裝配式變電站工程實(shí)踐與發(fā)展趨勢(shì)綜述

房嶺鋒，李賓皚，馬曉元，彭益成，范 淵

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122； 2.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

我國(guó)2012年出臺(tái)的《關(guān)于加快推動(dòng)我國(guó)綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》中對(duì)建筑綠色環(huán)保特性的重視程度大幅提升。2014國(guó)務(wù)院《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)》提到城鎮(zhèn)綠色新增建筑比例要從2012年的2%提高到2020年的50%，2015正式實(shí)施新的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。2016年《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》提出要大力推廣裝配式建筑，減少建筑垃圾和揚(yáng)塵污染，力爭(zhēng)用10年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑比例達(dá)到30%。

以往的變電站工程中，建筑物絕大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。國(guó)外變電站采用裝配式結(jié)構(gòu)已有工程實(shí)踐。例如美國(guó)圣何塞市警察大樓與變電站聯(lián)建，大樓和變電站均采用了裝配式結(jié)構(gòu)，該工程因?yàn)椴捎昧艘幌盗泄?jié)能環(huán)保技術(shù)措施獲得了美國(guó)綠色建筑委員會(huì)頒發(fā)的能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒獎(jiǎng)銀級(jí)認(rèn)證。又例如奧地利北方電網(wǎng)公司建設(shè)了一座裝配式結(jié)構(gòu)的132 kV變電站，該站采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式，實(shí)現(xiàn)了主體結(jié)構(gòu)的裝配化。

為積極響應(yīng)國(guó)家的方針政策，以減少變電站工程建設(shè)對(duì)環(huán)境影響和污染，2013年國(guó)家電網(wǎng)公司提出建設(shè)裝配式變電站的總要求。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)與建造，實(shí)現(xiàn)工廠化加工和生產(chǎn)裝配式變電站構(gòu)件和材料。最終利用規(guī)模化生產(chǎn)全面達(dá)到變電站建設(shè)提升質(zhì)量，快速施工和降低成本的目標(biāo)。

1 上海地區(qū)裝配式變電站建設(shè)歷程

1.1 沿襲和創(chuàng)新

從2013年建造的第一個(gè)裝配式變電站——園海110 kV變電站算起，國(guó)網(wǎng)上海市電力公司在裝配式變電站建設(shè)歷程主要分為四個(gè)階段。

(1)以園海110 kV變電站為試點(diǎn)項(xiàng)目，采用常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)廠房模式進(jìn)行裝配式變電站的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，施工工序少等預(yù)期的目的，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)中采用的彩鋼巖棉夾芯板存在易變形，易漏水，使用壽命短等缺點(diǎn)。

表1 不同階段鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站選材比較與分析

(2)通過(guò)引入裝配式混凝土技術(shù)，以廟三110 kV變電站和新朝陽(yáng)110 kV變電站為試點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)制裝配式混凝土變電站的建設(shè)。工程實(shí)施過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些困難，諸如構(gòu)件自重大，現(xiàn)場(chǎng)安裝不便；板縫難處理，容易造成漏水；預(yù)制構(gòu)件連接處的節(jié)點(diǎn)較難處理；變電站結(jié)構(gòu)難以通過(guò)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，批量化實(shí)現(xiàn)成本降低；為保證構(gòu)件拼裝時(shí)穩(wěn)定性，需要搭設(shè)滿堂支架等。

(3)通過(guò)比選前兩階段裝配式變電站優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用鋼結(jié)構(gòu)作為裝配式變電站主要方案。經(jīng)過(guò)建筑材料的比選，結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化和完善，形成了第三代裝配式變電站方案，完成了樹(shù)浜110 kV變電站、洞涇220 kV變電站和興邦110 kV變電站的建設(shè)。

(4)在國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)和技術(shù)導(dǎo)則的指導(dǎo)下，結(jié)合上海的具體情況，對(duì)裝配式變電站進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，特別是改善和優(yōu)化了細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，最大程度的實(shí)現(xiàn)工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，一次成型的目標(biāo)。先后建造了碧海220 kV變電站、前灘110 kV變電站、海陽(yáng)110 kV變電站、金虹110 kV變電站、新科110 kV變電站、慶豐110 kV變電站等。

從裝配式變電站四個(gè)發(fā)展階段來(lái)看，國(guó)網(wǎng)上海市電力公司在技術(shù)方案選擇、材料選擇應(yīng)用方面做了大量深入細(xì)致的工作。

在技術(shù)方案選擇上，通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)本身作為一種裝配式建筑形式，具有所有裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，通過(guò)選材用材、工藝措施的設(shè)計(jì)與處理解決了鋼結(jié)構(gòu)耐火、耐腐蝕性能差的缺點(diǎn)。而裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在變電站工程中遇到的安裝、節(jié)點(diǎn)處理和規(guī)?；矫娴娜秉c(diǎn)較難克服。從而迅速確認(rèn)了采用鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，為后續(xù)的裝配式變電站全面鋪開(kāi)奠定了基礎(chǔ)。

在材料選擇應(yīng)用上，第三、四階段項(xiàng)目與第一階段項(xiàng)目相比在結(jié)構(gòu)鋼材、外墻圍護(hù)、屋面系統(tǒng)和內(nèi)墻結(jié)構(gòu)方面都做了較大的改進(jìn)和優(yōu)化，解決了鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站耐久性差、維護(hù)工作量大、隔熱性差、防水性能低，細(xì)節(jié)處理難度高等難題，使得相關(guān)性能和水平有了較大幅度的提升(見(jiàn)表1)。

1.2 方案優(yōu)化與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化

在方案優(yōu)化上，國(guó)網(wǎng)上海市電力公司結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)建筑布置特點(diǎn)，對(duì)變電站方案進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化，包括：(1)在不增加整站建筑面積的情況下，通過(guò)將主變室寬度和散熱器室寬度分別優(yōu)化至6.3 m和6.0 m，實(shí)現(xiàn)最大程度優(yōu)化主變室的富?？臻g和增加散熱器室的操作空間；(2)在不增加建筑面積的情況下，通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)巧妙設(shè)計(jì)將新增的消防控制室、空調(diào)外機(jī)室以及原來(lái)的戶外樓梯平臺(tái)全部整合到一層布置中，最大程度美化了變電站的建筑立面，使之能與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)；(3)通過(guò)改變110 kV變電站典型設(shè)計(jì)A2-7中結(jié)構(gòu)柱的排列方式，取消了10 kV開(kāi)關(guān)室部分結(jié)構(gòu)柱，打通了部分隔墻，實(shí)現(xiàn)了10 kV開(kāi)關(guān)室可直接對(duì)外開(kāi)窗，大大提高了通風(fēng)性和采光性。

在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化上，國(guó)網(wǎng)上海市電力公司主編和參編了國(guó)家電網(wǎng)公司裝配式變電站的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《標(biāo)準(zhǔn)裝配式變電站竣工驗(yàn)收規(guī)范》，《標(biāo)準(zhǔn)裝配式變電站調(diào)試規(guī)范》，《裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑物供貨技術(shù)規(guī)范》，《裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑物驗(yàn)收規(guī)范》和《220 kV裝配式變電站預(yù)制電纜施工工藝導(dǎo)則》，將裝配式變電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和方法進(jìn)行提煉、總結(jié)和固化，為裝配式變電站全面推行，提升質(zhì)量，加快進(jìn)度和降低成本提供了依據(jù)。

1.3 工藝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)外墻板尺寸模數(shù)化。通過(guò)對(duì)外墻板尺寸進(jìn)行了集中整理，首先調(diào)整建筑門(mén)窗、風(fēng)機(jī)的數(shù)量，再通過(guò)對(duì)稱、陣列、對(duì)齊等多種設(shè)計(jì)手法來(lái)美化建筑外立面，然后設(shè)定統(tǒng)一的外墻板縱橫向尺寸、分縫規(guī)則，起到了降低造價(jià)和提高生產(chǎn)、安裝效率的作用。

(2)新型門(mén)窗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化門(mén)窗洞口的尺寸和設(shè)計(jì)新型門(mén)窗節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，實(shí)現(xiàn)了與外墻板的規(guī)則結(jié)合，避免了門(mén)窗洞口跨板縫的情況，保持了外立面板縫之間橫平豎直。上述做法使得外墻板規(guī)格尺寸進(jìn)一步歸并，避免了異型尺寸板材加工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)的缺點(diǎn)。新型門(mén)窗節(jié)點(diǎn)采用了內(nèi)收窗框，設(shè)置收邊板和加強(qiáng)接縫處理等措施進(jìn)一步提升了門(mén)窗接縫的防水性能。

圖1 新型門(mén)窗節(jié)點(diǎn)示意圖

(3)四面企口板。變電站采用四面企口鋁鎂錳巖棉夾芯板，板中間用專用橫向和豎向?qū)犹幘粲?0 mm的溝縫，讓整個(gè)墻面具有幕墻的效果，同時(shí)增加了立面的立體效果；中間填充防火堵頭，有效解決防水問(wèn)題。企口設(shè)計(jì)以導(dǎo)水方式處理防水，與鋁板幕墻使用防水膠防漏不同，不會(huì)像鋁板幕墻因防水膠分解出膠油而污染墻面。四面企口方式，保證了內(nèi)填巖棉完全密封，氣密性和水密性十分優(yōu)越，可避免冷橋和結(jié)露現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。

圖2 四面企口板連接節(jié)點(diǎn)

(4)樓板采用閉口型壓型鋼板。閉口型壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土樓承板制作工藝使得鋼結(jié)構(gòu)部分不作為承重部分，因此可以降低鋼板的防火標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖3)。壓型鋼板的形狀可以制成特殊的形式用以安裝吊桿，吊桿可以在一定范圍內(nèi)滑動(dòng)，吊頂下的設(shè)備定位相對(duì)自由便于在施工時(shí)候根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。

圖3 閉口式壓型鋼板—混凝土樓板

(5)隱蔽雨落水管設(shè)計(jì)。通常變電站的雨落水管是直接安裝在建筑外墻上的，不但嚴(yán)重影響建筑美觀，還會(huì)破壞裝配式外墻的整體性。為了對(duì)建筑排水方式進(jìn)行優(yōu)化，首先調(diào)整屋面排水方向，將雨水引向露天的散熱器室，再通過(guò)地漏和室內(nèi)的雨水管，將雨水引至電纜層后，直接將雨水管接入戶外雨水井。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化有，雨水管得到有效遮蔽，建筑立面更整潔美觀(見(jiàn)圖4)。

圖4 前灘站隱蔽雨落水管設(shè)計(jì)

(6)清水混凝土工藝應(yīng)用。電纜層采用采用清水混凝土工藝。該工藝可以省去大量繁瑣的工序，將所有墻體改為現(xiàn)澆墻體，能簡(jiǎn)化建材、簡(jiǎn)化工藝、簡(jiǎn)化人力。同時(shí)采用清水混凝土工藝能令室內(nèi)墻面、頂面裝修統(tǒng)一，完美呈現(xiàn)工業(yè)建筑原有的質(zhì)感。

(7)采用平板式筏板基礎(chǔ)。利用鋼結(jié)構(gòu)站本體自重較輕的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的梁板式基礎(chǔ)優(yōu)化為平板式基礎(chǔ)。平板式基礎(chǔ)上部平整，可直接作為室內(nèi)地坪。同時(shí)減少了原先的架空板層，降低了費(fèi)用縮短了工期。平板式基礎(chǔ)鋼筋排布和混凝土澆筑方便，易于施工，澆筑工期短，施工費(fèi)用低，地下室空間的利用率高，混凝土用量節(jié)省12%以上。

圖5 碧海站鋼結(jié)構(gòu)框架防腐技術(shù)措施

(8)扭剪型高強(qiáng)螺栓的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)采用扭剪型高強(qiáng)度螺栓。扭剪型高強(qiáng)度螺栓施工時(shí)無(wú)需采用扭矩扳手檢驗(yàn)力矩，梅花頭擰斷即合格，避免了漏擰導(dǎo)致力矩不達(dá)標(biāo)的情況，有效提升了結(jié)構(gòu)安全性，相比前幾代鋼結(jié)構(gòu)變電站的大六角高強(qiáng)度螺栓施工更簡(jiǎn)便，性能更可靠。

2 存在問(wèn)題與改進(jìn)措施

2.1 建筑壽命與耐久性

鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站建筑壽命和耐久性是工程設(shè)計(jì)建造的重要關(guān)注點(diǎn)。因?yàn)闃?gòu)件出現(xiàn)腐蝕后，會(huì)引起一系列的影響使用和安全的問(wèn)題。例如外墻板出現(xiàn)腐蝕后容易導(dǎo)致變形，接縫不密實(shí)，影響建筑外觀和產(chǎn)生滲漏水等問(wèn)題。再例如主體框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕情況引起構(gòu)件承載力和穩(wěn)定性降低，影響整體結(jié)構(gòu)的安全性能。

根據(jù)早先已建的裝配式變電站情況發(fā)現(xiàn)，彩鋼板已出現(xiàn)部分腐蝕情況，因此在近幾年建設(shè)的變電站工程中以統(tǒng)一采用了鋁鎂錳板作為外墻板材質(zhì)。但鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站還有其他許多構(gòu)件需要面對(duì)防腐蝕的要求，諸如主體框架梁柱、檁條、壓型鋼板和戶外落水管等。

在主體框架方面，將構(gòu)件分為外露構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和內(nèi)埋構(gòu)件，分別采取熱鍍鋅，涂刷防銹漆和防火涂料，外包混凝土等措施提高其防腐性能。圖5為220 kV碧海站主體框架防腐蝕處理方案。

在檁條方面，采用先進(jìn)的預(yù)沖孔技術(shù)，不需要現(xiàn)場(chǎng)鉆孔。不僅保護(hù)了檁條的鍍鋅層，可避免檁條因現(xiàn)場(chǎng)沖孔而發(fā)生的銹蝕現(xiàn)象，延長(zhǎng)檁條壽命。而且也使檁條能更好得與板材、隅撐及拉桿支撐連接，便于安裝，準(zhǔn)確度高。

樓板采用的壓型鋼板，材料采用熱浸鍍鋅板，鍍鋅量275 g/m2，耐腐蝕性好。落水管采用鍍鋁鋅彩鋼板，公稱厚度0.5 mm，采用高耐候納米聚酯涂層，顏色同外墻板保持一致，具有高耐腐蝕性和長(zhǎng)效使用壽命。

2.2 安全防火性能

不采取任何防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限約為15分鐘，因此需要采取措施使其滿足防火要求。變電站內(nèi)含有大量的帶油設(shè)備和電纜等易燃部件，因此防火設(shè)計(jì)顯得更加重要。根據(jù)規(guī)程規(guī)范的要求，目前戶內(nèi)變電站的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為丙類，耐火等級(jí)設(shè)定一級(jí)。因此框架結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)柱、支撐的耐火時(shí)間為3 h，梁為2 h，樓板為1.5 h。

變電站內(nèi)的防火措施一般采用涂刷防火涂料和包裹防火板等措施。其中防火涂料根據(jù)構(gòu)件的耐火等級(jí)和時(shí)間要求，選擇采用薄型和厚型兩種形式的涂料。薄型防火涂料涂刷方便，效果美觀，厚型防火涂料可靠性高，兩種在變電站工程中均有應(yīng)用，具體可根據(jù)工程特點(diǎn)和消防部門(mén)要求進(jìn)行選擇。變電站工程中因柱耐火時(shí)間要求較高，涂刷防火涂料往往無(wú)法滿足要求或者涂刷厚度過(guò)大，因此需要采用防火板包裹。在鋼柱兩個(gè)翼緣之間及鋼柱翼緣外側(cè)設(shè)置防火板龍骨和墊塊，采用高溫粘結(jié)劑將龍骨固定在型鋼表面，再將防火板用釘子固定在龍骨上(見(jiàn)圖6)。防火板可以有效地在結(jié)構(gòu)和火災(zāi)之間起到阻隔的作用，可以大幅度地提高結(jié)構(gòu)的耐火耐候極限時(shí)間。

圖6 防火板包裹鋼柱示意圖

2.3 結(jié)構(gòu)滲漏水

外墻板本身具有一定的強(qiáng)度和剛度，材料本身一般不會(huì)漏水，漏水的原因主要在節(jié)點(diǎn)處理不當(dāng)。漏水的部位主要分布如下：

(1)屋面部位：外墻板與女兒墻頂面的壓頂過(guò)薄，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用壓頂腐蝕，另外用于連接壓頂與外墻板及女兒墻的自攻螺絲膠墊質(zhì)量差引起開(kāi)裂，玻璃密封膠老化等問(wèn)題造成外墻板和女兒墻之間縫隙漏水。

(2)雨篷部位：雨篷與外墻板之間未設(shè)置堵頭或未按要求伸入外墻板內(nèi)引起滲水。

(3)窗戶部位：鋁合金窗和墻面檁條之間有縫隙，窗戶上口泛水收邊件安裝中未做防水。

(4)外墻板接縫：接縫防水主要有自防水、封閉式線防水及開(kāi)放式線防水3種形式，如果膠水和止水條的質(zhì)量不滿足要求，容易出現(xiàn)墻面滲水的現(xiàn)象。

建筑女兒墻壓頂采用2.5 mm鋁單板制作，兩端設(shè)置止水板，內(nèi)側(cè)用丁基密封膠密封，內(nèi)填充泡沫棒，將縫隙形成一個(gè)密閉的空間，有效解決防水問(wèn)題。

裝配式變電站的外掛式外墻板可優(yōu)先考慮采用封閉式線防水形式，其構(gòu)造采用內(nèi)外三道防水，疏堵相結(jié)合的辦法，防水效果好，但對(duì)耐候防水膠的性能及結(jié)構(gòu)膠施工時(shí)的質(zhì)量要求比較高，必須進(jìn)行專門(mén)的工藝設(shè)計(jì)和由專業(yè)施工隊(duì)伍完成。外墻板與雨篷、女兒墻的節(jié)點(diǎn)防水部位采用質(zhì)量好的材料及防水膠。墻面板的檁條和鋁合金窗的縫隙應(yīng)完全密封，敷設(shè)丁基膠，窗戶上泛水收邊件應(yīng)預(yù)打密封膠。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較與論證

3.1 建筑工程費(fèi)用分析

目前鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的在變電站建設(shè)中并存[1-2]，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的差異主要在于結(jié)構(gòu)梁柱的材料工藝和外墻的材料工藝上，這兩者也是造成造價(jià)差異的關(guān)鍵因素。綜合考慮2015—2018市場(chǎng)價(jià)，混凝土結(jié)構(gòu)單位造價(jià)和鋼結(jié)構(gòu)單位建造費(fèi)用的組成部分如表2所示，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的取費(fèi)均為行業(yè)內(nèi)平均水平。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)單位建造費(fèi)用 元/m2

以1座典型A2-7的110 kV變電站體量為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建筑面積約為2 500 m2/站，其外立面約為2 000 m2/站，鋼結(jié)構(gòu)方案鋼梁柱為200 t/站，混凝土結(jié)構(gòu)方案鋼筋混凝土梁柱為280 m3/站。

通過(guò)計(jì)算可知，典型的110 kV混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)為175萬(wàn)元/站，鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)為302萬(wàn)元/站，鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)為混凝土結(jié)構(gòu)的1.73倍。

單從材料的造價(jià)上看，鋼結(jié)構(gòu)變電站高于混凝土結(jié)構(gòu)變電站，但由于鋼結(jié)構(gòu)變電站具有施工快速，工地濕作業(yè)少，周邊環(huán)境影響小，綜合效益能較好地體現(xiàn)出來(lái)。

3.2 全壽命周期費(fèi)用比較

由于鋼結(jié)構(gòu)站與混凝土結(jié)構(gòu)站的材料不同，所以在運(yùn)行維護(hù)以及后期拆除也存在差異，根據(jù)建設(shè)部于2005年頒布的《城市建筑垃圾管理規(guī)定》，各類建筑物在新建，改建，擴(kuò)建和拆除過(guò)程中產(chǎn)生的棄料應(yīng)進(jìn)行外運(yùn)集中處理，而根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)(World Steel Association)的2018年度上半年報(bào)告，報(bào)廢鋼鐵的可回收率為90%左右，綜合全國(guó)市場(chǎng)(北京，山東，江蘇，上海等省市)2018年5月回收價(jià)格，鋼材回收(含運(yùn)輸)平均價(jià)為2 000元/t左右。

綜合考慮2015—2018市場(chǎng)價(jià)，混凝土結(jié)構(gòu)單位造價(jià)和鋼結(jié)構(gòu)單位拆除與回收費(fèi)用的組成部分如表3所示。

表3 混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)單位后期費(fèi)用 元/m2

通過(guò)計(jì)算可知，典型110 kV變電站的混凝土結(jié)構(gòu)后期費(fèi)用為126萬(wàn)，而考慮鋼材回收帶來(lái)的價(jià)值，典型110 kV變電站的鋼結(jié)構(gòu)后期還可獲益33萬(wàn)，且混凝土結(jié)構(gòu)使用了大量的水泥，沙子和石子等不可再生資源的使用量，造成資源浪費(fèi)，在拆除過(guò)程中產(chǎn)生大量的粉塵，造成環(huán)境污染；鋼結(jié)構(gòu)作為一種可回收建筑材料，與國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相契合。綜上可知，鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的后期費(fèi)用優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)后期費(fèi)用，且其環(huán)境效益也優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。

變電站主要設(shè)備的壽命為30年，主要設(shè)備大修時(shí)，需考慮拆除并重建整體建筑外立面的20%(主要是主變外墻)，考慮鋼材料的重復(fù)利用性，該部分鋼結(jié)構(gòu)外立面再建時(shí)只需考慮拆除及安裝費(fèi)，除部分配件消耗外，無(wú)主材料費(fèi)，而混凝土結(jié)構(gòu)拆除后，混凝土砌塊及表面涂料均會(huì)破壞，需要重新購(gòu)買建材，然后砌筑。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，外墻涂料部分平均壽命為13年，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，平均金屬外墻板的無(wú)大修年限為50年，達(dá)到無(wú)大修年限時(shí)，預(yù)計(jì)需要更換全部金屬外墻板的20%，該部分鋼材具有回收價(jià)值。當(dāng)達(dá)到變電站建筑壽命上限時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑和混凝土建筑皆拆除。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的全壽命周期成本凈現(xiàn)值計(jì)算表如表5所示。

通過(guò)分析表4可知，鋼結(jié)構(gòu)的全壽命成本凈現(xiàn)值比混凝土結(jié)構(gòu)高80.22萬(wàn)元。主要是由于鋼結(jié)構(gòu)在期初發(fā)生的投資較大，但通觀整個(gè)全壽命周期，鋼結(jié)構(gòu)的外立面更換次數(shù)與更換費(fèi)用皆遠(yuǎn)低于混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，保障了變電站的安全運(yùn)行，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的回收價(jià)值，以及鋼結(jié)構(gòu)在建設(shè)過(guò)程中環(huán)保，高效的特性，雖然鋼結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本略高于混凝土結(jié)構(gòu)，但鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕，制作工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

通過(guò)測(cè)算可知，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的期初投資達(dá)到221萬(wàn)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本凈現(xiàn)值低于混凝土結(jié)構(gòu)。目前，鋼結(jié)構(gòu)的變電站還處于中期發(fā)展，相信隨著鋼結(jié)構(gòu)的變電站數(shù)量的增多，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模效益的擴(kuò)大，鋼結(jié)構(gòu)變電站的成本還具有下降的空間。

表4 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的全壽命周期成本凈現(xiàn)值

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 新型材料和技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1氟碳覆膜涂層

氟碳覆膜涂層具有更長(zhǎng)久的耐腐蝕性和抗褪色性能[3]，其特點(diǎn)如下。

(1)面層防腐處理：鋁鎂錳板卷流水線彩涂氟碳涂層，有烘涂過(guò)程，質(zhì)量均勻，結(jié)合致密，可確保墻面長(zhǎng)久的耐腐蝕性能。

(2)防雨性能：鋁鎂錳基板本身具有極好的防腐性能，且具很高的光潔度，表面工廠噴涂氟碳漆分子緊密，具有雨水沖刷自清潔功能。

(3)通過(guò)貼覆光譜選擇性反射隔熱膜，使得太陽(yáng)光中的熱輻射被反射80%以上[4-5]，大大降低了熱傳遞性，能保證建筑物良好的隔熱效果。

4.1.2耐火鋼材料

耐火耐候鋼的概念最早由日本提出[6]，其原理是通過(guò)在鋼材冶煉時(shí)增加一些其他金屬元素[7]，使得鋼材在一定高溫下其屈服強(qiáng)度不低于室溫屈服強(qiáng)度的2/3，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，耐火耐候鋼的屈服點(diǎn)仍然能保持在此值以上，建筑物就不會(huì)倒塌。因此可以大大減少防火涂料和防火板的使用[8]，從而顯著減少現(xiàn)場(chǎng)防火涂刷的工期，避免防火涂料脫落對(duì)于電氣設(shè)備的影響。同時(shí)，因?yàn)樵阡摬闹性黾佣喾N合金元素，提高的鋼材的耐腐蝕性能，為提升鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站的使用壽命提供了保障。

日本、美國(guó)和歐洲等都對(duì)耐火鋼進(jìn)行研究和應(yīng)用，其中日本的耐火鋼產(chǎn)量最大。國(guó)內(nèi)主要鋼鐵集團(tuán)也對(duì)耐火鋼開(kāi)展研究，并具備生產(chǎn)能力，目前國(guó)內(nèi)已有上海中福大廈耐火鋼應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目。

4.1.3內(nèi)嵌式集成化線槽

在內(nèi)墻離地2 400 mm高度處，留設(shè)200寬、300高工字形鋼梁，鋼梁兩側(cè)直接焊接在兩側(cè)柱上。該工字梁腹板設(shè)卡線抓，承擔(dān)橫向主槽盒作用，背面可承擔(dān)相鄰房間的主槽盒作用。工字鋼作為各房間橫向主線槽，共同形成了集耐火達(dá)標(biāo)、管線預(yù)埋、表面美觀的裝配內(nèi)墻體系。

在安裝完成后將房間內(nèi)的橫向管線通過(guò)墻上主線槽連通，墻面電氣設(shè)備或插座電線通過(guò)豎向預(yù)埋管線到終端。待排線完畢后，主線槽可用預(yù)配彩鋼片遮蓋，形成別具特色的室內(nèi)工藝標(biāo)示。在需檢修時(shí)，打開(kāi)鋼片，找到對(duì)應(yīng)線管便可便捷維修。

4.1.4屋面360°直立鎖邊

常規(guī)變電站的屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，這種形式因?yàn)闃前遄灾剌^大，所以樓板下需要布置承載力較大的框架梁予以支撐。而常規(guī)的金屬屋面板雖然具有自重輕的優(yōu)點(diǎn)，但是因板縫易漏水，應(yīng)用也較少。

目前在一些工業(yè)與公用建筑中，應(yīng)用了360°直立鎖邊屋面系統(tǒng)。該屋面系統(tǒng)具有適應(yīng)性強(qiáng)，抗變形能力強(qiáng)，質(zhì)量輕，易于工廠化生產(chǎn)[9]。最主要的是，該屋面在兩塊板銜接的直立邊，通過(guò)鎖邊機(jī)將板邊疊合后進(jìn)行360°的卷邊，使得接縫處達(dá)到完全密封的效果，同時(shí)也具有一定的可伸縮性。

對(duì)于沿?；蝻L(fēng)荷載較大的地區(qū)，還可使用屋面抗風(fēng)夾及特殊鋁合金夾對(duì)邊區(qū)及角區(qū)進(jìn)行加固處理，進(jìn)一步提升屋面的抗風(fēng)能力[10]。

4.2 建筑表現(xiàn)方式優(yōu)化

變電站建筑作為工業(yè)建筑的一種形式，在設(shè)計(jì)中與其它工業(yè)建筑一樣受到工藝布置很大的限制。由于它特殊的使用性質(zhì)，通常變電站建筑留給人們的印象往往是呆板的、灰暗的、比例失調(diào)的建筑。然而隨著設(shè)計(jì)理念的改變，變電站建筑的外觀越來(lái)越為大家所重視。

裝配式變電站建筑立面設(shè)計(jì)目標(biāo)為：建筑外型、風(fēng)格需要與周圍環(huán)境、景觀、市容市貌風(fēng)貌協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不突兀于總體環(huán)境，體現(xiàn)綠色、生態(tài)、符合人文特征的建筑美學(xué)。針對(duì)變電站建筑大體量、裝配式的建筑特征，優(yōu)化變電站的建筑形象。通過(guò)與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)而非簡(jiǎn)單模仿的方式，在建筑表皮提取主要色調(diào)和肌理，加之通過(guò)格柵，屋面，檐口收分，雨蓬等建筑構(gòu)件將建筑語(yǔ)言和符號(hào)進(jìn)行提煉，體現(xiàn)裝配式變電站與周圍整體建筑風(fēng)格的和諧統(tǒng)一。

變電站建筑風(fēng)格特征主要體現(xiàn)在：體量處理(以屋頂形式和體量分割方式為主)、材料運(yùn)用(材料與體量的組合、材料的組織與連接)、洞口的形式與組織關(guān)系、構(gòu)件的分析與選取等四個(gè)方面。建筑立面不是脫離平面而獨(dú)立存在的一種臉譜，而是由建筑功能派生出來(lái)的，是空間、體量、比例關(guān)系的外在表現(xiàn)，因此空間布局仍是立面設(shè)計(jì)之本，在一定的限制范圍內(nèi)作適當(dāng)?shù)难b飾和調(diào)整。力求找到一種最恰當(dāng)?shù)男问?，將相互矛盾的各方面統(tǒng)一起來(lái)，從而與其所處的特定環(huán)境取得平衡，體現(xiàn)工業(yè)建筑的美學(xué)價(jià)值的同時(shí)也體現(xiàn)了綠色、生態(tài)、符合當(dāng)?shù)厝宋奶卣鞯慕ㄖ缹W(xué)。

4.3 深度設(shè)計(jì)與智能制造融合

裝配式變電站本體部分是由建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、內(nèi)裝四個(gè)子系統(tǒng)組成，它們各自既是一個(gè)完整獨(dú)立存在的子系統(tǒng)，又共同構(gòu)成一個(gè)更大的系統(tǒng)。依據(jù)建筑系統(tǒng)和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的理念，按照上述四個(gè)子系統(tǒng)將預(yù)制品部件通過(guò)模式協(xié)調(diào)、模塊組合、接口連接、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工工法等一系列系統(tǒng)性集成裝配。通過(guò)在工地高效、可靠裝配，最終形成完整的裝配式變電站。實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到數(shù)字化加工制造、再到現(xiàn)場(chǎng)模塊化安裝和最后提供全周期數(shù)據(jù)的數(shù)字化交付的全生命周期的、可追溯性的“建筑”產(chǎn)品制造方案。

在深度設(shè)計(jì)方面，通過(guò)設(shè)計(jì)階段建立的一體化建筑模型，延續(xù)至施工階段進(jìn)一步深化，各專業(yè)單位在集成模型的基礎(chǔ)上各自進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，使模型達(dá)到工廠加工制造的深度和精度。鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)出圖深度能夠滿足車間數(shù)控排版、下料、鉆孔、組裝、焊接、矯正、除銹、涂裝等各道工序的要求。

同時(shí)在深化設(shè)計(jì)階段，鋼結(jié)構(gòu)綜合其他專業(yè)要求，預(yù)留空洞和接駁位置，使鋼結(jié)構(gòu)與其他專業(yè)達(dá)到功能協(xié)同、空間協(xié)同和接口協(xié)同。其他專業(yè)同理進(jìn)行深化設(shè)計(jì)和專業(yè)接駁預(yù)留，完善自身模型體系，達(dá)到滿足制作的深度要求。最終形成高度集成，高度完善的模型。避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)切割、開(kāi)孔、修補(bǔ)等現(xiàn)象，建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、內(nèi)裝四個(gè)子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)裝配式，整體實(shí)現(xiàn)裝配式。

在智能制造方面，依據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成最終模型，工廠智能化制造流水線可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化生產(chǎn)作業(yè)。

(1)智能下料中心。對(duì)板材進(jìn)行集中下料，集中儲(chǔ)存。通過(guò)柔性分配，在下料區(qū)域?qū)崿F(xiàn)上料、切割、下料、分揀、倉(cāng)儲(chǔ)、余廢料回收全流程“無(wú)人化”作業(yè)，有效降低輔助時(shí)間和等待時(shí)間。效率提高35%，人員減少86%。

(2)部件加工中心。使用搬運(yùn)機(jī)器人、切割機(jī)器人、焊接機(jī)器人等集中對(duì)零部件進(jìn)行二次加工，通過(guò)AGV車智能管控物流轉(zhuǎn)運(yùn)。有效提高部件生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)柔性。

(3)自動(dòng)組焊矯中心。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了全自動(dòng)臥式組立、焊接及矯正新型材料。將加工工序從9道縮短為4道，并且使用自動(dòng)輥道和RGV組成物流體系替代大部分的人工轉(zhuǎn)運(yùn)，減少構(gòu)件周轉(zhuǎn)時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)節(jié)拍，提升產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量，效率提高2倍以上，人員減少55%。

(4)自動(dòng)噴涂中心。機(jī)器人噴涂，智能化供漆和配比，室內(nèi)恒溫烘干，配備漆霧、廢氣處理。效率高，連續(xù)性強(qiáng)，質(zhì)量穩(wěn)定，且做到了低碳環(huán)保。效率提高100%，人員減少60%。

(5)機(jī)器人裝焊中心。機(jī)器人連續(xù)焊接，效率高，連續(xù)性強(qiáng)，質(zhì)量穩(wěn)定。程序化控制，智能化管理，提高設(shè)備使用率。效率提高100%，人員減少50%。

5 結(jié)語(yǔ)

從2013年至今，上海地區(qū)裝配式變電站建設(shè)已經(jīng)有了5年的歷程，裝配式建筑固有的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮和展現(xiàn)，已經(jīng)建成和投運(yùn)了一大批各類電壓等級(jí)的裝配式變電站工程。由于建設(shè)時(shí)間尚短，隨著裝配式變電站全面推行，在建設(shè)各個(gè)方面和整個(gè)過(guò)程中勢(shì)必也會(huì)遇到各類的問(wèn)題和困難，但是通過(guò)技術(shù)革新、管理創(chuàng)新、機(jī)制更新，在不斷解決遇到的問(wèn)題和困難的過(guò)程中，結(jié)合全社會(huì)領(lǐng)域裝配式建筑發(fā)展，裝配式變電站建造水平也會(huì)隨之得到充分提升和發(fā)展。