李 翠

[奧雅納工程咨詢(上海)有限公司,上海 200032]

0 引 言

本項(xiàng)目位于杭州市,是一座科技館功能的公共建筑項(xiàng)目。建筑方案別具一格,屋蓋系統(tǒng)采用張弦結(jié)構(gòu),形成張弛有度的扇面造型,混凝土墻面與桁架屋面材質(zhì)的變化形成了強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊,科技館建筑采用清水混凝土材質(zhì),清雅厚重。

項(xiàng)目總用地面積為17 425.00 m2,總建筑面積為14 870.36 m2,包括主館和副館,其中主館建筑面積約為12 779.15 m2,功能為科技館,副館建筑面積約為1 909.41 m2,功能為閱覽區(qū)。主館為5層的展覽空間及后勤辦公區(qū),其中,3～5層為挑空的開(kāi)放展廳,副館為第二層的開(kāi)放式閱覽區(qū)。主館采用框架結(jié)構(gòu),副館采用框剪結(jié)構(gòu),主館及副館上部為整體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 負(fù)荷等級(jí)及供電電源

本工程屬于大中型博物館[1],為多層公共建筑[2],其中,消防負(fù)荷用電、電信機(jī)房用電、科技館運(yùn)營(yíng)管理用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電、安保系統(tǒng)等用電按一級(jí)負(fù)荷要求供電,乘客電梯及自動(dòng)扶梯用電、空調(diào)用電、展廳照明、主要通道及樓梯間照明、閱覽廳通道照明、生活水泵、排水泵為二級(jí)負(fù)荷,其他均為三級(jí)負(fù)荷[3]。

本項(xiàng)目從上級(jí)電業(yè)開(kāi)閉所引入兩路10 kV雙重電源,兩路電源同時(shí)工作,當(dāng)一路電源故障時(shí),另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞;當(dāng)一路電源故障時(shí),另一路電源滿足項(xiàng)目?jī)?nèi)所有一、二級(jí)負(fù)荷的用電需要?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及安防等弱電系統(tǒng)設(shè)置UPS電源,備用時(shí)間為3 h。

1.2 變配電所的設(shè)置

不同功能區(qū)域的功率密度取值如表1所示。

表1 不同功能區(qū)域的功率密度取值

關(guān)于充電樁設(shè)備的供電,本工程僅考慮展館室外地面充電樁的用電,而地下充電樁用電由地下空間設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)設(shè)計(jì),電源引自地下空間變電所。

本工程在一層設(shè)置電業(yè)開(kāi)閉所,由供電部門(mén)設(shè)計(jì)。用戶高低壓變電所設(shè)置于地下一層,變電所區(qū)域凈高7 m,采用下進(jìn)下出方式,變電所下方設(shè)置高0.8 m的電纜溝。電纜溝內(nèi)采取排水措施,通過(guò)排水管接至鄰近集水井,并采取變配電所區(qū)域局部地坪抬高的方式,同時(shí)變配電所外鄰近處設(shè)集水井,以預(yù)防洪水、消防水或積水從其他渠道淹漬變配電所[4]。變配電所內(nèi)設(shè)機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)設(shè)備,設(shè)置2臺(tái)容量為1 600 kVA的變壓器?？萍拣^主要的負(fù)荷容量如表2所示。

表2 科技館主要的負(fù)荷容量

科技館兩臺(tái)變壓器的負(fù)載率約為75%。

1.3 高低壓變配電系統(tǒng)

10 kV中壓主接線采用單母線分段方式,中間不設(shè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

0.4 kV低壓主接線采用單母線分段,設(shè)母聯(lián)開(kāi)關(guān),采用手動(dòng)聯(lián)絡(luò)方式,設(shè)置電氣及機(jī)械聯(lián)鎖,平時(shí)分列運(yùn)行,當(dāng)一路10 kV電源故障或10/0.4 kV變壓器故障或檢修時(shí),由另一臺(tái)10/0.4 kV變壓器承擔(dān)所有的一、二級(jí)負(fù)荷。

其中,消防負(fù)荷(消防水泵、防排煙系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防火卷簾等)、科技館經(jīng)營(yíng)管理用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用電、弱電系統(tǒng)用電為一級(jí)負(fù)荷。生活水泵、排水泵、展廳照明、展陳用電、主要通道照明用電、乘客電梯用電、副館閱覽廳照明用電為二級(jí)負(fù)荷。其他為三級(jí)負(fù)荷。展陳用電容量主要參考展陳顧問(wèn)用電提資。

用電負(fù)荷采用放射式和樹(shù)干式相結(jié)合的配電形式供電,一級(jí)負(fù)荷采用雙電源供電,并在末端配電箱處切換供電,二級(jí)負(fù)荷采用雙電源供電,三級(jí)負(fù)荷采用單電源供電。

主館與副館分別設(shè)置獨(dú)立的垂直豎井以便管線敷設(shè)及管理。主館在展廳區(qū)域和后勤辦公區(qū)域分別設(shè)置強(qiáng)電豎井,配電干線在地下一層引出科技館變電所,然后引入主館強(qiáng)電豎井內(nèi)。主館的一層、二層為挑空兩層的科技展廳,三層、四層、五層為挑空三層的開(kāi)放展廳,展廳的不同區(qū)域高度錯(cuò)落,為呈現(xiàn)出開(kāi)放展廳通透、明亮的建筑效果,五層展廳大部分區(qū)域上方為鋼架與玻璃相結(jié)合的屋蓋,同時(shí),屋蓋的鋼架、拉索、支撐等均為明露設(shè)計(jì),為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的張力之美,并未設(shè)置吊頂空間供機(jī)電管線穿越,因此在考慮配電管線的路由時(shí),也需充分結(jié)合室內(nèi)建筑及結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及效果要求。主館服務(wù)一層、二層科技展廳的配電回路經(jīng)二層高位敷設(shè),服務(wù)三層、四層、五層開(kāi)放展廳的配電回路則考慮結(jié)合錯(cuò)落的建筑高度及屋蓋造型,部分經(jīng)四層高位敷設(shè),部分沿屋蓋桁架方向敷設(shè)。主館剖面圖如圖1所示。

圖1 主館剖面圖

因副館投影下方的地下一層屬于其他管理方負(fù)責(zé)的功能區(qū)域,且副館與主館在地上并不聯(lián)通,配電干線在地下一層引出科技館變電所后,無(wú)法在地下一層或地上各層引入副館強(qiáng)電豎井,因此副館的配電干線采用在室外地面埋地敷設(shè)的方式引入副館[5]。主館及副館剖面圖如圖2所示。

圖2 主館及副館剖面圖

1.4 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

本工程在電氣設(shè)計(jì)中采取了諸多綠色技術(shù)措施,以達(dá)到綠色建筑三星級(jí)標(biāo)識(shí),在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的時(shí)代背景下,降低科技館能耗,降低建筑運(yùn)營(yíng)碳排放。

其中,在可再生能源的選用上,通過(guò)與建筑一體化設(shè)計(jì)、同步實(shí)施的方式,設(shè)置1套太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),裝機(jī)容量為136 kW,采用并網(wǎng)型系統(tǒng)形式。

方案設(shè)計(jì)階段,根據(jù)本項(xiàng)目建筑的使用功能、建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑幕墻設(shè)計(jì)特點(diǎn),對(duì)采用光伏采光屋面進(jìn)行了充分論證。結(jié)合項(xiàng)目屋面采用鋼架與玻璃相結(jié)合的幕墻設(shè)計(jì)特點(diǎn),因地制宜地采用薄膜型光伏電池,同時(shí)與建筑幕墻玻璃材料復(fù)合,利用屋面玻璃幕墻作為光伏發(fā)電系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)不同光伏玻璃的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比選,確定采用通透性及經(jīng)濟(jì)性較好的碲化鎘光伏玻璃,根據(jù)屋面不同區(qū)域?qū)ν腹饴实囊?分別采用透光率為20%及40%的光伏玻璃,兼顧滿足承載、保溫、隔熱、防水及防護(hù)要求,并可更好地和建筑外觀保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一。碲化鎘光伏發(fā)電玻璃發(fā)電功率計(jì)算如表3所示。

表3 碲化鎘光伏發(fā)電玻璃發(fā)電功率計(jì)算

光伏玻璃與屋面其他玻璃未設(shè)置明顯的分界線,采用均勻、漸變的方式分散設(shè)置于屋面。碲化鎘光伏玻璃屋面效果圖如圖3所示。

光伏發(fā)電玻璃經(jīng)光伏匯流箱就近匯流后接入逆變器,匯流箱及逆變器設(shè)置于五層強(qiáng)電間內(nèi),選用3臺(tái)逆變器。集中并網(wǎng),并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置于變電所經(jīng)并網(wǎng)柜并入低壓配電母排,供本項(xiàng)目負(fù)荷使用。

設(shè)置光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)環(huán)境信息和光伏系統(tǒng)電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如環(huán)境溫度傳感器、光伏組件溫度傳感器、直流側(cè)和交流側(cè)的電壓、電流、發(fā)電量等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)以通信接口形式接入科技館樓宇自控系統(tǒng)。

光伏系統(tǒng)的直流線路及通信線路采用金屬線槽在屋面網(wǎng)架內(nèi)敷設(shè)。線槽路由與屋蓋結(jié)構(gòu)的桁架統(tǒng)一,主橋架沿次桁架方向(縱向)吊裝,分支橋架沿主桁架方向(橫向)吊裝于主桁架鋁框內(nèi),并在鋁板上每隔10 m設(shè)置1個(gè)可開(kāi)啟檢修口。在線槽涂漆顏色選用上也與桁架一致,以較好地契合屋蓋效果。光伏玻璃正負(fù)極組串連接的分支線埋入膠縫內(nèi),就近接入主桁架的光伏分支線槽。

本項(xiàng)目室外屋面強(qiáng)度允許工人行走,“扇骨”處布置屋面行走蜘蛛人繩索點(diǎn)位,供后續(xù)蜘蛛人安全作業(yè)及屋面光伏清洗工作。室內(nèi)挑空展區(qū)屋面下方的設(shè)備安裝、布線、燈具檢修等則通過(guò)設(shè)置提升高度為20 m的登高車(chē),提升后進(jìn)行操作維修。

2 防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)防雷計(jì)算,本建筑屬第二類防雷建筑物。按照第二類防雷建筑設(shè)防[6]。

2.1 接閃器設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為由人字鋼柱和11榀平面主桁架組成的扇面空間結(jié)構(gòu),主桁架模仿折扇展開(kāi)的規(guī)律,11根主桁架中有6榀桁架(每間隔1根)在中部交匯區(qū)貫通,其余5榀中部交匯區(qū)截?cái)唷?榀貫通桁架兩兩交叉,形成三組桁架上下錯(cuò)層搭接。主館區(qū)域桁架與人字柱45°斜交,副館區(qū)域桁架與人字柱平行設(shè)置。結(jié)合以上結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn),設(shè)計(jì)上利用屋蓋的金屬桁架作為接閃器,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),金屬桁架采用3 m高工字鋼。將所有金屬桁架進(jìn)行可靠連接,形成持久的電氣貫通。桁架下方不設(shè)置易燃物品,鋁板的厚度不應(yīng)小于0.65 mm,桁架無(wú)絕緣被覆層。桁架組成的網(wǎng)格不大于10 m×10 m或12 m×8 m。

2.2 引下線設(shè)計(jì)

利用科技館結(jié)構(gòu)人字柱及結(jié)構(gòu)柱主筋做防雷引下線。根據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì),人字柱采用圓鋼管材質(zhì),人字柱與屋面桁架間應(yīng)有持久的電氣貫通。人字柱截面不應(yīng)小于100 mm2,相關(guān)需求向結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行提資。人字柱距地面2.7 m以下的導(dǎo)體采用耐1.2/50 μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離,或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離用護(hù)欄、警告牌,以降低接觸防雷引下線的可能性。

3 結(jié) 語(yǔ)

科技館建筑須根據(jù)展陳設(shè)計(jì)進(jìn)行供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì),同時(shí)本項(xiàng)目結(jié)合玻璃屋頂?shù)哪粔π问?選用適配的光伏發(fā)電玻璃,并設(shè)置太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),通過(guò)可再生能源的利用有效實(shí)現(xiàn)了綠色和節(jié)能設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目充分利用了屋面結(jié)構(gòu)桁架作為接閃器,引下線部分利用結(jié)構(gòu)鋼柱,可與建筑專業(yè)的外觀效果要求較好統(tǒng)一。