新基建形勢下數(shù)據(jù)中心園區(qū)多層動力中心設(shè)計研究

曾舒婭 孫立峰 郎艷麗

【摘要】? ? 在新基建形勢下，本文結(jié)合理論研究和實際工程經(jīng)驗，通過研究特定場地內(nèi)數(shù)據(jù)中心園區(qū)動力中心的建設(shè)需求，形成多層動力中心的設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】? ? 數(shù)據(jù)中心? ? 多層動力中心? ? ?設(shè)計

一、研究背景

在國家推進(jìn)新基建發(fā)展的形勢下，數(shù)據(jù)中心園區(qū)建設(shè)呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢，動力中心設(shè)計作為機房樓的“心臟”，也同樣受市場需求、通信工藝、結(jié)構(gòu)方案、電源方案、綠色節(jié)能、環(huán)保措施等諸多因素的影響，呈現(xiàn)出前所未有的新態(tài)勢。在中國南方省份，土地資源稀缺，政府為提高土地的利用率，對規(guī)劃條件中的容積率、綠化率、停車位等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著較高的要求，多層動力中心的建筑形式就此產(chǎn)生，對其設(shè)計研究具有極大的現(xiàn)實意義。

二、研究思路及基本原則

本文通過分析數(shù)據(jù)中心園區(qū)多層動力中心的建設(shè)特點情況，從建筑功能、防火分區(qū)、電源工藝、結(jié)構(gòu)抗震等進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出多層動力中心的設(shè)計策略。

2.1多層動力中心的特點

1.集中化建筑難點。當(dāng)數(shù)據(jù)中心園區(qū)建設(shè)需求較大，場地規(guī)劃指標(biāo)控制較嚴(yán)時，會出現(xiàn)動力中心集中建設(shè)的情況，這種方式存在著進(jìn)排風(fēng)處理難度大、防火分區(qū)劃分復(fù)雜、設(shè)備搬運空間緊湊等難度，需要找到一個契合點來進(jìn)行有效組織。

2.結(jié)構(gòu)技術(shù)難點大。南方某動力中心地面3層，3層均需放置柴油發(fā)電機，按每層16臺，共48臺計算。1）荷載大。油機設(shè)備較重， 2）結(jié)構(gòu)計算層高高。油溝及設(shè)備安裝凈高需要造成層高高。3）振動及共振。油機運行期間有振動，并且數(shù)量多，避免油機振動及共振對建筑結(jié)構(gòu)主體造成的安全隱患也是本工程的最難點。

3.電源工藝復(fù)雜。柴油發(fā)電機組設(shè)備尺寸較大大，單臺柴油發(fā)電機組最輕為16.5噸，多層動力中心的設(shè)計不但要重點考慮設(shè)置在一層以上的柴油發(fā)電機組安裝與后期維護(hù)的問題，還需要綜合考慮進(jìn)排風(fēng)面積的問題。

2.2研究思路

針對多層動力中心的建設(shè)特點進(jìn)行研究，主要有幾個方面：

1.用地靈活性較高，可根據(jù)實際地形和建設(shè)強度考慮多層。2.進(jìn)排風(fēng)需求量大，建筑綜合考慮有效進(jìn)風(fēng)洞口的預(yù)留及有組織的排風(fēng)。3.豎向排風(fēng)較為復(fù)雜，防火分區(qū)劃分不同于一般平面，建筑需考慮豎向排風(fēng)井道的防火分區(qū)。4.油機較多且集中，結(jié)構(gòu)專業(yè)考慮足夠的荷載、避免共振。5.電源工藝復(fù)雜，建筑和電源專業(yè)通過對搬運路徑、進(jìn)排風(fēng)的研究，形成設(shè)計策略，解決難題。6.重點問題在技術(shù)、經(jīng)濟、使用、維護(hù)、初始投資及全壽命投資等方面進(jìn)行多方案比較，找出較優(yōu)的解決方案。

三、數(shù)據(jù)中心園區(qū)多層動力中心設(shè)計

3.1充分利用地形

數(shù)據(jù)中心園區(qū)按建設(shè)分期進(jìn)行劃分，主要依據(jù)地理位置的重要性、周邊道路的建設(shè)情況，市政設(shè)施的完善順序等綜合因素來進(jìn)行確定。本工程一二期之間通過場地的高差設(shè)計景觀擋土墻和放坡進(jìn)行空間上的相對隔離，通過兩條坡度稍大的消防車道進(jìn)行銜接。功能分區(qū)：園區(qū)劃分為通信生產(chǎn)區(qū)、附屬配套區(qū)。通信生產(chǎn)區(qū)包含4棟機房樓、動力中心和西北角的地下儲油罐區(qū)。在建設(shè)規(guī)模、場地有限的條件下，兩期動力中心合建并集中布置于局址的中部，4棟數(shù)據(jù)機房樓兩兩成對排列布置，動力中心布置在機房樓中部，形成半封閉、高效安全的通信生產(chǎn)區(qū)。

3.2平面研究

柱網(wǎng)：依據(jù)油機設(shè)備的尺寸、進(jìn)排風(fēng)消音間尺寸、搬運通道寬度等工藝需求，動力中心開間設(shè)置為6m，進(jìn)深為8.1m，10.8m兩個尺寸的組合。這樣的尺寸設(shè)計滿足進(jìn)排風(fēng)量的土建要求、后期搬運和維護(hù)的尺寸要求。

功能組成：動力中心平面布置以高壓油機為主要空間，兩側(cè)輔以儲油間、進(jìn)風(fēng)消音間。兩側(cè)長邊進(jìn)風(fēng)，中部設(shè)置排風(fēng)消音間，升至屋頂排風(fēng)。

3.3垂直方向上的布局

層高：動力中心一層至三層的層高可設(shè)置為6.3m，考慮上走線，滿足電源工藝要求，增加了凈高和結(jié)構(gòu)的難度;由于場地高差大，剖面設(shè)計靈感來源于“附涯式”建筑，因此室內(nèi)外高差北面為3.3.m，其余三側(cè)在臺地上為0.6m，在有限的場地里有效地消化了兩個臺地之間的高差。主要出入口設(shè)置于東、西兩面，保證了建筑為多層建筑，建筑高度為從室外地坪至屋面面層為19.5m。

層疊式排風(fēng)井：層數(shù)越高排風(fēng)越難。通過排風(fēng)量的計算，若是多層排風(fēng)都集中于一個垂直的排風(fēng)井里，需要設(shè)置一個通高的風(fēng)井，加大了平面進(jìn)深，造成投資和地塊的浪費。建筑采取了層疊式的排風(fēng)井設(shè)計，一層和二層的排風(fēng)井合并為一個較大的排風(fēng)井，直排到屋頂最高處，三層的排風(fēng)井獨立出來，位于屋頂次高處，與一二層的排風(fēng)互不干擾。一二層及其合并的排風(fēng)井作為一個防火分區(qū)，三層及其獨立的排風(fēng)井作為一個獨立的防火分區(qū)。詳見下圖1。

3.4結(jié)構(gòu)安全性

荷載：多層動力中心油機荷載按活荷載考慮，并考慮振動影響系數(shù)。

共振的避免：設(shè)計中避免設(shè)備振動對主體結(jié)構(gòu)影響理想的解決辦法主要有兩個：一是將設(shè)備基礎(chǔ)或支撐體系與主體構(gòu)件脫開，各自形成獨立體系;二是采用擬真實驗結(jié)論應(yīng)用與實際相結(jié)合，對設(shè)備采用隔震措施;采取了加強結(jié)構(gòu)主體構(gòu)造等辦法，減小了振動對主體安全及耐久性的影響。根據(jù)我院與北京交大的研究課題《油機動力減振研究》數(shù)據(jù)，油機發(fā)動機響應(yīng)主要以25Hz和 50Hz頻率成分為主，通過合理設(shè)計可避開共振頻率。根據(jù)實踐經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)主體或樓面梁板結(jié)構(gòu)單元的自振頻率與油機振動頻率可做到避免共振。一般的動力中心樓板的固有頻率一階約為2Hz（一階）二階約為70～80Hz，均與油機頻率無法形成共振。針對項目的特點可采取以下措施：一是建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率，尤其是樓板的自振頻率，不宜與油機激勵頻率相同，當(dāng)無法避免時，應(yīng)當(dāng)采取隔振措施，改變油機-樓板體系的動力特性。設(shè)置減震效果達(dá)95%的彈簧減震器;在油機基礎(chǔ)側(cè)面設(shè)置減震溝。二是加強結(jié)構(gòu)的空間剛度，適當(dāng)加大支撐結(jié)構(gòu)的斷面和剛度，使其豎向的固有頻率提高與油機的干擾頻率遠(yuǎn)離，避免接近和共振。加大支撐結(jié)構(gòu)的剛度，可采用加大樓板厚度，加大樓層梁，柱斷面，以達(dá)到減少構(gòu)件的變形和振動量;油機盡量布置在梁上，且梁跨度不宜過大。

四、油機上樓對設(shè)計的影響及應(yīng)對

4.1電源工藝

柴油發(fā)電機組重量大，設(shè)置在一層以上時需要考慮吊裝問題。吊裝可以采取兩種方式，一種是直接采用吊車與人工配合的方式，另外是為臨時搭建吊裝平臺，吊車將發(fā)電機組吊至平臺后，經(jīng)進(jìn)風(fēng)洞口運輸就位;選擇合適的吊車，以吊裝3層柴油發(fā)電機組為例：1.需要將17.5噸柴油發(fā)電機組吊裝至地面僅13m高度，柴油發(fā)電機組的外形尺寸為7.0m*2.2m*2.6m（長*寬*高），按工作半徑8m考慮，考慮鋼絲繩長約為2米，吊鉤距臂桿頭的安全距離為2m，臂桿頭部距地面的距離為19米左右，根據(jù)勾股定理，臂長約為20m。2.根據(jù)作業(yè)半徑8m，吊重17.5t，臂桿長20m的條件，選擇合適范圍內(nèi)的吊車，一層的柴油發(fā)電機組運輸路線可以通過運輸門，直接運至相應(yīng)機位，機組周邊空間滿足機組旋轉(zhuǎn)的要求;由于空間受限，本案例項目中只能保證中間6臺柴油發(fā)電機組可以直接通過進(jìn)風(fēng)間直接運輸至相應(yīng)工位。

4.2進(jìn)排風(fēng)的處理

動力中心的進(jìn)排風(fēng)會直接影響柴油發(fā)電機組的輸出功率、燃油消耗率、熱氣流排放和柴油發(fā)電機組的使用壽命。對于常閉式循環(huán)水冷柴油發(fā)電機組，進(jìn)排風(fēng)的面積是否合理會直接影響機組的運行與壽命：通常進(jìn)風(fēng)口凈面積最小不低于機組散熱芯有效面積的1.5倍，對于排風(fēng)口凈面積最小應(yīng)不低于散熱器芯有效面積的1.4倍，通常進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置了固定百葉，所以在進(jìn)風(fēng)側(cè)需要考慮面折減，如采用的是45度的進(jìn)風(fēng)百葉，相應(yīng)的面積需折減至70%;對于排風(fēng)一般采用電動百葉，對于電動百葉，可以完全打開至水平狀態(tài)，可按不折減考慮。

五、結(jié)束語

由于受地塊開發(fā)強度、建設(shè)需求等綜合因素影響，多層動力中心將具有廣泛的適用性，目前國內(nèi)以二層、三層為典型，做好多層動力中心設(shè)計和研究對實現(xiàn)低成本，高效率運營具有積極的現(xiàn)實意義。統(tǒng)籌考慮建設(shè)方需求，了解建筑、結(jié)構(gòu)、電源等專業(yè)各種解決方案的技術(shù)特點，經(jīng)濟效益;因時、因地，綜合平衡土建、工藝、配套等各專業(yè)的需求，從而設(shè)計出技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟合理的多層動力中心。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 《油機動力減振研究》北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006