辦公樓加裝分布式能源的結構優化探討

常秀端

上海艾能電力工程有限公司

0 背景

隨著社會經濟的發展，能源結構的調整，能源需求量的增加，環境問題也日益突出，特別是傳統辦公樓由于建筑老化，節能措施不到位，暖通系統通常采用傳統的單體空調，故能耗較高[1]。對老式辦公樓加裝分布式能源系統不僅可提高能源綜合利用效率，改善辦公人員工作環境，而且也是積極響應政府節能減排號召的具體體現。

本文將針對上海某綜合辦公樓，為解決樓宇自身能源供應問題，在屋頂加裝分布式能源系統后如何對辦公樓結構改造進行了分析探討。

1 項目概況及改造范圍

1.1 項目概況

上海某綜合辦公樓是一座集研發、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10 多年，采用傳統的電制冷機組供冷和鍋爐供暖。為提升辦公樓品質，保障供能質量，展示綠色建筑的節能特性，決定建設一套天然氣分布式能源系統。系統主要包括一臺額定功率為300 kW 的燃氣內燃發電機組和一套溴化鋰冷溫水機組，同時配套智慧能源管理平臺。由于辦公樓功能要求，分布式能源系統不能過多占用屋內建筑面積，故主要設備布置在辦公樓裙樓屋頂上，電子設備間和能量管理系統布置在建筑室內。

1.2 辦公樓結構概況

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構，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構，兩者間無沉降縫，均為剛性連接。改造前，裙樓屋面為現澆鋼筋混凝土梁板，梁板頂結構標高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。裙樓利用主樓的樓梯作為公共消防通道。

1.3 主要改造內容

新增天然氣分布式能源系統設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構的過度破壞及發電機等振動設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的設備鋼平臺，所有分布式能源設備安裝在鋼平臺上，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構連接。平臺施工完成后及時對屋面做好防水、保溫修復，最后還需對屋頂綠化進行復原。

按照環評要求，需沿主樓樓梯間西南角立面敷設煙囪，頂標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格一致的要求。

2 改造方案分析

2.1 方案設計影響因素

改造項目面臨許多難解決的問題，其中最主要的是結構方案的選擇，因為結構方案合理與否關系到舊建筑改造的成敗。不合理的結構體系可能造成新老建筑構物結合不理想而影響正常使用[2]，嚴重的會造成結構的不安全。

結構方案的選擇主要應滿足工藝流程、主要設備對建筑結構的要求，尤其是振動設備對原有建筑主體結構和連接部位的影響。屋頂新增大的荷載，需考慮結構的承載力及對主體結構件的沉降影響。新增煙囪，敷設需考慮與原有建筑的連接、支撐及與周圍建筑外立面的風格一致，以達到整體建筑景觀的和諧統一。

2.2 結構設計方案優化

2.2.1 鋼平臺設計

為保證鋼平臺底部檢修空間及綠植生長需求，鋼平臺應高出屋頂完成面約1.5 m，設備平臺鋼梁及鋼柱均采用型鋼結構。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，露出原有結構層，在原框架柱柱頂新埋設鋼板，鋼柱與鋼板用植筋方法，以保證鋼柱強度。植筋植入原框架柱內的長度不小于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。

為減少對原主體結構基礎的影響，新增的荷載既要滿足工藝需求，又要保證原有基礎盡量不被破壞或盡量不加固。為此，對原有覆土厚度進行了優化，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。經優化后，原有基礎無需單獨加固。

新增鋼平臺采用整體空間計算模型計算。按現行抗震及荷載規范[3]，采用中國建筑科學研究院開發的PKPM 軟件，在滿足規范允許的撓度下，控制平臺鋼梁的應力比，不僅優化了鋼結構成本，也滿足了工藝需求。

2.2.2 煙囪支架及外圍護設計

為降低新建能源站排出的煙氣對周圍環境的影響，新增煙囪需沿主樓樓梯間西南角敷設，且煙囪頂標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，即上下側均植筋于原框架梁中，外側焊接鋼板，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定結構。煙囪外側用外掛鋁板進行圍護，保持與主體建筑外立面風格一致，確保辦公樓整體建筑效果不被破壞，從外面看不到煙囪，達到分布式能源系統與主體建筑周圍環境的和諧統一。見圖1鋼柱柱腳節點詳圖和圖2新增煙囪支架布置圖。

圖1 鋼柱柱腳節點詳圖

圖2 新增煙囪支架布置圖

2.2.3 新增設備的振動對主體結構的影響

裙樓屋頂安裝分布式能源系統后，為分析新增設備的振動對原主體結構的影響，特別是設備和主體建筑是否產生共振問題，為此，特請專業公司進行現場檢測。檢測結果表明，燃氣發電機組振動頻率為250～4000 Hz，與主體建筑自振頻率不在同一范圍，因此，理論上兩者不會發生同振及共振現象。檢查結果見表1。

表1 主體建筑振動檢測結果

3 項目實施效果

至此，分布式能源系統已投運兩年多，整個系統運行良好，各項指標達到了設計要求，辦公舒適度也得到了明顯提升，全年能源消費降低了20%以上。為檢驗辦公樓改造效果，業主委托專業機構對主體建筑的沉降量和沉降差進行了監測，并對綜合辦公樓主樓和裙樓主要建構件進行了檢測，目前各項指標都很理想，基本上同理論計算值相符，滿足規范要求。本項目已成為辦公樓屋頂加裝分布式能源系統的一個成功典范。改造前效果圖見圖3，改造后實景圖見圖4。

圖3 改造前效果圖

圖4 改造后實景圖

4 結語

1）本項目為老建筑增加分布式能源系統改造工程，由于主體建筑使用時間較長，且設計規范及計算軟件也已更新，加上在裙樓屋頂加裝大設備，勢必給設計和施工帶來很大的難度，但通過適當的技術措施和合理的設計方案，節省了改造成本，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備振動對主體建筑結構的影響，本項目在屋頂加設了鋼平臺，并對原覆土厚度進行了優化。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行了設計和施工，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，為以后的項目改造提供了技術和實踐經驗。

3）有關老建筑改擴建工程的設計，目前國家相應的規范不多，闡述也不全面、詳細[4]。隨著國家節能減排力度的加大，對建筑節能的要求會越來越高，傳統辦公樓通過適當改擴建，增設分布式能源系統將迎來一波新的增長，國家級行業協會也會盡早出臺和完善政策和規范標準。