超高層建筑電氣設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)探究

徐 艷 南京城鎮(zhèn)建筑設(shè)計咨詢有限公司工程師

在進(jìn)行超高層建筑電氣設(shè)計時，要區(qū)別于一般建筑。設(shè)計人員要考慮超高層建筑電氣設(shè)計的特點(diǎn)，并且做好現(xiàn)場勘查，掌握正確的設(shè)計思路，科學(xué)調(diào)配好不同系統(tǒng)間的關(guān)系，合理地選擇和設(shè)計配電系統(tǒng)形式，從而使系統(tǒng)運(yùn)行具備較強(qiáng)的平穩(wěn)性以及安全性，全面提高超高層建筑電氣設(shè)計效果，延長設(shè)備的使用壽命，凸顯現(xiàn)代化的建筑電氣設(shè)計優(yōu)勢。

1 超高層建筑電氣設(shè)計概述

1.1 超高層建筑電氣設(shè)計的特點(diǎn)

電氣設(shè)計對超高層建筑有著重要的意義，也是關(guān)鍵的設(shè)計環(huán)節(jié)，主要是由于電氣設(shè)計關(guān)乎到建筑的用電安全，而超高層建筑相比一般建筑，發(fā)電系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)更依賴于電氣設(shè)計，并且結(jié)構(gòu)之間朝著更加復(fù)雜的方向不斷發(fā)展。在超高層建筑電氣中需要較多類型的用電負(fù)荷，為了防止對用電造成一定影響，需要不斷完善當(dāng)前的建筑電氣設(shè)計方案，并且全面巡視現(xiàn)場情況，及時發(fā)現(xiàn)異常因素，不斷充實(shí)當(dāng)前的設(shè)計方案，使整體設(shè)計水平能夠得到全面提高。

在實(shí)際設(shè)計時需要嚴(yán)格遵循國家的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的設(shè)計等級，同時考慮當(dāng)?shù)仉娏Φ膶?shí)際情況，選擇正確的電源。針對使用功能的特點(diǎn)合理配置電氣設(shè)計指標(biāo)，全面增強(qiáng)電氣設(shè)計科學(xué)性能[1]。在超高層設(shè)計中，由于配電的傳輸距離較大，因此需要遵循可靠性的設(shè)計原則，分段分區(qū)域設(shè)計，使系統(tǒng)運(yùn)行能夠具備較強(qiáng)的平穩(wěn)性。

此外，超高層建筑中的人員非常密集，一旦出現(xiàn)安全事故將很難在短時間內(nèi)疏散人群，并且會增加安全問題的發(fā)生概率。因此在實(shí)際工作中需要開展更加科學(xué)的電氣設(shè)計，融入與之對應(yīng)的消防用電設(shè)備和應(yīng)急照明設(shè)備，使人們在危險發(fā)生時可以有序逃離現(xiàn)場，并且通過采取相對安全的措施減少危險的發(fā)生，從而全面提高整體設(shè)計效果。

1.2 超高層建筑電氣設(shè)計基本要求

首先，在建筑電氣設(shè)計時需要遵循安全性原則，任何建筑的設(shè)計都需要將安全性放在首要位置，超高層建筑電氣設(shè)計更不例外。在實(shí)際設(shè)計時需要將安全因素落實(shí)到不同設(shè)計環(huán)節(jié)中，同時還需要考慮電氣系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于超高層建筑樓層較高，增加了整個供配電系統(tǒng)的電壓損失及線路功率損耗，造成了資源的浪費(fèi)，因此需要合理且有效地規(guī)劃供配電方案，最大程度上減少損耗。例如，在建筑物的地下層可以設(shè)置對應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)，使建筑能夠滿足持續(xù)供電的標(biāo)準(zhǔn)，在相應(yīng)的避難層設(shè)置變電所，以縮短供電半徑及用電距離，提高整體設(shè)計的合理性和可靠性。

其次，在超高層建筑電氣設(shè)計中還需要遵循節(jié)能性原則。隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為人們廣泛關(guān)注的話題，并且節(jié)能環(huán)保意識在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，使行業(yè)朝著新的方向不斷進(jìn)步。當(dāng)前，在超高層建筑電氣設(shè)計中融入節(jié)能理念的優(yōu)勢較為突出，不僅可以減少資源的浪費(fèi)，還有助于降低周邊環(huán)境的影響。將節(jié)能環(huán)保意識落實(shí)到不同的設(shè)計思路中，可以有效地增強(qiáng)整體的設(shè)計效果。例如，在設(shè)計中采用多種照明控制方式，將智能照明與感應(yīng)末端相結(jié)合，后期可滿足業(yè)主的各種控制需求；采用能源管理云平臺系統(tǒng)及預(yù)付費(fèi)售電管理系統(tǒng)，能夠做到實(shí)時實(shí)地的能耗監(jiān)測。利用現(xiàn)有建筑的屋頂結(jié)構(gòu)和面積，結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠做到光伏建筑一體化設(shè)計（Building Integrated Photovoltaic，BIPV），利用自然資源達(dá)到低碳建筑的節(jié)能效果。節(jié)約的用電量能夠用于超高層建筑的其他環(huán)節(jié)中，真正實(shí)現(xiàn)資源的科學(xué)調(diào)配，從而全面提升資源管理效果。接下來主要從供配電系統(tǒng)設(shè)計、照明設(shè)計、火災(zāi)自動報警設(shè)計、防雷設(shè)計、應(yīng)急電源以及能耗監(jiān)測等幾個方面簡要闡述超高層電氣設(shè)計的主要特點(diǎn)。

2 超高層建筑電氣設(shè)計的要點(diǎn)

2.1 供配電系統(tǒng)的設(shè)計

在超高層建筑電氣設(shè)計中，供配電系統(tǒng)的設(shè)計為關(guān)鍵組成部分，對于建筑物高度超過100 m 的超高層建筑，主要通道照明、辦公室照明、障礙照明、安防系統(tǒng)、客梯電源、生活水泵、消防控制室設(shè)備電源、火災(zāi)自動報警設(shè)備、漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)、消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)、防（排）煙設(shè)備、火災(zāi)應(yīng)急照明、疏散照明、消防電梯以及消防泵等屬于一級用電負(fù)荷設(shè)備，扶梯和空調(diào)用電為二級用電負(fù)荷設(shè)備，其他各用電設(shè)備均為三級用電負(fù)荷設(shè)備。

一級用電負(fù)荷設(shè)備應(yīng)采用雙重電源同時供電，當(dāng)有一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不會同時受到損壞；二級用電負(fù)荷設(shè)備宜采用兩回路供電。對消防負(fù)荷末端設(shè)自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）裝置自動切換，普通一級負(fù)荷末端設(shè)ATSE 裝置自動切換，非消防負(fù)荷中的二級負(fù)荷的空調(diào)和制冷機(jī)組等采用變電所低壓母聯(lián)切換。

為滿足供電半徑要求，且最大限度減少供電損耗，變電所可分別設(shè)置在地下室和避難層等場所。在超高層建筑物內(nèi)避難層和設(shè)備層變電所的變壓器容量不宜大于1 250 kVA，并考慮專設(shè)運(yùn)輸通道。若采用單相變壓器組成三相變壓器時，則單相變壓器的容量不應(yīng)大于800 kVA，此時可以不專門設(shè)置運(yùn)輸通道。

因?yàn)槌邔咏ㄖ锏母叨缺容^高，對于長距離敷設(shè)的剛性供電干線，應(yīng)避免預(yù)期位移引起的電纜損傷，所以固定敷設(shè)的線路與重要設(shè)備、供配電裝置間應(yīng)選用可靠的柔性連接方式。鑒于超高層建筑物消防的重要性，其普通負(fù)荷的配電干線應(yīng)采用低煙無鹵阻燃型電纜，消防用電設(shè)備的供電干線應(yīng)采用礦物絕緣類不燃性電纜以及低煙無鹵阻燃耐火電力電纜，所有選擇的供配電電力電纜的燃燒性能等級應(yīng)為B1 級。此外，超高層建筑物的垂直配電干線可以采用電纜轉(zhuǎn)接封閉式母線槽的形式進(jìn)行供電。

由于超高層建筑物的特殊性及消防的重要特性，在避難層設(shè)置了消防水泵及轉(zhuǎn)輸水箱。其轉(zhuǎn)輸水泵應(yīng)由設(shè)置在轉(zhuǎn)輸水箱上的液位控制器進(jìn)行控制，應(yīng)自成一套系統(tǒng)，由該建筑物的主消控室控制。消防水系統(tǒng)的壓力平時應(yīng)由避難層轉(zhuǎn)輸水箱及其穩(wěn)壓裝置保持，當(dāng)某個分區(qū)管網(wǎng)中的壓力下降的時候，該分區(qū)的穩(wěn)壓裝置啟動，系統(tǒng)的壓力恢復(fù)到工作壓力后，穩(wěn)壓泵停止工作。

2.2 照明系統(tǒng)的設(shè)計

超高層建筑物的照明主要分為正常照明、備用照明、航空障礙照明、應(yīng)急照明以及疏散指示照明。

對于普通照明，建筑物高度超過100 m的超高層建筑，其主要通道照明和重要辦公照明應(yīng)為一級負(fù)荷，需滿足雙重電源供電的要求?？刹捎枚喾N照明控制方式，將智能照明與感應(yīng)末端相結(jié)合，以滿足業(yè)主的各種控制需求。智能照明系統(tǒng)采用手拉手總線方式控制，可以通過中控計算機(jī)、觸摸屏對相關(guān)區(qū)域燈光進(jìn)行集中控制，也可以通過中控計算機(jī)設(shè)定時間，自動控制相應(yīng)的燈光照明。同時，普通員工也可以通過照明控制箱附近的數(shù)位開關(guān)按鈕進(jìn)行手動控制，或通過模塊手動控制按鈕控制任一個單個回路燈光。此外，用戶還可以通過計算機(jī)或觸控屏去監(jiān)視每個回路的工作狀態(tài)，如燈具的開、關(guān)狀態(tài)。

航空障礙標(biāo)志燈應(yīng)按照一級負(fù)荷雙重電源供電，對于高度超過100 m 的超高層建筑物應(yīng)分段設(shè)置，航空障礙燈的水平安裝間距不大于52 m，垂直安裝從自地面以上45 m 的位置開始，以不大于52 m 的距離等間距布置。對于100～151 m高的建筑物應(yīng)采用中光強(qiáng)，對于151 m 以上的建筑物應(yīng)該用高光強(qiáng)[2]。

超高層的消防應(yīng)急照明及疏散指示系統(tǒng)應(yīng)選用集中控制型集中電源，其系統(tǒng)應(yīng)由應(yīng)急照明控制器、A 型應(yīng)急照明集中電源、A 型消防應(yīng)急照明燈具以及A 型消防應(yīng)急標(biāo)志燈具等組成。消防應(yīng)急照明燈具的照度為疏散走道不低于3.0 lx；樓梯間、前室或合用前室不低于5.0 lx；建筑面積超過400 m2的辦公大廳、會議室等人員密集場所不低于3.0 lx；對于人員密集場所的樓梯間，前室或合用前室、避難走道不低于10.0 lx；避難層出口應(yīng)設(shè)置避難層出口標(biāo)志燈，且應(yīng)設(shè)置雙面方向標(biāo)志燈指向避難層的出口，設(shè)置應(yīng)急照明燈具的照度不應(yīng)低于3.0 lx；直升機(jī)停機(jī)坪地面應(yīng)設(shè)置直升機(jī)停機(jī)坪疏散照明燈具，其最低照度不應(yīng)低于10.0 lx。

在對照明末端的保護(hù)上，可以在中庭、報告廳等大空間的上部照明線路設(shè)置故障電弧探測器。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，照明線路故障所引起的火災(zāi)占電氣火災(zāi)的10%左右。由于中庭頂部較高，如果發(fā)生火災(zāi)不容易發(fā)現(xiàn)，也沒有辦法在其上面設(shè)置其他類型探測器，只有設(shè)置具有探測故障電弧功能的探測器才能保證準(zhǔn)確探測照明線路故障引起的火災(zāi)。當(dāng)故障電弧探測器在1 s 內(nèi)的故障電弧半波數(shù)大于14 時，30 s內(nèi)就會向相關(guān)值班人員報警，從而在早期預(yù)警防止火災(zāi)發(fā)生[3]。此外，電弧故障保護(hù)電器同時可以探測電纜老化處或觸頭連接處產(chǎn)生的容易引發(fā)火災(zāi)的故障電弧，在火焰出現(xiàn)前自動切斷被保護(hù)電路。

2.3 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)設(shè)計

高度超過100 m 的超高層公共建筑物，其火災(zāi)報警系統(tǒng)宜采用集中報警系統(tǒng)和區(qū)域報警系統(tǒng)相結(jié)合的方式，區(qū)域火災(zāi)報警控制器宜設(shè)置在各避難層。集中報警控制器與區(qū)域報警控制器之間宜采用環(huán)形接線的方式。為便于火災(zāi)情況下消防聯(lián)動控制的操作和實(shí)現(xiàn)，防止相應(yīng)受控設(shè)備的誤動作，在現(xiàn)場設(shè)置的火災(zāi)報警控制器應(yīng)分區(qū)控制，所連接的火災(zāi)報警探測器以及手動報警按鈕和模塊等設(shè)備不應(yīng)跨越該控制器所在區(qū)域的避難層。區(qū)域火災(zāi)報警控制器僅對相應(yīng)的排風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制，其直接手動控制應(yīng)通過消防控制室內(nèi)的手動控制盤實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)行防雷系統(tǒng)設(shè)計時，結(jié)合防雷規(guī)范的相關(guān)要求，根據(jù)當(dāng)?shù)乩妆┤占敖ㄖ笜?biāo)一般將超高層建筑劃分為一類或二類防雷建筑物。可利用建筑造型設(shè)置接閃針或接閃帶，建筑物外部防雷應(yīng)采取防直擊雷、側(cè)擊雷的措施，并結(jié)合幕墻的防雷設(shè)計，預(yù)留出幕墻防雷裝置的引出點(diǎn)，使建筑物內(nèi)的鋼架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土中的鋼筋相互連接，利用鋼柱或者鋼筋混凝土柱子內(nèi)鋼筋作為防雷裝置的引下線。結(jié)構(gòu)圈梁中的鋼筋每3 層連成閉合環(huán)路作為均壓環(huán)，并同防雷裝置引下線連接。內(nèi)部的防雷應(yīng)采取防閃電電涌侵入、防反擊的措施[4]。

2.4 應(yīng)急電源的設(shè)計

超高層建筑的供電除采用雙重電源供電外，還可以采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。對于超高層建筑，為減少線路電壓的損失，供電至塔樓高區(qū)的發(fā)電機(jī)宜采用高壓發(fā)電機(jī)，而供電至塔樓低壓區(qū)及地下室的發(fā)電機(jī)宜采用低壓發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)房的位置應(yīng)當(dāng)結(jié)合建筑物的布局，盡量靠近用電負(fù)荷。

2.5 能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)

超高層的電氣設(shè)計中，考慮到用電量大且密集，可采用具有實(shí)時監(jiān)測管理功能的能源管理云平臺系統(tǒng)，其能為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預(yù)警以及設(shè)備管理等服務(wù)。超高層建筑中同時存在用戶業(yè)主較多、電能管理及收費(fèi)工作較為繁雜等問題，可采用預(yù)付費(fèi)售電管理系統(tǒng)進(jìn)行解決。此系統(tǒng)經(jīng)電表通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充值操作，當(dāng)欠費(fèi)時電表將自動切斷回路，電表電源取自開關(guān)上端，并實(shí)時監(jiān)控回路是否存在異常。電表LCD 顯示剩余電量、累計用電量、余額報警設(shè)置、通信異常判斷、用電/購電記錄、付費(fèi)模式選擇（預(yù)付費(fèi)和保電模式）、電壓、電流、功率、電能計量以及時間等信息[5]。網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電表系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)查詢，支持微信和支付寶充值，使電氣技術(shù)的運(yùn)用更具時代性和人性化。

3 結(jié)語

進(jìn)行超高層建筑電氣設(shè)計的過程中，不僅要求設(shè)計人員根據(jù)超高層建筑特點(diǎn)匹配合理的設(shè)計，還要科學(xué)有序地部署好電氣設(shè)計的不同組成部分，同時還要融入最新的技術(shù)，使超高層的電氣設(shè)計在滿足基礎(chǔ)需求和安全需求的前提下，真正地滿足低碳運(yùn)行的設(shè)計理念和人性化潮流化的技術(shù)特點(diǎn)，從而增強(qiáng)超高層建筑電氣設(shè)計的綜合效果。