0 引言

随着社会的发展以及技术的进步，对工程建设在节能、环保、高效方面的要求越来越高。变电工程传统建设方式户外作业时间长、施工占用场地面积大、耗费人力多、易受外界环境的制约，同时还伴随着大量的湿作业方式及施工废料、废水的产生，不利于节能环保，施工质量易受施工现场人员素质、能力水平的影响。在对建设周期要求越来越短、建设结构功能要求越来越高的情况下，变电工程传统现浇混凝土建设模式的弊端愈加明显。近年来，装配式建筑以其建造速度快、生产成本较低、绿色施工及节能环保的特点而被广泛应用于建筑领域^[1]。针对电力形势发展的需要，国家电网公司、南方电网公司相继提出了“两型一化”及“3C绿色”变电站建设理念，并相继开展了预制装配式变电站试点工作。装配式变电站通过标准化设计、工厂化加工、装配式建设，可实现变电站由建造向制造的转换，为变电站的土建设计及施工带来全面的革新。

1 装配式变电站土建设计的原则与特点

装配式变电站主要是为满足标准配送式智能变电站的建设需要而设计的，其应用推动了变电站设计理念的创新，体现了优化集成的设计思想，同时贯彻了节能环保、可持续发展的设计理念。装配式变电站以变电站全寿命周期成本最低为建设目标，以工业标准化生产来代替现场浇筑制作，以各施工工序并联开展代替串联施工流程，进而实现了变电站土建施工先行的可操作性，缩短工程建设周期^[1]。

装配式变电站的土建设计与传统建造方式明显不同，其在设计过程中需综合考虑预制构件生产工艺、运输条件、现场施工条件及安装方式等因素，需结合地区资源条件以及项目自身特点才可确定总体技术方案；同时，在设计阶段就需要对预制构件的运输及吊装过程进行验算，对施工技术要点、施工顺序进行必要的说明^[2]。

2 装配式变电站结构体系和材料的选择

国家电网公司于2007年7月开始建设我国首座全预制装配式变电站——110 kV齐梁变电站，该工程于当年10月投入运行。随后220 kV位庄变电站、110 kV杨柳变电站、500 kV祯州变电站等一批装配式试点工程相继建成投产^[3-6]。装配式变电站主要由结构体系和围护系统构成。目前，结构体系主要有装配式混凝土柱+钢屋架组合结构、轻型门式钢架、钢框架、冷弯薄壁型钢结构等4种；围护系统主要有ALC（Autoclaved Lightweight Concrete，蒸压轻质混凝土）板、FC（Fiber Cement，纤维水泥）板，ECP（Extruded Cement Panel，挤出成形水泥）板、压型钢板夹芯板、钢丝网水泥夹芯板、GRC（Glass Fiber Reinforced Cement，玻璃纤维增强水泥）复合板6种。以下结合已建成变电站的相关资料，对目前常用的装配式变电站结构体系和材料特点进行分析。

2.1 装配式结构体系 2.1.1 装配式混凝土柱+钢屋架组合结构

结构柱采用预制混凝土柱，梁采用实腹式钢梁或者钢结构桁架梁。该结构的技术核心在于节点的处理：在节点处存在一定量的湿作业，且工艺要求较高、技术难度较大。该结构体系在推广过程中还存在以下问题。

（1）不同于规模化住宅结构，变电站建筑的梁、柱构件数量少，且受工艺布置的影响，标准化程度低，构件获取困难。

（2）节点复杂，对加工、施工精度要求高，柱钢筋如采用套筒连接，灌浆质量难以控制和检查。

（3）若采用叠合梁板，现浇工作量较大，若采用焊接连接则梁柱构件内需预留大量埋件，加工、施工均不方便。

针对以上原因，该种结构体系目前在装配式变电站应用较少。

2.1.2 轻型门式钢架

由钢架柱、斜梁、侧向支撑、檩条、系杆、山墙骨架组成。该结构普遍应用于各种类型工业厂房，技术成熟度较高，同时具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工等特点。该结构体系适用于变电站单层建筑物，如户外AIS（Air Insulated Swich，空气绝缘开关）、HGIS（Hybrid Gas Insulated Swich，混合气体绝缘开关）室，而户内GIS（Gas Insulated Swich，气体绝缘开关）室因受站区面积、房间功能等因素的影响，不适用于该种类型结构。

2.1.3 钢框架

主要包括钢框架+压型组合楼盖结构体系、空腹梁支撑钢框架体系，两者之间主要区别在于楼盖系统不同。

2.1.3.1 钢框架+压型组合楼盖

由框架梁、框架柱、梁柱连接组件、压型组合楼盖及基础构成。框架柱为方钢管柱，通常内部填充补偿收缩混凝土形成钢管混凝土柱，提高了结构的承载能力。框架梁为宽翼缘的H形钢截面梁，楼盖体系为压型钢板底膜现浇混凝土结构，通过剪力钉与框架梁连接。

2.1.3.2 空腹梁支撑钢框架体系

由立柱、支撑、楼盖系统和基础组成。立柱采用方形空心截面柱，内部一般不填充混凝土，梁采用空腹桁架梁，梁上下弦杆均采用钢板冷弯成型的槽形截面，腹杆采用角钢截面。支撑为定型化钢板冷弯成型的槽形斜撑。框架柱与桁架梁采用带法兰的柱套连接，斜撑与柱、梁采用高强度螺栓连接，此2项连接为该体系的关键节点。该连接实现了结构的分层装配，也是满足工业化生产要求的关键。

该种结构体系适用于变电站的生产综合楼、配电装置楼等多层建筑物，以及屋顶有设备的单层重型屋面建筑物，因此对于户内GIS室较为适用。

2.1.4 冷弯薄壁型钢结构体系

由墙体、楼面及屋面3个系统组成，所有构件均采用常温下轧制成型的镀锌薄壁型钢，一般采用C形和U形薄壁截面。该种结构体系采用工厂化生产，并通过自攻或自钻螺钉实现现场快速装配。该结构为无柱结构，室内空间利用率高，整齐美观，同时具有自重轻、跨度大、抗风抗震性能好，以及保温、隔热、隔声性能好等特点。由于该结构体系为轻钢结构体系，其楼面系统的荷载一般为3~5 kN/m²，适用于变电站单层、多层轻载屋面建筑物。对于GIS室等大荷载楼面则不适用。

2.2 围护系统

围护系统的技术性能指标主要包括材料及构成、施工速度、接缝处理、抗震性能、工业化程度等5个方面，常用围护结构的性能如下。

（1）GRC复合板材是1种集装修保温于一体的复合墙板，各项性能指标良好，是未来围护系统的发展方向。

（2）ALC板保温隔热性能好，但刚度、表面硬度较低，且接缝多、装饰工程量大，多用于内墙。

（3）FC复合板材质轻、强度高、隔热保温性能好，但现场施工量大、效率低，不符合预制装配工业化要求。

（4）ECP板表观质量好、强度高，但现场施工量大、效率低，板材色差大且造价高。

（5）压型钢板夹芯板外表美观、自重轻、抗震性能好，但防腐、防火及耐久性较差，需要定期维修。

（6）钢丝网架水泥夹芯板轻质、强度高、抗震性能较好，但接缝多，还存在热桥、二次装修等问题。

根据上述分析及国家电网公司、南方电网公司在装配式变电工程的实践经验，装配式变电站的建筑结构型式推荐采用钢结构，其在工厂化生产、标准化施工、建设周期、抗震防灾、节能环保等方面具有明显优势，同时也符合建筑工业化发展方向。围护系统方面，因ALC板、ECP板、压型钢板夹芯板等板材存在表面硬度不够、色差大、耐久性低及需要定期维护等问题^[5]，所以不建议使用。而具有免维护、装修保温一体化等优点的复合墙板，将会是未来围护系统的发展方向，所以推荐使用。

3 装配式变电站在内蒙古电网的应用分析 3.1 应用现状

内蒙古电网已建变电站多为传统现浇混凝土结构，且大都为有人值守变电站，装配式变电站的应用尚未全面开展。内蒙古电网所涉区域多为高污秽等级地区，全户内GIS变电站应用较多，鉴于内蒙古地区区域特点及电网现状，推广应用装配式变电站十分必要且迫切。装配式变电站的应用有助于提高内蒙古电网的智能化、标准化建设水平，节约变电站建设成本，缩短建设周期。

3.2 110 kV装配式变电站建设方案分析 3.2.1 变电站简介

内蒙古乌海地区某110 kV变电站采用了装配式结构（见图 1）。该变电站为半户内变电站，主变压器布置在户外，110 kV配电装置、10 kV配电装置布置在生产综合楼内，110 kV线路向北出线，10 kV线路向南、北出线。变电站大门布置于站区北侧。

3.2.2 主建筑

主建筑地上部分采用单层钢框架装配式结构，主体框架采用钢梁、钢柱，其中钢梁采用H形钢，钢柱采用箱形截面，钢材型号均为Q345B。

屋面板为钢筋桁架楼承板结构，采用钢筋混凝土筏板及钢筋混凝土独立基础。地下设电缆夹层，电缆夹层顶板采用钢筋混凝土梁板式结构，主变压器基础采用现浇钢筋混凝土基础。

建筑外墙为装配式墙板，设计选用高强度挤塑成型水泥板（AS板）+轻钢龙骨石膏板；内墙采用轻钢龙骨石膏板内隔墙。该钢框架及外墙围护结构均在工厂预制，现场只需进行拼接即可，加快了变电站的施工进度。

3.2.3 水泵房

站内设1座半地下水泵房，该水泵房主体结构及屋面均采用轻钢结构，钢架梁柱的钢材型号均为Q245B。水泵房外墙采用装配式墙板，采用AS板+轻钢龙骨石膏板。水泵房采用水泥地面，内墙及顶棚均采用乳胶漆涂料。

3.2.4 工程技术性能要点 3.2.4.1 防火

本工程主变压器虽位于生产综合楼外，但两者距离较近，工程防火需重点考虑。依据GB 50016— 2014《建筑设计防火规范》，建筑物（构筑物）柱与梁的耐火极限分别为2.5 h、1.5 h^[7]，对柱、梁以及相关连接钢件均作防锈处理后，使用薄涂型防火材料使其满足防火要求。结构的围护墙体采用150 mm厚AS板材，满足GB 50229—2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》规定的防火墙耐火极限不小于3 h的要求^[8]。

3.2.4.2 钢结构防腐

结构主体的钢结构防腐需要在防火涂料涂刷前完成，所有构件均采用喷射除锈（质量等级为Sa2.5）^[9]。目前防腐材料的种类繁多，不同材料适用于不同的工作条件，本工程采用冷喷锌加面漆的防腐方式：先喷涂ZD96-1冷喷锌1遍，再涂ZS43-40可复涂聚氨酯面漆1遍。喷涂过程需按规定分层施工，每层涂料施工时，前1道涂料应表干、厚度均匀，并在实干后方可采取保护性措施。

3.2.4.3 墙板缝的处理

所有墙板缝在刮腻子前均采用耐碱玻纤网格布防裂，同时为防止构件拼接处漏水，在水平拼接缝处设计采用3道防水措施，即材料自身的密封防水、空腔构造防排水、空心橡胶密封条防水。墙体与窗框处采用窗框与墙板整体制作方式进行防水。

3.2.4.4 装配率

装配率即单位建筑零米标高以上的承重结构、围护墙体和分隔墙体、装修与设备管线等采用预制部品部件的综合比例^[10]，是综合评价单体建筑装配化程度的1个指标。

由于该工程只是在主控室结构部分采用了钢框架装配式结构，而围墙、电缆沟等构筑物部分仍采用传统工艺，且二次设备也未采用预制舱式组合结构，所以根据装配率计算公式^[10]，该变电站的装配率相对较低。但随着工程建设经验的不断积累，装配式模块化变电站将会在内蒙古电网得到更全面、更广泛的应用，变电站的装配率一定会稳步提高。

4 结语

近年来，随着内蒙古地区经济的不断发展以及电网技术的快速进步，内蒙古的电网建设正向智能化方向转变，装配式变电站试点工程也在内蒙古电网逐步开始建设。虽然本文介绍的装配式变电站的装配率还不高，对工程整体质量、安全、进度、工程造价等方面尚未起到明显的促进作用，但随着内蒙古电网各试点工程的逐步建成，装配式变电站的优势必将得到充分体现。