装配式变电站钢结构建筑适用性分析

在“碳达峰、碳中和”的政策背景下，发展装配式建筑已成为我国推动建筑业改革的重要举措。文章对近年来浙江地区装配式变电站的设计、建设经验为依托，从使用要求、结构性能、投资控制3个角度分析钢结构建筑的适用范围及变电站中主要建筑物采用钢结构形式的必要性。

装配式建筑是传统建筑业与先进制造业的良性互动，是建筑工业化和建筑信息化深度融合的产物。推进装配式建筑发展，对推动建筑生产方式变革、保障工程建设质量安全、促进建筑产业转型升级和供给侧结构性改革等具有重要意义。尤其在近年新冠疫情的情况下，装配式建筑由于其“施工快捷”的特点，在抗疫过程中发挥了重要作用。未来在“十四五”政策和“碳达峰、碳中和”的时代大背景下，加大推进装配式建筑持续健康发展仍是重要趋势。

国家电网公司自2011年起推行装配式变电站，其中变电站主要配电装置楼结构形式采用钢结构代替现浇钢筋混凝土结构。经过几年的建设实践，钢结构体系在变电站建设过程中发挥了其能耗低、施工人员投入少、现场湿作业少的优势，同时也暴露了一系列问题，其中以造价偏高最为典型。本文以近几年浙江省变电站新建工程中装配式钢结构建筑物的设计及建设管理数据为基础，探讨变电站实施装配式建筑的必要性以及其造价控制问题，总结钢结构体系在变电站中的地位，为今后装配式变电站的发展与提升方向提供参考。

展与提升方向提供参考。目前浙江省发布的5个110～220 kV标准化通用设计方案中生产建筑物及主要辅助建筑物均采用装配式钢框架结构，本文各章节中技术经济性分析均以浙江省标准化通用设计方案中选取率最高的ZJ-110-A2-4 方案为例。

A2-4方案为全户内GIS布置形式。站区内设有配电装置楼一座，建筑面积1051 m2，建筑高度9.75 m（室外地面至女儿墙顶），室内外高差0.45 m。设有10 kV开关室、110 kV GIS室、电容器室、二次设备室、蓄电池室、安全工具室、资料室等。其中主变室和110 kV GIS室层高为8.00 m，其余房间层高4.00 m。该方案建筑模型如图1所示。

图1  配电装置楼建筑模型

我国装配式建筑主要分为装配式混凝土结构及装配式钢结构两种形式，其中 2020年采用钢结构的装配式建筑新增约1.9亿m2，较2019年增长46%，在当年新开工装配式建筑中的占比为30.2%，是装配式建筑的重要组成部分。

在工业建筑领域，通常情况下，工业厂房设备生产线占地较大且连续性强，需要一个较为开阔的室内空间，厂房等建筑物柱距一般比一般民用建筑大很多。由于材料特性的原因，混凝土结构的跨度较小，一般建筑跨度在18 m以内，而且随着柱距的增加梁高也会急剧增加，难以满足使用空间要求，而当采用钢结构门式钢架体系时其单跨跨度可达48 m。同时，由于钢材抗压、抗拉和抗剪强度都很高，基本属于各向同性材料。以Q355钢材与C30混凝土对比，相同截面尺寸下前者的抗压承载力是后者的约20倍，可见在承受相同压力的情况下，钢构件的截面尺寸可远小于混凝土构件。所以在工业上经常使用钢结构体系以实现结构大跨度、构件小截面的要求。

当一个地区的经济发展水平和人们的消费能力达到一定程度后，建筑的高度也会不断上升。然而随着楼层的增高，建筑物须要在地震、台风等极端情况下满足承载力及抵抗变形的能力，保证使用人员的安全性。这也会使技术难度大大增加，给建筑设计和施工带来许多难题。

根据文献[1]的统计，不包括基础及地下室在内，上部结构采用钢结构时的造价一般为混凝土结构的1.5～2.0倍。除了材料价差的原因，还在于防火涂料的使用以及由于钢结构制作安装技术导致的劳务费用的增加。然而即使如此，在高层建筑中采用钢结构体系仍旧具有有较高的经济性。首先，钢材的容重叫较混凝土材料小，一般高层建筑中，上部结构全部重量前者与后者的比值约为1∶ 1.5，即75层高度钢结构建筑上部结构重量只相当于50层高混凝土结构建筑，基础荷载明显减小，大大减小了地基处理费用及施工难度。其次，在钢结构构件达到一定规模后，其施工速度要快于混凝土结构，在高层建筑施工中一般可节省20%～30%的时间。建设进度的加快可减少财务投资带来的利息负担，也可使建设项目早日产生经济效益，收回成本。根据统计分析，钢结构建筑上部结构造价约为工程造价的15%～20%，占工程总投资的8%～15%，钢结构与混凝土结构的价差约为工程总投资的3%～7%。但是这种价差可通过降低地基处理费用，增加建筑使用面积和缩短工期等带来的经济效益弥补。通过财务投资分析，如果其带来的效益超过了由于结构选择而增加的投资，那采用钢结构建筑就具有较高的经济性。

目前装配式变电站中钢结构生产建筑的体量较小，多为一层或二层建筑。从结构形式上来说，其设备房间须要的跨度及空间均不大，而且由于房屋高度小，地震及风荷载效应在结构计算中不起控制作用，所以在结构选型上钢结构优势并不大。同样由于体量原因，相对于混凝土结构，钢结构方案的工期仅略优于前者，在建设周期未能大幅缩短的情况下，工期带来的红利无法体现。但是，在碳达峰、碳中和以及推行绿色装配式建筑的大环境下，装配式变电站的环保效益仍值得肯定。在减少碳排放，引领低碳经济发展中，在电力行业中推行装配式建筑的理念也能起到良好的示范作用，创造较大的社会效益。

俞昇森，本科，工程师，从事电力系统土建设计。