鐵路客運站房機電一體化設計技術研究

李樹庭, 倪 冰, 陳 勇, 徐 鴻, 駱 芳

(中南建筑設計院股份有限公司, 武漢 430071)

1 鐵路客運站房機電系統的特點

鐵路客運站房機電系統由建筑電氣、暖通空調、給排水、智能信息化等系統組成。 機電系統的設置按客運站房規模會有不同變化,各類設備機房、機電管線繁多;設計如果不針對鐵路客運站房的建設特點采取相應的綜合措施,會造成每個系統設置均合理優秀,但整體建設上難以達到“安全經濟、施工便捷、管控清晰”的最優目標,而引發各種實施沖突。 本文對鐵路客運站房建設工作中機電系統易忽視的幾個方面進行了分類探討,并提出了機電一體化設計措施,以資借鑒。 鐵路客運站房機電系統設計一般有以下幾個特點。

1.1 機電系統機房位置限制

與一般的民用建筑相比,鐵路客運站房的功能要求使得站房平面布置按公共區、辦公區和設備區設置,各類機電機房的位置不能影響使用功能平面,在有限的區域內必須綜合優化設置才能實施,因此一般民用建筑機房的設計方法不能簡單套用到鐵路客運站房機房設置上。

1.2 機電系統配合的專業多且復雜

鐵路客運站房建設的各專業分工細致,除常規專業外,還有一些鐵路客運站房專用客運服務設施及工藝系統,例如:跨線設施、旅客服務信息系統、客票系統、行包信息系統、車站門禁系統綜合監控系統等。 如何準確合理地將每個專業的每個系統與其他專業內容有機綜合起來,是鐵路客運站房機電系統設計的一個關鍵特點。

1.3 機電設備種類多但運行管控的統一性高

鐵路客運站房既是一個獨立民用建筑也是運行線路上的一個站點,其內部機電設備遍布每個角落,各類設備采購的不確定性,對設計和施工都會帶來影響;客運站房在運行時,又要求機電系統高度的統一性,設計如何在設備選型、運行管控上做好整體統一也是機電系統設計不可忽視的問題。

由于機電設備與站房空間的融合,使得機電系統所涉及的專業最多,設備分布最廣,運行管控最全。 因而在工程實施過程中容易出現各類問題,在前期做好機電系統的一體化設計是避免較大施工沖突的有效方法,也是鐵路客運站房建設共同關注的技術,下文將對工程中的有關問題進行分析總結。

2 機電系統機房的設置分析

鐵路客運站房機電系統各專業都有相關的主機房、分區機房及豎井間,設計初期各專業希望布置的位置多是對自專業有利的位置,造成各專業設計圖單獨實施最優,但在整體綜合或施工時矛盾沖突多,甚至無法施工;機電設計初期要建立一體化設計理念,按照各專業的系統特點,首先解決好設備主機房、分區機房及豎井間的整體設置合理,才能實現整體優秀。

2.1 電氣機房的設置分析

2.1.1 供配電用房及豎井間設置

鐵路客運站房供配電用房一般包括:站房變配電室、柴油發電機房、配電間等。

根據站房建筑的功能要求,站房變配電室、柴油發電機房均應避免設置在大量旅客能到達的區域,避免鄰近貴賓室和旅客主要出入口。

特大型站、大型站一般設置多個站房變配電室,中型站一般設1 ～2 個站房變配電室,小型站在采用380V 電源供電時只設置低壓配電室。

站房一般按功能分區設置配電間,本區支線供電距離一般不大于60m,在需要線纜垂直互通的區域配電間垂直連通,作為電氣豎井使用。 電力配電箱、照明配電箱、控制箱均在各功能分區配電間內安裝。 配電間、電氣豎井面積一般不小于10m2(短邊不小于3m),用于馬道配電的配電間設置時,還需要充分考慮配電間、豎井與大廳上方馬道燈具等之間連接的通道。

2.1.2 變配電室整體配合解決方案

站房變配電室一般深入并接近負荷中心,低壓配電半徑一般不超過250m。 在進行站房變配電室選址和分區配電間、電氣豎井設置時,為滿足變配電室環境要求,減少供電損耗和導體消耗,降低管線空間占用,一般遵循如表1 中原則。

變配電室與水、暖機房綜合設置推薦原則 表1

2.2 暖通空調機房的設置分析

2.2.1 主機房類型

結合鐵路客運站房的特點,根據功能的不同,一般可將暖通空調主機房分為:制冷機房、鍋爐房、換熱機房、空調機房、風機房等。 其中,制冷機房主要包含空調系統制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵、空調水管、閥件、水處理、定壓補水設備、配套控制、通風系統等;鍋爐房主要包含供熱鍋爐、空調熱水泵、熱水管、閥件、水處理、煙道系統、配套控制、通風系統等;換熱機房主要包含換熱器、水泵、水管、閥門、配套控制等;空調機房主要包括空調機組或新風機組、風管、水管、閥件、控制箱等;風機房主要包括各類風機、風管、控制箱等。

2.2.2 暖通空調機房整體配合解決方案

由于暖通空調機房內設備、管線較多,并且通常需要與電氣設備以及給排水管道相連接,因此如何使其一體化、智能化,實現暖通空調系統的高效運行便成為了一個重點研究方向。 以圖1 所示的集成冷站為例,一體化可以將管道、閥門、水泵、機組等主要設備集中在一個平臺。 而智能化控制系統可以使這些設備之間進行緊密的連接,在使用時,自動調節不同設備,找到各設備之間的實時最佳關系,使系統在平穩運行的同時,提高系統的整體效率。 其控制原理如圖2 所示。

圖1 集成冷站

圖2 智能化控制系統

通過機房機電一體化設計,有以下幾大優點。首先減少了業主的協調難度,僅有一個責任方,其次,通過智能化的控制系統,可以使各個設備之間的聯動更為順暢,達到快速響應并節約能源的目的。 另外,由于設備的集成一體化,對三維空間的利用更加優化,可以減少占地面積,降低項目的經費。 并且由于設備在工廠進行預制,現場可以直接安裝,連接電線與管道即可使用,有效減少了施工周期。 最后,通過智能化設備,工作人員可以更加有效地對設備進行管理,無需在現場,可通過云平臺、APP 等進行遠程操作。

根據以上分析,結合暖通空調主要機房的類型特點,采用裝配式技術(圖3 所示)、機電一體化集成設計,整體配套解決機房的設計、施工、安裝。 以制冷機房為例,鐵路客運站房制冷機房可采用裝配式智能高效集成冷站,實現整體設計、工廠預制、分散運輸、現場拼裝、智能控制。

圖3 裝配式技術

2.3 給排水機房的設置分析

2.3.1 主機房類型

結合鐵路客運站房的特點,根據功能的不同,一般可將給排水主機房分為:給水泵房、消防泵房、消防水箱間、列車卸污設備間、污水提升設備間、隔油設備間等。 其中,給水泵房主要包含生活水箱、生活水泵、水處理設備、管道閥件、配套控制等;消防泵房主要包含消防水泵、流量檢測裝置、試水閥、增壓設備、管道閥件、配套控制等;其他機房主要包含相關設備及配套控制等。

2.3.2 給排水機房整體配合解決方案

(1)整體考慮機房布置及管線路由

合理的設計,必須建立在充分理解站房布局與站臺關系的基礎上,不同站房布局機房設置要求不同。 如線側式站房利用軌下進出站通道擴大區設置給排水機房,可節約造價,并有效解決設備房與公共區互相干擾的矛盾。 機房布局時還應各專業統籌管井、管線路由及安裝工序,以降低運行能耗和維護管理費用,做到綜合最優,整體最優。

(2)專業內設備采用集成化、一體化

傳統給排水設計中儲水箱、供水設備、控制設備均為現場組裝,一般占地較大,泵房內閥門配件多,施工安裝復雜,設備調試故障時需要多方協調,如圖4 所示。 因此在實際設計中,給排水設備、消防供水設備、水加熱設備均可考慮采用一體化設備。一體化設備對三維空間的利用更加優化,可以大大減少占地面積,設備在工廠完成水泵設備及全部配件的組裝,現場僅需連接電線及管道,如圖5 所示,大大減少了現場工作量,且設備為集成設備,系統穩定性得到更高保障。

圖4 傳統分散采購組合安裝模式

圖5 集成一體化

(3)專業間協調采用智能化、網絡化

按TB 10010-2008《鐵路給水排水設計規范》要求以標準化、具備上網功能的終端作為系統的智能化節點,對車站給排水系統及設備運行進行實時監控;并以標準的通訊網絡作為自控系統所有數據和控制命令的傳輸通道,構成車站給排水設備既能分散獨立控制運行、又便于遠程集成管理的給排水自動控制管理網絡系統。

將先進的物聯網技術理念用于鐵路給排水自動控制系統設計,從系統結構上克服傳統給排水集中監控模式系統復雜、可維護性差、各系統軟件硬件設備不通用的弊端,提高了系統可靠性,有利于系統終端設備運營維護保養。 使用物聯網技術,系統運行穩定,數據監控平臺及移動終端監控軟件界面上可實時顯示給排水系統的各項實時信息,包括工程信息、實時數據及實時報警、動作、故障等信息,大大方便了運營管理。 物聯網消防系統拓撲圖如圖6 所示。

圖6 物聯網消防系統

2.4 弱電機房的設置分析

2.4.1 弱電機房設置

鐵路客運站房弱電機房一般包括:信息機房、通信機房、信號機房、消防控制室等。

根據站房建筑的功能要求,各區域均設置弱電管井(弱電設備間)。 每個區域弱電管井(弱電設備間)均負責相應區域內的弱電系統的干線交接及支線配線。 分區弱電支線供電距離一般不大于80m,弱電管井(弱電設備間)面積一般不小于10m2(短邊不小于3m,并按具體項目要求設置)。

2.4.2 弱電機房配合解決方案

一般由站總體設計院的通信專業向站房設計單位(部門)提供各類設備用房需求和管線敷設需求,站房設計單位(部門)根據站房整體功能流線及管理分區要求,進行用房配置優化,保障弱電機房的使用環境要求,減少管線長度,降低管線占用空間。

2.5 各系統機房間設置關系及優化

鐵路站房各類機房的組合優化設置,是一個涉及多專業的綜合性設計優化過程,這需各專業密切配合。 在進行機房布置時,需對各機房的功能、管線始末端和管線布置要求進行預判分析,并由各專業進行優化協調。

2.5.1 基于使用功能的機房布置策略

鐵路站房內按功能劃分為公共區、設備區和辦公區,分區功能明確,以便于管理,設備機房區通長考慮充分利用地下空間,且設置在較為遠離公共區處。

鐵路站房內一般根據功能需要設置通信、供電、供水、供氣和暖通等設備機房,各類設備機房一般按使用要求分區集中布置。

2.5.2 基于凈高要求的機房布置策略

鐵路站房內綜合設置了電力、通信、信號、消防、信息、暖通、給排水等各類機房,其中電力、暖通(制冷機房、鍋爐房)對室內凈高要求最高,通信、信號、消防、信息等設備機房內設置防靜電地板,也降低了機房內的有效使用高度,對室內凈高要求較高。 因此,在進行機房布置時,尚需考慮不同類型機房對凈高要求的差異,進行分類、組合布置。

2.5.3 基于管線路由優化的機房布置策略

在進行機房布置時,需充分考慮平面布置對綜合管線的影響,一般將綜合控制室、通信機房、信號機房等房間沿一側布置,以減少不必要的管線敷設。 一般盡量將變配電室和發電機房、制冷機房及其主要垂直井道、泵房及其主要垂直井道靠近設置或設置在主要管線通道的同側,并避免干線橋架、干線風管、冷媒管、消防干管等戶型交叉繞行。

在進行設備區通道的主要管線布置時,應按平衡、協調、總體最優的方式進行優化,避免產生局部的管線擁擠,并考慮共用支架的敷設方式以減低管線布置壓力和凈空影響。

3 機電一體化設計優化分析

3.1 客站機電系統機房綜合優化

客站機電一體化設計優化首先從機電系統機房綜合優化開始,如果不針對項目特點,進行機電系統機房的綜合優化,會造成每個系統設置單獨看均合理優秀,但整體建設上不能達到最優,從而導致管線交叉、繞遠,管線綜合困難影響建筑高度等問題。

3.2 客站機電系統管線綜合優化分析

3.2.1 機電系統管線綜合問題分析

鐵路客運站房的機電管線主要是指暖通空調、給排水、電氣、通信系統的室內管線,由于客運站房的設備多、管線種類多、空間復雜、公共區大、設備通道小、土建構建預留等原因,若各專業設計僅按自己專業的管線最優設置,而沒有提前考慮管線綜合設計,必然造成施工難、維保難、更新難;機電管線綜合設計的實質就是一體化設計,在設計中綜合最優的方式解決各類管線合理的布置,在滿足功能使用的條件下最大限度地節省空間,是鐵路客運站房整體設計成功的主要因素之一。

3.2.2 機電管線綜合設計繪圖約定

機電管線綜合設計在具體工程中按照管線綜合設計繪圖約定、管線綜合設計布置原則、協同設計配合。 其設計繪圖約定為:(1)燃氣最短安全通道先設定。 (2)按機房和豎井位置設定主管線方向,約定平面管線繪制位置。 (3)約定在平面圖的每一結構跨內的水平管線繪制位置:暖通風管在最上部,暖通水管在次上部;給排水管及消防水管在中部;電氣及通信管線在下部。 (4)約定在平面圖的每一結構跨內的垂直管線繪制位置:暖通風管在最左側,暖通水管在次左側;給排水管及消防水管在中部;電氣及通信管線在右側。 (5)消防水管穿梁預留洞位置約定提資。 (6)相同位置不同標高的約定。

3.2.3 機電管線綜合設計布置原則

機電管線設計需結合施工流程,按照“五讓五先做”原則作綜合設計分析才能做好管線綜合設計。

(1)有壓讓無壓:管道內液體有壓力流的管道避讓無壓力流的管道,無壓力流管道內的液體是靠重力由高往低流向,要求管道盡量短且轉彎少,如雨水管、地上污水管、地上廢水管、空調冷凝水管。

(2)小管讓大管:直徑或截面大的管道優先設置,將直徑或截面小的管道后設置。

(3)水管讓風管:風管一般比水管介質流動的壓力損失大,且多為機械加壓不宜過長。

(4)冷水管讓熱水管:熱水管比冷水管要求高,且需要做保溫,在設置時須優先設置。

(5)電氣讓水暖風:電氣線路多為電力電纜和通信線纜,比水管風管容易實現轉彎避讓。

(6)附件分支多的管道先做。

(7)不可或不宜彎曲的管道先做。

(8)強電比弱電管線先做。

(9)管線集中處的管道保溫材料要先做。

(10)施工難度大的管道先做。

3.2.4 客站機電綜合最小間距推薦和管線綜合原則

鐵路站房機電綜合最小間距推薦和管線綜合原則總結如表2～3 所示。

客站機電綜合管線綜合原則 表2

客站機電綜合管線最小間距推薦 表3

3.3 基于BIM 的機電一體化綜合措施

基于BIM 的機電一體化綜合措施, 通過“全組員、 全專業、 全過程”的協調設計,機電專業內部進一步實現高效協同, 并提供模塊化、輕量化的數字信息模型。 利用三維視圖的直觀性查明空間碰撞與隱藏問題,繪制三維剖切大樣圖;所有專業整理到同一模型,協調機電專業內部、機電與土建專業工作;精確控制管線標高,用技術手段查看樓層凈高情況,快速處理管線空間分布瓶頸問題;方便確定吊支架的使用量和安裝位置。 建模圖形如圖7 所示,實現全過程的協同, 優化資源配置。

圖7 機電專業BIM 一體化設計

3.4 客站機電綜合支吊架系統的合理化應用

鐵路站房機電系統管線較多,在管線集中區域存在施工空間受限的問題。 水管、燃氣管、風管、電力照明橋架及通信、信號、信息、FAS、BAS、ICSC 等弱電橋架如各自施工,分別安裝吊桿或支架,一般需見縫插針進行密集緊湊安裝,往往存在支吊架安裝固定困難、對結構面破壞較大、交叉施工難以保證管線安裝間距和維護間距的弊端。

在管線集中區域進行基于BIM 的管線綜合排布后,合理的應用機電綜合支吊架時,其具備在保證各系統安裝工序的前提下,滿足各系統管線施工工藝和布置要求,提高管道安裝的效率和整體觀感的優點。 在工程進度、施工安全、維護便利性、經濟性等方面均可達到良好的應用效果。

4 機電一體化設計框圖

依據鐵路客運站房機電一體化設計的一般要求,進一步總結并歸納出鐵路客運站房機電一體化設計流程框圖,如圖8 所示,以指導機電各專業的具體配合,確保機電一體化設計的總體規劃、統籌兼顧和高效可行。

圖8 機電一體化設計流程框圖示意

5 機電綜合信息管控平臺

5.1 機電綜合信息管控平臺的必要性

從鐵路站房的功能定位和設計優化技術發展戰略出發,本研究進行機電綜合信息管控平臺的初步功能規劃。 該平臺可作為機電一體化綜合性的協同優化和決策統計平臺,提高鐵路站房項目機電一體化設計全過程優化管控的有效性、科學性、及時性。

5.2 機電綜合信息管控平臺的功能性及其特點

該平臺基于BIM 應用,可對變配電室、發電機房、制冷機房、風機房、水泵房、消防控制室等機房進行選址、凈高、設備布置、運輸通道、管井接駁等多種設計關鍵要素進行全面信息匯集,并實現基于機電一體化整體平衡和綜合優化原則上的的一次投資和運行成本綜合測算,形成機電一體化機房布置決策和優化結果。

5.3 機電綜合信息管控平臺在機電一體化設計中的作用

機電綜合信息管控平臺作為鐵路站房機電一體化優化平臺和機電一體化系統大數據服務(分析、應用、運維和決策)的技術平臺,示意圖如圖9所示。

圖9 機電綜合信息管控平臺示意

平臺設置多個功能模塊,同時還可具備拓展接入或擴展其他綜合優化功能模塊的能力。 該平臺利用可視化技術、機電系統設計關鍵要素指標計算體系和專家決策系統,通過信息管控平臺+設計驗證的模式,實現機電一體化設計及智能化優化協調輔助和驗證,以實現多專業設計協調配置,提升機電一體化設計的耦合、協調優化的能力。

6 結束語

本文對鐵路客運站房的機電系統一體化設計的若干問題進行了分析,并提出了一些解決方法,但還需在具體工程中進一步實踐和研究,建立一個整體綜合優秀才是最優的工程設計理念。 由于鐵路客運站房建設的需求不盡相同,本文難免失之片面,僅供項目借鑒。