建筑光伏结构设计优化与装配式应用.pdf

144规划设计与建筑2023年9 月江西建材建筑光伏结构设计优化与装配式应用朱译杰厦门港华智慧能源有限公司，福建厦门361000摘要：文中结合项目实例，对光伏与装配式的结合进行分析。实践证明，光伏与装配式结合，充分利用装配式材料和施工技术的优势，有利于节省大量的人力物力成本及管理费用。关键词：光伏发电；装配式；一体化；设计优化中图分类号：TU741文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 9-0 144-0 3Design Optimization and Prefabricated Application of BuildingPhotovoltaic StructureZhu YijieXiamen Ganghua Wisdom Energy Co.Ltd.,Xiamen,Fujian 361000Abstract:In this paper,combined with the project example,the combination of photovoltaic and assembly type is analyzed.The practiceproves that:through the combination of photovoltaic assembly type,make full use of the advantages of assembly type materials andconstruction technology,is conducive to saving a lot of manpower and materialcosts and management expenses.Key words:Photovoltaic power generation;Prefabricated;Integration;Design optimization0引言现阶段，我国光伏主要安装于已建或新建建筑物屋顶，包括光伏与建筑结合、光伏与建筑集成两种基本形式 1。光伏与建筑结合是指通过简单的支撑结构将光伏组件附着在建筑上，未增强建筑的遮风、防水性能 2 。光伏与建筑集成是指将光伏组件或者材料集成到建筑上，使其成为建筑物不可分割的一部分，为建筑起到遮挡、隔热作用 3-4。对于已建建筑，应重点关注如何对原有屋顶进行改造，如何对原结构进行加固及设计优化等，以节约材料成本。对于新建建筑，应重点关注如何利用传统建筑材料与光伏、装配式材料进行结合，以节约施工及管理成本。1结构加固优化1.1工程概况已建建筑在光伏设计前，应对结构承载进行复核，利用PKPM或YJK软件输人屋顶原有恒荷载、活荷载、风荷载及光伏附加荷载进行电算复核。光伏荷载考虑组件、线缆、桥架等设备重量，一般取0.15 0.2 0 kN/m。以厦门某产业园光伏项目为例，1 厂房为单层钢筋混凝土框架结构，屋面为钢结构双坡双跨屋面，厂房宽50 m，长2 7 3.10 m，檐口标高为10.15m。屋面恒载为0.2 0 kN/m，屋面活载为0.5kN/m，新增光伏荷载为0.2 0 kN/m。原结构钢梁尺寸分别为（6 0 0 350）mm180mm8mm10mm350mm180mm8mm作者简介：朱译杰（19 8 6-），男，福建漳州人，本科，工程师，主要研究方向为建筑结构设计、工程建设管理。10mm、（6 0 0 350）m m 18 0 m m 8 m m 10 m m。根据电算结果，梁作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值为1.2 5，大于1.0，因此，需对钢梁进行加固。1.2加固优化原加固方案在钢梁下增加截面高度，增设T型板。该方法能有效提高钢梁的整体惯性矩，加大了截面抗弯能力，但是焊接量较大，不利于结构变形，且高空作业量多，需增加安全保障措施和安全文明施工等费用。加固钢材根据梁的位置通长设置，增加了结构本身的重量，对结构加固的提高有一定的抵消作用，不利于降低加固成本。因此，在设计时项目方对该方案进行了优化，在梁柱节点处，通过增加斜支撑的方式进行加固。斜支撑采用114mm6mm的圆管，管端部在加工厂预制长度为400mm、宽度同梁宽的端板，两端分别与原钢梁和混凝土柱上的预埋板采用高强螺栓连接。斜支撑对钢梁起了一定的支撑作用，减小了钢梁的平面内计算长度，也增加了节点的刚度，不仅起到加强整体结构承载力的效果，而且整个项目采用冷连接，避免了焊接动火造成的安全风险。从成本角度分析，取单榻门钢计算，安装T型板（见图1）的重量为2 6.1kg/m，长度约取厂房宽度50 m，钢材用量为1305kg；安装圆管斜支撑（见图2）的重量15.9 8 kg/m，每根长度为3.0 m，双跨共4根，钢材用量为19 1.7 6 kg，钢材用量比约为6.8：1。1452023年9 月江西建材规划设计与建筑Z原有钢梁新增T型梁T200X180X810180图1T型板加固图/mm加劲肋一-8 两侧布置Q345B-12Q345B新增斜撑圆管114 6.0Q345B图2斜支撑加固图/mm综上，通过结构加固优化，调整结构加固形式，不仅可以节约大量钢材，还可以规避施工中产生的风险。2调整结构受力体系2.1柔性结构运用早期存量建筑中，有一部分结构屋面板使用的是双T板和预制板，屋面板情况较差，表层已出现碳化剥落5 。这类厂房一方面设计采用旧规范，若按现有新规范进行计算，已无法满足计算要求；另一方面，由于时间年限较长，结构已出现老化腐蚀等情况。因此，对这类厂房进行加固有一定的难度且加固成本较高。对于某些特殊的应用场景，如在大跨度污水池上空安装光伏，因支架成本较高，通常难以实施。因此，改变结构形式对于降低成本及项目实施十分必要。对于屋顶板情况较差的屋顶，应采用规避与屋面接触的设计方案，可采用柔性支架的形式进行安装。该种方案将受力部位由屋面板转化为框架柱。受力路径：光伏板柔性支架新增立柱原结构框架柱6 。柔性支架采用两固定点之间张拉预应力钢绞线的方式，两固定点采用钢性基础提供反力，可实现10 30 m间距。该设计可规避结构面承载不足、结构面情况复杂等不利因素，在合适的部位设置立柱点并张拉预应力钢绞线。2.2柔性结构特点设计中，钢绞线作为组件安装的固定支架，计算时需考虑自重以及风压、雪压不同荷载组合下的工况，并进行受力分析。区别于传统支架的刚性变形的严格限制，柔性支架对变形没有严格限制。目前，可根据实际情况采用挠度容许值L/30L/15，在这种变形条件下，其不影响钢绞线的力学性能。因此，柔性支架可以更好地适应大跨度方案，同时能够节省整体钢材用量。柔性支架是把传统钢性支架方案的条改为钢绞线的方式，其特点是对钢绞线施加预拉力，组件安装后，在不同工况受力条件下，允许钢绞线有一定的变形，从而实现大跨度安装（见图3）。由于钢绞线张拉预应力的存在，柱顶均会产生较大的水平拉力，导致基础底部弯矩较大，因此，一般设计采用在柱顶用斜拉或支撑的方案，平衡预拉力产生的水平力，以满足柱底抗倾覆的受力要求。综上，通过调整结构受力体系，扬长避短，利用原有结构较强的构件，规避原有结构较弱的构件，从而节省材料成本。柔性拉索立柱光伏组件框架梁柔性拉索图3柔性支架结构示意图3设计参数优化3.1风荷载体型系数优化由于目前存量的厂房多数已达到一定年限，且新规范新技术对于结构安全的要求越来越高，因此，厂房结构承载已无法满足现阶段光伏建筑的安装要求。结构承载不足的厂房需进行加固，加固成本的优化对于建筑光伏一体化的建设和发展也至关重要。常规的混凝土屋面一般为平屋面，通常采用的安装方式为支架加配重块安装，计算风荷载越小，配重块的重量就越轻，对屋顶的承载越有利，相应的加固成本也会降低。根据GB50009一2 0 12 建筑结构荷载规范，屋顶上增加光伏配重支架，小于10 的支架其风荷载体型系数为1.3和0.5，30 的支架风荷载体型系数为1.4 和0.6，以此计算出的配重块较大，增加了屋顶的附加恒荷载，从而使结构承载更加不利，增加了加固成本。如将支架设计为贴地式，且光伏板前后端垂直面采用镀锌铝镁板材进行封闭，可按照规范中体型系数2 2 条的规定，采用锯齿形屋顶体型系数-0.6、-0.5、-0.4，风荷载减小了约5 0%，节省了支架的成本，减小了配重块的体积，减轻了屋顶附加荷载，节约了加固成本。板材封闭示意图见图4。组件组件支架板材封闭支架板材封闭板材封闭板材封闭屋面板图4板材封闭示意图3.2调整系数优化屋面风荷载计算应根据GB/T51368一2 0 19 建筑光伏系统应用技术标准的规定，将风荷载体型系数乘以相应的调整系数：us=usO。调整系数在进行取值分析时，主要应注意以下几点。146行业资讯规划设计与建筑2023年9 月江西建材（1）将分区宽度E的取值调整为2 倍建筑高度H和迎风宽度B中的最小值。（2）无女儿墙的屋面，边区及角部调整系数1.0，中间区调整系多为0.5、0.7。（3）有女儿墙的屋面，由于四周女儿墙的遮挡作用，对风荷载产生了影响，使得边区及角部调整系数降至0.5，中间区调整系多为0.7。从上述的风荷载调整系数分布可以看出，屋面的风荷载应根据区域位置进行调整。在边区，由于边角部位风易形成涡流，增强了该区域的风荷载，因此，设计时应对这部分进行放大调整，以提高结构的安全性。在中间区域，风荷载被周边削弱而有所降低，因此在设计时，应对这部分进行折减调整，以降低成本。在取值的过程中非常容易忽视这个环节，不仅会增加中间区的材料，造成成本的浪费，还使得周边没有进行加强，间接埋下了安全隐患。复核建筑整体结构承载时，容易忽略风荷载的正向压力产生的向下的分项力，这对结构承载复核是不利的。常规的电算中，风荷载只考虑了软件模拟建筑物本身所受的风荷载，而实际光伏板所受的风荷载由于其本体难以在软件中建模，经常会被忽略。因此，光伏板受到风荷载应单独输人模型中进行整体计算，也可以通过软件前处理计算中的特殊风荷载进行定义。综上，通过设计参数优化，改变原有风荷载取值系数，合理进行荷载分区，可以避免设计上一刀切造成材料浪费。4光伏装配式结合4.1光伏装配式应用建筑光伏一体化是建筑和光伏深度融合的产物，以建筑材料的属性为主，太阳能发电的属性为辅。这不仅要求其具备普通光伏系统的发电性能，还应满足建筑材料的要求，在防水性、安全性、牢固性和美观性等方面符合建材的标准。从中国传统建筑结构中汲取智慧，将新材料运用与传统样卯结构完美结合，实现光伏建筑一体化的同时，也带来经济性、安全性、耐用性、便捷性的全面提升。为发挥装配式的优点，项目方将光伏支架与屋面板材进行融合，能够实现光伏的高效安装，且施工装配化，能较保证质量，并按照图纸进行组装，不会造成现场的混乱，可有效降低事故发生概率，使工程顺利进行，缩短了工程工期，节约了建设费用，建筑污染相对较小。在装配式实施前，首先，屋面板材采用无导轨设计，将支架瓦楞波峰的外壳在工厂预制成支架形式，在条上安装对应的扣件，与高铝锌铝镁板材进行扣压结合，板材边以压片进行卷边固定；其次，组件采用压块连接，各构件之间的节点以样卯相结合，组成安全、稳固的结构体系，压块一次拧紧，无需反复操作，施工方便快捷，节省了人力、机械费用，工期更短。施工流程为：主体框架完成擦条安装板材扣件安装一板材扣科达制造两项科技成果通过国家级鉴定9月5 日，中国建筑卫生陶瓷协会在科达制造组织召开“基于AI视觉的建筑陶瓷墙地砖分级分色智能检测线关键技术研压卷边固定组件定位放置组件压块安装。集成屋面剖面图及扣件见图5。组件压块光伏组件卷边扣件卷边扣件高铝锌铝镁板材中间扣件条图5集成屋面剖面图及扣件4.2光伏装配式优势采用装配式工艺，预制构件在工厂流水线制作，产品尺寸、质量具有较高的精度。把大量构件生产工序转移到工厂制作，减少现场加工，从而节省大量的人力、物力。光伏装配式多为螺栓连接，减少了焊接作业，建设周期短，不仅节省了大量焊工人工费，而且减少了因焊接水平参差不齐造成的焊接质量问题。应用该技术简化了施工工序，节省了相关的场地布置、过程管理、物资配备的费用。综上，光伏装配式结合，充分利用装配式材料和施工技术的优势，有利于节省大量的人力、物力成本及管理费用。5结语（1）设计建筑加固方案时，应根据跨度、构件尺寸进行分析，合理改变结构加固形式，减少钢材用量。（2）根据不同应用场景，改变结构的受力方式与结构受力构件，将新增荷载传导到有利构件上，最大限度地减少对原结构的影响。（3）风荷载在光伏建筑中一般起控制作用，施工人员应充分理解规范，把握规范的条文取值，精确分析荷载，优化光伏构件截面大小，降低造价。（4）建筑光伏一体化要有效利用光伏装配式材料，通过装配式的施工技术，减少项目实施中的建设成本和管理成本。参考文献【1邹福来，罗易，周承军，等.小议光伏建筑结构中加固设计的创新【J】工程建设与设计，2 0 18（2 0）：2 2-2 3.2唐哲.寒冷地区钢结构工业建筑与太阳能光伏一体化设计研究D.济南：山东建筑大学，2 0 15.【3蓝云建设有限公司.一种光伏建筑一体化设计结构：CN202123263313.0P.2 0 2 2-0 9-2 0.【4】龙文志.光电屋顶结构设计J】.建筑技术，2 0 12，4 3（4）：294-299.5宋媛，牛菲菲，韦古强，等.高性能集成房屋及光伏建筑一体化融合技术的应用要点J】.建筑技术，2 0 2 2，5 3（5）：5 18-5 2 0.6邓晓敏太阳能光伏建筑构件的设计与分析【D.广州：华南理工大学，2 0 0 6.发及产业化”及“建筑陶瓷抛光线智能化关键技术研发及产业化”项目科技成果鉴定会。与会专家审阅了鉴定资料，考察了生产现场，听取了项目完成单位汇报，并对创新点进行了详细的质询及讨论，一致认为两个项目创新性强，总体技术均达到国际领先水平，同意通过科技成果鉴定。来源：中国建材信息总网