常秀端

上海艾能電力工程有限公司

0 背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能源需求量的增加，環(huán)境問題也日益突出，特別是傳統(tǒng)辦公樓由于建筑老化，節(jié)能措施不到位，暖通系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)的單體空調(diào)，故能耗較高[1]。對老式辦公樓加裝分布式能源系統(tǒng)不僅可提高能源綜合利用效率，改善辦公人員工作環(huán)境，而且也是積極響應(yīng)政府節(jié)能減排號召的具體體現(xiàn)。

本文將針對上海某綜合辦公樓，為解決樓宇自身能源供應(yīng)問題，在屋頂加裝分布式能源系統(tǒng)后如何對辦公樓結(jié)構(gòu)改造進(jìn)行了分析探討。

1 項(xiàng)目概況及改造范圍

1.1 項(xiàng)目概況

上海某綜合辦公樓是一座集研發(fā)、市場、辦公為一體的綜合體建筑，分主樓和裙樓兩部分，樓已建成并投運(yùn)10 多年，采用傳統(tǒng)的電制冷機(jī)組供冷和鍋爐供暖。為提升辦公樓品質(zhì)，保障供能質(zhì)量，展示綠色建筑的節(jié)能特性，決定建設(shè)一套天然氣分布式能源系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括一臺額定功率為300 kW 的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和一套溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)組，同時(shí)配套智慧能源管理平臺。由于辦公樓功能要求，分布式能源系統(tǒng)不能過多占用屋內(nèi)建筑面積，故主要設(shè)備布置在辦公樓裙樓屋頂上，電子設(shè)備間和能量管理系統(tǒng)布置在建筑室內(nèi)。

1.2 辦公樓結(jié)構(gòu)概況

辦公樓主樓為地上十層，總高50 m。裙樓地上為單層混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要為辦公樓展廳，層高5 m。主樓與裙樓地下一層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩者間無沉降縫，均為剛性連接。改造前，裙樓屋面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板，梁板頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高5.0 m，板厚150 mm。裙樓屋頂為上人屋面，并有綠色植物覆蓋，覆土厚度800 mm，女兒墻高度800 mm，女兒墻頂部均有不銹鋼欄桿作為圍護(hù)。裙樓利用主樓的樓梯作為公共消防通道。

1.3 主要改造內(nèi)容

新增天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)置于該辦公樓裙樓屋頂，露天布置。為不影響原有屋面的綠化，最大程度減少對原屋面結(jié)構(gòu)的過度破壞及發(fā)電機(jī)等振動設(shè)備對辦公樓主體建筑的振動影響，擬在裙樓屋頂新建一座高出原屋面建筑完成面約1.5 m的設(shè)備鋼平臺，所有分布式能源設(shè)備安裝在鋼平臺上，不與原屋面直接接觸。

裙樓屋頂改造完成后，需恢復(fù)屋頂綠化。因此，改造過程中需先拆除原屋面覆土及屋面防水、保溫層等，然后將新建鋼平臺與主體結(jié)構(gòu)連接。平臺施工完成后及時(shí)對屋面做好防水、保溫修復(fù)，最后還需對屋頂綠化進(jìn)行復(fù)原。

按照環(huán)評要求，需沿主樓樓梯間西南角立面敷設(shè)煙囪，頂標(biāo)高與主樓女兒墻頂平齊，還需做煙囪外立面裝飾，以滿足與周圍建筑風(fēng)格一致的要求。

2 改造方案分析

2.1 方案設(shè)計(jì)影響因素

改造項(xiàng)目面臨許多難解決的問題，其中最主要的是結(jié)構(gòu)方案的選擇，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)方案合理與否關(guān)系到舊建筑改造的成敗。不合理的結(jié)構(gòu)體系可能造成新老建筑構(gòu)物結(jié)合不理想而影響正常使用[2]，嚴(yán)重的會造成結(jié)構(gòu)的不安全。

結(jié)構(gòu)方案的選擇主要應(yīng)滿足工藝流程、主要設(shè)備對建筑結(jié)構(gòu)的要求，尤其是振動設(shè)備對原有建筑主體結(jié)構(gòu)和連接部位的影響。屋頂新增大的荷載，需考慮結(jié)構(gòu)的承載力及對主體結(jié)構(gòu)件的沉降影響。新增煙囪，敷設(shè)需考慮與原有建筑的連接、支撐及與周圍建筑外立面的風(fēng)格一致，以達(dá)到整體建筑景觀的和諧統(tǒng)一。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2.2.1 鋼平臺設(shè)計(jì)

為保證鋼平臺底部檢修空間及綠植生長需求，鋼平臺應(yīng)高出屋頂完成面約1.5 m，設(shè)備平臺鋼梁及鋼柱均采用型鋼結(jié)構(gòu)。主鋼梁梁端與鋼柱間為剛接，次鋼梁與主鋼梁處為鉸接。鋼梁上平鋪鋼格柵板，鋼柱盡量放置于原框架柱的位置。在清除全部屋面原有覆土和屋面保溫層等建筑面層后，露出原有結(jié)構(gòu)層，在原框架柱柱頂新埋設(shè)鋼板，鋼柱與鋼板用植筋方法，以保證鋼柱強(qiáng)度。植筋植入原框架柱內(nèi)的長度不小于15 m，以保證原有框架柱受力而原梁板不受力，減小因荷載增加加固梁板的不方便性。

為減少對原主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響，新增的荷載既要滿足工藝需求，又要保證原有基礎(chǔ)盡量不被破壞或盡量不加固。為此，對原有覆土厚度進(jìn)行了優(yōu)化，將原覆土厚度從800 mm 改為300 mm，這樣，既能保證原有屋面的綠化率，還能減輕新增荷載的重量。經(jīng)優(yōu)化后，原有基礎(chǔ)無需單獨(dú)加固。

新增鋼平臺采用整體空間計(jì)算模型計(jì)算。按現(xiàn)行抗震及荷載規(guī)范[3]，采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM 軟件，在滿足規(guī)范允許的撓度下，控制平臺鋼梁的應(yīng)力比，不僅優(yōu)化了鋼結(jié)構(gòu)成本，也滿足了工藝需求。

2.2.2 煙囪支架及外圍護(hù)設(shè)計(jì)

為降低新建能源站排出的煙氣對周圍環(huán)境的影響，新增煙囪需沿主樓樓梯間西南角敷設(shè)，且煙囪頂標(biāo)高與主樓女兒墻平齊。主樓每層框架梁的位置作為新建煙囪支架生根處，即上下側(cè)均植筋于原框架梁中，外側(cè)焊接鋼板，鋼板再與角鋼焊接，這樣每層層高位置均形成三角支架的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。煙囪外側(cè)用外掛鋁板進(jìn)行圍護(hù)，保持與主體建筑外立面風(fēng)格一致，確保辦公樓整體建筑效果不被破壞，從外面看不到煙囪，達(dá)到分布式能源系統(tǒng)與主體建筑周圍環(huán)境的和諧統(tǒng)一。見圖1鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)詳圖和圖2新增煙囪支架布置圖。

圖1 鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)詳圖

圖2 新增煙囪支架布置圖

2.2.3 新增設(shè)備的振動對主體結(jié)構(gòu)的影響

裙樓屋頂安裝分布式能源系統(tǒng)后，為分析新增設(shè)備的振動對原主體結(jié)構(gòu)的影響，特別是設(shè)備和主體建筑是否產(chǎn)生共振問題，為此，特請專業(yè)公司進(jìn)行現(xiàn)場檢測。檢測結(jié)果表明，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組振動頻率為250～4000 Hz，與主體建筑自振頻率不在同一范圍，因此，理論上兩者不會發(fā)生同振及共振現(xiàn)象。檢查結(jié)果見表1。

表1 主體建筑振動檢測結(jié)果

3 項(xiàng)目實(shí)施效果

至此，分布式能源系統(tǒng)已投運(yùn)兩年多，整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，辦公舒適度也得到了明顯提升，全年能源消費(fèi)降低了20%以上。為檢驗(yàn)辦公樓改造效果，業(yè)主委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對主體建筑的沉降量和沉降差進(jìn)行了監(jiān)測，并對綜合辦公樓主樓和裙樓主要建構(gòu)件進(jìn)行了檢測，目前各項(xiàng)指標(biāo)都很理想，基本上同理論計(jì)算值相符，滿足規(guī)范要求。本項(xiàng)目已成為辦公樓屋頂加裝分布式能源系統(tǒng)的一個成功典范。改造前效果圖見圖3，改造后實(shí)景圖見圖4。

圖3 改造前效果圖

圖4 改造后實(shí)景圖

4 結(jié)語

1）本項(xiàng)目為老建筑增加分布式能源系統(tǒng)改造工程，由于主體建筑使用時(shí)間較長，且設(shè)計(jì)規(guī)范及計(jì)算軟件也已更新，加上在裙樓屋頂加裝大設(shè)備，勢必給設(shè)計(jì)和施工帶來很大的難度，但通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施和合理的設(shè)計(jì)方案，節(jié)省了改造成本，取得了較好的改造效果。

2）為減小對裙樓屋頂綠化的影響及設(shè)備振動對主體建筑結(jié)構(gòu)的影響，本項(xiàng)目在屋頂加設(shè)了鋼平臺，并對原覆土厚度進(jìn)行了優(yōu)化。此外，為防止原有建筑屋面漏雨問題，將原有裙樓全部屋面建筑面層重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)和施工，改用新型的防水材料。這是繼屋面加裝分布式能源站后又一成功案例，為以后的項(xiàng)目改造提供了技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3）有關(guān)老建筑改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)，目前國家相應(yīng)的規(guī)范不多，闡述也不全面、詳細(xì)[4]。隨著國家節(jié)能減排力度的加大，對建筑節(jié)能的要求會越來越高，傳統(tǒng)辦公樓通過適當(dāng)改擴(kuò)建，增設(shè)分布式能源系統(tǒng)將迎來一波新的增長，國家級行業(yè)協(xié)會也會盡早出臺和完善政策和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。