季 鵬，周海濤

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著全國(guó)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(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程教育、電商生活等措施，帶動(dòng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房業(yè)務(wù)新建需求大幅度增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)房約占全球數(shù)據(jù)中心總量 20 % 以上，而且市場(chǎng)規(guī)模仍在不斷擴(kuò)大。目前，有關(guān)數(shù)據(jù)中心主體建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少，本文依托具體工程實(shí)際，討論數(shù)據(jù)中心機(jī)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，研究行之有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并開(kāi)展不同方案的經(jīng)濟(jì)性比選，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展提供相關(guān)參考。

1 數(shù)據(jù)中心概況

數(shù)據(jù)中心機(jī)房是數(shù)字經(jīng)濟(jì)重要的載體，一般由電信部門(mén)建立標(biāo)準(zhǔn)化的專業(yè)級(jí)機(jī)房環(huán)境，為國(guó)企、事業(yè)單位、政府機(jī)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(chǔ)和業(yè)務(wù)拓展需要，也存在數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的需求。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要由主機(jī)房（包括服務(wù)器群、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(dòng)力室、冷凍機(jī)房等）組成，同時(shí)配備有柴油發(fā)電機(jī)、變壓器、蓄冷罐等設(shè)備。與普通房建類項(xiàng)目相比，數(shù)據(jù)中心機(jī)房大型設(shè)備眾多，排布復(fù)雜、電纜管線交錯(cuò)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)設(shè)備荷載和平面布置進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，對(duì)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(jì)一般要求

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

2）需設(shè)置多個(gè)冗余出入口，通常不設(shè)置大型地下停車場(chǎng)。

3）需以提高能源利用率，減少能耗為原則，建筑外墻應(yīng)當(dāng)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(jì)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，兼顧靈活性和拓展性，必須滿足未來(lái)運(yùn)營(yíng)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(jì)一般要求

1）數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在安全可靠，符合規(guī)范的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性原則，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一般為一級(jí)，設(shè)計(jì)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?，以便在規(guī)定設(shè)防等級(jí)內(nèi)地震發(fā)生時(shí)，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?？拐饦?gòu)造措施應(yīng)在當(dāng)?shù)乜拐鹨蠡A(chǔ)上適當(dāng)提高。

3）數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)荷載按照 YD 5003－2014《通信建筑工程設(shè)計(jì)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(jì)。

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(jī)等）搬運(yùn)要求。樓梯凈寬≥1.5 m，平臺(tái)凈深≥1.8 m，凈高≥2.2 m。通信機(jī)房之間的走道寬度：?jiǎn)蚊娌挤繒r(shí)一般≥1.8 m，雙面布房時(shí)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(jī)、無(wú)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(xiàng)目為湖北某數(shù)據(jù)中心機(jī)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(jí)為一級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，結(jié)構(gòu)類型選用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)三級(jí)，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(diǎn)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(jí) C40，梁、板、基礎(chǔ)混凝土等級(jí)為 C30，梁、柱主筋及箍筋，樓板受力鋼筋均為 HRB400 級(jí)。

數(shù)據(jù)中心首層主要功能性房間有冷凍房、主機(jī)房、電池動(dòng)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(jī)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(guò)雙向次梁均勻傳遞至X和Y兩個(gè)方向上的主梁上，能滿足建筑物大開(kāi)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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致兩個(gè)方向上的主梁受力不均勻，荷載較大時(shí)，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(jì)性指標(biāo)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(jià)暫取 350 元/m3，模板單價(jià)暫取 30 元/m3，鋼筋單價(jià)暫取5 000 元/t（含加工費(fèi)）

表3 上部結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋用量對(duì)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(jì)優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)目所在場(chǎng)地地勢(shì)平坦。地基土層厚度及埋深變化均勻，綜合評(píng)價(jià)整個(gè)場(chǎng)地為均勻地基，其中（3）層黏土全場(chǎng)地分布，呈硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)，低壓縮性，強(qiáng)度好，絕對(duì)標(biāo)高在 35.8～38.16 m，平均絕對(duì)標(biāo)高標(biāo)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(dú)立基礎(chǔ)及柱下條形基礎(chǔ)兩種形式。

5.2 獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

獨(dú)立基礎(chǔ)布置如圖1 所示，主要設(shè)計(jì)原則如下。

圖1 沉降等值線圖（獨(dú)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(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-3.5 m，基礎(chǔ)需進(jìn)入持力層深度≥200 mm。局部地段持力層土層絕對(duì)標(biāo)高低于 37 m 處，可根據(jù)實(shí)地情況調(diào)整基底標(biāo)高，但需確保相鄰基礎(chǔ)底標(biāo)高高差不大于基礎(chǔ)凈距一半，靈活設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)標(biāo)高可控制土方作業(yè)工作量。

2）滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力的要求。在進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合建筑場(chǎng)地的巖土工程勘察報(bào)告，合理設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)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(shí)際計(jì)算時(shí)考慮深度修正，修正系數(shù)取 1.4。

3）滿足軟弱下臥層驗(yàn)算要求。本項(xiàng)目（4）層粉質(zhì)黏土為軟弱下臥層，需滿足承載力要求，計(jì)算時(shí)地基壓力擴(kuò)散角取 11°。

5.3 柱下交叉條形基礎(chǔ)

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

表4 基礎(chǔ)混凝土及鋼筋用量對(duì)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(dú)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(dú)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(duì)比柱下條形基礎(chǔ)，獨(dú)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(dāng)這些附加應(yīng)力與設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力之和超過(guò)構(gòu)件的承載能力時(shí)，梁、柱端和樓板將會(huì)出現(xiàn)裂縫。

綜合比選獨(dú)立基礎(chǔ)、柱下交叉條形基礎(chǔ)，就經(jīng)濟(jì)效益而言，獨(dú)立基礎(chǔ)方案更具優(yōu)勢(shì)，獨(dú)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)中心工程設(shè)備荷載大，管網(wǎng)、電纜密布，對(duì)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(yǔ)

數(shù)據(jù)中心工程荷載重、工程造價(jià)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(jì)性、適用性，并結(jié)合數(shù)據(jù)中心工程特點(diǎn)和工程實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)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(jià)略高于獨(dú)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