郭后二

裝配式變電站建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

郭后二

（安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司 安徽合肥 230000）

變電站建筑物采用單層鋼框架結(jié)構(gòu)，綜合考慮到跨度和荷載的因素，可以定型化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)，適合于裝配式施工建造，能夠真正體現(xiàn)輕鋼體系輕質(zhì)、快速高效、布置靈活等一系列優(yōu)勢。符合國家電網(wǎng)公司提出的“兩型三新一化”變電站的建設(shè)思路，可以實現(xiàn)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會的要求，對未來的變電站建設(shè)具有重大的指導(dǎo)意義。

裝配式變電站；建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

引言

我國已改過去鋼材不足的局面，轉(zhuǎn)而成為鋼材供大于求，現(xiàn)在國家的政策導(dǎo)向不是不用鋼材，而是積極合理的擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)在變電站建筑中的應(yīng)用。在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)類型中，滿足變電站消防要求的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)類型中目前常用的有裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)體系。另外我國勞動力價格低廉，屬于技術(shù)密集型的鋼結(jié)構(gòu)體系在節(jié)約勞動力方面的優(yōu)勢在價格上顯示不出來。如果定型化、批量化設(shè)計建造，則可以在一定程度上降低材料成本。因此，有必要對裝配式變電站建筑結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行分析和介紹。

1 建筑方案設(shè)計

安徽亳州孫廟110kV變電站站址位于利辛縣孫廟鄉(xiāng)縣道X050北側(cè)24m處，現(xiàn)狀為麥地，地面高程28.00～28.20m，地勢平坦。站址區(qū)域為建設(shè)用地，非基本農(nóng)田。

站址布置方位選擇為北偏東1.09°，平行于X050縣道，站址南側(cè)征地線和進(jìn)站道路位置與可研征地線重合。其他方向的征地線在可研征地紅線內(nèi)。站區(qū)場地設(shè)計標(biāo)高為30.80m，詳情見表1。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.1 建筑平面、立面、剖面設(shè)計

（1）建筑方案以研究建筑物可裝配化方案為重點，對整個建筑物進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，軸網(wǎng)及墻板模數(shù)化，使建筑有極強(qiáng)的延展性和可復(fù)制性。

（2）優(yōu)化設(shè)計程序，采用先結(jié)構(gòu)、后建筑立面，再建筑平面的逆向設(shè)計程序，減少裝配式預(yù)制構(gòu)件的類型，以保證裝配式墻板為最優(yōu)方案。

（3）從解決裝配式建筑的實際問題出發(fā)，選擇成熟外墻維護(hù)技術(shù)和通用產(chǎn)品，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，實現(xiàn)可復(fù)制，從設(shè)計角度減少構(gòu)件形式和數(shù)量的多樣性，降低施工難度[1]。

（4）立面設(shè)計：按照變電站工業(yè)建筑的屬性定位，本著“化繁為簡”的設(shè)計理念，運(yùn)用模塊化設(shè)計理念，將立面元素優(yōu)化、集成，提煉其核心功能，剝離與變電站無關(guān)的多余裝飾，化多樣為同一，為實現(xiàn)工廠定制化生產(chǎn)提供前提條件。

（5）建筑風(fēng)格：全站建筑采用同一的建筑元素與材質(zhì)，形成統(tǒng)一風(fēng)格。

1.2 生產(chǎn)綜合室技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本變電站建筑最大的亮點就是建筑平面及功能房間的優(yōu)化整合。根據(jù)無人值守智能變電站的性質(zhì)和工藝專業(yè)要求及總平面布置，優(yōu)化后建筑平面布局緊湊，功能分區(qū)合理，站內(nèi)交通組織流暢。與可研方案相比，全站僅設(shè)一棟生產(chǎn)綜合室，取消了原獨立10kV開關(guān)室。

為了最大程度節(jié)省全站建筑用地面積，全站建筑物僅設(shè)生產(chǎn)綜合室一棟，建筑面積約489.5m2。

按照建設(shè)“兩型三新一化”變電站的設(shè)計要求，本方案取消儀器材料間、警衛(wèi)室及衛(wèi)生間，僅保留安全工具間、資料間，用于放一些日常維護(hù)、檢測的工具[2]。

2 生產(chǎn)綜合室結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 生產(chǎn)綜合室結(jié)構(gòu)選型

2.1.1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性好、施工進(jìn)度快、地基費用省、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等優(yōu)點，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，它是環(huán)保型的和可再次利用的，也是易于產(chǎn)業(yè)化的結(jié)構(gòu)[3]。

經(jīng)比較分析得出：裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系符合現(xiàn)行的國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的規(guī)定，方案合理實用，能夠解決傳統(tǒng)變電站建設(shè)中的一些技術(shù)難題，諸如：

（1）設(shè)計、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；

（2）施工隊伍技術(shù)水平參差不齊；

（3）施工工藝復(fù)雜，建設(shè)周期長；

（4）施工污染環(huán)境；

（5）施工管理成本較高等技術(shù)難題。

2.1.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)與常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性好、施工進(jìn)度快、地基費用省、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等優(yōu)點，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，它是環(huán)保型的和可再次利用的，也是易于產(chǎn)業(yè)化的結(jié)構(gòu)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)與常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有輕質(zhì)高強(qiáng)、空間布置靈活、較強(qiáng)的抗震能力、工廠化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化施工等諸多優(yōu)點，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在防火，耐久性方面有明顯優(yōu)勢，因此鋼結(jié)構(gòu)的防腐和防火問題，在設(shè)計、制作、防護(hù)、安裝時必須引起足夠的注意。

經(jīng)統(tǒng)計分析，同等條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常規(guī)方案的單位工程造價為2400元左右，而裝配式鋼結(jié)構(gòu)的單位工程造價為3500元。盡管當(dāng)前裝配式鋼結(jié)構(gòu)的單位工程造價高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但主要因素不在結(jié)構(gòu)體系而是建筑內(nèi)外墻板、樓板、防火及構(gòu)配件成本較高。另外我國勞動力價格低廉，屬于技術(shù)密集型的鋼結(jié)構(gòu)體系在節(jié)約勞動力方面的優(yōu)勢在價格上顯示不出來。如果定型化、批量化設(shè)計建造，則可以在一定程度上降低材料成本。另外鋼結(jié)構(gòu)工程可以縮短工期，故相應(yīng)的工程貸款利息和管理費用大為節(jié)省，可以用來彌補(bǔ)較高的建安費。

2.1.3 結(jié)構(gòu)形式選擇

生產(chǎn)綜合室采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼框架結(jié)構(gòu)建筑體系是一種優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)體系，具有自重輕、地震反應(yīng)小，鋼材強(qiáng)度高、延性好、塑性變形能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此其抗震性能是其他鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)無法比擬的，尤其在遭遇罕遇地震下能夠避免建筑物的整體倒塌性破壞。

2.2 屋面板結(jié)構(gòu)體系選型

常見屋面板結(jié)構(gòu)有：全現(xiàn)澆混凝土樓板、裝配整體式混凝土樓板、鋼骨架輕型屋面板、鋼筋桁架樓承板組合樓板、壓型鋼板組合樓板、裝配式預(yù)制混凝土板。其中全現(xiàn)澆混凝土樓板、裝配整體式混凝土樓板與鋼結(jié)構(gòu)梁的連接不適用于鋼結(jié)構(gòu)體系。

2.3 梁柱截面形式選擇及優(yōu)化

2.3.1 梁截面形式選擇及優(yōu)化

根據(jù)PKPM-STS模塊計算結(jié)果，框架梁彎矩中端部彎矩最大，跨中彎矩小于端部彎矩較多。如跨度較大時梁全截面均按端部彎矩確定，將造成梁跨中截面強(qiáng)度富余，跨中附近截面不能充分發(fā)揮材料性能。故通過對A～B軸線間11m跨度梁采用變截面的方式進(jìn)行截面設(shè)計，減少梁跨中部的截面，實現(xiàn)節(jié)省鋼材，貫徹綠色變電站設(shè)計理念，見圖1。框架梁端部彎矩最大，跨度11m處通過從梁端向跨中變截面的方式進(jìn)行梁變截面設(shè)計，與等截面梁（見圖2）相比，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下可減少梁跨中部的截面0.1m，工程減少鋼材用量約為0.4t。

圖1 11m跨度處框架梁彎矩包絡(luò)圖

圖2 等截面梁示意圖

2.3.2 柱截面類型選擇

常見的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面類型主要有：箱型截面、寬翼緣熱軋H型鋼、焊接H型鋼、組合格構(gòu)式、熱軋工字鋼、熱軋槽鋼等。

本單體中鋼柱受荷面積適中且屋面荷載較小，且框架柱兩個方向受力較均勻，故初選焊接H型鋼型截面、箱型截面、十字形截面三種截面進(jìn)行比較。根據(jù)上文比較結(jié)果，鋼材采用Q345B級鋼，A～B軸線間11m跨度梁采用變截面梁，建立二種不同柱截面模型比較其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。

2.4 連接節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

框架節(jié)點設(shè)計首先要滿足抗震性能要求，傳力清晰，受力可靠，實現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點”的抗震設(shè)計理念。

節(jié)點為全固接節(jié)點，同時焊接工作在工廠完成，焊縫質(zhì)量容易得到保證，現(xiàn)場拼接采用螺栓連接，施工方便、快捷；樓層次梁支座均采用鉸接節(jié)點，梁腹板通過連接板與支座梁加勁肋全螺栓連接，該節(jié)點構(gòu)造簡單、施工方便。

3 結(jié)論

盡管當(dāng)前裝配式鋼結(jié)構(gòu)的單位工程造價高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但主要因素不在結(jié)構(gòu)體系而是建筑內(nèi)外墻板、樓板、防火及構(gòu)配件成本較高。鋼結(jié)構(gòu)工程可以縮短工期，故相應(yīng)的工程貸款利息和管理費用大為節(jié)省，可以用來彌補(bǔ)較高的建安費。總體來說，裝配式鋼結(jié)構(gòu)較常規(guī)的的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯將是未來裝配式變電站發(fā)展的主流趨勢。

[1]張浩，孟玲輝.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用研究[J].四川水泥，2016（04）.

[2]姚大園.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法及應(yīng)用[J].江西建材，2012（06）.

[3]倪順華.房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].黑龍江科技信息，2016（12）.

TM63

A

1004-7344（2016）31-0098-02

2016-10-15