數(shù)據(jù)中心建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計對電源配套建設(shè)預(yù)留的研究

袁小川，邱永剛

（中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

1 建筑設(shè)計對電源配套建設(shè)的預(yù)留

建筑設(shè)計主要目的是合理安排建筑內(nèi)部各種使用功能和使用空間，協(xié)調(diào)建筑與周圍環(huán)境和各種外部條件的關(guān)系，解決建筑內(nèi)外空間的造型問題，采取合理的技術(shù)措施綜合協(xié)調(diào)與各種設(shè)備相關(guān)的技術(shù)問題，全面考慮環(huán)境、功能、技術(shù)、藝術(shù)方面的問題。從建筑設(shè)計的角度來看，建筑設(shè)計是其他專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心是具有特殊功能的建筑，與民用建筑相比更具專業(yè)性，在設(shè)計時不僅要滿足日常生活功能需求，還應(yīng)滿足設(shè)備正常運(yùn)行的功能要求，比如較大的用電負(fù)荷以及較高的樓面承載力。所以在建筑設(shè)計時要結(jié)合數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，綜合各專業(yè)的技術(shù)需求，以滿足數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備安全、高效運(yùn)行為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計[1]。

1.1 總體規(guī)劃預(yù)留

總體規(guī)劃預(yù)留主要是從場地總體規(guī)劃入手，綜合短期建設(shè)目標(biāo)和遠(yuǎn)期建設(shè)需求對功能區(qū)和建筑進(jìn)行場地空間預(yù)留，對于電源配套建設(shè)預(yù)留而言主要是對電力引入、電力管廊、動力配套房屋等做好總體規(guī)劃，并對遠(yuǎn)期建設(shè)需求做好場地空間預(yù)留。首先要收集電源配套專業(yè)關(guān)于技術(shù)資料、配置參數(shù)及引電容量的需求，根據(jù)場地的現(xiàn)狀結(jié)合短期建設(shè)目標(biāo)以及遠(yuǎn)期需求進(jìn)行綜合布局?？傮w規(guī)劃除了遵循功能要求，還必須認(rèn)真貫徹國家的方針、政策，執(zhí)行國家頒布的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣才能達(dá)到設(shè)計的最終目的[2]。

新建數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，建設(shè)單位因投資成本和效益等原因，一般分期建設(shè)。電源配套設(shè)施作為數(shù)據(jù)中心的動力來源，在總體規(guī)劃時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電力引入路由、電源配套建筑等方面。電力引入要結(jié)合場地和周邊環(huán)境的實(shí)際情況規(guī)劃引電路由，并根據(jù)遠(yuǎn)期需求預(yù)留足夠的空間。對于電源配套建筑，通常以短期需求為建設(shè)目標(biāo)，預(yù)留足夠的遠(yuǎn)期建設(shè)用地，這種建設(shè)方式具有短期投資小、工期短、見效快等優(yōu)點(diǎn)。但從長遠(yuǎn)來看，此模式也存在弊端，電源配套房屋建設(shè)規(guī)模是根據(jù)數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備需求來確定，為了方便后期擴(kuò)容時在空間上得到最大化利用，數(shù)據(jù)中心建筑主體一般是按遠(yuǎn)期規(guī)?？紤]，設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施分期建設(shè)，如按短期需求為建設(shè)目標(biāo)，數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備擴(kuò)容時，再建設(shè)相關(guān)配套設(shè)施用房將大幅增加人員組織成本、時間成本、直接經(jīng)濟(jì)成本等。所以筆者認(rèn)為，電源配套相關(guān)土建設(shè)施應(yīng)該按遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)，在內(nèi)部做好空間預(yù)留，這樣不僅可以對各建設(shè)周期內(nèi)的相關(guān)設(shè)施做很好的規(guī)劃安排，還能從總體上減少建設(shè)成本。除此之外還需考慮各功能點(diǎn)的位置關(guān)系，如動力配套用房與數(shù)據(jù)中心的位置關(guān)系，兩者距離不宜太遠(yuǎn)但應(yīng)滿足最低的防火間距要求。當(dāng)遠(yuǎn)期預(yù)留有多座數(shù)據(jù)中心時，此時應(yīng)圍繞動力配套建筑布局，同時應(yīng)根據(jù)需求提前規(guī)劃預(yù)留足夠的空間用于動力配套房屋、地下管廊以及運(yùn)輸通道的擴(kuò)容建設(shè)。對于預(yù)留的規(guī)模，應(yīng)該根據(jù)遠(yuǎn)期建設(shè)的設(shè)備規(guī)模確定。

1.2 局部空間預(yù)留

局部設(shè)計預(yù)留是電源配套各功能點(diǎn)結(jié)合短期建設(shè)目標(biāo)和遠(yuǎn)期建設(shè)需求，對單體建筑內(nèi)部進(jìn)行空間布局設(shè)計。比如低壓配電間、UPS 間、電池間、高壓配電間、柴油發(fā)電機(jī)室、油庫在建筑內(nèi)部空間位置關(guān)系、面積、高度進(jìn)行設(shè)計。在進(jìn)行電源配套建設(shè)時，為了減少線路損耗，通常把低壓配電間、UPS 間、電池間和數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)置在一個建筑單體內(nèi)，這樣數(shù)據(jù)中心就形成以數(shù)據(jù)機(jī)房為核心外加電源配套和輔助用房組成的綜合性建筑單體。其面積通常以機(jī)架的規(guī)模確定。在進(jìn)行建筑平面方案設(shè)計時，數(shù)據(jù)機(jī)房、電源配套相關(guān)房間宜為矩形或方形，根據(jù)機(jī)架尺寸（1.2m×0.6m）為模數(shù)布設(shè)軸網(wǎng)，據(jù)此推算軸線間距宜取8.4m、9.6m、10.8m。

豎向的空間預(yù)留方面，數(shù)據(jù)中心相比民用建筑而言要求更高，其主要原因在于設(shè)備體量大、輔助設(shè)備管線多。除了滿足設(shè)備高度需求以外，還應(yīng)考慮電源配套走線高度、消防設(shè)備管線高度、空調(diào)設(shè)備風(fēng)管高度以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的高度等因素。

一般數(shù)據(jù)機(jī)房豎向布置見圖1 所示，在機(jī)房的層高要根據(jù)空調(diào)送風(fēng)方式以及電源配套走線方式來確定；當(dāng)采用下送風(fēng)防靜電地板架空部分作為靜壓箱考慮時，不應(yīng)采用下走線且架空高度宜取大值；當(dāng)考慮下走線時，此時可不考慮走線架高度，防靜電地板架空高度應(yīng)按需求設(shè)置；綜上所述，數(shù)據(jù)中心層高要各專業(yè)協(xié)調(diào)，根據(jù)機(jī)房空調(diào)以及電源配套方案來確定。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)中心層高5m～5.5m 較為合適[3]。

圖1 豎向布置示意

數(shù)據(jù)中心建筑面積通常根據(jù)機(jī)架的建設(shè)規(guī)模來確定。首先確定機(jī)房的建筑面積，假設(shè)機(jī)房平面為矩形，柱間距為9.6m，考慮柱子對機(jī)柜布置最不利。列頭端和末端設(shè)置凈寬不小于1.5m 走道，機(jī)架列間設(shè)置不小于1.2m 的維護(hù)通道，單列機(jī)柜的從屬面積為48m2，分?jǐn)偟絾螜C(jī)架建筑面積為2.18m2，此計算方法沒有考慮機(jī)房內(nèi)放置空調(diào)末端，適用于風(fēng)冷空調(diào)的機(jī)房。當(dāng)機(jī)房制冷采用水冷空調(diào)時，機(jī)房內(nèi)需放置空調(diào)末端，此時機(jī)房一端走道加寬2m 寬計算，單列機(jī)柜從屬面積為52.8m2，分?jǐn)偟降膯螜C(jī)架為2.4m2。對于需要設(shè)置參觀走道的機(jī)房，在機(jī)房列頭走道端外側(cè)設(shè)置參觀通道，走道寬度宜取2.4m，此時單列機(jī)架的從屬面積為58.56m2，分?jǐn)偟絾螜C(jī)架的面積為2.7m2。考慮到機(jī)房縱向端部還需要設(shè)置寬度不小于1.5m 寬度的走道，以上三種情況分?jǐn)偟絾螜C(jī)架的面積宜分別取2.3m2、2.5m2、2.8m2。

電源配套作為支撐數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)行的核心設(shè)施，二者位置關(guān)系是空間布局的重中之重。平面布置時，電源配套房間應(yīng)與所提供電力支持的數(shù)據(jù)機(jī)房相鄰，除走道外不宜有其他房屋隔斷。當(dāng)設(shè)有多個數(shù)據(jù)機(jī)房時，低壓配電間、UPS 間、電池間宜集中設(shè)置在建筑平面中心位置，數(shù)據(jù)機(jī)房圍繞其四周對稱布置。豎向布置時各層低壓配電間、UPS 間、電池間應(yīng)上下位置對應(yīng)。數(shù)據(jù)機(jī)房和電源配套房間以及電纜上線間墻面和樓板要提前預(yù)留洞口作為走線通道。電源配套用房面積應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)等級來確定，按常規(guī)設(shè)計時一般占數(shù)據(jù)機(jī)房面積的20%～30%。隨著技術(shù)的革新，采用各模塊一體化設(shè)計時電源配套用房可節(jié)約面積40%～50%。

對于在既有建筑內(nèi)部建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，主要是利用好建筑內(nèi)部的既有空間，對數(shù)據(jù)中心各功能區(qū)合理布局。數(shù)據(jù)機(jī)房是數(shù)據(jù)中心的核心，既要考慮大開間區(qū)域布局，還要考慮與動力配套設(shè)施的距離以及空調(diào)設(shè)備的位置。通常動力配套設(shè)施的樓面荷載較大，一般將其設(shè)置在建筑的首層，以減小對既有建筑結(jié)構(gòu)的影響[4]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計對電源配套建設(shè)的預(yù)留

當(dāng)今數(shù)字化、信息化技術(shù)無處不在，對人們的生活以及社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響。數(shù)據(jù)中心作為支撐信息化社會的載體，除了滿足自生承載力需求外，在應(yīng)對重大自然災(zāi)害時自身結(jié)構(gòu)主體應(yīng)具備較高的可靠性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)計質(zhì)量。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，數(shù)據(jù)中心分為A 級、B 級、C 級三個等級，A 級數(shù)據(jù)中心抗震設(shè)防分類不應(yīng)低于乙類，B 級和C 級不應(yīng)低于丙類，對于國家級數(shù)據(jù)中心抗震設(shè)防分類應(yīng)增加一級。

數(shù)據(jù)中心主體結(jié)構(gòu)形式選型方面，為保證核心區(qū)機(jī)房設(shè)備布置的連續(xù)，需要大開間布局，所以宜采用框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，不宜選用剪力墻結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)中心需要布設(shè)的設(shè)備較多，需要大面積平臺用于安裝設(shè)備，所以在場地不受限的情況下宜采用多層建筑方案，適當(dāng)增加建筑占地面積，屋面有足夠空間作為室外設(shè)備的安裝平臺。數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)宜對稱布置，同時結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度應(yīng)分布均勻，避免質(zhì)心和剛心出現(xiàn)嚴(yán)重偏心產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。需要設(shè)置變形縫時，變形縫不宜穿越機(jī)房區(qū)。

2.1 樓面荷載預(yù)留

數(shù)據(jù)中心的樓面荷載主要集中在數(shù)據(jù)機(jī)房和電源配套區(qū)域，其設(shè)備重量大且集中，樓面活荷載遠(yuǎn)大于普通民用建筑。在確定結(jié)構(gòu)樓面活荷載時除了執(zhí)行規(guī)范規(guī)定以外，還要與實(shí)際建設(shè)需求以及后期擴(kuò)容等綜合考慮。對于數(shù)據(jù)機(jī)房的樓面荷載取值應(yīng)根據(jù)機(jī)架內(nèi)安裝設(shè)備來計算。按機(jī)架滿容量42U 來考慮，單機(jī)柜重量一般為1050kg，機(jī)房內(nèi)設(shè)置有走道以及維護(hù)通道通，如按機(jī)柜滿布進(jìn)行設(shè)計，機(jī)房樓面結(jié)構(gòu)承載力存在很大冗余且不具備擴(kuò)容條件，所以數(shù)據(jù)機(jī)房樓面活載宜根據(jù)設(shè)備自身重量進(jìn)行等效均布來取值。以柱間距為9.6m 的數(shù)據(jù)機(jī)房為例，采用井字梁結(jié)構(gòu)，樓面板為雙向板，次梁間距按主梁三等分取3.2m。考慮設(shè)備底座高度0.5m，樓板厚度0.12m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄C 計算樓面等效均布活荷載為6.45kn/m2。配電間其平面布置以及設(shè)備重量與數(shù)據(jù)機(jī)房近似，其樓面荷載可取機(jī)房樓面等效值。數(shù)據(jù)中心對后備電及時長要求較高，電池容量需求較大，電池間樓面荷載通常最大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時在確定電池間樓面活荷載時，要根據(jù)電池自身重量以及布置方式來確定。參考國內(nèi)封閉式鉛酸電池單節(jié)電池重量為75kg（含支架）。按雙列雙層布置計算樓面等效均布活荷載荷載為6.6kn/m2。按雙列四層布置時為13.2kn/m2。以上計算值為設(shè)備荷載，設(shè)計時還應(yīng)考慮維護(hù)通道人流等因素[5]。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件洞口預(yù)留

數(shù)據(jù)機(jī)房樓地面為滿足防靜電要求，地面一般鋪設(shè)防靜電活動地板，防靜電地板架空高度一般在0.25m～0.6m 之間。為保證數(shù)據(jù)中心地面整體平整美觀，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時樓地面會選擇樓地面下沉為防靜電地板預(yù)留足夠的安裝空間，由此會出現(xiàn)大面積錯層，樓板不連續(xù)，在樓板平面內(nèi)形成大面積洞口，樓板剛度削弱較大，從而不滿足樓板面內(nèi)無限剛度的假定，對整體結(jié)構(gòu)不利，所以在結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮樓板變形對結(jié)構(gòu)的影響。對于樓面結(jié)構(gòu)大面積錯層的數(shù)據(jù)機(jī)房位置，由于質(zhì)量在豎向錯位，在水平地震剪力作用下，數(shù)據(jù)機(jī)房周邊的框架梁會產(chǎn)生較大的扭矩，在設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，采取措施增加抗扭剛度。

當(dāng)需要在框架梁預(yù)留洞口時應(yīng)避開梁端以及有集中荷載作用剪力較大的區(qū)域。在箍筋加密區(qū)以及設(shè)置附加箍筋及吊筋的區(qū)域不宜設(shè)置。預(yù)留洞口應(yīng)設(shè)置在鋼筋混凝土梁截面受壓區(qū)以外，保證截面受壓區(qū)面積，減小對梁截面受力平衡的影響。鋼框架梁腹板預(yù)留洞口時應(yīng)對其周邊采取補(bǔ)強(qiáng)措施。除此之外，預(yù)留洞口對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度有較大削弱，在設(shè)計時應(yīng)考慮洞口對構(gòu)件撓度影響。

對于結(jié)構(gòu)樓板預(yù)留洞口，要減小洞口對樓板剛度削弱影響，在洞口邊緣應(yīng)有補(bǔ)強(qiáng)措施。對樓面剛度影響較小的洞口，可在洞口周邊對稱設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，其鋼筋總截面不應(yīng)小于洞口截面斷開鋼筋的面積，并滿足相關(guān)構(gòu)造要求。當(dāng)在樓面設(shè)置對樓面剛度有較大影響的洞口時，應(yīng)在周邊設(shè)置滿足構(gòu)造要求的邊梁或暗梁。

數(shù)據(jù)中心洞口預(yù)留尺寸應(yīng)根據(jù)設(shè)備以及功能需求來確定，設(shè)備與洞口間應(yīng)預(yù)留一定的間隙，使結(jié)構(gòu)與設(shè)備二者間有一定的相對變位，間隙采用有機(jī)防火回填料進(jìn)行封堵。在電源配套房間設(shè)備上方應(yīng)提前預(yù)留用于安裝的吊鉤，起吊能力應(yīng)滿足設(shè)備安裝要求。

3 結(jié)語

在數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中，建筑及配套設(shè)施作為支撐其運(yùn)行的載體，空間布局和結(jié)構(gòu)安全是保障數(shù)據(jù)中心高效、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文對數(shù)據(jù)中心建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計時電源配套設(shè)施相關(guān)預(yù)留進(jìn)行研究，對數(shù)據(jù)中心建設(shè)項(xiàng)目電源配套相關(guān)設(shè)施的總體到局部空間規(guī)劃、樓面荷載及洞口等相關(guān)預(yù)留有了更新的認(rèn)識。