基于提高數(shù)據(jù)中心裝機(jī)容量的建筑平面設(shè)計研究

郝 飛

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司）

基于提高數(shù)據(jù)中心裝機(jī)容量的建筑平面設(shè)計研究

郝 飛

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司）

數(shù)據(jù)中心設(shè)計是一個系統(tǒng)化的工程，需要土建及機(jī)電各專業(yè)的統(tǒng)籌配合。建筑專業(yè)作為土建及機(jī)電設(shè)計的基礎(chǔ)條件提供方，需要充分了解各專業(yè)的功能需求，進(jìn)而創(chuàng)作出滿足功能需求同時具備建筑學(xué)品質(zhì)的設(shè)計方案。在近年來的設(shè)計實踐中，建筑專業(yè)遵循整體化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計理念，形成了較完備的數(shù)據(jù)中心機(jī)房技術(shù)解決方案。面對越來越復(fù)雜的數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)據(jù)中心的需求也日益增強(qiáng)。論文重點從數(shù)據(jù)中心建筑平面設(shè)計入手，結(jié)合近期工程設(shè)計的案例，探索應(yīng)對較高裝機(jī)需求的設(shè)計解決方案，并總結(jié)設(shè)計中的若干問題，提出新的設(shè)計思路。

數(shù)據(jù)中心；建筑平面；裝機(jī)容量

1 概述

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)及通信技術(shù)的迅速發(fā)展，作為數(shù)據(jù)信息的載體，近年來數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也日新月異。在通信設(shè)計行業(yè)，設(shè)計重心也從傳統(tǒng)的通信機(jī)房逐步轉(zhuǎn)向規(guī)模更大、功能更強(qiáng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，由此帶來的變化不僅是設(shè)計規(guī)模的擴(kuò)大，其內(nèi)部更強(qiáng)大的工藝需求及更復(fù)雜的機(jī)電設(shè)計則越來越多地對數(shù)據(jù)中心自身設(shè)計產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)中心的土建設(shè)計作為基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計根基，勢必需要對新形勢下數(shù)據(jù)中心的設(shè)計進(jìn)行更新與改進(jìn)，以適應(yīng)更為復(fù)雜的功能需求。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房平面發(fā)展及類型

依托對國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的廣泛調(diào)研，遵循整體化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計理念，我院建筑專業(yè)協(xié)同機(jī)電設(shè)計各專業(yè)逐漸探索出一套具備自身行業(yè)特色的數(shù)據(jù)中心機(jī)房技術(shù)解決方案，并通過在中國移動系統(tǒng)內(nèi)一系列工程實踐，得到較好的應(yīng)用及發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房由于其內(nèi)部功能的要求，多采用規(guī)矩的平面輪廓，方形、矩形等是常用的平面形式。從早期的通信機(jī)房到目前流行的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，大致經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)房——模塊化數(shù)據(jù)中心——模塊化+集中化數(shù)據(jù)中心——標(biāo)準(zhǔn)化+集約化數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷程。在這個過程當(dāng)中，不斷地追求高效、集約化設(shè)計，成為機(jī)房設(shè)計的趨勢。早期的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房方案主要解決了機(jī)房從自由設(shè)計到有序設(shè)計的問題，隨后的模塊化、集約化機(jī)房方案則是促進(jìn)了機(jī)房從粗放到精細(xì)的轉(zhuǎn)變。

3 某案例引發(fā)的思考

在近期的設(shè)計實踐中，提高數(shù)據(jù)中心的裝機(jī)容量逐漸成為業(yè)主需求的主旋律，在有限的建筑空間內(nèi)，盡可能多地解決有效裝機(jī)數(shù)量，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心后期自用或客戶租用的使用效益。在此形勢下，提出更加高效的建筑平面，是整個工程設(shè)計的重要基石。以下以某數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計為例，歸納建筑平面設(shè)計的手法。

3.1任務(wù)限定

該項目地處華北地區(qū)某城市，通過對本次設(shè)計任務(wù)的梳理，有幾點需要重點關(guān)注之處：

1）容積率限定，即地上建筑面積≤103100㎡。

2）機(jī)架數(shù)限定：預(yù)計20000個機(jī)架或5～7m2/機(jī)架。

3）平面輪廓限定：遵循總體規(guī)劃的建筑輪廓。

4）單體功能限定：4棟單體（數(shù)據(jù)機(jī)房A2-1、A2-2、A2-3和動力中心A2-4），每棟機(jī)房功能根據(jù)不同需求而定，A2-1、A2-2、A2-3地上建筑面積均應(yīng)控制在31000～32000㎡范圍內(nèi)，A2-4動力中心地上建筑面積應(yīng)控制在7000～9000㎡范圍內(nèi)。如圖1所示。

圖1　單體功能限定（繪圖 趙昱）

3.2設(shè)計目標(biāo)確定

在如此限定之下，本次設(shè)計面臨的最大問題已凸顯，即在限定的建筑面積內(nèi)解決限定的裝機(jī)數(shù)。由于該項目地塊內(nèi)前期啟用的數(shù)據(jù)中心機(jī)房已進(jìn)行裝機(jī)運(yùn)行，可以先對其數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理。機(jī)房外輪廓基本一致，地上層數(shù)、面積也基本相同，因此對既有數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)可更直觀的指導(dǎo)本次設(shè)計。通過梳理，得出以下數(shù)據(jù)：

單體建筑面積30300㎡；

裝機(jī)數(shù)3100架；

平均單機(jī)架建筑面積約10㎡/架。

再次對照擬建建筑的需求，可以清晰發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計所要求的裝機(jī)數(shù)確實是超出常規(guī)的，這成為了本次設(shè)計的重點目標(biāo)。

4 解決方案

在長期實踐中，建筑師往往能夠根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行平面設(shè)計的早期判斷，主要包含對面積及裝機(jī)數(shù)的比例的掌握。通常機(jī)房平面設(shè)計中，一般遵循如下原則：建筑師提基本建筑平面——工藝設(shè)計提裝機(jī)需求——空調(diào)專業(yè)提空調(diào)形式——電源專業(yè)提電量需求——建筑師根據(jù)反饋調(diào)整建筑平面，由于建筑、工藝、電源等的需求均互相影響，需要達(dá)到最終的動態(tài)平衡，如此的流程需要進(jìn)行數(shù)次，最終完成滿足各專業(yè)需求的平面。

4.1既有輪廓梳理

本次設(shè)計中，平面輪廓根據(jù)前期場地規(guī)劃方案已基本確定，即78m×100m。在既定的平面輪廓中探尋最優(yōu)化的功能布局，是本次設(shè)計的前提（見圖2）。根據(jù)機(jī)房內(nèi)主要功能空間的使用情況，將其劃分為IDC機(jī)房、電源、輔助空間3種主力模塊。通過對3種模塊的不同組合，提出“集中化”“分散化”“組團(tuán)化”等不同模塊的組合方式，選出較為理想的模式進(jìn)行深化。

平面原始尺寸限定

圖2　既有輪廓（繪圖 李楠）

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，模塊組團(tuán)化的平面形式具備了功能明確、路由便捷、擴(kuò)展性好、流線清晰的多重優(yōu)勢，是較為理想的機(jī)房平面雛形（見圖3）。

圖3　設(shè)計推導(dǎo)：平面布局概念對比（繪圖 李楠）

4.2裝機(jī)空間精細(xì)化設(shè)計

機(jī)房內(nèi)模塊布局大致確定后，下一階段設(shè)計圍繞此輪廓進(jìn)一步確定基本的開間及進(jìn)深柱網(wǎng)尺寸。在這個設(shè)計過程中，為了達(dá)到最大裝機(jī)效果，建筑師引入了更為精細(xì)化的空間尺寸推敲體制，即建筑空間完全根據(jù)裝機(jī)空間來設(shè)計，而并非套用傳統(tǒng)的建筑模數(shù)尺寸。

1）步驟1：機(jī)柜尺寸確定

在設(shè)計之前，經(jīng)與主要專業(yè)溝通，確定本方案的基本前提：單個機(jī)柜尺寸600mm×1200mm×2200mm（見圖4），主力機(jī)房采用精密空調(diào)，設(shè)空調(diào)區(qū)。

2）步驟2：單列機(jī)柜長度

根據(jù)GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》4.3.4第5條，一列機(jī)柜超過15m應(yīng)設(shè)維護(hù)走道，因此，控制每列機(jī)柜在15m左右能夠更加合理地利用空間（見圖5）。

3）步驟3：維護(hù)空間

根據(jù)機(jī)柜維護(hù)要求，在兩端設(shè)主次維護(hù)通道，寬度分別為1.5m和1m（見圖6）。

圖4　機(jī)柜尺寸確定（繪圖 李楠）

圖5　單列機(jī)柜長度（繪圖 李楠）

圖6　維護(hù)空間（繪圖 李楠）

圖7　空調(diào)空間（繪圖 李楠）

4）步驟4：空調(diào)空間

主力機(jī)房均采用精密空調(diào)，沿機(jī)柜排列方向兩端需設(shè)置空調(diào)區(qū)，綜合空調(diào)設(shè)備的擺放原則，確定尺寸為2.4m（見圖7）。

5）步驟5：確定柱網(wǎng)

綜合前幾步的空間尺寸，得到機(jī)房內(nèi)單列機(jī)柜最長時的空間長度為22.8m，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的合理區(qū)間，設(shè)置2跨柱網(wǎng)，即進(jìn)深方向柱網(wǎng)11.4m，這樣每2跨形成一個裝機(jī)空間，在完整柱跨內(nèi)布置機(jī)房，可以避免小柱網(wǎng)產(chǎn)生的消極空間（見圖8）。

開間方向的尺寸確定，則主要受制于消防疏散的要求。根據(jù)現(xiàn)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）要求，房間內(nèi)一點離疏散出口距離不應(yīng)超過22m，在此基礎(chǔ)上，綜合開間方向的整體長度，確定8.7m為主的開間柱網(wǎng)尺寸，在開間方向形成勻質(zhì)的空間構(gòu)成。

4.3確定交通空間

根據(jù)機(jī)房裝機(jī)空間的大致思路，將平面縱向劃分為3組功能區(qū)，均可作為裝機(jī)空間及電力空間。在此基礎(chǔ)上形成了雙通道布局，保證兩側(cè)房間的單面疏散距離，中間房間采用雙向疏散。同時使每個機(jī)房的空調(diào)區(qū)均對走道開門，便于維護(hù)的獨立操作。

同時，在建筑兩端增加橫向聯(lián)系走道，由于機(jī)房縱向長度較大，在通向走道的適當(dāng)位置，布置的疏散樓梯必須要滿足消防疏散的要求。根據(jù)多層建筑疏散樓梯的要求，布置4部疏散樓梯，同時結(jié)合走道布置輔助用房，最大程度地減少對裝機(jī)空間的影響（見圖9）。

4.4優(yōu)化輔助空間

根據(jù)前兩個階段的設(shè)計，機(jī)房的空間布局及柱網(wǎng)尺寸均確定，在此基礎(chǔ)上對其他輔助空間進(jìn)行優(yōu)化，使平面具備更強(qiáng)的實用性。

5 平面指標(biāo)分析總結(jié)

圖8　確定柱網(wǎng)（繪圖 李楠）

圖9　平面生成（繪圖 李楠）

機(jī)房的建筑空間基本確定后，對其進(jìn)行工藝設(shè)計則是機(jī)房的重點內(nèi)容，裝機(jī)的合理性及數(shù)量則是考核建筑空間的核心指標(biāo)（見圖10）。根據(jù)工藝設(shè)計要求，考慮客戶需求多樣性，合理配置3kW、5kW、7kW比例。機(jī)房等級劃分見表1，裝機(jī)指標(biāo)見表2.（注：此部分內(nèi)容參考工藝設(shè)計部分，設(shè)計人：孫麗玫）

最終指標(biāo)達(dá)到20112裝機(jī)數(shù)，滿足任務(wù)書的要求，單機(jī)架面積為5.1m2。

表1　機(jī)房等級劃分

圖10　機(jī)房裝機(jī)平面布置

表2　機(jī)房裝機(jī)指標(biāo)

6 思考

本案中3棟機(jī)房均采用相同的平面柱網(wǎng)及空間布局，最終的裝機(jī)數(shù)卻不盡相同，作為建筑師，對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，進(jìn)而掌握影響裝機(jī)的空間因素，對今后的數(shù)據(jù)中心設(shè)計是很有必要的。

6.1電力用房對裝機(jī)的影響

一直以來，機(jī)房內(nèi)電力用房的占比成為制約裝機(jī)數(shù)的一大因素，電源專業(yè)根據(jù)各層的工藝功耗合理配置電力用房的比例，可在最大程度上保證裝機(jī)數(shù)量。根據(jù)工藝需求，本案的3棟數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓分別按GB 50174 A類（A2-1樓）、B類（A2-3樓）和TIA-942標(biāo)準(zhǔn)T3（A2-2樓）配置標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，高低壓配電室、電力室使用面積按不同機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃?？梢钥吹剑珹2-3在裝機(jī)數(shù)量上有著明顯的優(yōu)勢，究其原因，主要是標(biāo)準(zhǔn)層中電力電池室的面積得到了有效的控制。

根據(jù)電源設(shè)計的主要思路，A2-3的用戶需求尚未明確，對于此類客戶，A2-3數(shù)據(jù)中心擬提供多種的供電方式，UPS交流供電、336V高壓直流供電、240V高壓直流供電都在本設(shè)計的考慮范圍內(nèi)。特別是隨著IDC用戶的普及，更多的中小型企業(yè)也在發(fā)展建設(shè)IDC機(jī)房，面對此種需求，在A2-3數(shù)據(jù)中心內(nèi)還考慮了微模塊機(jī)房的建設(shè)可能，每個模塊可根據(jù)用戶需求，靈活設(shè)定容量及配置方案。

又鑒于在A2-3數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能采用的多種供電模式，本設(shè)計電力電池室的設(shè)置滿足UPS N+X（即采用高頻模塊化UPS系統(tǒng)）并聯(lián)冗余系統(tǒng)對機(jī)房面積的需求，同時合理規(guī)劃機(jī)房布局。為采用其他供電需求的用戶設(shè)置小型供電系統(tǒng)，隨著鐵鋰電池在機(jī)房的普及使用，建議采用組合式的336V（或240V）高壓直流供電系統(tǒng)或微模塊方式，打破通信機(jī)房與電力電池室的分界，既可增加機(jī)架數(shù)量，同時還能降低機(jī)房荷載，不再單獨為電力電池室增大荷載。（注：此部分內(nèi)容參考電源設(shè)計部分，設(shè)計人：劉馳）

由此可見，在電力用房上發(fā)展新技術(shù)，對機(jī)房整體使用率有著明顯的提高。

6.2空調(diào)形式對裝機(jī)的影響

在設(shè)計過程中，針對不同的機(jī)房功耗，配置了不同的空調(diào)形式。本案的主力裝機(jī)空間均是按照3kW，5kW機(jī)房采用精密空調(diào)形式進(jìn)行設(shè)計，即兩側(cè)設(shè)空調(diào)區(qū)。除了精密空調(diào)外，7kW機(jī)房采用了列間空調(diào)形式。列間空調(diào)的優(yōu)勢在于不需空調(diào)區(qū)，原本空調(diào)區(qū)的位置可用來容納更多的機(jī)架，但其需在每列機(jī)柜內(nèi)穿插設(shè)置，且原裝機(jī)空間按每列15個機(jī)柜進(jìn)行模擬，超出此范圍后仍需設(shè)維護(hù)走道，最終的裝機(jī)數(shù)在核減空調(diào)位及維護(hù)空間后，仍然能與精密空調(diào)房間保持在相似的水平。關(guān)于這兩種空調(diào)方式的裝機(jī)數(shù)比較，本文不做過多探討。在不同的房間尺寸下，可產(chǎn)生不同的對比效果，尋求一個最優(yōu)的空間尺寸，可作為今后研究的一個方向。

7 結(jié)束語

本案作為一次投標(biāo)方案，完成了任務(wù)書中關(guān)于高裝機(jī)率的要求，同時也產(chǎn)生了一種不同于以往傳統(tǒng)機(jī)房平面的新的設(shè)計思路。在設(shè)計過程中，還在其他方面做了新的嘗試，包括立面推敲，規(guī)劃布局等，不再詳述。本案作為一次關(guān)于機(jī)房平面的創(chuàng)作過程，有其值得探討之處，希望能對今后的工程設(shè)計產(chǎn)生拋磚引玉的作用。

Research on IDC Architectural Plane Design Based on Improving the Server Capacity

HAO Fei

（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.）

IDC design is a systematic project， which requires the coordination of architecture design and equipment installation. As the basic conditions of construction，the architectural design needs to fully understand the functional requirements of the professional， and then create a design program to meet the functional requirements of the architectural quality at the same time. In the design practice in recent years， the architectural profession follows the integral， the standardized design idea， which formed the more complete IDC technology solution. In the face of more and more complex data industry development， the demand for IDC is also growing. This paper focuses on graphic design from the data center construction of combined with recent engineering design case， exploration deal with a higher loading machine demand design solutions， and summarizes the problems in the design， and put forward the new design idea.

IDC； architectural plane design； server capacity