分布式光伏電站的屋面選擇與支架結構方案研究

■ 章海燦楊松 沈道軍 羅易 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開發有限公司

分布式光伏電站的屋面選擇與支架結構方案研究

■ 章海燦*楊松 沈道軍 羅易 諸榮耀 周承軍

浙江正泰新能源開發有限公司

根據已建成的分布式電站的屋頂選擇與支架結構，著重介紹混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂的支架結構方案，在確定項目可行的條件下，根據安全、可靠、經濟的原則，依據當地氣候條件、地質因素等選擇合適的支架方案。

分布式光伏電站；屋面選擇；支架結構；安全可靠

0　引言

從2009年國家推行“金太陽”示范工程，到現如今分布式光伏的大力發展，昭示著我國正在開啟光伏發電領域的新紀元。2013年6月25日國家能源局發布的《分布式光伏發電示范區工作方案》進一步明確了光伏發電補貼政策，鼓勵各地分布式光伏項目以“自發自用”模式運營，分布式光伏發電被視作未來國內光伏市場發展的重頭戲。隨著分布式光伏電站的大量建成，其屋面選擇與支架結構方案選擇也受到越來越多的重視。

在光鮮的分布式光伏電站建設浪潮下，隱藏的是頻繁的電站實質性安全問題。分布式光伏電站多建設在東部地區建筑屋頂上，因東部沿海地區受臺風影響較大，且許多地區受冰雹天氣和地震等地質因素影響，分布式電站的支架結構需要經受很多考驗，也存在較大安全隱患。在多種條件影響下，分布式電站的安全性成為分布式光伏電站支架結構設計的重要考慮因素之一。本文從已建成的分布式光伏電站入手，分析不同屋頂選擇下，當前應用廣泛的支架結構方案。

分布式光伏電站多建設在混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂，也有少量建設在普通居民的琉璃瓦屋頂。由于分布式的主要對象是工商業企業和工業園區的屋頂，針對工商業企業，主要是混凝土屋頂；針對工業園區的建筑，主要以混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂為主。本文著重介紹混凝土屋頂和彩鋼瓦屋頂的支架結構方案。

1　混凝土屋面

在混凝土屋頂項目支架設計過程中，首先要充分了解該項目屋頂的具體情況。知道建筑的設計建設時間，了解該建筑在建設過程中發生過哪些問題，查看屋頂的建筑結構圖紙，現場勘查建筑的沉降是否均勻，是否發生破壞和損壞，以及現場拍照測量屋頂建筑已有設備。

混凝土屋面分為上人屋面與不上人屋面。兩種屋面工程做法不盡相同，不上人屋面，人不經常上去，只有檢修時才上去，保護層的厚度和材料要求較低，在一般情況下做完屋面的防水層后就可完工；而上人屋面要求高，人經常上去，防止人為對防水層破壞，一般采用剛性混凝土層，在做完防水層工作后，還要做樓地面層，加配鋼絲網，有貼磚或是混凝土層，對屋面結構層起保護作用［1］。上人屋面必須建有樓梯可以到達樓頂屋面層，而不上人屋面的檢修口一般較隱蔽，通過爬梯上到屋面層，爬梯1.5 m以上。這兩種屋面對屋面的安全要求也不同，上人屋面必須有女兒墻，且女兒墻高度有規定，必須要不小于安全要求高度（一般≥1.2 m）；而不上人屋面的女兒墻為0.6～0.9 m。上人屋面和不上人屋面具體有防水層、保溫層和隔熱層的做法。根據業主所給的建筑結構圖紙進行結構的PKPM建模，根據國家規定設置參數進行受力分析，確定主要材料的強度和撓度值是否在規范要求的范圍內。

做完屋頂梁和屋面板的計算校核后，要進行屋頂的設計恒荷載計算。最新的建筑結構荷載規范GB 50009-2012中規定：對于不上人屋面的活荷載標準值為0.5 kN/m2（即50 kg/m2）；對于普通上人屋面的活荷載標準值為2.0 kN/m2（即200 kg/ m2），對于上人屋面兼做其他用途時，按樓面的取值。在屋頂現場勘查時，需及時記錄屋頂現有荷載情況。對于早期設計的建筑，由于各種原因，屋面的設計荷載要求可能與現在的規范不同，因此對于屋頂安裝組件的荷載必須按照最新規范進行評估校核。對于上人屋頂，荷載＞2.0 kN/m2的屋頂基本可判定為適合安裝負重式的光伏組件。

現場踏勘需要收集屋面的詳細資料。在現場還需對已有設備進行拍照測量，因為這些設備可能會影響支架形式、結構的選擇和組件安裝的遮擋。如被破壞的屋面、屋頂管道、冷水機組和空調外機等屋頂突出物，都對組件安裝有一定影響。

除此之外，還必須了解建筑業主方對于屋頂的規劃用途，如預計不能安裝組件的地方需要另作他用；了解業主方對屋頂檢修通道的要求，在組件排布時予以避讓。

對于現有混凝土平屋面，目前支架安裝方案最常見的主要有預制負重鋼筋混凝土塊方案、預制鋼筋混凝土壓塊方案和現澆支架基礎方案。

圖1　影響組件安裝的因素

1.1預制負重鋼筋混凝土塊方案

該方案首先需要精確統計項目地點的常年平均風速和不同季節的風向，計算出正風壓和負風壓；再通過風壓大小折算出鋼筋混凝土塊的配重；預先加工好尺寸一致的鋼筋混凝土塊，再運輸到現場安裝；根據提供的組件布置圖，將鋼筋混凝土塊放在相應的固定位置，在鋼筋混凝土上表面鉆兩個孔用來錨固化學錨栓或直接在加工鋼筋混凝土塊時預置錨栓；最后將立柱底板通過已經錨固好的錨栓連接，再根據支架安裝圖安裝支架上部的橫梁、連接件及光伏組件等。支架一般選用熱鍍鋅不銹鋼支架。采用負重式方案的傾角和平鋪安裝的支架見圖2。

圖2　采用負重式方案的傾角和平鋪安裝的支架

該方案的優點為：1）不破壞屋面防水層和支撐結構層、頂棚層、保溫隔熱層等其他建筑層；2）施工操作過程簡單，能有效縮短施工周期；3）支架整體較預制鋼筋混凝土壓塊方案連接牢固可靠；4）光伏組件支架的用鋼量相對其他方案不多。

缺點為屋頂增加了混凝土塊及組件和支架等，施工結束后需要復核計算屋頂的恒荷載。

1.2預制鋼筋混凝土壓塊方案

為了防止組件支架在風荷載作用下在屋頂發生滑移或傾翻，保證光伏組件支架結構安全可靠，組件支架與屋面無連接，直接放在平屋面上，在支架橫梁上增加鋼筋混凝土壓塊［2］。壓塊由鋼筋混凝土預制成，需要精確統計項目地點的常年平均風速和不同季節的風向，計算出正風壓和負風壓，再通過風壓大小折算出鋼筋混凝土塊的配重。采用預制鋼筋混凝土壓塊方案傾角和平鋪安裝的支架見圖3。

圖3　采用預制鋼筋混凝土壓塊方案傾角和平鋪安裝的支架

該方案的優點為：1）不破壞屋面防水層和支撐結構層、頂棚層、保溫隔熱層等其他建筑層；2）施工操作過程較簡單，可有效縮短施工周期。

缺點為：1）屋頂增加了混凝土塊及組件和支架等，施工結束后復核計算屋頂的恒荷載；2）整體支架連接的安全可靠度不及預制負重鋼筋混凝土塊方案和現澆支架基礎方案；3）支架用鋼量相對較多。

1.3現澆支架基礎方案

根據設計院提供的屋面組件排布圖，在支架前后兩個支撐點所在位置除去屋面原有的樓面層、防水層、保溫隔熱層等和屋面現澆板的上層鋼筋的保護層，使得露出原有屋頂的部分鋼筋；焊接組件支架基礎的鋼筋和屋面板上層鋼筋，扎好混凝土梁的基礎鋼筋，在模具中澆筑基礎混凝土，預留基礎錨栓或直接鉆孔使用化學錨栓，利用錨栓固定支架直撐；等鋼筋混凝土梁硬化后，根據提供的光伏組件支架安裝圖連接安裝支架和組件；還需要修復屋面防水層及保溫隔熱層等其他建筑層。圖4為現澆支架基礎方案傾角安裝支架。

圖4　現澆支架基礎方案傾角安裝支架

該方案的優點為：1）因與屋面連接，相對預制負重鋼筋混凝土塊方案和預制鋼筋混凝土壓塊方案結構更加牢固可靠；2）光伏組件支架的用鋼量較預制鋼筋混凝土壓塊方案少；3）原有屋面的負重增加較少。

缺點為：破壞了屋面的防水層和樓面層等其他建筑層；鋼筋混凝土梁需現澆，施工過程較為繁雜，工序較多，需要等混凝土梁硬化后才可安裝支架組件，施工周期相對較長。

1.43種方案比較分析

對上述3種方案的優、缺點進行比較，混凝土屋面方案的選用基本原則為：

1）對于上人屋面，由于設計時的活負載為2.0 kN/m2，上述的3種方案都可選用；對于不上人屋面，由于設計時的活負載只有0.5 kN/m2，預制負重鋼筋混凝土方案和預制鋼筋混凝土壓塊方案采用鋼筋混凝土自身重量抵抗風壓，而由于混凝土塊本身質量較大，完工后需要復核計算屋面結構的恒荷載。

2）對于現澆支架基礎方案，因為破壞了屋面防水層和樓面層等其他建筑層，而且施工比其他兩個方案復雜，工序多，施工周期相對長，一般情況下較少采用，多用于受臺風嚴重影響的區域；采用現澆支架基礎方案，需要修復屋面防水層和樓面層等其他建筑層。

3）因施工簡單，施工工期較短，在上人屋面被廣泛使用的是預制負重鋼筋混凝土方案。

實際工程狀況千差萬別，需要設計者根據工程特點綜合考慮，采用最佳方案。

2　彩鋼瓦屋面

彩鋼瓦一般裝在輕鋼結構的建筑物上，多用于標準化廠房和倉庫。輕鋼結構的建筑使用重量很輕的彩鋼瓦作為屋頂，跨距可做得很大，適合布置光伏組件。工業區都是聯片建設的標準化廠房或倉庫，數量多且面積較大，適合建設分布式光伏電站。

在彩鋼瓦屋面支架選擇和設計過程中，需做到：

1）清楚屋面的主體結構。如彩鋼瓦屋面的設計建設時間；在建筑建設過程中是否出現過問題，如是否在施工中有偷工減料的事情發生；收集建筑結構圖紙；現場勘測建筑的沉降是否均勻，是否發生破壞或損壞；屋內的吊頂和吊掛情況對整體結構的影響。

2）了解建筑周邊情況。需要了解廠區的生產工藝，在日常生產過程中是否產生腐蝕性氣體或大量粉塵；向業主拿到廠區的整體平面布置圖；了解廠區所在的位置及地面粗糙度和周邊建筑的密集程度；周邊建筑物對廠區安裝組件的影響；廠區周邊是否有飛機場等對環境要求嚴苛的場所。

3）了解屋頂彩鋼瓦的情況?，F場勘查彩鋼板的厚度和損壞、銹蝕情況；彩鋼瓦的尺寸、截面形狀，采集彩鋼瓦波峰之間的距離數據等；彩鋼瓦的實際單位面積質量；現場勘查彩鋼瓦的安裝質量等；現場查看彩鋼瓦的變形程度及對應的位置。

4）屋頂的障礙物和遮擋也需要重點關注：屋頂女兒墻的高度；屋頂氣樓的高度、尺寸和位置；采光帶的位置和尺寸；業主方對屋頂的規劃用途。

對于不同組件安裝方式、組件排布密度等，增加的恒荷載具體為0.1、0.12、0.15 kN/m2（10、12、15 kg）等數值。對恒荷載的增加值進行計算，在滿足建筑承載的條件下布置組件。對于部分承載力不夠的區域，可采取結構加固的措施。

彩鋼瓦最常見的有直立鎖邊型、角馳型、梯型3種。

2.1直立鎖邊型彩鋼瓦

通過夾具上的側向螺紋孔擰入螺栓，頂緊彩鋼瓦波峰直立邊產生夾緊力，使夾具的空腔凹槽與波峰契合，實現緊固連接的目的；無需穿透鋼板，不破壞防水層，無漏水隱患。圖5為直立鎖邊型彩鋼瓦截面形狀與所用夾具。

圖5　直立鎖邊型彩鋼瓦截面形狀與所用夾具

2.2角馳型彩鋼瓦

利用彩鋼瓦的截面波形，利用波峰的形狀采用夾扣的方式固定導軌，在導軌上安裝組件，利用壓塊固定組件；無需穿透彩鋼瓦，不破壞防水層，無漏水隱患。圖6為角馳型彩鋼瓦及對應夾具和導軌。

圖6　角馳型彩鋼瓦及對應夾具和導軌

2.3梯型彩鋼瓦

用兩顆含有膠墊的自攻螺釘配合EPDM橡膠墊將梯型彩鋼瓦夾具固定在屋頂上，根據屋頂載荷要求等選擇合適的導軌，再用壓塊固定安裝組件。在梯型彩鋼瓦上安裝組件需穿透彩鋼瓦，破壞防水層，有漏水隱患。圖7為梯型彩鋼瓦及其夾具。

圖7　梯型彩鋼瓦及其夾具

彩鋼瓦壽命一般在10～15年，承重為15～30 kg/m2。光伏組件多采用平鋪安裝，極少用傾角安裝。平鋪光伏組件的抗風性能佳，但發電效率較帶傾角光伏支架系統低；帶傾角光伏支架系統雖發電效率高，但單位面積屋頂裝機量少于平鋪安裝約30%，支架造價高，對彩鋼瓦屋面壓力大，抗風性能較平鋪差。圖8為平鋪安裝的組件。

圖8　平鋪安裝組件

3　結論

無論是混凝土屋頂項目還是彩鋼瓦屋頂項目，必須做好前期實地勘察和資料收集工作，與業主多溝通交流，了解業主想法；計算項目屋頂的荷載，了解接入條件等，確定項目是否可行。在確定項目可行的條件下，根據安全、可靠、經濟的原則，根據當地氣候條件，考慮地質因素等選擇合適的支架方案。

［1］奚勇， 李志勇. 地震區多層鋼結構住宅設計例析［J］.建筑，2012， （9）: 67-67.

［2］祁建洲.混凝土平屋面光伏組件支架的連接設計［J］.門窗，2012， （5）: 219-220.

2016-01-26

章海燦（1992—），男，系統工程師，主要從事光伏發電系統的技術研究及電氣設計工作。Haican.Zhang@astronergy.com