某數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

季 鵬，周海濤

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著全國新冠病毒疫情防控常態(tài)化，政府和企事業(yè)單位大量采用科技防疫、遠程辦公、遠程教育、電商生活等措施，帶動數(shù)據(jù)中心機房業(yè)務(wù)新建需求大幅度增加。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國數(shù)據(jù)中心機房約占全球數(shù)據(jù)中心總量 20 % 以上，而且市場規(guī)模仍在不斷擴大。目前，有關(guān)數(shù)據(jù)中心主體建筑優(yōu)化設(shè)計研究較少，本文依托具體工程實際，討論數(shù)據(jù)中心機房結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，研究行之有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并開展不同方案的經(jīng)濟性比選，為后續(xù)設(shè)計工作開展提供相關(guān)參考。

1 數(shù)據(jù)中心概況

數(shù)據(jù)中心機房是數(shù)字經(jīng)濟重要的載體，一般由電信部門建立標準化的專業(yè)級機房環(huán)境，為國企、事業(yè)單位、政府機構(gòu)提供服務(wù)器租用及相關(guān)服務(wù)，部分大型互聯(lián)網(wǎng)公司，如京東、阿里巴巴等，出于數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)拓展需要，也存在數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)的需求。

數(shù)據(jù)中心機房主要由主機房（包括服務(wù)器群、存儲器、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備）、基本工作間（包括辦公室、緩沖間、走廊等）、輔助類房間（包括配電室、電池動力室、冷凍機房等）組成，同時配備有柴油發(fā)電機、變壓器、蓄冷罐等設(shè)備。與普通房建類項目相比，數(shù)據(jù)中心機房大型設(shè)備眾多，排布復(fù)雜、電纜管線交錯，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需根據(jù)設(shè)備荷載和平面布置進行針對性優(yōu)化，對建筑的不均勻沉降敏感度要求也更高。

1.1 數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)計一般要求

1）建筑外形簡潔大方，不宜過度花哨，體現(xiàn)綠色節(jié)能的特色。

2）需設(shè)置多個冗余出入口，通常不設(shè)置大型地下停車場。

3）需以提高能源利用率，減少能耗為原則，建筑外墻應(yīng)當具有良好的保溫和隔熱性能，著重避免出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

4）內(nèi)部空間布局設(shè)計應(yīng)按照標準化、模塊化設(shè)計，兼顧靈活性和拓展性，必須滿足未來運營中的設(shè)備定期檢修、更換和退出等要求。

5）數(shù)據(jù)中心樓層梁下高度不應(yīng)＜4.5 m，裝修完成面凈空不應(yīng)＜ m。

1.2 數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計一般要求

1）數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計需在安全可靠，符合規(guī)范的前提下兼顧經(jīng)濟性原則，結(jié)構(gòu)安全等級一般為一級，設(shè)計使用年限 50 年。

2）數(shù)據(jù)中心的設(shè)備區(qū)、能源供應(yīng)區(qū)等重要設(shè)施必須確?？拐鹦阅埽员阍谝?guī)定設(shè)防等級內(nèi)地震發(fā)生時，仍然能夠維持設(shè)備功能，即使出現(xiàn)功能上的障礙也能夠迅速恢復(fù)正常。抗震構(gòu)造措施應(yīng)在當?shù)乜拐鹨蠡A(chǔ)上適當提高。

3）數(shù)據(jù)中心機房設(shè)計荷載按照 YD 5003－2014《通信建筑工程設(shè)計規(guī)范》中要求或更高要求考慮，其余建筑按其功能性要求或工藝要求設(shè)計。

4）樓梯和走道應(yīng)充分考慮大型設(shè)備（如變壓器、高配柜、油機等）搬運要求。樓梯凈寬≥1.5 m，平臺凈深≥1.8 m，凈高≥2.2 m。通信機房之間的走道寬度：單面布房時一般≥1.8 m，雙面布房時不應(yīng)＜ 2.1 m，凈高不低于 2.3 m。

5）數(shù)據(jù)中心屋面要考慮安裝空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔、空調(diào)室外機、無線天線等設(shè)備，考慮上述設(shè)備安裝一般需在屋面上設(shè)置架空構(gòu)架層。

2 工程概況

本次筆者項目為湖北某數(shù)據(jù)中心機房，位于武漢市江夏區(qū)光谷八路，建筑面積 5 900 m2。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，結(jié)構(gòu)類型選用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級三級，地震設(shè)防烈度為 6 度（0.05g），反應(yīng)譜特征周期為 0.35 s，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求采取抗震措施。

3 上部結(jié)構(gòu)荷載

數(shù)據(jù)中心采用框架結(jié)構(gòu)，柱混凝土等級 C40，梁、板、基礎(chǔ)混凝土等級為 C30，梁、柱主筋及箍筋，樓板受力鋼筋均為 HRB400 級。

數(shù)據(jù)中心首層主要功能性房間有冷凍房、主機房、電池動力室、配電室等，層高 6.6 m；2～4 層房間布置基本類似，主要功能性房間包括主機房、配電室、電池室，層高 5.4 m；屋頂設(shè)有鋼筋混凝土設(shè)備構(gòu)架層，構(gòu)架層高度 3.8 m，主要房間恒活荷載如表1 所示。

表1 湖北某數(shù)據(jù)中心主要荷載布置

4 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4.1 上部結(jié)構(gòu)布置方案

本工程最大柱跨 9.6 m×8.4 m，上部結(jié)構(gòu)布置可選擇單向梁和井字梁。

4.1.1 井字梁方案

井字梁是由雙向板和交叉梁系組成的空間受力結(jié)構(gòu)體系，樓面荷載通過雙向次梁均勻傳遞至X和Y兩個方向上的主梁上，能滿足建筑物大開間使用要求、較重荷載的功能需要，受力均勻合理，外形美觀，可省去樓蓋的頂棚吊頂，建筑后續(xù)處理和裝飾較為方便。

4.1.2 單向梁方案

單次梁方案一般沿長跨方向布置次梁，將樓面板劃分為數(shù)塊單向板，樓面荷載沿單向板短跨方向傳遞至次梁上，次梁將荷載傳遞至單側(cè)主梁上，因此單向布置次梁會導致兩個方向上的主梁受力不均勻，荷載較大時，支承次梁的主梁受力將偏大。各方案構(gòu)件截面尺寸如表2 所示。

表2 井字梁及單向梁方案構(gòu)件截面尺寸 mm

4.2 經(jīng)濟性指標比較

上部結(jié)構(gòu)各方案工程量如表3 所示，其中混凝土單價暫取 350 元/m3，模板單價暫取 30 元/m3，鋼筋單價暫取5 000 元/t（含加工費）

表3 上部結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋用量對比表

綜合比選上部結(jié)構(gòu)單向梁、井字梁方案，單向梁方案具有較為明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，單向梁方案比井字梁方案材料成本降低約 13 %。

5 基礎(chǔ)布置方案

5.1 工程地質(zhì)條件

擬建項目所在場地地勢平坦。地基土層厚度及埋深變化均勻，綜合評價整個場地為均勻地基，其中（3）層黏土全場地分布，呈硬塑～堅硬狀態(tài)，低壓縮性，強度好，絕對標高在 35.8～38.16 m，平均絕對標高標高約 37 m，地基承載力特征值fak=380，壓縮模量Es=16.0，可作為擬建建筑物天然地基持力層使用。天然地基主要考慮獨立基礎(chǔ)及柱下條形基礎(chǔ)兩種形式。

5.2 獨立基礎(chǔ)設(shè)計原則

獨立基礎(chǔ)布置如圖1 所示，主要設(shè)計原則如下。

圖1 沉降等值線圖（獨立基礎(chǔ)方案）

1）合理選用基礎(chǔ)埋深。根據(jù)本工程持力層分布情況，擬選用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-3.5 m，基礎(chǔ)需進入持力層深度≥200 mm。局部地段持力層土層絕對標高低于 37 m 處，可根據(jù)實地情況調(diào)整基底標高，但需確保相鄰基礎(chǔ)底標高高差不大于基礎(chǔ)凈距一半，靈活設(shè)置獨立基礎(chǔ)標高可控制土方作業(yè)工作量。

2）滿足上部結(jié)構(gòu)對地基承載力的要求。在進行獨立基礎(chǔ)設(shè)計時，需結(jié)合建筑場地的巖土工程勘察報告，合理設(shè)置獨立基礎(chǔ)計算參數(shù)，本工程結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1，地基承載力特征值取 380 kPa，實際計算時考慮深度修正，修正系數(shù)取 1.4。

3）滿足軟弱下臥層驗算要求。本項目（4）層粉質(zhì)黏土為軟弱下臥層，需滿足承載力要求，計算時地基壓力擴散角取 11°。

5.3 柱下交叉條形基礎(chǔ)

本項目柱下條形基礎(chǔ)方案擬選用基礎(chǔ)埋深-4 m，考慮到本工程軸網(wǎng)尺寸為 8.4 m×9.6 m，柱底力向縱橫兩方向地基梁傳遞并不均勻，因此為均衡縱橫兩方向基礎(chǔ)剛度，X向地梁截面設(shè)置為 800 mm×1 500 mm；Y向地梁截面設(shè)置為 800 mm×1 700 mm。

5.4 基礎(chǔ)方案比選

獨立基礎(chǔ)及柱下交叉條形基礎(chǔ)方案工程量及成本對比如表4 所示。

表4 基礎(chǔ)混凝土及鋼筋用量對比表

圖1、圖2 為不同基礎(chǔ)方案的沉降等值線圖。

圖2 沉降等值線圖（柱下條形基礎(chǔ)方案）

由圖1 所示，獨立基礎(chǔ)方案最大沉降為 67 mm；最大沉降發(fā)生建筑中部獨立基礎(chǔ)下；沉降量較大（＞60 mm）的等值線分布范圍較廣且不均勻，部分邊跨相鄰柱基沉降差＞0.002 l。

由圖2 所示，柱下條形基礎(chǔ)最大沉降為 56 mm，沉降等值線分布均勻，地基沉降變形由內(nèi)到外呈凹字形分布，相鄰柱基沉降差均＜0.002。

對比柱下條形基礎(chǔ)，獨立基礎(chǔ)更易發(fā)生不均勻沉降，柱基沉降差將在梁柱等構(gòu)件中產(chǎn)生附加應(yīng)力，當這些附加應(yīng)力與設(shè)計荷載作用下的內(nèi)力之和超過構(gòu)件的承載能力時，梁、柱端和樓板將會出現(xiàn)裂縫。

綜合比選獨立基礎(chǔ)、柱下交叉條形基礎(chǔ)，就經(jīng)濟效益而言，獨立基礎(chǔ)方案更具優(yōu)勢，獨立基礎(chǔ)方案比柱下交叉條形基礎(chǔ)方案材料成本降低約 14 %；但柱下條形基礎(chǔ)具有整體剛度大、調(diào)整不均勻沉降能力強的優(yōu)點。

數(shù)據(jù)中心工程設(shè)備荷載大，管網(wǎng)、電纜密布，對不均勻沉降更為敏感；柱下交叉條形基礎(chǔ)柱網(wǎng)間下挖空間更大，利于蓄冷罐基礎(chǔ)、集水坑基礎(chǔ)、電纜溝、設(shè)備基礎(chǔ)等工程靈活布置，綜合而言，數(shù)據(jù)中心工程淺基礎(chǔ)應(yīng)優(yōu)選柱下交叉條形基礎(chǔ)方案。

6 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心工程荷載重、工程造價高，選擇合理的結(jié)構(gòu)布置及基礎(chǔ)方案尤為重要［1-4］。上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)選型應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟性、適用性，并結(jié)合數(shù)據(jù)中心工程特點和工程實際情況進行詳細論證和比選。在滿足建筑凈高要求下，單向梁方案建設(shè)成本更低、傳力途徑清晰，應(yīng)為數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)平面布置的優(yōu)選方案。柱下交叉條形基礎(chǔ)造價略高于獨立基礎(chǔ)方案［5-7］，但基礎(chǔ)整體性更好，利于蓄冷罐基礎(chǔ)、設(shè)備基礎(chǔ)的靈活布置，應(yīng)為數(shù)據(jù)中心工程淺基礎(chǔ)的優(yōu)選方案。Q