乙烯棒填充；內層采用構造防水及導流措施，行業應用效果明顯。

3 技術創新與效益分析

3.1 技術創新

3.1.1 預制疊合板安裝技術創新

單層的預制梁柱安裝完成后，在吊裝樓板前，做好下方支撐體系，支撐方式在設計過程中計算考慮，采用滿堂架或專用支撐工具。預制板的吊裝點設計為6處，在構件出廠前標出掛點，單層吊裝完成后，同時處理好上部疊合部分的埋件后進行整體現澆。利用預制板作為底模，減少模板工程量。將疊合板應用于樓蓋系統，可采用減重體填充降低質量，其中次梁的取消降低了施工難度。

3.1.2 基于BIM的信息化管理技術

近年來，BIM技術被廣泛應用于建設項目，用來推動建筑業信息化改革[6]。通過BIM一體化設計技術、預制工廠生產技術和施工現場裝配技術的整合利用，使各階段信息無損共享，從而實現變電站的“設計、生產、裝配一體化”。BIM技術的協同設計基于同一BIM模型，實現信息統一和共享，確保了各參與方的溝通質量和效率[7]。各方對工程進行協同管理，使工程在設計、構件、質量、安全等方面的管理更加信息化，提高了項目管理的效率[8]。

另外，利用三維BIM輔助設計，可進行預制構件和機電管線碰撞檢查。在設計過程中，共檢查出多處問題：夾層鋼筋碰撞43處、二層鋼筋碰撞21處、預制構件自身缺漏2處、預埋件位置不合理2處、預埋管道位置錯誤3處、建筑與結構不合理3處。裝配式變電站的BIM信息化管理是以BIM模型為項目的信息源，結合資源裝配計劃，以云技術、RFID（射頻識別）等物聯網技術和移動終端技術為信息采集和應用手段，服務于預制裝配式建造的一體化全過程管理，實現了基于BIM的信息化管理技術創新。

3.2 效益分析

3.2.1 建設成本

在“四節一環保”方面，具體在人工、模板、用水、用電、垃圾處理、裝修等方面，龍華中心裝配式變電站的優勢凸顯，社會效益和經濟效益顯著。其中，安裝方面的直接成本減少66萬元，算上節能減排及后期修理維護的費用，產生的間接效益為291萬元。

在造價方面，主要對典設和龍華中心變電站地上建筑部分進行對比。龍華中心變電站為單個站的建設，預制量小、種類多，導致模具無法攤銷，構件制作成本高。其中，總建筑費用造價為3 439 元/m2，較典設增幅31.07%，但若在批量生產的情況下，單位造價只高出2%～14%。因此，擴大預制規模、優化構件種類，可降低構件制作成本。隨著裝配式建筑的不斷推廣，經驗和資源越來越豐富，裝配式結構的造價將會不斷下降。

3.2.2 節能環保

龍華中心裝配式變電站的主變壓器采用將散熱器與本體分散布置于2個房間的方式（圖8）。其中，散熱器室采用電動百葉窗，確保散熱效果；主變壓器室采用隔聲墻，最大化降低噪聲。而南方電網公司典型設計的主變壓器一般設有9 kW風機，單臺風機每年電費約2.8萬元；按6臺風機計算，裝配式變電站全年可節省電費約17萬元；按25 a生命周期計算，共可節省電費約420萬元。

圖8 龍華中心裝配式變電站主變壓器分布示意

4 推廣建議

預制裝配式在設計、施工、管理方面都與傳統現澆不同[9]，裝配式的優點主要有：質量易控，濕作業減少，節能環保，工期縮短。缺點主要有：設計工作量增大，有經驗的參建單位不夠，預制產業配套不完善，招投標預期效果減弱[10]。而工期縮短作為裝配式建設一大優勢，受施工方案及熟練程度影響，表現可能不明顯。總結建筑行業和本項目建設情況，本項目工期方面優勢明顯，較常規工期縮短約35%。同時，大部分標準構件模塊均適用于適度優化后的V2.0典型設計，構件圖的設計已充分考慮了現場安裝工藝及實施難度，所有輔助施工的預埋件及節點均在設計圖中體現，滿足標準設計G4層的實施條件，同時豐富了G4層內容和標準件。因此，在預制裝配式變電站的市場推廣方面，建議如下：

1）培育產業。通過試點培育構件制造產業，豐富完善預制構件的工廠化生產環節。

2）優化典型設計。對標準設計按預制拆分的原則進行適度優化與調整，拆分后的構件形成標準化模塊，構件及節點圖按G4層深度設計，豐富標準設計G4層內容。

3）標準作業。通過標準化的工藝設計，制定相應的標準流程作業指導書。

4）驗收評價標準。通過嚴格執行JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》、JG/T 398—2012《鋼筋連接用灌漿套筒》、JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》等驗收規范，積累經驗，補充完善相應的驗收評價標準。

通過現階段的實施體會，為推廣應用預制裝配式，需要在技術經濟方面找到一個平衡，去規劃預制總量規模，培育配套產業，優化設計，制定作業及驗評標準。在標準建設的總體框架下，實現標準設計模塊化、構件生產工廠化、施工安裝機械化、項目管理精細化的目標。隨著后續項目建設人工成本的增加，預制構件產業配套日趨完善，預制工程批量建設，其社會及經濟效益將會非常明顯。

5 結語

110 kV龍華中心預制裝配式變電站是混凝土組件預制的工廠化輸變電工程試點的重要建設項目。雖然預制裝配式變電站存在設計周期長、有經驗的單位少、招標可選擇范圍小、項目需分開發包、土建造價增加等缺點，但同時也具有便于構件管理、構件質量有保證、緩解場地不足難題、綠色環保、利于安全文明施工管理等優點。另外，預制裝配式變電站能縮短近一半工期，使項目可提前投入使用，能創造潛在的社會價值和經濟價值。構件模具還可用于其他項目構件生產，提高后續變配電站建設質量、縮短工期，并積累設計、生產、施工管理經驗。隨著科學技術的發展，預制裝配式變電站的技術、產品及實施經驗定會很快成熟起來，也將會成為變電站建設的重要方案之一。