变电站集装箱建筑设计方法研究

摘要：集装箱建筑作为一种新兴的建造体系在建造效率、经济性以及可持续性等方面展现出了巨大的潜力。以2013年国网设计竞赛，依托安徽芜湖220kV平湖变电站为例，分析变电站各类生产用房的空间需求，将集装箱建筑概念引入变电站设计中，实现变电站建筑物集装箱化；并进一步从集装箱的力学性能、空气调节功能、材料耐久性能等方面论述了变电站集装箱建筑的可行性。

关键词：变电站；集装箱建筑；空间需求；设计

0 引言 随着我国国民经济持续稳定发展，要求电网实现跨越式发展，以发挥基础产业的“先行”作用。近年来，电网建设的投资力度和建设规模持续增加，电网建设任务空前繁重。变电站作为电网的最主要环节，其施工建设周期也一再优化压缩，以满足电网建成投运的需求。 在变电站的建设周期中，建筑物的土建施工周期成为制约压缩变电站建设周期的主要因素。 集装箱建筑作为一种新兴的建造体系。在建造效率、经济性以及可持续性等方面展现出了巨大的潜力。如果能把变电站的建筑物优化成为集装箱组合，那将为国内变电站的建设带来巨大变化。 1 国内外集装箱建筑物建设现状 目前，美国、英国、荷兰等发达国家已经将集装箱应用到各种类型的建筑之中，如商场、酒店、住宅等。有许多成功范例。 全球每年大约有30万个废旧集装箱被用于房屋建造，建筑面积超过5万㎡。 与国外集装箱建筑的广泛应用相比，国内关于集装箱建筑的研究和应用则相对较少。20世纪90年代，国内集装箱建筑物较多使用在与集装箱运输业配套作业相关的临时建筑、与露天存货活动相关的建筑以及作为工程建设的临时工房等。 这些临时性建筑物规模小、条件简陋，没有体现出集装箱建筑物的真正价值。 最近几年，国内某些技术人员看

到了集装箱建筑的潜力，设计建造了一些集装箱建筑物。这些集装箱建筑物在功能、规模和表现形式上有了一定创新性的发展。 但总体上，我国的集装箱建筑的研究开发和使用还处于初级阶段。 2 建筑物建筑空间需求分析 变电站的建筑物属于工业建筑范畴，其主要功能有放置、保护电力设

备，提供变电站生产人员活动空间，放置辅助生产工器具等。以220kV平湖变电站为例，该站220kV、110kV均采用户外GIS布置，有一次电气设备生产用房、二次电气设备生产用房两大类。一次电气设备用房布置一次电力设备，主要为10kV电压等级的开关柜；二次电气设备用房布置保护屏、

计算机等设备。 变电站各类设备尺寸大小不同、运维方式各异，造成各种设备用房对空间尺寸有很明显的差异性要求。通常，变电站建筑的设计方案主要依据是设备布置需求和设备维护、操作、

检修、更换空间的要求。因此，建筑物空间设计是依据电力设备的个性要求而“量身定做”的。 3 标准集装箱尺寸 集装箱种类繁多，有干货集装箱、开顶集装箱、通风集装箱、台架式集装箱、平台式集装箱、冷藏集装箱、罐式集装箱、汽车集装箱等。在实际物流中，最常见的是干货集装箱，也

叫杂货集装箱。这种集装箱用来运输无需控制温度的各种货物，使用范围很广，常用的有40英尺和20英尺2种。这种集装箱生产量大，价格实惠，易于改装，具备改造成集装箱建筑的技术条件。

国际标准集装箱的4种常用规格内外部尺寸空间和尺寸特点如表1所示。

从表1可以看出，每种集装箱内部空间大小与形状受到集装箱产品固有尺寸与结构的限制，是固定不可变化的，无法根据需要( 量体裁衣)，但是可以进行集装箱尺寸选择。因此，如何将电力设备所需空间和辅助用房空间整合至几个预先设定好的固定空间内是实现变电站集装箱建筑方案的难点。

4 各类用房满足集装箱的空间布置方案

以新一代智能变电站的示范工程110kV户外AIS变电站为例,针对此类变电站中的一次电气设备用房、二次电气设备用房和生产辅助用房这3类建筑物分别进行分析。 4.1 二次电气设备用房

以规模为32面二次屏柜的设备用房为例。根据电气二次专业需求，将32面二次屏柜以600mm×600mm单元体布置。二次屏位2排布置，纵向尺寸需求为,600mm×16，横向宽度需求为600mm×2+1100mm=2300mm，屏柜高度为2100mm,分析该房间的长、宽、高尺寸，实际选用国际标准40英尺高箱。集装箱中设备布置如图1所示。

如图1（a）所示,2排二次屏位的中间预留变电站运维人员的巡检和操作通道, 通道宽度为1150m,满足规程规范要求。设备正常运行状态下，运维人员可通过此通道进行巡视；设备检修及更换状态下，运维人员可通过此通道进行设备检修及搬运。

如图1（b）所示, 在二次设备集装箱底部设置200mm高度的地板,将二次设备屏位抬高。二次屏位的控制电缆从屏柜中敷设引出，进入地板和集装箱底部的200mm高的夹层中，汇集后，从集中电缆井敷设至集装箱下部的电缆沟道中。

图1 二次设备室内布置方案

4.2 一次电气设备用房

以规模为14面10kV开关柜设备用房为例。根据电气一次专业需求， 10kV开关柜选用智能环境友好型金属封闭开关设备,设备尺寸按照600mm×1500mm×2500mm(宽×深×高) 设计。10kV开关柜单列布置,纵向尺寸需求为600mm×14=8400mm, 横向宽度需求为1500mm+850mm=2350mm,屏柜高度为2500mm。实际选用国际标准40英尺高箱。集装箱内部设备布置如图2所示。

如图2所示，集装箱一侧布置规程规范的最低要求。设备正常运行状态时，运维人员可通过此通道进行设备巡视；设备操作、检修和更换状态时，通过开启集装箱侧面预先设置的

柜门，提供满足要求的检修空间和设备更换空间。如图2（b）所示, 10kV开关柜的电力电缆直接从集装箱底部开洞垂直敷设至集装箱下部的电缆沟道中，再由电缆沟延伸至主变压器等其他电力设备。

图2 10kV开关柜设备用房布置方案

5 集装箱建筑物建筑属性分析

通过以上研究，可以初步实现变电站集装箱建筑的空间布置方案。为了保证集装箱真正实现建筑物的完整功能，还要进一步对集装箱的力学性能、空气调节功能、材料耐久性能等方面进行研究。

5.1 集装箱建筑具有较好的结构刚度

组成集装箱的主要构件包括钢板、钢梁、钢柱以及角件等，其结构是由框架与钢板共同形成的整体结构，具有较高的抗压、抗弯能力。

按照集装箱的单层布置方式，通过有限元软件建立集装箱结构模型，对集装箱的各种建筑荷载（包括自重载荷、固定载荷、风载荷、雪载荷、雨载荷、地震载荷、活动载荷等）进行所有可能的荷载组合进行仿真计算。结果表明，集装箱的各个构件产生的应力均小于钢材的许用应力，各个构件产生的变形均小于建筑结构允许变形。

集装箱箱体的设计强度能够抵御强冲击力与较大荷载，大于一般建筑的结构设计强度。因此，单层布置的集装箱能够较好地承受建筑的各类荷载，满足变电站建筑的结构力学需求。

5.2 集装箱建筑须加设空气调节措施

集装箱裸箱本身无法实现空气调节、隔热节能等建筑属性和功能。因此，变电站集装箱建筑物需采用合适的保温隔热材料以及空气调节方案，使得集装箱增加空气调节的建筑功能，满足房间内设备对环境需求。

通过调研各种保温隔热材料的热力性能，建议采用铝合金板作为箱体外壁，不锈钢板作为箱体内壁，中间填充聚氨醋整体发泡隔热材料，满足集装箱的隔热保暖功能。

二次设备对环境温度较为敏感，可以将空调设备集中安装在集装箱一侧，在箱体地面敷设工字型纵向通风轨结构。空调设备将冷（热）风从箱体前端下部由空调机送入通风轨结构，沿通风轨向后端纵向流动，并均匀不断地通过设备区，向上送出冷（热）气，从而达到空气调节的效果。

一次设备房间有通风换气的生产需求，在一次设备集装箱一端设置轴流风机，另一侧设置自动开合的电动百叶。通过自动或手动开启风机和电动百叶来进行通风换气和空气调节。 5.3 集装箱建筑材料需增加耐久性要求

集装箱为运输工具，一般使用年限7～10年。而变电站的二次设备设计使用年限为20年，一次设备设计使用年限为40年，这2种设备用房如果采用集装箱式建筑，则需要对集装箱提出耐久性的要求。对于集装箱这一类的钢结构产品使用年限，主要影响因素是材料本体耐久性、防腐涂装方案、设备使用环境和运行保护措施等4个方面。因此，应使用铝合金板、不锈钢板这一类耐久性好的维护材料，

制定科学合理的防腐涂层方案，认真分析使用环境，严格执行运行保护措施，使集装箱的使用时间能够和设备使用时间相当。

6 集装箱建筑物的优势分析

在初步构建的变电站集装箱建筑概念设计方案中，与传统建筑物相比，集装箱建筑物可以展现出较多特点和优势。

（1）集装箱建筑物实现站区建筑面积大幅减小。集装箱变电站建筑利用集装箱箱体的侧面墙板可分区开启的特点，遵循变电站生产运行检修的相关规范标准，合理利用建筑物内外空间，灵活设置设备安装、运行、巡检、更换通道，有效减少设备用房的建筑面积。建筑面积比传统建筑物面积减小50%以上。

（2）集装箱建筑实现变电站建筑“工厂化生产”。变电站集装箱建筑物在工厂制造完成后，通过物流运输到变电站施工现场，直接就位安装，保持和电力设备安装步调一致，适应电网建设高速发展的需求，适应变电站集成化、模块化设计，提高变电站建设的标准化水平，基本实现“变电站建设工厂化制造”的工业化过程。

（3）集装箱建筑实现变电站建筑“集约化配送”。标准集装箱的运输尺寸满足国际海关公约、国际铁路公约、国际公路公约，具有运输方便、快捷的特点，能实现海上运输、铁路运输、公路运输、航空运输、多式联运等多种运输方式，实现建筑物“集约化配送”。

（4）集装箱建筑物实现变电站建设低碳环保的理念。集装箱建筑结构主体为钢结构，是可回收再利用材料，可实现资源循环利用，减少碳排放；集装箱方便运输!有效节省人力物力，并减少对周边环境的噪声与灰尘污染；集装箱方便安装，有效缩短建筑施工时间，减少现场杂乱的建筑施工

过程，不产生建筑垃圾，不污染环境，减少碳排放；集装箱建筑大量减少建筑物的结构及基础的工程量，减少二次装饰施工工作量，节约造价，减小碳排放和环境污染，提高了资源利用率。 7 结语

变电站的集装箱建筑具有功能齐全、面积小巧、外形简洁、运输便利、安装快捷等特点。将集装箱建筑引入变电站建设，将会变革变电站的建设方式，大大缩短变电站建设周期，增强变电站建设的标准化程度，契合国网公司“两型一化”、“两型三新”的设计理念和要，同时也会带来一定的经济效益和低碳社会效益。

8 参考文献

[1] 王璐璐.基于建筑与结构安全统一的废旧集装箱改造房构造的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010 [2] 黄科.集装箱房屋市场方兴未艾[J]集装箱化,2008,18(2)

[3] 贡小雷,张玉坤.集装箱建筑的建筑改造:一种可持续建筑的发展尝试[J].世界建

筑,2010,30(10):124-127.

[4] 黄蓥涓.集装箱式低碳建筑设计的新革命[J].包装工

程,2010,39(18):159-162.

[5] 朱文健.盒子建筑的建构[J].建筑师,2003,25(6):50-56.

[6] 程钢,史宝军.一种特制集装箱结构优化设计有限元分析[J].山东建筑大学学报2010,25(8):355-358. [7] 牟洁琼,朱兴元.集装箱变形的有限元分析[J].江苏船舶,2002,19(4):13-14.

[8] 张玉津.集装箱式活动房围护结构的保温设计[J].集装箱化,2008,18(8):31-33.