陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710001
摘要：随着地面光伏电站和分布式电站的大规模应用，光伏电站设计日趋成熟，其中民用设计已成为光伏电站设计的重要组成部分。地面光伏电站的土建设计主要包括支撑基础、围栏、道路、综合楼、电控楼、逆变电池等。屋顶光伏电站的土建设计主要包括混凝土屋顶和钢结构屋顶支撑基础设计。
关键词：光伏电站；土建设计；原则；
当前社会经济的快速发展和能源危机的不断加深，建筑的能源消耗也在不断增加，光伏产品也在市场上推广应用。我国的光伏发电规模建设也在快速发展。因此，主要分析了地面光伏电站的设计方法和屋顶光伏电站的土建设计方法，从而认为光伏电站的土建设计提供了使用的设计思路。
一、选择合适的站址
场地设计是针对基地内建设项目的总平面设计，依据建设项目的使用功能要求和规划设计条件，在基地内外的现状条件和有关法规、规范的基础上，人为地组织与安排场地中各构成要素之间关系的活动。场地设计既能提高基地利用的科学性，又使场地中的各要素，尤其是建筑物与其他要素形成一个有机整体，保证建设项目能合理有序地进行、使用，发挥出经济效益和社会效益。同时，使建设项目与基地周围环境有机结合，产生良好的环境效益从自然条件来看，需要充分考虑到这几个方面：太阳能光资源；交通条件；用水条件；场区用电情况。从接入电网条件的角度来看，需要充分考虑到：调查光伏厂区与接入点之间的距离；假如项目所在地与接入电力系统的变电站比较远，则需要综合考虑输电线路造价过高问题。
二、支架基础设计
1.混凝土独立基础。混凝土独立基础因其结构形式简单、受力明确，在早期光伏电站建设过程中被广泛使用。其设计是由抗弯及抗冲切控制，对于光伏支架逆风工况下的上拔力，则由其自重及上覆土重承担。因支架上部荷载较小，因此，基础基底压力很小，所以风荷载作用下的倾覆破坏就是基础的控制因素。尽管GB50797-2012《光伏发电站设计规范》中规定，天然地基的支架基础底面在风荷载和地震作用下，允许基础底面脱开地基土的面积最大值为基础底面积的1/4，但若以基础倾覆为控制工况进行计算，基础截面选取得较大，从而导致工程量（混凝土、钢筋）较大。另外，为充分利用基础上覆土重抵抗支架上拔力，基础一般埋深较深，从而导致开挖土石方工程量很大。因此，混凝土独立基础一般适用于场地较为平整、土层较厚、开挖方便的场址。
2.混凝土条形基础。混凝土条形基础与独立基础类似，其作为光伏支架基础设计需控制的因素也是支架逆风工况时的倾覆破坏。但条形基础体形更大，因此其自重较独立基础更重，仅利用其自重作为配重就能满足抗倾覆的要求，故埋置深度较浅。由于条形基础的基底面积较大，故基底产生的压力很小，因此，适用于场区内的回填区及废弃厂矿的回填区域，以减小因基础不均匀沉降而导致的支架、组件的破坏。同时，条形基础除在地面光伏电站中被广泛使用，在屋顶并网光伏电站中运用也较多。在屋顶并网光伏电站中，仅利用其作为配重抵抗支架的上拔及倾覆力，施工工艺较为简单。
3.钢制地锚基础。钢制地锚基础是一种较常规基础更为新颖的基础形式，其主体结构为一钢管，钢管周边焊接有螺纹状的叶片，施工时利用专门机具旋转钻入土中，施工速度较快。其受力特点是利用其叶片上覆土重、土自身的剪切力及其与土的摩擦力抵抗支架的上拔荷载，利用桩周土的嵌固作用抵抗水平力。因此，利用此种基础形式要求土具有较高的密实度；且因其施工的特殊性，主要运用于地形较为平坦、土层或强风化岩石层较厚的区域。若地形坡度较大，则因施工机具的限制可导致基础定位偏差较大；而土层密实度较小又可导致其水平承载力不足；另外，如土层内岩石较多或有下覆基岩，则无法打入土层内，可导致地锚在钻进过程中被破坏。利用钢制地锚基础形式可加快施工进度。同时，由于基础基本不存在开挖面，可大幅减小土石方的开挖量。
4.植筋基础。对于基岩较为完整且风化程度较低的光伏支架基础，可采用植筋基础。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其破坏工况一般为植筋钢筋的拉断或植筋胶粘结力不足导致钢筋从植筋孔中拔出，又或岩石等本身强度不足导致的剪切破坏，以其中抗力最小的一种工况为支架基础的设计控制工况。植筋基础的施工过程为：定位、钻孔、洗孔、钢筋处理、注胶、植筋、固化养护、抗拔试验、绑扎钢筋浇筑混凝土。其施工工艺较为简单，可运用于基岩较为完整的石漠化场址；同时，在部分废弃厂矿的场址内有较厚的混凝土地面及原有大型设备基础，在这一区域内，也可采用植筋基础，从而最大限度地利用场址内现有条件，降低工程投资。
5.岩石锚杆基础。岩石锚杆基础与植筋基础类似，其破坏工况为：1）钢筋与灌浆混凝土粘结强度不足，导致钢筋从混凝土中被拔出；2）灌浆混凝土与基岩的粘结强度不足，导致钢筋与混凝土整体从锚杆孔中被拔出；3）岩体强度不足或存在节理，导致岩体本身破坏，钢筋、灌浆混凝土与部分岩体被拔出。设计控制工况应以上述3种破坏形式中抗力最小的一种工况为准。另外，因支架底部有水平力，所以一般仍需验算钢筋的抗剪承载力。岩石锚杆基础主要运用于岩石出露且岩石完整性较差的场地，其施工过程需人工成孔、灌浆，最后浇筑基础顶部混凝土。岩石锚杆基础充分利用了锚杆抗拔能力强的特点，可有效减小工程量。
6.预制桩（PC桩）。基础预制桩（PC桩）作为桩基础的一种形式，其桩身具备较高的抗弯与抗压（C50混凝土）性能；同时，因其直径较大（≥300mm）、桩长较长，压入土中后可充分发挥其抗拔与抗压性能。因此，预制桩（PC桩）基础设计控制工况为其水平承载力，即需满足桩基水平承载力特征值大于光伏支架基础水平反力。预制桩（PC桩）基础被广泛的运用于滨江沿海滩涂地区、渔光互补光伏电站；同时，随着光伏电站建设用地类型的增加，预制桩（PC桩）基础因其可保证较高的出露地面长度而被运用于山地光伏电站中的农光、牧光互补光伏电站及在小台地（梯田）地形中建设的光伏电站。预制桩（PC桩）基础施工需采用打桩机打入地基中，因此，其主要适用于地形相对平坦、土层较厚的区域。桩顶部预埋件与支架一般采用焊接连接，焊接后需进行防腐处理。这种基础形式主要运用于单立柱支架。
三、屋面电站土建设计
1.新建大跨度钢结构屋面支架基础设计。（1）向主体建筑设计院提供支架的连接方式；（2）配合主体计院进行屋面瓦选型，保证光伏组件支架扣件和钢结构彩钢瓦配套关旭；（3）向主体建设设计院提供屋面光伏组建的活载，供主体院设计提供网架受力构件大小。
2.新建混凝土屋面支架基础设计。（1）配合主体设计院在设计之初完成好屋面支架基础，预留埋件，在成品图纸前负荷是否满足光伏组建的安装要求；（2）向主体建筑设计院提供屋面铺设光伏组件之后的活载；（3）向主体建筑设计院提供支架基础尺寸和支架安装方式。
3.已建混凝土屋面支架基础设计。（1）根据混凝土结构平面的结构形式，尽最大努力将支架的着力点布置在屋面梁上；（2）向主体建筑设计院提供已建屋面铺设光伏组建的活载，以供复核屋面结构更为安全，一旦超出屋面所承受的负荷，则需要提供局部加固措施。
4.支架与屋面之间的连接。（1）新做的混凝土支墩，需要将支架和预留埋件与支架连接好，与此同时修复屋面防水层；（2）新增加的支架底梁刚度被直接放置在屋面之上，根据传统经验，刚性屋面则需要上述方式。
5.已建大跨度钢结构屋面支架基础设计。（1）利用原有的结构柱和结构梁等架设支架结构，加固原有的梁柱结构；（2）与原有屋面结构完全脱开，在原结构的四周建立好屋面结构和梁柱结构，但是此种方法造价过高。
总之，从屋面光伏电站土建设设计和地面光伏电站土设计等方面展开论述，从而能够详细描述出光伏电站土建设设计中各个环节的设计方法和设计要点，最终提供可供参考的数据。
参考文献
[1]王越，浅谈光伏电站土建设计原则.2018.
[2]刘小萍.探讨光伏电站土建设计原则分析.2018.
论文作者:弓卫,肖江奇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年21期
论文发表时间:2020/2/27
标签：基础论文; 支架论文; 光伏论文; 电站论文; 屋面论文; 混凝土论文; 工况论文; 《建筑学研究前沿》2019年21期论文;