预制装配式结构在变电站工业化项目中的应用

李政道 谭 波 陈 哲 熊美琴

1. 深圳大学土木与交通工程学院 广东 深圳 518060；2. 深圳新能电力开发设计院有限公司 广东 深圳 518052

预制装配式变电站是采用先进、可靠、环保的智能模块化单元组装而成的集约型封闭式变电站。它以信息数字化、网络化和标准化为基本要求，自动完成信息收集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能。与常规变电站相比，预制装配式变电站是占地少、工期短、成本低、无噪声、无辐射、免维护的环保型智能变电站。我国的变电站工程建设大都采用传统的现场作业方法，导致建筑队伍难以管理，工程质量难以保证，且工期长[1]。为降低变电站工程建设的不利影响，2014年初，中国南方电网有限责任公司（下称“南方电网公司”）基建部要求各省级电网公司及广州、深圳供电局开展标准化工程试点建设，对项目设计、构件生产、施工安装、运维全过程进行标准化作业和管理，以期形成完整的系统理论体系，最大程度实现可复制、可推广的新型精益化建设管理模式，从而提高变电站建设的质量和效益。

1 预制装配式变电站特点

1.1 整站设计、工法先进

预制装配式变电站是遵循一定的原则，将站内所有电气设备安装在一个性能优良的钢结构箱体内，从而实现隔热、防火、防潮，同时具有五面通风、全封闭、可拆装、增减间隔方便等优点。

装配式变电站内一、二次设备分别采用国内技术领先设备和常规综合自动化系统，其中二次设备也可采用进口PLC自动化系统。二次线采用先进的全站线束，整体布置，模块化插拔各个单元，实现工法先进的建设方式。

1.2 预制装配、工期优化

装配式变电站设计基于以往装配式建筑的建造经验，对变电站预制构件采用定型模具进行大规模工厂生产，并在加工完成后运至施工现场装配，以实现设计与施工一体化，消除了由于设计和施工分离及不协调而导致的工期影响[2]，有利于构件和施工现场管理，从而有效提高变电站的建设效率。

1.3 智能制造、组织协调

装配式变电站采用全站智能化设计，以实现电力系统“四遥”的独立运行及系统监测反馈与控制。变电站采用国际先进技术，为设备提供户内运行环境，避免了不利环境条件的侵害。变电站也可采用PLC面保护综合自动化系统进行信息交换、逻辑计算及控制执行。

常规变电站工程的大部分施工作业都在建设现场，致使现场人员繁多，器械繁杂，给管理人员对现场的管理和组织协调带来极大的考验，进而影响施工的质量及进度。而装配式变电站工程的大部分构件在工厂预制，现场组装，减少了现场作业量和建设人员，有效实现了组织、协调与管理的轻量化。

1.4 环境友好、节能环保

装配式变电站的外壳采用热镀锌钢板和电力铁塔制造技术[3]，外形设计美观。装配式变电站采用的钢结构主体可实现循环利用，其中建筑材料大都是钢构件，而螺栓连接的钢构件具有易拆除的特点，故建筑拆除后的钢材大部分可回收再利用。

在变电站建设中，钢结构与混凝土结构均有应用。装配式变电站的钢构件采用工厂预制、现场组装的方式，减少了现场湿作业和现浇工作量，从而减少粉尘、噪声等污染，有效避免建设过程中的环境污染和资源消耗等[4]。

2 110 kV龙华中心变电站工程实例

2.1 工程概况

110 kV龙华中心变电站为南方电网公司2015年混凝土组件预制的工厂化输变电工程试点项目之一，也是深圳电网进行全预制装配式应用的重点项目，位于深圳市龙华新区龙华街道，建成投产后将主要分担110 kV龙华站、油松站及松北站负荷，为龙华街道中部供电。

变电站主体建筑结构采用预制混凝土现场装配，总平面全户内布置，主体4层全地上布置，占地面积670.89 m2、总建筑面积2 597.74 m2。变电站采用装配整体式框架结构，地面以下采用现浇方式，地面以上采用预制和现浇相结合的施工方式（图1、图2）。其中，框架柱为预制，而梁柱节点为现浇，梁、板分别采用叠合梁和叠合板，外墙采用预制钢筋混凝土外墙板，主体楼梯为预制装配式楼梯，项目预制率高达61.25%。

图1 地上预制部分

图2 地下现浇部分

2.2 建（构）筑物概况

批复用地红线面积仅1 519 m2，且地块异形，所以采用标准化模块构件建设。站区内采用钢结构装配式方案生产建（构）筑物的成果为：采用小型化设计，无典型设计（以下简称“典设”）套用，总方案建设规模与标准设计总方案CSG-110B-G2a接近。布置形式和面积与典设（G1-1GIS2）有差异。共4层，单跨结构，地上1层为主变压器室、GIS（气体绝缘全封闭组合电器）室；地上2层为电缆层；地上3层为高压室、主控通信室；地上4层为电容器室、接地变压器室、蓄电池室（图3）。

图3 龙华中心变电站各层平面效果

2.3 构件生产

2.3.1 构件设计原则

设计方案的确定需综合考虑预制构件生产至安装过程的各类因素，合理拆分构件，优化构件的形状尺寸。预制构件的尺寸遵循少规格、多组合的原则，以提高构件模具的重复使用率。

为实现标准设计、标准生产、标准配送、标准安装，可进行统一柱距、统一层高设计，优化构件模块的形状尺寸，将主体建筑所有梁、板、柱、梯模块化。统一柱距：纵向轴线尺寸由原设计6.0、5.5、3.0 m改为6.0、3.0 m，使预制外墙板宽度统一为3.0 m，总轴线尺寸不变。统一层高：层高由原设计1.5、5.0、4.5、5.5 m改为3.5、5.4 m，使预制外墙板高度统一为2种规格，总层高不变。调整板厚：将板厚从120 mm改为250 mm，以便减去次梁，减少预制梁的数量及类型。

相比传统的工程量统计方法，BIM的应用可使工程量与模型实时关联，根据项目情况在模型中设置参数进行构件拆分，同时利用项目BIM标准体系中对预制构件的编码，可更快地统计出相应的预制构件及预制率（图4、图5）。通过对预制构件的统计，可分别汇总出柱、梁、板、楼梯等构件的预制体积及总体积，从而计算出预制率。其中，柱、梁、板、楼梯的预制率分别可达67.23%、40.06%、36.42%、54.57%，而总预制率为61.25%。

2.3.2 构件拆分生产

图4 预制构件整体效果

图5 预制构件拆分

为便于工厂生产、现场装配，装配式建筑需要对建筑地面以上部分进行模数化拆分。通过合理拆分，减少模具，可以凸显降低造价、利于运输、方便吊装、适应生产等优点。另外，构件的生产与加工不受施工现场进度的影响，可与变电站“三通一平”工程同步进行，大大缩短了工期。

预制构件采用工厂化生产，不受季节和天气等外部影响，效率高；高精度模具的应用，使构件质量得到提高，且具有较好的均一性。同时，龙华变电站的设备、材料按施工进度要求定时、定点配送，有效解决了以往设备、材料占用非建设场地的问题。

2.4 装配施工

为保证施工质量，预制构件安装前需要进行定位，同时，还需要在施工过程中对钢梁的位移和标高等参数进行跟踪测量[5]，并对安装的关键点进行全程控制，确保所有的构件安装符合要求。同时，现场采用专业化机械施工，降低了对人工数量和技能的需求，能缓解施工场地不足的影响。

2.4.1 预制柱柱节点连接

预制柱柱节点采用灌浆套筒连接，满足一级接头要求，接头抗拉强度较现浇增加15%，灌浆料抗压强度大于85 MPa（安装前进行试块检测）。横向节点与现浇模式一致，抗震性能等同现浇。采用灌浆套筒连接可保证连接质量，解决同截面主筋搭接问题，并符合模型计算节点假设条件（图6）。

2.4.2 预制梁柱节点连接

梁柱端部裸露的钢筋交叉水平放置后，利用模板，将此部分整体现浇。吊装作业时按构件安装时的姿态进行吊点设置，梁为水平双挂点，柱为竖向上部双侧挂点。梁柱接头采用高强度等级混凝土现浇，受力传递明确，整体性强，有利于建筑抗震（图7）。

图6 灌浆套筒连接技术

图7 梁柱节点连接模型

2.4.3 外墙防水处理

外墙板可采用实体墙，也可采用夹心墙体。墙板间连接分为上下拼接、左右拼接2种。墙体采用3道防水措施：最外层采用MS耐候胶密封（使用寿命达20 a），弹性好，可防止开裂和渗漏；第2层采用聚乙烯棒填充；内层采用构造防水及导流措施，行业应用效果明显。

3 技术创新与效益分析

3.1 技术创新

3.1.1 预制叠合板安装技术创新

单层的预制梁柱安装完成后，在吊装楼板前，做好下方支撑体系，支撑方式在设计过程中计算考虑，采用满堂架或专用支撑工具。预制板的吊装点设计为6处，在构件出厂前标出挂点，单层吊装完成后，同时处理好上部叠合部分的埋件后进行整体现浇。利用预制板作为底模，减少模板工程量。将叠合板应用于楼盖系统，可采用减重体填充降低质量，其中次梁的取消降低了施工难度。

3.1.2 基于BIM的信息化管理技术

近年来，BIM技术被广泛应用于建设项目，用来推动建筑业信息化改革[6]。通过BIM一体化设计技术、预制工厂生产技术和施工现场装配技术的整合利用，使各阶段信息无损共享，从而实现变电站的“设计、生产、装配一体化”。BIM技术的协同设计基于同一BIM模型，实现信息统一和共享，确保了各参与方的沟通质量和效率[7]。各方对工程进行协同管理，使工程在设计、构件、质量、安全等方面的管理更加信息化，提高了项目管理的效率[8]。

另外，利用三维BIM辅助设计，可进行预制构件和机电管线碰撞检查。在设计过程中，共检查出多处问题：夹层钢筋碰撞43处、二层钢筋碰撞21处、预制构件自身缺漏2处、预埋件位置不合理2处、预埋管道位置错误3处、建筑与结构不合理3处。装配式变电站的BIM信息化管理是以BIM模型为项目的信息源，结合资源装配计划，以云技术、RFID（射频识别）等物联网技术和移动终端技术为信息采集和应用手段，服务于预制装配式建造的一体化全过程管理，实现了基于BIM的信息化管理技术创新。

3.2 效益分析

3.2.1 建设成本

在“四节一环保”方面，具体在人工、模板、用水、用电、垃圾处理、装修等方面，龙华中心装配式变电站的优势凸显，社会效益和经济效益显著。其中，安装方面的直接成本减少66万元，算上节能减排及后期修理维护的费用，产生的间接效益为291万元。

在造价方面，主要对典设和龙华中心变电站地上建筑部分进行对比。龙华中心变电站为单个站的建设，预制量小、种类多，导致模具无法摊销，构件制作成本高。其中，总建筑费用造价为3 439 元/m2，较典设增幅31.07%，但若在批量生产的情况下，单位造价只高出2%～14%。因此，扩大预制规模、优化构件种类，可降低构件制作成本。随着装配式建筑的不断推广，经验和资源越来越丰富，装配式结构的造价将会不断下降。

3.2.2 节能环保

龙华中心装配式变电站的主变压器采用将散热器与本体分散布置于2个房间的方式（图8）。其中，散热器室采用电动百叶窗，确保散热效果；主变压器室采用隔声墙，最大化降低噪声。而南方电网公司典型设计的主变压器一般设有9 kW风机，单台风机每年电费约2.8万元；按6台风机计算，装配式变电站全年可节省电费约17万元；按25 a生命周期计算，共可节省电费约420万元。

图8 龙华中心装配式变电站主变压器分布示意

4 推广建议

预制装配式在设计、施工、管理方面都与传统现浇不同[9]，装配式的优点主要有：质量易控，湿作业减少，节能环保，工期缩短。缺点主要有：设计工作量增大，有经验的参建单位不够，预制产业配套不完善，招投标预期效果减弱[10]。而工期缩短作为装配式建设一大优势，受施工方案及熟练程度影响，表现可能不明显。总结建筑行业和本项目建设情况，本项目工期方面优势明显，较常规工期缩短约35%。同时，大部分标准构件模块均适用于适度优化后的V2.0典型设计，构件图的设计已充分考虑了现场安装工艺及实施难度，所有辅助施工的预埋件及节点均在设计图中体现，满足标准设计G4层的实施条件，同时丰富了G4层内容和标准件。因此，在预制装配式变电站的市场推广方面，建议如下：

1）培育产业。通过试点培育构件制造产业，丰富完善预制构件的工厂化生产环节。

2）优化典型设计。对标准设计按预制拆分的原则进行适度优化与调整，拆分后的构件形成标准化模块，构件及节点图按G4层深度设计，丰富标准设计G4层内容。

3）标准作业。通过标准化的工艺设计，制定相应的标准流程作业指导书。

4）验收评价标准。通过严格执行JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》、JG/T 398—2012《钢筋连接用灌浆套筒》、JG/T 408—2019《钢筋连接用套筒灌浆料》等验收规范，积累经验，补充完善相应的验收评价标准。

通过现阶段的实施体会，为推广应用预制装配式，需要在技术经济方面找到一个平衡，去规划预制总量规模，培育配套产业，优化设计，制定作业及验评标准。在标准建设的总体框架下，实现标准设计模块化、构件生产工厂化、施工安装机械化、项目管理精细化的目标。随着后续项目建设人工成本的增加，预制构件产业配套日趋完善，预制工程批量建设，其社会及经济效益将会非常明显。

5 结语

110 kV龙华中心预制装配式变电站是混凝土组件预制的工厂化输变电工程试点的重要建设项目。虽然预制装配式变电站存在设计周期长、有经验的单位少、招标可选择范围小、项目需分开发包、土建造价增加等缺点，但同时也具有便于构件管理、构件质量有保证、缓解场地不足难题、绿色环保、利于安全文明施工管理等优点。另外，预制装配式变电站能缩短近一半工期，使项目可提前投入使用，能创造潜在的社会价值和经济价值。构件模具还可用于其他项目构件生产，提高后续变配电站建设质量、缩短工期，并积累设计、生产、施工管理经验。随着科学技术的发展，预制装配式变电站的技术、产品及实施经验定会很快成熟起来，也将会成为变电站建设的重要方案之一。