保護(hù)性建筑物修繕改造中的電氣設(shè)計方案淺談

熊 光,李光曦,蔡雄飛

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

0 引 言

在歷史保護(hù)性建筑物的改造修繕設(shè)計過程中,既要遵循留下文化脈絡(luò)(修舊如舊)的主旨、又要滿足現(xiàn)代化的功能需求(煥發(fā)新生)[1]。因此,在保護(hù)性建筑物電氣方案設(shè)計中通常面臨諸多不同于新建建筑物設(shè)計的地方。本文以武漢市某地塊的修繕改造工程為例,探討保護(hù)性建筑物電氣修繕改造方案設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)問題。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目整體概況

某片區(qū)改造建設(shè)項(xiàng)目中,D地塊為新建及修繕改造區(qū),該地塊內(nèi)部由D1、D2、D3 3部分組成,D區(qū)總平面如圖1所示。

圖1 D區(qū)總平面

D1、D2為新建建筑區(qū),各設(shè)置一個2層的地下室,地下室通過室外管群連通,主要功能初定為餐飲類商業(yè)和住宅等。D3區(qū)為保留建筑區(qū),修繕后建筑物的主要功能初定為文創(chuàng)辦公、一般性商業(yè)等。歷史保護(hù)性建筑物的修繕改造需要在設(shè)計前期進(jìn)行反復(fù)踏勘及方案論證,耗時長。因此,優(yōu)先開展D3區(qū)的設(shè)計工作。

1.2 保留建筑物概況

D3區(qū)現(xiàn)存保留建筑10棟,早期功能為住宅區(qū),現(xiàn)為武漢市第一批一級優(yōu)秀歷史建筑,不可移動文物。建筑多為1～4層磚木結(jié)構(gòu),紅瓦四坡頂,局部為平屋頂(用作曬臺),建筑平面形式多為兩間式,前后設(shè)天井,平面近似為矩形。原始設(shè)計中,樓棟之間布局緊湊,各棟之間主要采用背靠背的布局方式,地塊角落的個別建筑房間甚至不規(guī)整。測繪資料顯示,建筑物屋前通道寬度通?？蛇_(dá)3 m及以上,建筑物屋后通道寬度甚至不到2 m。各棟建筑單體由一到多個住宅單元組成,共計46個單元,每一住宅單元的規(guī)模250～350 m2。建筑物局部存在私搭私建和翻新的現(xiàn)象,但大體依然保留著原有的建筑風(fēng)貌。

2 供配電系統(tǒng)改造

方案設(shè)計前,對保留建筑區(qū)的電氣設(shè)施進(jìn)行踏勘考察。結(jié)果如下:現(xiàn)場僅有少量管線敷設(shè)痕跡,且殘留的管線基本損壞、老化,從建筑外墻不同時期的鐵橫擔(dān)及瓷瓶可以看出原有低壓配電線路采用沿建筑物外墻架空敷設(shè)。建筑物外墻不同時期的鐵橫擔(dān)如圖2所示。

圖2 建筑物外墻不同時期的鐵橫擔(dān)

架空敷設(shè)的入戶電纜如圖3所示。由于現(xiàn)場沒有完整的配電回路存留,根據(jù)周邊小區(qū)的供電方式,預(yù)計建筑物原低壓電源引自附近的市政桿上變壓器。

圖3 架空敷設(shè)的入戶電纜

2.1 供配電系統(tǒng)方案

該項(xiàng)目變配電所選址時,要考慮保留建筑物群早期均為住宅建筑,內(nèi)部房間間隔有限,且建筑物以磚木結(jié)構(gòu)為主。如果將變配電房設(shè)置在保留建筑物中,需要打通多處內(nèi)部隔墻。因此,變配電所選址應(yīng)盡量避免設(shè)置在保留建筑物中。

鑒于D3區(qū)四周幾乎被新建地塊(含地下室)包圍(見圖1),考慮從臨近新建地下室的變配電所引入低壓AC 220/380 V電源。方案選擇時,同時放棄在保留建筑物周邊設(shè)置箱式變電站的配電方案。

方案設(shè)計中擬將D3區(qū)北部5棟建筑(總建筑面積約6 800 m2)的電源從D1地塊新建地下室的Z1#專用變配電房引來;而D3區(qū)南部5棟建筑(總建筑面積約6 600 m2)的電源擬從D2地塊新建地下室的Z2#專用變配電房引來。在各棟建筑物靠近變配電房的建筑單元內(nèi)的合適位置(如后院天井內(nèi)的獨(dú)立房間)設(shè)置一個強(qiáng)、弱電合用間,合用間內(nèi)設(shè)配電總箱。在各單元樓內(nèi)分別設(shè)置一個分配電箱,分配電箱位于各單元的1F樓梯間側(cè)墻處。經(jīng)核實(shí),各建筑單元分配電箱至變配電房的供電距離均不大于200 m,可以滿足供電距離的要求。各樓棟配電總箱與供電變壓器的相對位置如圖4所示。

2.2 室外電纜敷設(shè)

變配電房至配電總箱的路由采用室外管群敷設(shè),為保護(hù)原貌,盡量減少路面開挖,利用地塊自身的特征,采用在主干通道下方多段式、分散布置排管的設(shè)計方案,見圖4。由于室外通道寬度有限,施工圖設(shè)計時應(yīng)對各專業(yè)的室外管網(wǎng)進(jìn)行綜合設(shè)計。室外管群施工應(yīng)在古建筑及結(jié)構(gòu)專業(yè)的指導(dǎo)下進(jìn)行,應(yīng)避免對歷史風(fēng)貌現(xiàn)狀的破壞及對臨近保留建筑物墻體結(jié)構(gòu)的影響。后期施工中還應(yīng)對設(shè)備各專業(yè)室外管線(包括人工接地系統(tǒng))的施工工序進(jìn)行合理的組織,以避免各分包單位各自為政、重復(fù)開挖,同時應(yīng)在施工前、后做好工程記錄,利于施工后的還原工作。

圖4 各樓棟配電總箱與供電變壓器的相對位置

設(shè)計方案中,由于各配電總箱與配電分箱的設(shè)置點(diǎn)更靠近建筑物后院天井,而后院外部通道較窄,大多不具備管群的開挖條件。鑒于建筑物原設(shè)計采用了外墻鐵橫擔(dān)架空敷設(shè)方式,且后院通道的位置相對隱蔽。因此,從各棟配電總箱,至每一個單元分箱的電纜路由,考慮采用室外型橋架沿后院外墻敷設(shè)方式(單元數(shù)較少的樓棟則直接埋管敷設(shè)),同時應(yīng)保證橋架全段處于建筑物群接閃器保護(hù)的LPZ0B區(qū)內(nèi)。橋架外觀選型或橋架隱蔽方案需要與古建筑專業(yè)共同確定。

室外鐵橫擔(dān)及瓷瓶具有一定時代特征,應(yīng)與古建筑專業(yè)共同研究其修繕、保留方式。屋前墻面的鐵橫擔(dān)如圖5所示。平和打包廠(武漢市優(yōu)秀歷史建筑,始建于1905年,修繕于2017年)修繕改造項(xiàng)目保留的鐵橫擔(dān)如圖6所示。

圖5 屋前墻面的鐵橫擔(dān)

圖6 平和打包廠修繕改造項(xiàng)目保留的鐵橫擔(dān)

2.3 室內(nèi)低壓配電系統(tǒng)

現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn),原建筑室內(nèi)未見任何可用的配電裝置(可能已被拆除),只有少量的燈具及導(dǎo)線,從僅存的導(dǎo)線及敷設(shè)痕跡來看,存留電線均已明顯老化,且大多采用明敷或在木質(zhì)槽板內(nèi)。建筑設(shè)計中采用此類導(dǎo)線直接明敷的方式有一定火災(zāi)隱患,應(yīng)不再使用。

為降低歷史保護(hù)性建筑的電氣火災(zāi),根據(jù)《文物建筑電氣防火導(dǎo)則(試行)》,該項(xiàng)目低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計及施工應(yīng)符合如下相關(guān)要求[2]。

(1)低壓配電箱(柜)。配電箱(柜、盤)滿足同時使用用電設(shè)備的最大功率。設(shè)置在專用的獨(dú)立房間或者設(shè)置部位與其他功能區(qū)域有明顯的空間分隔,且安裝在不燃材料上,或者采取防火隔離措施后安裝在木質(zhì)等可燃材料上。下方及周圍0.5 m范圍內(nèi)沒有可燃物堆放,端子的接線應(yīng)牢固。

(2)配電線路。配電回路同時使用用電設(shè)備的最大功率≤導(dǎo)線截面所允許最大負(fù)荷功率的 80%。阻燃性能為A級的耐火電線、電纜。電纜采用穿金屬管或金屬線槽敷設(shè)。從配電箱到用電設(shè)備之間的導(dǎo)線無接頭,或者接頭在金屬或者阻燃性能B1級以上的端子箱、接線模塊內(nèi),采用端子緊固連接。由總箱至各分箱的配線方式盡量采用放射式。采用樹干式時應(yīng)避免采用穿刺接線,T接時應(yīng)采用T接端子箱。

(3)燈具、電源插座、照明開關(guān)等。避免采用發(fā)熱功率大的燈具,推薦采用品質(zhì)優(yōu)良的LED燈具。電源插座、開關(guān)有阻燃性能。燈具無可燃物遮擋。燈具燈泡正下方0.3 m內(nèi)無可燃物堆放。功率大于3 kW的電熱器0.5 m內(nèi)無可燃物堆放。各電氣裝置應(yīng)安裝在不燃材料上,或者采取隔離措施后安裝、放置在木質(zhì)等可燃材料上。電源插座、照明開關(guān)與導(dǎo)線連接,面板緊固,無松動現(xiàn)象。

(4)其他。文物建筑中宜優(yōu)先選擇具有防火性能的用電設(shè)備。各電涌保護(hù)器選型時應(yīng)選擇匹配的后備保護(hù)器。正在修繕中的文物建筑應(yīng)做好臨時用電線路、設(shè)備的防護(hù)及管理。文物建筑內(nèi)部不應(yīng)設(shè)置電動車輛充電樁。

建筑物各單元負(fù)荷相對較小,單元樓內(nèi)考慮不設(shè)專用電井,豎向干線電纜采用穿金屬管敷設(shè),水平電纜采用穿金屬管和金屬線槽敷設(shè)的方案,各電纜穿過樓板、墻面時應(yīng)進(jìn)行防火封堵。對非隱蔽處的金屬線槽采用古建筑專業(yè)認(rèn)可的仿古式造型[3]。對消防電纜及非消防電纜分別采用WDZAN和WDZA型電纜、電線。除總配電箱在配電間內(nèi)落地式安裝外,為減少對墻體的破壞,各分配電箱建議在合適位置掛墻式明裝[4]。當(dāng)獲得古建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的同意后,也可考慮在磚質(zhì)墻體開洞暗裝的方式。同時箱體制作安裝時,外觀應(yīng)整潔,箱內(nèi)布置應(yīng)緊湊。

3 防雷接地及電擊防護(hù)系統(tǒng)

3.1 防雷接地系統(tǒng)

原建筑物屋面及側(cè)墻未發(fā)現(xiàn)接閃、引下線等防雷裝置。由于建筑物大部分為磚木結(jié)構(gòu),僅有少量為混凝土。根據(jù)現(xiàn)場條件,原建筑物沒有設(shè)置防雷接地系統(tǒng)。由于保留建筑物群不在四周新建建筑物屋面接閃器的滾球保護(hù)范圍之內(nèi)。對保留區(qū)10棟建筑物的預(yù)計雷擊次數(shù)進(jìn)行計算,計算結(jié)果中,最小值為0.154 2(D3-9棟),最大值為0.214 1(D3-7棟)。根據(jù)GB 50057—2010對各棟建筑物按第三類防雷建筑物設(shè)防。

該工程接閃器及引下線的做法如下:對屋面采用φ10 mm鍍鋅圓鋼作為接閃帶(明裝),沿屋脊、屋檐、女兒墻等位置敷設(shè)接閃帶,屋面接閃網(wǎng)網(wǎng)格不大于20 m×20 m或24 m×16 m。接閃帶過伸縮縫時采用銅質(zhì)連接帶弧形連接。屋面接閃器布置示意如圖7所示。

圖7 屋面接閃器布置示意

關(guān)于專設(shè)引下線的敷設(shè),文獻(xiàn)[5]提出采用圓銅作為防雷引下線,盡管更具古香古色,但由于造價較高,不適于推廣到該項(xiàng)目中[5]。方案設(shè)計前期,參考了武漢市幾處重點(diǎn)項(xiàng)目的修繕方案,如武漢市魯茲故居修繕改造項(xiàng)目中,熱鍍鋅扁鋼專設(shè)引下線如圖8所示;武漢市平和打包廠修繕改造項(xiàng)目中,熱鍍鋅圓鋼專設(shè)引下線如圖9所示;鄱陽街小學(xué)改造中,引下線局部采用在外墻內(nèi)嵌入式敷設(shè)熱鍍鋅扁鋼的方式。

圖8 熱鍍鋅扁鋼專設(shè)引下線

圖9 熱鍍鋅圓鋼引下線

經(jīng)過比選,方案設(shè)計中結(jié)合了魯茲故居及平和打包廠的處理方式。在每一棟建筑單元體的四角外墻處各設(shè)一根專設(shè)引下線,引下線采用φ12 mm鍍鋅圓鋼沿墻明敷(根據(jù)墻面顏色對引下線涂刷相應(yīng)顏色的外漆),并應(yīng)經(jīng)最短路徑接地。在各引下線距地面1.8 m處設(shè)置斷接卡。引下線距地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段采用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯絕緣層保護(hù),并采取防機(jī)械損傷措施。引下線3 m范圍內(nèi)敷設(shè)5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。

該工程接地極采用人工接地極,沿各棟建筑物外墻設(shè)置一圈水平接地極,水平接地采用熱鍍鋅扁鋼(65×5 mm),垂直接地采用熱鍍鋅角鋼(50×50×5 mm),長2.5 m。垂直接地極間距以及人工水平接地體的間距均為5 m。人工接地體在土壤中的埋設(shè)深度不應(yīng)小于1 m,其距墻或基礎(chǔ)不宜小于1 m。

各接地裝置之間的間距均遠(yuǎn)小于20 m,很難形成獨(dú)立的接地系統(tǒng)。因此,設(shè)計中對整個D3區(qū)內(nèi)部的接地裝置進(jìn)行縱橫相連,同時與外部D1、D2區(qū)的新建建筑物地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋多處連通,形成整個D地塊的大接地系統(tǒng)。對于變配電房與建筑物共用大接地系統(tǒng)的情況,即使變配電房處于建筑物以外,其低壓配電系統(tǒng)的接地形式依然可以采用TN-S方式。但供電電纜在各單體建筑物進(jìn)線處需要對PE導(dǎo)體重復(fù)接地。

根據(jù)國際電工委員會IEC 62305系列雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中的雷電流分流模型,當(dāng)大接地系統(tǒng)之上的建筑物附屬接閃器發(fā)生接閃時,該接地系統(tǒng)之上的單體建筑物,其進(jìn)線電纜中雷電流分流值將遠(yuǎn)小于一般性要求的12.5 kA(10/350 μs)。

3.2 電擊防護(hù)措施

原建筑無總等電位聯(lián)結(jié),浴室等區(qū)域也未發(fā)現(xiàn)局部等電位聯(lián)結(jié)?？紤]建筑物結(jié)構(gòu)特殊性,建筑物樓板內(nèi)(木質(zhì)或素混凝土)沒有自然鋼筋網(wǎng)。新的建筑物功能取消浴室區(qū),但為減少后期使用中的電擊事故,建議施工圖設(shè)計中將燈具照明回路及壁掛式空調(diào)等回路均設(shè)置額定動作剩余電流為30 mA的瞬動型剩余電流保護(hù)器[6-7]。

4 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)及其他

原建筑物未設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng),根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)第11.0.13條,總建筑面積大于1 500 m2的木結(jié)構(gòu)公共建筑應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。由于各棟之間的間距較小且墻體均為普通墻體,不滿足規(guī)范GB 50016—2014表5.2.2的防火間距要求。因此,需要對整個建筑群設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。

整體項(xiàng)目(A、B、C、D 4個地塊)擬采用控制中心報警系統(tǒng),在D地塊D1分區(qū)地面1F設(shè)置主消防控制室,其余3個地塊各設(shè)1個分消防控制室。D3區(qū)建筑初步預(yù)計火警總點(diǎn)位約950點(diǎn),根據(jù)暖通專業(yè)方案提資,各棟內(nèi)部沒有設(shè)置消防風(fēng)機(jī)等需要聯(lián)動控制的裝置,因此僅需設(shè)置探測及報警裝置。各火警回路擬直接從主消防控制室引來,在各棟建筑1F強(qiáng)、弱電合用間內(nèi)設(shè)置火警接線端子箱,1F大廳處設(shè)置火災(zāi)顯示盤。鑒于后期施工難度的不確定性,對于部分管線敷設(shè)受限制的區(qū)域也可考慮采用NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)置智慧煙感。

該保留建筑群的火災(zāi)危險性相對較大,需要在各非消防總進(jìn)線回路設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第13.5.3條,電氣火災(zāi)監(jiān)控器的探測點(diǎn)按如下要求設(shè)置:磚木或木結(jié)構(gòu)重點(diǎn)古建筑的電源進(jìn)線宜在總開關(guān)的下端口測量。因此,當(dāng)進(jìn)線回路電流在300 A以下時,按回路設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器;對于300 A以上的回路,在分支回路設(shè)置探測器。電氣火災(zāi)監(jiān)控檢測方式采用剩余電流及測溫式相結(jié)合的方式。

關(guān)于應(yīng)急照明系統(tǒng),采用集中控制型系統(tǒng)對每一棟建筑設(shè)置分配電箱,除采用消防電源雙回路供電外,箱內(nèi)另設(shè)蓄電池組(應(yīng)急時間≥30 min)。關(guān)于智能化系統(tǒng),設(shè)計僅提供路由,具體設(shè)計由專項(xiàng)設(shè)計單位完成。

5 結(jié) 語

與新建建筑物的電氣設(shè)計相比,保護(hù)性建筑的電氣修繕改造設(shè)計往往是一個較漫長的過程。設(shè)計中的重點(diǎn)總結(jié)如下:了解建筑物的歷史背景、建筑風(fēng)格,明確建筑物修繕改造后的定位;掌握建筑物的現(xiàn)狀、施工條件及建筑物周邊的環(huán)境,便于選擇可行的設(shè)計、施工方案;重點(diǎn)關(guān)注建筑物的防火、防雷、電擊防護(hù)等安全性方面的設(shè)計;重點(diǎn)關(guān)注施工過程中開洞、開挖對結(jié)構(gòu)專業(yè)的影響;明裝、明敷電氣裝置對建筑風(fēng)格、歷史風(fēng)貌的影響。同時,設(shè)計中需要克服的困難如下。

(1)前期測繪圖紙不夠準(zhǔn)確,各專業(yè)提資信息的不確定性帶來的反復(fù)調(diào)整。

(2)修舊如舊的主旨思路以及現(xiàn)場條件對設(shè)計方案選擇的限制;建筑物的原始設(shè)計與執(zhí)行新規(guī)范之間的矛盾。

(3)多次現(xiàn)場踏勘、方案論證及專家會審造成時間消耗,體現(xiàn)為設(shè)計進(jìn)度推進(jìn)緩慢、設(shè)計周期較長。后期施工隨時需要設(shè)計人員深入現(xiàn)場指導(dǎo),施工過程必會涉及局部方案的反復(fù)調(diào)整。

(4)現(xiàn)場踏勘中,有些樓梯已經(jīng)腐朽或出現(xiàn)開洞,有的墻體甚至出現(xiàn)開裂傾斜的現(xiàn)象,因此應(yīng)注意現(xiàn)場的人身安全。