双碳背景下模块化装配式变电站设计研究

张敏 邹盛 王庭华 周洪伟 宗炫君

摘要：近年来，装配式建筑在建筑行业中的应用越来越广，积极研究装配式建筑在节能方面的技术是助力我国提前达到“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。本文论述了装配式变电站的建筑设计和构筑物设计方案，提出了“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的智慧变电站建设模式。通过对墙体、门窗、电缆沟、道路等模块化构件进行分析，明确了变电站的模块化建设具备很好的低碳环保效果、良好的交互性和可靠性等优势。为双碳背景下模块化装配式变电站的设计和建设提供思路。

关键词：双碳背景;变电站;模块化;装配式设计

Research on modular prefabricated substation design under dual carbon background

Zhang Min，Zou Sheng，Wang Tinghua，Zhou Hongwei，Zong Xuanjun

（ Economic and Technological Research Institute of Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu，210008）

Abstract：In recent years，the application of prefabricated building in the construction industry is more and more widely，actively studying the prefabricated building in energy saving technology is the inevitable choice to help China to achieve the goal of "carbon peak，carbon neutrality" in advance.This paper discusses the architectural design and structure design scheme of prefabricated substation，and puts forward the smart substation construction mode of "standardized design，factory processing，and prefabricated construction".Through the analysis of modular components such as walls，doors and Windows，cable trenches and roads，it is clear that the modular construction of substation has good low-carbon environmental protection effect，good interaction and reliability.It provides ideas for the design and construction of modular prefabricated substation under dual carbon background.

Keywords：Double carbon background;Substation;Modular;Assembly design

1 引言

碳達峰、碳中和对全球来说既是一场能源革命，更是一场经济与社会革命[1]。当前我国经济处于转型升级的重要机遇期，完善碳排放优化方案，服务于以新能源为主体的新型电力系统建设，促进能源绿色低碳发展，对于我国的经济高质量发展具有重要意义[2]。电力行业作为能源消耗大户以及污染气体排放的重要贡献者，在“节能减排”方面具有很大的潜力[3]。变电站作为电网系统中重要的组成部分，对国民经济发展起着至关重要的作用[4]。

随着建筑建设周期的不断缩短，张培是建筑应运而生。装配式建筑具有绿色施工、环保节能、工期节约、质量提高等优点，装配式建筑的应用顺应了电网建设的发展潮流[5]。作为城市型变电站，土建设计应当综合考虑变电站与区域土地的综合利用、城市建设、城市规划、环境保护城市或区域设计等相关内容[6]。我国现有的变电站在建筑设计中通常是使用钢管杆和混凝土相结合所制作的框架，这种框架结构大大增强了变电站结构的安全性[7]。装配式变电站是智能变电站的一种新颖的形式，该类型变电站采用装配式技术，先对相关设备进行生产、组装，然后再运输到施工现场进行装配安装[8]。遵循建筑设计的一般规律，深入研究装配式变电站的特征和实施经验，全面提升整体土建水平，对于电力行业发展具有重要的支撑作用[9]。

本文论述了装配式变电站的建筑设计和构筑物设计方案，提出了“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的智慧变电站建设模式。通过对墙体、门窗、电缆沟、道路等模块化构件进行分析，明确了变电站的模块化建设具备很好的低碳环保效果、良好的交互性和可靠性等优势。

2装配式变电站设计

2.1 装配式变电站理念

根据国务院2016年度《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，大力发展装配式建筑是建筑方式的重大变革，是新型城镇化发展的重要举措，有利于节约资源、能源，减少施工污染，提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合，是推动绿色建筑发展的先进建造方式。智慧变电站的装配化设计应符合国家的有关政策、法规，推行设计理念创新，突出智慧变电站工业设施定位，创新方案应合理适用，引领技术发展方向，具备可实施性和推广价值。

所谓装配式建筑，就是把传统建造方式中的大量的建筑部品由车间生产加工完成，在工厂加工制作好建筑构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运到工地现场，通过可靠连接方式在现场装配安装而成的的建筑。装配式建筑主要包括装配式混凝土结构、钢结构、现代木结构建筑等，采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用，是现代工业化生产的方式的代表。

模块化装配式变电站的设计，必须坚持节约资源、充分考虑社会效益的原则。推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的智慧变电站建设模式。按照“3C绿色电网”要求，功能集成、配置优化，形成“安全可靠、先进适用、经济合理、节能环保”的设计方案。

变电站装配式模块化建筑物，全部部件在充分考虑智慧变电站各配电装置房间功能要求的前提下，进行模块化的设计。模块化设计是进行精细化设计而非单纯的拆分设计，最终的设计成果是将整个智慧变电站的装配式生产配电楼细分成装配式构件，并对每个构件（梁、柱、墙板、节点）进行编号和归类，并将其数据化，生成构件身份信息数据库。模块部件先在工厂生产预制，再运到施工现场进行组装。装配式建筑改变了传统的建筑模式，大大减少了现场的作业量，有助于提高建筑质量、缩减建设工期、实现节能环保。推动装配式智慧变电站的实施，显著提高变电站的建设效率、提升变电站的工程质量，有助于提高电网建设能力。

2.2 装配式结构形式

目前常用的装配式结构有裝配式混凝土结构、门式钢架结构、钢框架结构三种结构形式，不同结构形式的特点对比见下表1，通过对比，选用钢框架结构作为装配式变电站的首选结构。

装配式钢框架结构是由钢梁和钢柱组成的能承受垂直和水平荷载的结构。这种体系受力明确，平面布置灵活，可在工厂制作钢柱、钢梁等构件，运到现场后通过高强螺栓连接拼接，现场仅有临时安装焊接，安装速度快，抗震性能好，梁柱截面小，能获得更多的使用面积。钢结构已成为模块化建设首选的结构型式，且适合智慧变电站的建设要求。

2.3 装配式建筑设计

（1） 墙体设计

墙体是建筑物外围护结构的主体，其所用材料的隔热保温性能直接影响建筑的传热量。玻璃纤维增强水泥复合板（简称GRC板）是用水泥砂浆作为基材、抗碱玻璃纤维作为增强材料制成板材面层，然后将其与其他保温绝热材料复合而成的一种新型复合板，如图1所示。该板具有高强、轻质、环保、防火、防水、耐候性强、艺术质感好、安装简便等优点，尤其在节能、安全性能与装饰效果方面远优于其他墙材。

GRC复合外墙板的制作工艺一般采用直接喷射法反打成型工艺，将配制好得玻璃纤维混凝土喷射在模板上，即先成型复合墙板的外表面，后成型复合墙板的内表面，反打成型工艺中模板即为墙板的外表面，其优点是墙板外表面质量高，质感细腻，能够保证产品达到优良的密实性，强度和抗裂性能。

GRC板材已有60多年发展历史，主要应用于建筑内外墙及各类装饰构件。总体而言，GRC板材存在以下优点：性能指标优秀、耐久性好，应用广泛;显著降低安装工作量，装饰保温一体化;具有良好的抗震性能，预留各种埋件、开孔及管线方便;材取材方便，加工灵活，利于定型设计和标准化。

（2） 门窗设计

玻璃外窗作为一种特殊的建筑围护结构，兼具绝热（保温、隔热）、隔声、安全防护、采光、观景等复合功能。在建筑围护结构中，玻璃外窗是建筑节能中比较薄弱的环节，其能耗占建筑总能耗的比例较大，其中隔热损失为1/3，冷风渗透为1/3。所以，在保证采光、通风要求的条件下，应当尽量减小建筑物的外门窗洞口的面积，提高外门窗的气密性，减少空调外渗，提高外门窗的隔热性能。

根据以上目标，可以使用断桥铝合金中空玻璃窗，改善门窗的隔热性能，如图2所示。标准设计对建筑外门窗的抗风压提出要求：性能不低于GB/T 7106《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》规定的6级标准。即在10Pa压差下，每小时每米缝隙的空气渗透量在1.0～1.5m³之间以及每小时每平方米面积的空气渗透量在3.0～4.3m³之间。建筑外门窗要求：气密性能分级不得低于6级，水密性能分级不得低于6级，保温性能分级为7级，隔音性能分级为4级，外门窗采光性能等级不低于3级。

3 装配式变电站构筑物设计

为实现“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，减少现场“湿作业”，提高机械化施工应用范围，减少现场劳动力投入，缩短建设施工周期，降低现场安全风险，提高工程建设质量、工艺水平。变电站小型构筑物采用预制装配式结构。通过梳理目前已建变电站构筑物的模块化设计成果，提出电缆沟、道路、围墙基础、结构基础、小型设备基础及水工构筑物等可采用模块化设计，工厂化加工，运抵现场后机械化施工。

3.1 装配式电缆沟

预制钢筋混凝土电缆沟是由工厂预制沟体，运到现场再进行组装，目前已在部分变电站内采用，如图3所示。预制混凝土电缆沟的优点显而易见，施工快捷，可缩短工期，沟体平整，工序较少且施工质量较易得到保证，现场湿作业较少。

3.2 装配式道路

变电站道路是变电站土建工程中的重要组成部分，其施工进度、建设工期、道路质量影响着整个变电站的大件设备和建筑材料的运输。目前，变电站道路大部分采用水泥或沥青传统路面，二者有较为成熟的设计和施工理论、经验。伴随着社会经济和物质文明不断发展，人们对路面既要求安全、舒适、平稳，又要求美观、环保、施工便捷、可循环利用等等。装配式道路便是满足要求的选择。

装配式道路是由一块块板面组成，这些板面在工厂提前预制好，运至现场即可铺装成道路，后期可以随时拆除并重复使用，如图4所示。预制道路施工效率高，减少了现浇、凝固等多个环节，大大节约工期。预制道路的标准化程度高，所有道路均由工厂定制生产，工业化、标准化程度更高，质量更有保证。预制道路可大幅减少建筑垃圾的产生，绿色环保，可实现快速安装、循环利用，零排放、零固弃的绿色生态可循环的建设目标。

3.3 装配式基础

（1） 围墙基础

围墙基础承受承载上部构造柱、墙板等荷载，荷载较小，围墙及上部构造柱均可采用预制，墙体可根据市政的规划要求尽心拼装。围墙柱基础采用独立杯口式预制基础，抗风柱可直接插入现场杯口基础中，如图5所示，现场直接吊装，施工速度快。

（2） 结构基础

变电站建筑物无论是钢结构还是混凝土结构，建筑高度都较低，基础形式则以浅基础居多，其中柱下独立基础以其受力明确、形式简单得到广泛应用。变电站建筑物普遍采用现浇基础。但是现浇混凝土基础存在以下缺点：

施工周期长。基础支模，钢筋板扎，基础养护均耗时较长，仅混凝土养护周期就长达28天，大大延长上部钢结构施工工期。

施工质量难以保证。基础短柱配筋较密，钢柱脚锚杆定位要求严格，现场施工质量不如预制构件。

资源耗费量大。现浇作业对环境影响大，现浇基础不可重复使用，资源损耗远大于预制构件。

柱下独立基础形式简单，连接方式明确，变电站建筑物装配式基础可以参照独立基础形式进行构件设计，变电站建筑物装配式基础应包含以下部件：独立基础、基础柱、拉梁。变电站建筑物独立基础拆分设计思路为：独立基础及基础柱及钢柱地脚螺栓整体预制，基础拉梁整体预制，基础拉梁采用快捷可靠的连接与基础进行连接。现场拉梁与基础的连接可以通过牛腿连接、螺栓连接、焊接连接连接方式与预制基础实现可靠连接。结构基础见下图5。

（3） 设备基础

110kV变电站室内设备基础包括主变基础、开关柜基础、GIS设备基础、电容器基础，电抗器基础、接地变基础、二次设备基础等，室内设备种类繁多，规格、形式不一，现场浇筑混凝土耗费大量时间，养护时间长，损耗多。根据设备基础形式的不同，不同的设备基础采用不同的预制构件形式。

主板基础现场浇筑为下部板式基础加上部条形基础的形式，基础形式见图6，该基础多用于小型电气设备。预制基础通常采用预制油坑地板基础、预制条形基础和预制有坑侧壁三种基础构件组装的形式实现。

3.4 装配式水工构筑物

事故油池、消防水池等水工构筑物是在变电施工中重要的地下构筑物，因现场支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护等均需耗费较长时间，影响工期。通过在工厂预制、现场拼接的方式，可大大提高工期，同时工程制作标准件质量也高于现场浇筑。

事故油池和消防水池都可以采用模块化预制箱体组合的方式，根据不同容积要求的油池进行折算，再进行组合。每组预制箱体底部节段+标准节段+盖板，组与组之间采用设置钢套管连接的方式，实现整体串联，如图7所示。

4 结论

为了对双碳背景下模块化装配式变电站设计提供思路，本文探讨了模块化装配式变电站理念以及装配式构筑物设计，通过研究，得到以下结论：

（1） 提出了模块化装配式变电站的设计方案，选用钢框架结构作为装配式变电站的首选结构，这种体系受力明确，平面布置灵活。推行“标准化设计、工廠化加工、装配式建设”的智慧变电站建设模式。

（2） 通过对墙体、门窗、电缆沟、道路、基础和水工构筑物模块化构件进行分析，确定了变电站模块化构件的选型和对应特点，明确了建设具备很好的低碳环保效果、良好的交互性和可靠性等优势。

参考文献

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[8]王岳珩.基于装配式技术的模块化智能变电站设计[D].长春工业大学，2019.

[9]张勃.装配式建筑在变电站土建设计中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2019（26）：60.

基金项目：2021年国网江苏省电力有限公司经济技术研究院科技项目

作者简介：

张敏（1992-），男，硕士，经济师，工商管理，从事电力咨询项目研究与管理工作;

邹盛（1987-），男，江苏人，硕士，工程师，从事电力系统规划设计及研究工作，）;

王庭华（1967-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事输变电工程设计与管理;

周洪伟（1979-），男，江苏人，硕士，高级工程师，从事电网规划及电气设计与研究工作;

宗炫君（1990-），女，江苏省，硕士，高级工程师，从事电网规划工作）。