混凝土屋面分布式光伏發電系統的結構設計淺析

摘 要：結合混凝土屋面分布式光伏發電系統的工程實例，從增設光伏發電系統后既有建筑的承載力復核，光伏組件的壓塊設計，光伏支架的檁條、斜梁、立柱及基礎的設計，電氣設備支架及其基礎設計，電纜橋架及其基礎設計幾個方面，對混凝土屋面分布式光伏發電系統結構設計的具體內容及設計過程中需要注意的細節問題進行了討論分析。研究結果表明：混凝土屋面分布式光伏發電系統的結構設計方案并非僅局限于結構的本體設計，還需要綜合考慮與其相關的周邊事物（例如：屋面新增荷載計算、光伏組件安裝傾角設計、屋面的防水處理、檢修通道設計、安全護欄設計、樓板開洞設計）及周邊環境的影響，從而選擇最優的混凝土屋面光伏發電系統整體設計方案，以保證整體設計的安全性及合理性。

關鍵詞：混凝土屋面；分布式光伏發電；結構設計；光伏支架

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

為積極響應碳達峰、碳中和目標，近幾年中國新能源行業出現了新的發展態勢。根據國家能源局發布的統計數據，截至2022年12月底，中國太陽能發電累計裝機容量約為3.9億kW，同比增長28.1%，其中分布式光伏發電的占比為58.48%。由此可見，分布式光伏發電的發展迅猛，改變了以往以集中式光伏發電為主的局面，已逐漸成為推動綠色低碳發展的新動力。

本文以北京地區某分布式光伏發電節能項目作為工程實例，針對建設在混凝土屋面的分布式光伏發電系統，從增設光伏發電系統后既有建筑的承載力復核，光伏組件的壓塊設計，光伏支架的檁條、斜梁、立柱及基礎的設計，電氣設備支架及其基礎設計，電纜橋架及其基礎設計幾個方面，對此類光伏發電系統結構設計的具體內容及需要注意的細節問題進行討論分析。

1" 混凝土屋面分布式光伏發電系統的組成

混凝土屋面分布式光伏發電系統主要由光伏組件、光伏支架及其基礎、逆變器、匯流箱、電纜等組成；與其相關聯的建（構）筑物為安裝該光伏發電系統的既有建筑。因此，系統設計中應圍繞混凝土屋面分布式光伏發電系統及其相關聯的建（構）筑物來進行相應的結構設計。

2" 混凝土屋面分布式光伏發電系統的結構設計[1-3]

混凝土屋面分布式光伏發電系統采用的光伏支架的設計使用年限為25年，應對結構構件進行承載力、穩定和變形、抗裂、抗震驗算。光伏支架基礎的設計使用年限為50年，應進行承載力和穩定性驗算，包括：豎向承載力驗算、基礎結構強度驗算及基礎穩定性驗算（包括基礎抗滑移、抗拔、抗傾覆驗算）。

本文以某分布式光伏發電節能項目為實例，采用PKPM軟件的鋼結構二維設計功能對混凝土屋面分布式光伏發電系統的結構設計進行分析計算，先通過“工具箱”模塊計算光伏支架檁條部分，再通過“支架”模塊計算光伏支架立柱及斜梁主體部分。

2.1" 增設光伏發電系統后既有建筑的承載力復核

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》的要求[4]，在既有建筑上增設光伏發電系統時，應根據該建筑的種類，分別按照現行國家標準GB 50144—2019《工業建筑可靠性鑒定標準》和GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》的規定進行可靠性鑒定。

新增光伏發電系統后建筑的可靠性是光伏發電系統安全建設、運維的先決條件，但該建筑能否滿足新增光伏發電系統的荷載設計要求，不應由建筑的結構形式及建設年代而定，而應根據建筑本身的現狀及條件，由該建筑設計單位或具備檢測、鑒定資質的第3方機構來復核評估該建筑能否滿足新增光伏發電系統的荷載設計要求，并出具相應的報告，以為項目后續的決策及處理提供技術依據。

2.2" 光伏組件的壓塊設計[5]

常規光伏組件與檁條一般通過壓塊及螺栓連接，其中，光伏組件與光伏組件之間采用中壓塊，光伏組件邊部采用邊壓塊，因此，壓塊的材質及尺寸的選擇很重要。若壓塊強度不能滿足光伏發電系統的荷載設計要求，其有可能在風荷載作用下發生扭曲變形，嚴重情況下甚至會導致光伏組件脫落，如圖1所示。

1）壓塊的材質[4]。對于風荷載較小的建筑物屋面，壓塊可采用6063-T5材質的鋁合金；對于風荷載較大的建筑物屋面，壓塊可采用6005-T5材質的鋁合金。

2）壓塊每個邊的壁厚均應謹慎設計，一般情況下每個邊的壁厚都應不小于3.5 mm。

邊壓塊及中壓塊的形狀示意圖如圖2所示。圖中：t1～t7分別代表壓塊不同位置的壁厚。

2.3" 檁條設計

檁條采用“屋面連續檁條”模塊進行設計計算，通常長度取6 m，跨度取2 m。在光伏組件兩側各設兩處固定支撐點，由兩根檁條沿垂直于光伏組件長度的方向支撐，每根檁條均要承擔上部荷載。光伏組件及檁條安裝位置的模擬示意圖如圖3所示。

檁條所承擔的上部荷載計算時取線荷載，左風荷載工況下的荷載（此時左風荷載與光伏組件自重荷載疊加）計算結果比右風荷載工況下的荷載計算結果對檁條更為不利。

檁條材質大多數采用薄壁U型鋼或槽鋼，其選型可結合斜梁整體選型及斜梁與檁條的連接形式來確定。

2.4" 斜梁及立柱設計

結合光伏支架實際受力情況，利用軟件設計時輸入的斜梁上部荷載應為點荷載（由檁條經連接節點傳遞）而不是線荷載，斜梁的荷載不僅包含光伏組件和檁條的自重，還應適當考慮連接螺栓及電纜的自重。不同風荷載工況下的斜梁荷載示意圖如圖4所示，圖中：x代表水平面（屋面）方向；y代表垂直于水平面的方向；數值均為斜梁設計的荷載標準值，kN/m。

建模計算中，需注意斜梁和立柱連接節點處的約束布置參數應結合實際設計情況進行設置。

斜梁和立柱可選擇薄壁U型鋼、方管鋼、圓管鋼；對于截面開孔構件而言，凈截面和毛截面比值這一參數應按實際情況進行設置。

2.5" 光伏支架基礎設計

混凝土屋面光伏發電系統的光伏支架基礎可采用的形式多樣，需結合既有建筑的屋面結構形式及現狀來確定最優的基礎方案。下文針對混凝土配重墩、錨栓及植筋這兩種基礎形式進行分析。

2.5.1" 混凝土配重墩基礎

針對既有建筑結構屋面的承載力設計值高于新增光伏發電系統荷載設計值的屋面，光伏支架基礎可采用圓形或方形混凝土配重墩基礎。由于混凝土配重墩基礎較重，為避免施工過程中對屋面表層的防水層造成破壞，可考慮先在需要放置混凝土配重墩基礎的位置外擴50～100 mm的范圍內鋪設1層防水卷材，然后再放置混凝土配重墩基礎?；炷僚渲囟栈A下方的局部防水效果圖如圖5所示。

2.5.2" 錨栓或植筋[6]

針對既有建筑結構屋面的承載力設計值較低、屋面板厚度不小于100 mm的屋面，光伏支架可采用錨栓（可為機械錨栓或化學錨栓）或植筋固定于屋面。錨栓或植筋安裝完成后需對其進行承載力測試，以確保立柱柱腳的抗拔、抗拉、抗滑移均滿足設計的承載力要求[7]。錨栓的安裝示意圖如圖6所示。

與混凝土配重墩基礎相比，采用錨栓或植筋固定光伏支架的優勢在于減輕了光伏發電系統整體自重，大幅降低了屋面新增荷載；而缺點則是錨栓或植筋的安裝需要在原結構屋面打孔，破壞了原本的防水工程，需要采取一定措施來恢復屋面原本的防水功能?？稍诹⒅_底座安裝前在屋面刷第1道防水涂料（即屋面和底座之間），待底座安裝完畢，在底座外擴50 mm范圍設置高度為100 mm的素混凝土保護帽（即采用素混凝土外包柱腳，以防積水腐蝕立柱），并在保護帽外露部位及其周邊一定范圍內刷第2道防水涂料。

由于植筋必須是全螺紋螺桿或帶肋鋼筋，其僅適用于鋼筋混凝土構件（即屋面板）或預應力混凝土構件，不適用于素混凝土構件或低配筋率構件（即縱向受力鋼筋一側的配筋率小于0.2%）；而錨栓以上情況均適用。因此，在選擇光伏支架基礎形式時，應綜合考慮所有條件后再確定。

2.6" 電氣設備支架及其基礎設計

除光伏組件外，逆變器、匯流箱、視頻監控桿、并網柜等電氣設備也需要設計支架及其基礎。

2.6.1" 逆變器、匯流箱的支架及其基礎

針對光伏支架后立柱高度較高的工況，可直接利用后立柱增設兩道支撐梁作為逆變器、匯流箱等電氣設備的支架，且無需另設基礎，如圖7所示。

針對光伏支架后立柱高度有限的工況，需單獨設置電氣設備支架及其基礎。多個電氣設備應按一定間隔布置，避免出現電氣設備及其支架、基礎過于密集的狀況，對屋面板不利。

另外，為有效避免夏季時陽光直射使逆變器溫度過高出現降載的問題，可在逆變器頂部設置遮陽擋板。

2.6.2" 視頻監控桿的基礎

為滿足視頻監控范圍的需求，視頻監控桿的基礎形式可隨其所在場地條件做相應調整。針對周邊設置了型鋼立柱的場地，可通過連接板及螺栓將視頻監控桿底部與既有型鋼立柱的柱頂連接；當場地周邊無既有構筑物時，則應單獨設計視頻監控桿的基礎，此時可采用混凝土基礎。兩種視頻監控桿基礎的安裝示意圖如圖8所示，圖中：“-”代表鋼板。

2.6.3" 并網柜的基礎

針對安裝在室外的并網柜，可設置混凝土獨立基礎。該基礎澆筑時需預埋鍍鋅鋼管電纜穿線管，鋼管的定位、數量及出基礎的方位均應結合場地條件布置，以滿足電氣專業需求。

針對安裝在室內的并網柜，對于室內已預留了并網柜孔洞的配電室，需根據預留孔洞優化設計并網柜柜體底部的支撐型鋼，可通過膨脹螺栓將支撐型鋼固定于建筑樓板，也可利用樓板孔洞中已預先安裝的型鋼埋件作為支撐型鋼，然后再安裝并網柜柜體。對于室內未預留并網柜孔洞的配電室，可根據電氣線纜的直徑及數量，在柜體底部出線位置對應的局部樓板區域開洞，然后再安裝并網柜柜體。

2.7" 電纜橋架及其基礎設計

為防止被屋面雨水浸泡，電纜槽盒的設計高度通常都高于屋面100 mm以上。

為減輕屋面新增荷載，在條件允許的情況下，電纜橋架可優先利用光伏支架的混凝土配重墩基礎，通過膨脹螺栓固定在該基礎上；其余情況下，可利用磚砌基礎墩進行電纜橋架的固定，與采用混凝土配重墩基礎相比減輕了基礎自重，并且便于施工，可減少施工工期。電纜橋架的安裝示意圖如圖9所示。圖中：M8為膨脹螺栓的型號。

3" 混凝土屋面分布式光伏發電系統結構設計的注意事項

3.1" 屋面新增荷載計算

在復核既有建筑的結構承載力時，新增恒荷載通常只考慮光伏組件、光伏支架及基礎3部分內容，但應縱觀項目的整體情況進行綜合評估。后續安裝的電氣設備（例如：逆變器、匯流箱）的支架及其基礎、電纜橋架及其基礎均應列入光伏發電系統布置場地的荷載計算范圍，作為新增荷載的一部分進行計算。

3.2" 光伏組件安裝傾角設計

當場地條件有限時，綜合考慮右風荷載的情況，光伏組件安裝傾角不宜設置較大，應適當降低，以確保光伏支架結構能夠滿足設計要求。但并非光伏組件安裝傾角越小越好，因為光伏組件安裝傾角過小會導致光伏組件表面易積灰塵，并且遇雨雪天氣時光伏組件表面的積水（或積雪）不易排放，會造成一定程度的發電量損失。

3.3" 屋面的防水處理

屋面防水層的現狀圖如圖10所示。

安裝屋面分布式光伏發電系統時，需要確保在不破壞屋面原本防水功能的前提條件下進行。

屋面的防水處理可分為以下3種情況：

1）當屋面原本的防水層老舊且出現局部滲漏時，需要先修補或更換防水層；

2）當屋面原本的防水層完好無損時，采用混凝土配重墩基礎的情況需在該基礎下鋪設1層防水卷材來保護屋面原防水層；

3）當屋面設置了錨栓或植筋來固定光伏支架時，可在立柱柱腳底座外及錨栓四周設置素混凝土保護帽，并在保護帽外露部位及其周邊范圍涂刷防水涂料。

3.4" 檢修通道的設計

混凝土屋面檢修通道通常采用光伏組件布置時考慮前后排光伏組件陰影遮擋避讓形成的空間地帶，屋面四周也應考慮設置檢修人員行走通道。

3.5" 安全護欄設計

對于商業或公共建筑而言，由于其屋面的女兒墻較高（一般大于等于1.2 m），可保證光伏發電系統施工安裝、運行期的安全操作。

對于大部分戶用光伏發電項目所在建筑而言，由于其屋面的女兒墻高度僅為0.3～0.5 m，甚至有些屋面未設計女兒墻，因此在必要情況下，需在屋面四周設計安全護欄，以保證戶用光伏發電項目的施工及運維安全。

3.6" 樓板開洞設計[7-8]

在需要滿足并網柜穿線需求的情況下，樓板開洞應慎重，盡量將開洞尺寸做到最小。

1）當孔洞的直徑（或孔洞為方形時的邊長）小于等于100 mm時，不需要切斷樓板內的鋼筋，并且可以不設置孔洞的附加鋼筋。施工時應先清除建筑面層及鋼筋保護層，避開樓板內的鋼筋位置再開孔，且不能破壞原配筋；然后鑿毛、修補保護層；最后按建筑原方案對樓板結構層上部的建筑面層進行恢復處理。

2）當孔洞的直徑（或孔洞為方形時的邊長）大于100 mm時，應根據孔洞周邊的荷載情況及孔洞的尺寸大小，按《簡明鋼筋混凝土結構構造手冊（第5版）》[8]的要求對樓板進行加固設計，必要時應增設附加鋼筋或加設邊梁。

3.7" 周邊環境的影響

當光伏組件安裝在屋頂的通風設備頂部時，通風設備的運行情況可能對光伏支架及光伏組件產生負面影響。此時應先在現場的通風設備上進行光伏組件區域試裝，并在試裝完成后運行一段時間，確保已安裝光伏組件的運行不存在任何問題，然后再進行大面積安裝；若光伏組件運行存在問題，則應對原設計進行修改調整，從而保證光伏發電系統可以安全運行。通風設備上安裝光伏組件的現場照片如圖11所示。

4" 結論

本文針對混凝土屋面分布式光伏發電系統，以北京地區某分布式光伏發電節能項目工程為實例，對此類系統結構設計的具體內容及需要注意的細節問題進行了討論分析。得出以下結論：混凝土屋面分布式光伏發電系統的結構設計方案并非局限于結構的本體設計，還需要綜合考慮與其相關的周邊事物（例如：屋面新增荷載計算、光伏組件安裝傾角設計、屋面的防水處理、檢修通道設計、安全護欄設計、樓板開洞設計）及周邊環境的影響，從而選擇最優的混凝土屋面光伏發電系統整體設計方案，以保證整體設計的安全性及合理性。

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑結構荷載規范：GB 50009—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 鋼結構設計標準：GB 50017—2017[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2017.

[3] 電力規劃設計總院. 光伏支架結構設計規程：NB/T 10115—2018[S]. 北京：中國計劃出版社，2018.

[4] 中國電力企業聯合會. 光伏發電站設計規范：GB 50797—2012[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[5] 全國有色金屬標準化技術委員會（SAC/TC243）. 一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材：GB/T 6892—2015[S]. [S.l.：s.n.]，2015.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 混凝土結構后錨固技術規程：JGJ 145—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 混凝土結構加固設計規范：GB 50367—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[8] 國振喜，國馨月，李玉芝. 簡明鋼筋混凝土結構構造手冊[M]. 5版. 北京：機械工業出版社，2017.

BRIEF ANALYSIS OF STRUCTURAL DESIGN OF CONCRETE ROOF DISTRIBUTED PV POWER GENERATION SYSTEM

Guo Min

（Harbin Puhua Electric Power Design Co.，Ltd，Beijing 100069，China）

Abstract：This paper combines an engineering example of a distributed PV power generation system on a concrete roof，and discusses and analyzes the specific content of the structural design of the concrete roof distributed PV power generation system，as well as the details that need to be paid attention to in the design process，from the aspects of reviewing the bearing capacity of existing buildings after adding the PV power generation system，designing of pressure blocks for PV modules，and designing of purlins，inclined beams，columns，and foundations of PV bracket，the support and foundation design for electrical equipment，and the design of cable trays and foundations. The research results show that the structural design scheme of the concrete roof distributed PV power generation system is not limited to the design of the structure itself，but also needs to comprehensively consider the impact of surrounding factors （such as the calculation of new loads on the roof，the design of installation inclination angle of PV modules，the waterproof treatment of the roof，the design of maintenance channels，the design of safety guardrails，and the design of floor openings） and the surrounding environment，in order to select the optimal overall design scheme of the concrete roof PV power generation system to ensure the safety and rationality of the overall design.

Keywords：concrete roof；distributed PV power generation；structural design；PV bracket