目前，随着电网发展方式的快速转变，电网工程投资建设及资产运营效益管理水平需持续加强。作为衔接发电、输电、配电、用电和调度的关键环节，变电站工程在实现电力传递、转换和控制中扮演着重要角色。同时，随着社会经济的不断发展，各种新材料、新设备、新工艺、新技术被更广泛地应用到电力工程建设领域，在建设工期、工程质量、建设成本、环境效益等多重要求下，如何运用“四新”应对变电站技术经济指标产生的影响，也是新时期变电站工程建设及成本管理的一项重要课题。

为了进一步提高变电站建设的效益和效率，国家电网公司按照变电站通用设计的总体原则，深化、细化有关技术原则和设计要求，按照“试点先行、总结完善、稳步推进”的工作步骤，全面开展“资源节约型、环境友好型、工业化”（简称“两型一化”）变电站建设。2007年7月，全国首座全预制装配式变电站——110kV齐梁变电站于江苏省丹阳市开工建设。2018年12月，在广州市荔湾区，南方电网公司广州供电局应用3D打印技术建设配电房，这在全国尚属首例。

在梳理国内外关于预制装配式技术与3D打印技术的发展及应用现状的基础上，本文以某变电站工程为例，结合新型施工技术在变电站工程建设中的应用，对比分析混凝土现浇、预制装配式及3D打印技术的工艺特点；进而探讨变电站工程的主要成本构成及新型施工技术引入对变电站工程综合效益的影响，为变电站施工技术的选取及成本管理目标的优化提供研究基础。

针对预制装配技术，国内外学者进行了许多深入的研究：Begum等就马来西亚建筑业对环境造成的影响，以混凝土现浇及预制装配式建筑为研究对象，对物料的浪费及循环再造进行比较研究，认为采用预制装配式技术在减少马来西亚建筑业的巨大废物产生和管理问题方面具有巨大潜力。Jaillon等编制了179幢预制装配式住宅楼的资料库，并就五个住宅发展项目进行详细个案研究，认为中国香港预制构件的使用范围越来越广，按体积和预制构件类型计算的预制百分比也越来越高。Jaillon等采用问卷调查的形式，对新近完成的建筑工程进行研究，结果表明，与混凝土现浇技术相比，采用预制装配技术的主要优点之一是能减少建筑垃圾的产生，平均减少建筑垃圾约52%。Pan等采用个人访谈和问卷调查相结合的方法，对单位完成度排名前100位的住宅建筑商进行调查，结果表明，预制装配技术主要的障碍是较高的资本成本、复杂的连接方式等，并建议采用MMC(Modern Methods of Construction）的发展模式。

此外，许多学者就预制装配式技术与混凝土现浇技术的建造成本进行了比较：陈颖玲运用BP神经网络，比较了预制装配式建筑与现浇混凝土建筑在造价组成方面的不同，并认为土建成本是影响预制装配式造价的主要因素，其中PC(Prefabricated Concrete）工程是导致土建工程成本偏高的主因，还指出预制率40%～50%是预制装配式建筑综合经济效益最高的区间。冯清洁等研究认为，预制构件的注浆和坐浆费用以及PC项目的垂直运输费用是导致预制装配式技术成本增加的主要原因，增加幅度大约为22%～27%。王爽等通过案例分析认为预制装配式技术比混凝土现浇技术成本增加约48%，而且PC构件的生产、运输和现场安装费用是对预制装配式建筑工程造价起到决定作用的关键因素。

许多学者针对预制装配式变电站进行研究：梁培新等研究证明，110kV的单层变电站生产综合室非常适合采用装配式钢梁-钢筋混凝土柱RCS(Steel BeamReinforced Concrete Column）组合结构，不仅节省工期和造价，而且充分体现了“两型一化”的特点。牛文栋以桑田110kV组装式变电站工程为例，证明采用组装式变电站占地面积、建设工期、投资成本都能大大减少。陈世永与单晖通过比较分析认为预制装配式变电站克服了现浇混凝土变电站建设的诸多弊端，其在建筑面积、现场工作量、建设周期、工程质量控制、投资经济效益等方面具有明显优点。张波与张明选取20座预制装配式新型变电站与20座相同规模的现浇混凝土变电站进行主厂房土建部分造价比较，经过计算得到预制装配式变电站比同类型混凝土现浇变电站造价高出14.83%。由此可见，降低预制装配式技术应用成本是现阶段亟待解决的问题。

3D打印的英文全称为three dimensional printing（简称为3D printing或3DP），中文名称为三维打印，于20世纪80年代由美国麻省理工学院教授伊曼纽尔·萨克斯（Emanuel M.Sachs）和他的学生保罗·威廉姆斯（Paul Williams）发明。Ji等详细介绍了南方电网公司广州供电局应用3D打印技术建设配电房的全过程，包括打印设备、关键软件、混凝土配制、打印工艺、施工检验等，为未来3D打印施工提供有价值的设计和施工经验。许多学者还关注到3D打印技术的成本问题，赵春喆等就3D打印技术专利价格衡量问题进行了探索，初步构建了3D打印建筑专利成本计算公式。刘洋等则对3D打印建筑与现浇混凝土建筑单位时间创造的净收益进行比较，认为3D打印技术能够有效节约建设的时间成本，进而在建设成本上也具有一定的优越性。

综上所述，有关预制装配式技术与现浇混凝土技术成本比较的研究比较丰富，而关于3D打印技术与现浇混凝土技术成本比较的研究还相对匮乏，针对3D打印技术与混凝土现浇、预制装配式技术三种不同建设方式的成本比较研究更是鲜见，故本文以某变电站工程为例，对比分析3D打印技术与混凝土现浇、预制装配式技术工艺特点，剖析该变电站工程在不同建设方式下主要成本构成，并评价其综合效益。

作为变电站综合效益分析的重要组成部分，工程建设成本在其中所占比例较高，且采用不同的施工技术会对工程建设成本产生直接影响。因此，分析不同施工技术的特点对变电站成本控制具有十分重要的意义。当前，电力工程建设中采用的主要施工技术包括混凝土现浇、预制装配式、3D打印技术等，它们的技术特点具体如下。

混凝土现浇施工技术（concrete cast-in-place construction technique）是一种在施工地点按工程部位现场浇筑的混凝土施工工艺，是变电站工程主体结构的传统施工技术。在变电站的实际建设过程中，由于现场技术受气候因素、场地条件、运输距离、结构形状、结构位置等诸多因素影响，因此，在原材料的配制、搅拌工艺、运输方法、浇筑方式、养护方法等方面，都要根据实际情况和可能条件，分别采取相应的措施，使混凝土从制备、成型到硬化的过程中避免或减少各种不利条件的干扰和破坏。从施工技术特点来看，应用混凝土现浇技术建设的变电站工程结构具有刚度大、防水性好、防震抗冲击性好、对不规则结构适应性强等优点，但施工现场需要大量模板、现场作业量大、工程工期较长、建筑废物产生较多是其施工过程中的主要劣势。

随着电力工程技术的发展，变电站建设模式也在不断发生变化。预制装配式技术（prefabricated construction）正是借鉴民用、工业建筑装配生产经验，通过现场拼装预制构件的方式，减少现场浇筑及制作安装时间，从而提高施工效率，是变电站设计、施工过程组织集约化的产物。相较于以混凝土现浇方式建设的变电站，预制装配式变电站具有施工周期短、管理成本低、质量可靠性高等特点；同时，现场施工工序减少，人工、材料需求量相应减少，从而减少了工程现场施工占地面积以及垃圾、污水的排放量，环境保护效果大幅提升；另外，采用预制装配式建设的变电站主体结构寿命一般高于传统变电站工程主体结构的使用寿命，且可循环使用，资源节约性及可持续性方面的优势更加明显。在实际工程建设中，变电站可应用装配式方式进行建设的工程部位包括主变基础、墙体、立柱、楼板、围墙等。

3D打印技术（3D printing）是快速成型技术的一种，是利用先进计算机及控制技术，将传统的主体结构等工序转变成工业自动化打印的方式。该技术在建筑施工领域应用可大幅提升施工质量和施工效率，应用3D打印技术建设的变电站还可以改善施工环境，实现绿色低碳建设，实现电力工程与周边自然环境和生活环境的友好共生，是传统电力工程与高新施工技术相融合的一种“绿色、高效、智能”的建设方式，具有良好的经济效益、社会效益及生态效益。

通过上述分析，变电站建设中的三种施工技术各有优势，不过，3D打印技术及预制装配式技术工程质量优于传统的混凝土现浇模式，且3D打印技术在施工周期、施工废料及建设成本方面也较预制装配式及混凝土现浇技术具有较强的优势。

以南方某市110kV变电站工程为例，分析不同施工技术下的建设成本变化情况，进而探讨应用3D打印技术对变电站综合效益的影响，以促进新型施工技术在传统电力工程领域的应用及推广。

选取的变电站工程地处我国南方发达地区，其户内包含两座主变基础及油坑，设计时考虑采用框架结构挂板形式，户内地面考虑采用混凝土面层，外墙采用彩钢夹芯板外墙，外墙装饰采用铝塑板饰面，内墙采用石膏板墙，屋面板采用压型钢板钢筋混凝土屋面板。在比选方案中，混凝土现浇方案中的基础、墙体、屋面工程均采用混凝土现浇技术；预制装配式方案中，筏板基础部分采用混凝土现浇技术，墙体和屋面工程均采用预制装配式技术；3D打印技术方案中，筏板基础和构造柱部分采用混凝土现浇技术，其余工程主体结构均由3D打印技术一体化完成。

预算编制依据及取值标准具体如下：

(1）根据《电网工程建设预算编制与计算标准》进行项目划分和编制；定额指标套用《电力建设工程概算定额估计表-建筑工程》（2013年版）；取费根据电力工程造价与定额总站《关于发布电力工程计价依据营业税改增值税估计表的通知》（定额201645号）；社保及住房公积金根据2018年广东省广州市计取，社会保险费缴费费率25.5%，住房公积金缴费费率12%。

(2）工程取费按照110kV新建工程、Ⅰ类取费；定额人工费、施工机械费价差调整执行电力工程造价与定额管理总站《关于发布2013版电力建设工程概预算定额2018年度价格水平调整的通知》（定额20197号）；主要材料按照广州市2019年2月信息价计算价差，并列入编制基准期价差；混凝土采用商品混凝土；轴流风机按照4500元/台考虑；预制混凝土构件按照预制装配式构件税前综合价格考虑，其中：预制梁为3799元/m³，预制柱为3729元/m³，预制外墙板为3135元/m³，预制叠合板为3192元/m³。

(3）采用的3D打印设备为LZ-4型，设备价格为120万元，根据专家意见，该打印设备折旧年限取10年；另据统计，该打印设备每年工作约200天，则该设备每个工作日摊销成本为600元。

依据工程施工图纸及预算编制说明，以该变电站主变配电室土建工程为例，分别编制混凝土现浇技术、预制装配式技术、3D打印技术工程预算表，如表1至表4所示。

通过三种方案的预算对比分析可以看出，3D打印技术在建设成本、工程进度、环境效益等方面的优势十分明显，以下进行具体分析。

(1）建设成本

在三种方案的建设成本中，给排水，采暖、通风及空调，照明工程费用一致，不做重点分析。由图1可看出，预制装配式建设成本最高，比混凝土现浇技术与3D打印技术分别高出34.06%与54%，而混凝土现浇技术比3D打印技术建设成本高出14.88%，且在预制装配式建设成本中，墙体部分占比最高，为56.91%，比混凝土现浇技术与3D打印技术中墙体部分成本分别高出103.1%与122.38%，此为预制装配式成本较高原因之所在。3D打印技术材料来源十分广泛，如采用纤维混凝土、轻骨料混凝土、聚合物混凝土、再生混凝土等，随着材料技术的突破，其建设成本还可大大降低。

(2）人工成本

由于施工技术不同，土建工程建设难度不同，耗费人力成本也有所区别。从图2可以看出，三种施工技术中，混凝土现浇技术耗费人工成本最高，装配式人工成本多集中于墙体、屋面工程预制上，施工现场人力成本有所降低，故其人工成本比3D打印技术略有下降。相比于前两种施工技术，3D打印技术施工过程所需人工数量大幅降低，仅1名工程师，1名3D打印操作员，5名普通工人就完成了本项目的全部施工，与混凝土现浇技术方式相比，施工人员数量减少约50%。随着3D打印技术的普及，人力成本也会进一步降低。

(3）工程进度

三种施工技术中，3D打印技术一次成型，效率高、速度快。根据测算，若运用混凝土现浇技术建设，从配电房基础开挖至配电房装修完成全过程施工工期大约为50天；而由于3D打印技术不需要在施工现场支设模板，且不需要较长时间的预制过程，使其工程进度大大缩短，本项目施工工期还不到35天，比运用混凝土现浇技术建设工期缩短约30%。其中，墙体、电缆沟及变压器基础的3D打印建设仅用时3天即完成施工。

(4）环境效益

3D打印技术简化了大量施工工序，减少了施工机械及人员投入，营造出安全文明的施工环境。建造过程中减少了噪声及扬尘污染，并在很大程度上减少了建筑垃圾的产生，节能环保。与混凝土现浇技术相比，该工程施工废料产生量减少了约60%。

综上所述，与传统混凝土现浇技术相比，采用3D打印技术建设变电站工程，若采用经济性较高的打印材料，其建设成本可显著降低；同时，采用3D打印技术可节省30%左右的工程建设时间，且节能环保，具有较为良好的综合效益。

(1）通过某变电站工程案例分析可看出，3D打印技术建设成本比混凝土现浇技术与预制装配式分别降低约14.88%与54%。目前再生混凝土技术已相对成熟，随着3D打印材料技术的突破，其建设成本还可大大降低。

(2）与混凝土现浇技术相比，3D打印技术在施工过程所需人工数量大幅降低，施工人员数量减少约50%。随着3D打印技术的普及，人力成本也会进一步降低。

(3）由于3D打印技术不需要在施工现场支设模板，且不需要较长时间的预制过程，使其工程进度大大缩短，比运用混凝土现浇技术建设工期缩短约30%。若将此技术应用到灾后重建及临时急需的安置用房中，可充分发挥其优势并快速解决居住问题。

(4）运用3D打印技术可简化大量施工工序，随之减少了施工机械及人员投入，并且在建造过程中减少污染的排放及建筑垃圾的产生，是既节能又环保的先进施工方法。

综上所述，3D打印技术能节省大量建筑材料，减轻劳动强度和劳动成本，具有很好的示范效应及广阔的应用前景，是一种极具潜力的清洁、环保、绿色、高效的施工技术，符合国家电力工程可持续发展的整体方向。在未来电力工程3D打印技术研发及应用的过程中，还应注重制定电力工程3D打印相关技术及工程标准，进而从整体上提高我国电力工程的建设水平，为新时代我国电力工程的高质量建设及发展提供有力支撑。