裝配式建構筑物在特高壓換流站工程中的應用

常 偉，陳 樂，王茂忠，張玉明，李學鵬

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.國家電網有限公司直流建設分公司，北京 100032)

隨著科學技術的發展和進步，傳統的現澆混凝土建筑模式已逐步向“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的建筑模式發展[1],隨之提出“兩型一化”、“3C綠色”的建設理念，都對電網工程的建設提出了更高要求[2]。特高壓換流站工程具有建設效率快、施工工期緊、環保要求嚴、質量要求高等特點[3]。與常規的現澆混凝土設計方案相比較，裝配式建構筑物具有綠色環保、施工周期短、工廠化和模塊化程度高、節能降效等優點[4]。裝配式建筑技術日漸成熟，但換流站工程建設地點往往較為偏遠，裝配式建構筑物選擇必須綜合考慮建筑材料、當地施工技術水平等因素[5]。

促進傳統建筑轉型升級，大力發展裝配式建筑成為了中國現代建筑產業發展的必然趨勢[6-7]。國內學者對裝配式建筑墻體進行了大量研究[8-10]。另一方面，國內學者對裝配式建構筑物在變電工程中的應用進行了相關研究，張喆[11]從節能環保角度分析了500 kV變電站裝配式建筑的圍墻維護體系；陳俊杰等[12]提出了裝配式建筑物建筑結構一體化采用預制輕骨料混凝土型鋼組合空心墻板組合體系。袁文兵[13]研究了裝配式換流變防火墻的抗震性能; 余巍等[14]介紹了巴西美麗山二期換流站工程主要建構筑物采用裝配式結構設計方案及技術難點；陳俊等[15-16]分析總結了特高壓換流站目前常用的幾種裝配式結構體系優缺點及其適用范圍。

本文結合特高壓換流站工程實例，論述了主要建構筑物采用裝配式的材料應用現狀、建設工期及造價，對裝配式建構筑物的結構體系、結構連接節點、建筑墻體等進行了分析比較，綜合考慮節能環保、防火性能、隔聲降噪、施工效率及經濟效益等因素，提出了裝配式建構筑物結構型式、圍護系統、技術難點及施工方案，為裝配式建構筑物在后續特高壓換流站工程中的應用提供了借鑒。

1 特高壓換流站裝配式建筑物的應用

1.1 裝配式建筑物的結構選型

1.1.1 閥廳

特高壓換流站換流區布置高、低端4座閥廳，可采用面對面布置，也可采用一字型布置[17]。具體工程從抗震、工期、造價等因素考慮，閥廳可采用鋼筋混凝土框架結構、鋼-鋼筋混凝土混合結構或純鋼結構，其中，閥廳鋼結構支撐體系及屋蓋體系或鋼結構為天然的裝配式結構。如圖1所示。

(a)計算模型 (b)工程實例圖1 鋼結構閥廳

已建的特高壓換流站工程高、低端閥廳多采用鋼結構或鋼-鋼筋混凝土混合結構。考慮到工期影響，鋼筋混凝土框架結構基本無工程實例。由此可見，特高壓換流站閥廳的裝配化程度相對較高。

1.1.2 換流變防火墻

換流變防火墻是指換流變壓器與閥廳之間的縱向防火墻以及換流變壓器之間的橫向防火墻。目前，國內已建設的特高壓換流站工程中主要采用鋼筋混凝土框架填充墻或鋼筋混凝土抗震墻結構,如圖2所示。

(a)計算模型 (b)工程實例圖2 現澆防火墻

已建的特高壓換流站工程換流變防火墻采用裝配化程度不高，主要原因在于防火墻較高導致梁柱連接節點受力復雜、閥側套管穿縱向防火墻導致裝配式板需要提前預留大的孔洞、裝配式填充板的防火性能以及閥廳的密閉性要求等。

作為中國特高壓直流輸電技術全方位走出去的第一個工程“巴西美麗山二期±800 kV特高壓直流輸電工程”，里約及欣古換流站除閥廳主體鋼結構外，換流變防火墻采用了預制鋼筋混凝土裝配式結構，如圖3所示。

(a)計算模型 (b)工程實例圖3 裝配式防火墻

防火墻柱較高，需分段預制，現場拼裝。預制柱兩邊預留凹槽，預制鋼筋混凝土墻板從上往下嵌入式安裝，預制柱插入杯口式基礎中。整個安裝過程為無濕作業，達到綠色環保施工。

1.1.3 控制樓

主/輔控制樓一般為3/2層結構，可采用鋼框架結構、鋼筋混凝土框架結構、預制裝配式框架結構等型式。國內已建工程中，控制樓基本均采用了鋼筋混凝土框架填充墻方案。

±800 kV靈州換流站控制樓采用了鋼框架結構，工廠化生產、現場組裝，符合裝配式建筑的理念。其中主控制樓計算模型如圖4所示。

(a)計算模型 (b)工程實例圖4 主控制樓

靈州換流站控制樓框架柱采用箱型截面，框架梁在互相垂直的2個方向都與框架柱剛接，梁與柱連接采用了焊縫連接和栓焊混合連接2種形式。

已建的特高壓換流站工程中，除靈州—紹興特高壓直流輸電工程的送、受端換流站控制樓采用鋼結構外，其他換流站控制樓多采用框架填充墻結構，因此，控制樓的裝配化程度不高，主要原因在于控制樓層不高，施工周期不長，鋼結構造價較高，還需考慮防火問題，因此，國內特高壓換流站控制樓裝配化程度不高。

巴西美麗山二期±800 kV特高壓直流輸電工程主控制樓采用全預制裝配式鋼筋混凝土框架結構。主要構件有預制柱、預制梁、預制空心樓板以及預制內外墻板。所有構件均在工廠內由流水線制作完成后運輸到現場組裝。控制樓的安裝基本實現了現場無模板支護，施工過程中的環境污染得到有效控制，同時大大加快了施工進度。

控制樓預制梁柱的連接一般有2種方式。

a.柱牛腿上預埋錨筋與預制梁端預留孔通過二次灌漿錨固連接。

b.柱牛腿上預留埋鐵與梁端預留的埋鐵通過焊接連接。梁支座負筋與預制柱中預埋的錨筋通過套筒連接。預制梁柱節點連接如圖5所示。

(a)連接1 (b)連接2圖5 預制梁柱節點連接

控制樓外墻采用與閥廳防火墻相同的嵌入式墻板安裝方法。控制樓內部隔墻有2種，在對防火有特殊要求的樓梯部位采用240 mm厚混凝土砌塊,其他部分隔墻采用預制鋼筋混凝土墻板,采用與預制柱上埋鐵焊接的方法固定。

1.1.4 檢修備品庫

特高壓換流站內檢修備品庫多采用鋼筋混凝土排架結構+鋼屋蓋、鋼排架結構+鋼屋蓋以及預制裝配式鋼筋混凝土框架結構+鋼屋架,如圖6所示。

(a)計算模型 (b)工程實例圖6 檢修備品庫

已建的特高壓換流站工程中，檢修備品庫的屋蓋體系基本采用鋼屋蓋。鋼結構排架和鋼筋混凝土框排架結構在工程中均有應用。

1.1.5 戶內GIS室

已建的特高壓換流站工程中，戶內GIS室基本采用門式剛架結構，H型鋼柱、H型鋼梁，如圖7所示。戶內GIS室裝配化程度相對比較高。

圖7 戶內GIS室

1.1.6 空冷器保溫室

國內建設的特高壓送端換流站一般設置空冷器保溫室，采用單層門式剛架結構，可開啟式屋蓋體系，符合裝配式建筑的理念，如圖8所示。

(a)門式剛架 (b)外圍護圖8 空冷器保溫室

1.1.7 繼電器室

繼電器室平面布置規整，單層布置，其結構型式多為鋼筋混凝土框架填充墻結構，也有部分工程采用了裝配式方案。裝配式結構可采用輕鋼結構+ALC 加氣混凝土外墻板、預制鋼筋混凝土框架結構+預制鋼筋混凝土墻掛板、工字鋼框架+裝飾防火板復合外墻掛板、鋼結構+AS水泥基復合外墻掛板。

從近年特高壓換流站工程實踐來看，繼電器室等單層建筑物多采用鋼筋混凝土框架填充墻方案，裝配化程度不高。若考慮裝配式，其結構型式采用鋼結構、外墻板采用可預留電氣埋管的裝飾防火板或AS水泥基復合外墻板。

1.2 裝配式建筑物圍護材料選型

裝配式建筑物圍護材料應綜合比較其防火性能、施工效率、經濟效益、節能環保、隔聲降噪等因素，選擇出符合特高壓換流站需求的裝配式建筑墻體維護系統。

1.2.1 外墻材料的選擇

a.金屬面巖棉夾芯板指上下2層為金屬薄板，芯材是具有一定剛度巖棉的保溫材料，采用專用的自動化生產線復合而成、具有承載力的結構板材，安裝構造層次為鋼龍骨，作為墻體的支撐結構，室外側通過自攻螺釘把金屬巖棉夾芯板固定在墻梁上。此種外墻保溫隔熱、吸音隔聲方面效果顯著，同時由于其整體剛度較好、扣接方式合理、固定方法簡單，無需現場二次加工，因此其安裝周期、經濟效益均有較大優勢。

b.金屬裝飾復合外墻的構造層次為外墻板+鋼龍骨(內填充巖棉)+內墻板，另外在保溫層外側鋪設防水透氣層，以保證外墻系統的抗空氣滲透及防水能力，在保溫棉內側鋪設隔汽層，以阻止室內潮濕空氣進入保溫層而影響外墻系統的保溫隔熱性能。金屬板外墻系統外側板材材料的種類有壓型鋼板、壓型鋁板和鋁鎂錳板等金屬板材。此種外墻材料屬于輕量化的材質，減少了建筑結構和基礎負荷，具有優良的加工性能，色彩的多樣化及良好的安全性,能完全適應各種復雜造型的設計，為建筑外裝提供了良好的選擇條件，金屬裝飾復合外墻如圖9所示。

圖9 金屬裝飾復合外墻

c.硅酸鹽板復合外墻，其構造為外側纖維增強硅酸鹽裝飾一體板、龍骨(內充巖棉)、石膏板(或硅酸鹽板)。此種外墻防火性能較金屬復合板外墻更為優越，耐久性達50年左右，且可以適用于易腐蝕地區，如某些工廠區域、酸雨區域等，但是防水性和工廠化程度不如金屬巖棉夾芯板，硅酸鹽板復合外墻如圖10所示。

圖10 硅酸鹽板復合外墻

1.2.2 內墻材料的選擇

a.條板類隔墻，墻體直接由各類墻板拼裝而成，隔墻板自身承重，直接固定于建筑主體結構上，不需要設置隔墻龍骨。通常分為復合墻板、單一材料板材、空心板材等類型，具有耐潮、穩固、保溫、隔音等優點，市場上常見的商品有增強水泥聚苯板、復合夾芯板、鋼絲網水泥板、蒸壓加氣混凝土板等，厚度大多為60～100 mm，寬約600～1200 mm，高度同房間實際高度相同。

b.輕鋼龍骨紙面石膏板隔墻是以建筑石膏為主要原料，摻入適量添加劑與纖維做板芯，以特制的板紙為護面，經加工制成的板材。輕鋼龍骨紙面石膏板隔墻是將紙面石膏板固定在輕鋼龍骨上形成的非承重墻，直接涂抹石膏膩子以獲得更為完美的裝飾表面。

c.輕鋼龍骨纖維增強硅酸鈣板隔墻是一種典型的裝修纖維增強硅酸鈣板，采用特殊工藝制造，具有優良的防火性能，用水泥砂漿抹面比較困難，需要附加鋼絲網。輕鋼龍骨纖維增強硅酸鹽板隔墻可以填充巖棉提高防火、隔聲和保溫性能。纖維增強硅酸鹽板作為裝修材料，其燃燒性能為A級。

d.輕鋼龍骨玻鎂板隔墻，玻鎂板俗稱氧化鎂板，與水泥纖維板和石膏板都屬于無機礦類板材，與輕鋼龍骨復合，在室內裝修中被廣泛作為墻板和天花板使用。玻鎂板的主要成分是氧化鎂、氯化鎂、玻纖網、輕質填充材料等。玻鎂板最顯著的特性是防火性能好，屬于A級不燃材料。

2 特高壓換流站裝配式構筑物的應用

從國家電網有限公司提出“兩型一化”施工理念開始，我國輸變電行業全面開展了裝配化施工的研究和試驗，其中在裝配式圍墻和電纜溝上陸續實現了部分工程實際應用，裝配式構件材質也從易變形的有機復合材料發展到性能穩定的高強水泥基鋼筋混凝土材料，并取得了良好效果。

2.1 裝配式普通圍墻

裝配式普通圍墻立柱和墻板均采用水泥基復合材料，工廠統一生產，產品成型后統一養護，具有施工周期短、使用年限長、后期維修成本低的技術特點。裝配式普通圍墻如圖11所示。

(a)三維模型(b)工程實例圖11 裝配式普通圍墻

2.2 裝配式降噪圍墻

換流站工程需根據環評批復意見所確定的噪聲控制標準，對站內噪聲進行預測，根據噪聲計算結果，確定是否加高圍墻、按照降噪圍墻考慮。降噪圍墻一般采用上部隔音屏障+下部實體墻的組合方案。上部隔音屏障可選用輕型鋼結構。下部實體墻結構一般有3種結構型式：第1種是鋼筋混凝土框架填充墻，鋼筋混凝土框架柱，混凝土柱之間采用砌體填充，簡稱“框架填充”；第2種是鋼筋混凝土框架填充墻，鋼筋混凝土框架柱，混凝土柱之間采用預制板填充，簡稱“半預制”；第3種是預制裝配式墻體，預制混凝土柱(梁)、預制裝配式板墻，簡稱“全預制”。

降噪圍墻上部主體結構工程造價主要包括實體圍墻費用和隔音屏障兩部分費用。根據實體圍墻的結構型式不同及實體圍墻與隔音屏障的高度取值不同，降噪圍墻的總體費用也會有所差異。

框架填充墻是工程造價最優的降噪圍墻結構方案。框架填充方案與半預制方案的差別僅僅是填充材料的不同。兩種不同方案的工程造價差異主要取決于不同填充材料的單價費用。砌體填充墻工程造價低、施工周期長、墻體易裂縫。預制板墻組件簡單、施工方便、墻體不易裂縫，但造價較高。

降噪圍墻采用半預制方案的工程費用多于框架填充墻方案，但較全預制方案費用低。從推動裝配式角度出發，降噪圍墻應首選現澆框架梁柱+預制板墻的半預制方案，如圖12所示。

(a)實體圍墻(b)實體圍墻+隔音屏障圖12 裝配式降噪圍墻

2.3 裝配式電纜溝道

換流站電纜溝道一般選用磚砌、素混凝土現澆或者是鋼筋混凝土現澆的方式。

裝配式混凝土電纜溝應用的關鍵在于預制混凝土溝道構件的制作成型精度和強度、預制件聯接緊固和密封防水技術、溝道排水處理措施和溝道異形斷面處的處理等[18]。裝配式電纜溝道在特高壓換流站工程中應用相對較多，電纜溝的工廠化預制可靠性、接口對接工藝的嚴密性、接縫的防水性、沉降縫處理等關鍵技術均得到成功驗證。

a.材料

目前裝配式混凝土電纜溝具有高強度、高韌性、易澆筑及高抗裂性能的特點，可滿足在保證設計受力要求的前提下盡可能減小電纜溝的壁厚，以方便運輸、安裝及環保節能的需要。預制電纜溝道構件主要為槽式和隧道式，如圖13所示。

(a)槽式電纜溝預制構件

(b)隧道式電纜溝預制構件圖13 裝配式電纜溝道

b.接頭連接

預制裝配式電纜溝的接頭連接方式關系著電纜溝軸線抗彎性能和整體穩定性，一般采用預應力筋連接接頭、螺栓連接接頭或承插式接頭。綜合采用(如同時采取承插式接頭加預應力筋連接)2種以上接頭型式更能提升電纜溝抗彎能力。

c.拼縫防水

裝配式電纜溝拼縫防水應采用彈性密封原理，以預制成型彈性密封墊為主要防水措施，并保證彈性墊的界面應力滿足限值要求，彈性密封墊的界面應力不應低于1.5 MPa。溝道接口采用承插式接口，受口側槽深20 mm、插口側凸出25 mm，構件間采用截面為35 mm×12 mm的止水膠條和樹脂膠進行密封隔離，確保接縫緊密防水。

d.排水

裝配式電纜溝一般盡可能采用等截面預制件，以利于預制模板的重復使用，便于降低成本。在豎向布置設有場地表面排水坡度時，電纜溝溝底排水坡度等同于場地地表坡度，可以做到等截面預制。當場地不設排水坡度時，裝配式電纜溝就不能像現澆混凝土電纜溝一樣為滿足溝底排水要求采取變高的方式，工程實踐中通常采取2種措施，解決電纜溝底的排水問題。第1種采用等截面預制溝道，電纜溝采用埋入地下布置，高端起點電纜溝頂覆土100 mm，低端隨電纜溝底排水坡度，溝頂覆土厚度逐步增加。此時電纜溝需每隔6～8 m設置出地面檢修人孔；第2種為預制電纜溝側壁高度預留溝底部找坡厚度，電纜溝安裝完成后再按照0.3%的坡度用細石混凝土做溝底找坡層。

3 裝配式建構筑物技術難點

預制裝配式結構具有構件工廠預制化，現場建設裝配化、施工機械化的特點，可以減少現場“濕作業”，減少現場勞動力投入，縮短建設施工周期，提高工程建設質量，提升現場安全文明施工水平。裝配式混凝土結構具有建設工期短、產品質量高、能源損耗低、環境污染小等優勢，是實現建筑行業可持續發展的必然選擇。

裝配式混凝土結構發展的一個重要制約因素是節點連接問題[19]。對于裝配式框架結構，梁柱節點尤其關鍵，其對裝配式混凝土結構的抗震性能具有直接影響[20]。梁柱節點連接可采用濕連接和干連接2種。國內外學者關于預制混凝土梁柱節點連接開展了系列研究，但仍然不夠全面完善，對于預制混凝土框架節點連接的研究尚需進一步深入研究。

換流站建構筑物存在著電氣一次、電氣二次、采暖通風及水工等專業需要的電力電纜、管網通道。現澆結構中如有部分遺漏，可采用后開孔的補救方法。但是裝配式結構對于后開孔有較大的限制，特別是穿樓板的孔洞。因此在預制工廠加工構件前，需要提前做好相應的通道規劃，并提前與相關專業配合，避免后期補救對預制構件的破壞。

4 結語

裝配式建構筑物綠色環保的施工工藝極大減少了現場濕水作業，節約了施工工期。目前，國內特高壓換流站工程裝配式建構筑物裝配率還不是很高，主要是受限于理論試驗研究還不夠充分，缺乏工程實踐經驗。

本文對特高壓換流站工程建構筑物結構型式進行了基本的介紹，總結分析了裝配式建構筑物在特高壓換流站工程中的發展現狀和應用，并提出相應技術方案。目前，裝配式建構筑物在特高壓換流站工程的應用還未完全普及，隨著理論和試驗的深入研究及各方面技術的日漸成熟，這些問題將會得到很好地解決，裝配式建構筑物技術也將會在特高壓換流站工程中得到更廣泛的應用。