高層建筑電氣設計方案的優化

深圳市一方建筑設計有限公司 王永全

相比傳統的多層建筑，高層建筑具有容量大、功能多元化、結構復雜等特點，因此相對此類工程項目的施工整體難度更高[1]。電氣設計是建筑工程項目施工中的重點環節，也是保障高層建筑居民用電安全、用電連續性的關鍵，為了實現對居民供電服務的優化，本文將以某高層建筑工程項目為例，對此項目的電氣設計方案優化方法展開設計研究。

1 高層建筑電氣設計主要內容及難點

可將建筑電氣設計劃分為三種主要類型，分別為電氣智能化設計、強電設計與電氣防雷接地設計。下文將以上述提出的三類設計內容為例，進行電氣設計主要內容與工作難點的詳細分析。

建筑電氣中的強電設計主要包括0.4kV變配電設計、0.4kV低壓供電系統設計、建筑照明配電系統設計、電力綜合動力系統設計[2]。設計的內容包括電氣設備對接電源設備電壓的選擇、供電過程中電力負荷等級的劃分、繼電保護工作的優化設計、變壓裝置的綜合選型、電力負荷值精準計算、電力設備運行保護開關的選擇、連接電纜的設計與選型。針對上述提出的設計內容，明確電氣設計的目標為提供不同電氣設備在運行中安全、可靠的供電電源[3]。

設計的重點為：電氣設備的開關、導線要想實現對設備適配，需要經過大量的精密計算，才能保證所選型的設備與設計的成果與實際需求一致。綜合上述分析，提出建筑電氣中的強電設計難點：由于高層建筑覆蓋面積較大，因此供電路徑相對較長，為了避免出現設備運行負載的問題，需要選擇可靠性較高、綜合性較強的輸電線路；當建筑電氣設備中存在負荷量較大設備時，應根據設備的功能與實際運行需求，對其進行專項配電設計，一旦出現設計中的不合理問題，將對建筑整體的電網運行造成影響，嚴重情況下，甚至會影響到整棟建筑的供電、配電、輸電安全。

建筑電氣設計中的智能化設計內容包括電氣火災自動預警與主動監控設計、智能化布線設計、智能化安全防范設計、建筑電氣全自動監控設計等[4]。在設計中，應注意對電氣設備機型的選型、機房工程的優化建設等。提出智能化設計中的工作難點：高層建筑的電氣綜合布線較為復雜，而智能化設計需要實現對電氣布線的綜合調控，整體調控難度較高；智能化設計需要匹配電氣設備智能化終端，因此在考慮電氣設備與綜合布線適配性的同時，全面考慮智能化終端的適配性。此外，應確保開發或設計的智能化內容滿足電氣系統綜合運行需求，可以在排除電力系統兼容性的基礎上，實現對電氣功能的全面拓展與優化，保證對智能化技術的應用可以達到預期效果。

建筑電氣中的防雷接地設計主要是指，通過對所選建筑的綜合勘查與計算，掌握或預測建筑在一年中可能遭受的雷擊次數，并在此基礎上，結合建筑項目的特點與安全標準，確定建筑防雷等級。根據預設的防雷等級，選擇與之匹配的防雷裝置，保證建筑在極端天氣下遭受雷擊后，其中的電氣設備可以排除干擾地繼續運行。筆者根據自身工作經驗，相對于多層建筑而言，高層建筑遭受雷擊的可能性更大，因此一旦發生雷擊事故，高層建筑的安全后果更加嚴重，整體經濟損失更高。通常情況下，在進行高層建筑電氣防雷接地設計時，會按照一類標準布置接閃裝置[5]。

綜合上述分析，提出此項工作的設計難點：高層結構建筑的配電系統較為復雜，為滿足建筑內所有居民的用電需求，通常會布設大型或超大型配電系統，一旦在此過程中出現SPD設計不當的問題，雷擊將直接損壞建筑中的電氣設備與供配電網，不僅會造成較高的經濟層面損失，還會誘發建筑火災事故，嚴重情況下，會對建筑中群體生命安全造成威脅。

2 高層建筑電氣設計方案

2.1 高層建筑照明體系設計

電氣照明是高層建筑正常運行中的必要條件，在對其電氣照明體系進行設計時，首先需要明確高層建筑對電氣照明體系提出的基本要求，即根據高層建筑的功能及使用環境，對照明體系的照度、色溫進行合理配置；針對照明要求較大場所，需要確保照明效果能夠實現對周圍環境的映襯以及對背景的美化。在明確上述設計要求的基礎上，首先針對照明體系的光源進行選擇，結合不同功能的高層建筑場所，選擇合適的燈具以及控制方式。在選擇時，應盡可能選擇綠色節能型燈具，并且這一類燈具具備高效、使用壽命長等優勢。通常情況下，一般高層建筑內可選用細管徑直管熒光燈和緊湊型熒光燈，應選用三基色光源。

針對公共區域的照明可選用LED節能燈。在對照度值設計時，其偏差不得超過照度標準值的±10%，并且確保照明功率的密度值不大于目標值。針對燈具的布置位置也需要進行合理選擇，盡可能避開干擾區域，并采用混合照明或全面照明相結合的方式。針對具備充足自然光條件的區域，應當盡可能利用自然光資源。在對照明光源選擇時盡可能選擇節能型的熒光燈作為主要燈源。在照明區域內，采用一燈一控的方式，對于公共走廊或大面積功能房，其照明應當采用多燈分組集中控制的方式。在完成對電氣照明體系的設計后，針對其照度進行計算，并將計算結果與標準照度進行對比。照度的計算公式為：

上述公式中E為電氣照明體系的照度；N為燈具數量；U為燈具利用系數；K為燈具亮度；A為光通量。根據公式（1），計算得出照度，將結果與標準照度對比，若低于標準照度則需要通過增加燈具數量或提高燈具亮度等操作，確保照明體系的照度條件符合標準。

2.2 高層建筑接地防雷體系設計

高層建筑的高度通常在80m以上，因此遭受雷擊的概率比普通建筑更多，同時由于當前高層建筑當中含有的智能化電子設備種類和數量越來越多，因此電子設備能否正常運行關系到整個建筑的正常使用。首先，可選擇在高層建筑的適當位置安裝接閃器。接閃器的結構組成包括接閃網、接閃帶、接閃桿等，在應用這一裝置后能夠實現對雷電閃擊的攔截。高層建筑的屋頂上包含了大量鋼結構構件，這些構件具備良好的導電性能，因此可以將其作為接閃器，根據鋼結構構件的位置，采用就近連接的方式與防雷引線進行連接。針對高層建筑的接閃網安裝，應當充分符合規劃的標準，以此實現接閃器與建筑物主體的可靠連接。

其次，還可布置防雷引下線，將雷電流通過接閃器進行傳導，并將其導入到建筑物接地裝置上，以此能夠有效降低電磁的干擾。按照一類、二類和三類防雷建筑劃分，規定其防雷引下線平均間距依次不得超過12m、18m和25m。

最后，在設計過程中，綜合考慮施工的便捷性和接地的可靠性，選用將高層建筑的結構基礎鋼筋結構作為自然接地端，構建一個封閉的環型接地網，用以實現控制接地電位的平衡，避免在雷雨天氣發生反擊的現象。

2.3 高層建筑變配電體系設計

高層建筑與一般建筑類型相比電氣設計的難度以及復雜程度較高，為實現對其變配電體系的設計，首先需要明確高層建筑與一般建筑之間在供電條件上的差異。通常情況下，非高層建筑的供電半徑在50m以內，配電線路電壓下降均能夠滿足要求，但對于高層建筑而言，由于建筑本體較高，若仍然采用傳統變配電方式，則供電半徑遠遠超出允許范圍。因此，基于這一特點，在對高層建筑的變配電體系進行設計時，應當充分考慮到高層建筑的特殊性。當前，建筑供配電中最常采用的方式包括樹干式供電、放射式供電、環網式供電等。對于高層建筑而言，若采用前兩種供電方式，在出現某一線路故障時，會造成主干線上各個連接的配電設備無法正常運行。因此，為了確保高層建筑當中各個設備的正常運行和使用，盡可能采用環網式的供電模式。圖1為兩種常見的環網接線方式。

在實際對高層建筑電氣變配電體系設計時，應當綜合考慮建筑內各用電設備的連接方式以及建筑本身的結構特點，對環網接線方式類型進行選擇，同時針對建筑中低壓側也同樣可以采用一般建筑中常見的放射式供電類型，以此輔助環網供電，以此為高層建筑中的用電設備提供更高品質供電服務。

2.4 高層建筑智能化體系設計

在上述完成對高層建筑中各類基本電氣體系的設計后，為了促進高層建筑的智能化發展，還需要針對具有現代化特征的電氣體系進行設計，確保高層建筑中各智能設備、技術的正常運行。針對高層建筑當中的無線網絡體系設計，確保無線寬帶網絡能夠實現對整棟高層建筑公共場所的全覆蓋，充分滿足各個區域的有限網絡使用需求，并保證各個無線節點之間能夠實現無線漫游。將POE交換機安裝在設備間機柜上，并采用光纖和核心交換機聯接的方式實現通信傳輸。圖2為高層建筑中水平方向光纖和核心交換機聯接方式示意圖

在確定無線網絡體系的基本結構后，為了提高高層建筑的運行和使用安全，針對其火災自動報警體系進行設計。圖3為高層建筑中火災自動報警設備間分布圖。

按照圖3所示的方式對報警設備間進行布置，為了避免在發生火災時各個設備間指揮邏輯出現錯亂，需要設置一個消防控制中心，并對高層建筑中所有消防設施具備優先控制權，在火災發生時，采用就近原則，立刻調取最近消防設備間的設備到達火災現場，從而在第一時間為救援提供所需設備條件，將火災的影響范圍控制在最小。

3 工程實例

選擇某高層結構建筑電氣工程項目作為此次試驗研究對象，獲取此工程項目所處地理位置的相關信息見表1。

表1 某高層結構建筑電氣工程項目所處地理位置相關信息描述

根據工程特點與設計要求，將此建設的電氣防雷接地設計等級設定為二級，基于此，設計8m×12m或10m×10m的接閃帶網格。按照本文提出的相關內容進行電氣綜合設計方案優化，并在此基礎上，在建筑屋頂設置避雷針，根據工程實際需求，選擇φ15mm的熱鍍鋅圓管避雷針與φ12mm熱鍍鋅圓管接閃帶。同時，設計時需要全面考慮建筑外觀的美化。根據天氣預報，選擇某雷電天氣開展試驗，將電流傳感器與電壓傳感器安裝在待測試電氣設備的終端，監測在雷擊的瞬間電氣設備的電流值與電壓值是否存在異常。記錄瞬時數據見表2。

從表2數據可知，在雷擊瞬間電氣設備的電流值存在輕微波動，但此種細微的波動不影響電氣設備的穩定運行。因此，在完成實驗后證明了本文設計的方案可以提高電氣防雷能力。

表2 雷擊瞬間電氣設備的電流值與電壓值

4 結語

高層結構建筑是我國市場中建筑行業在逐步發展中形成的一種建筑結構形態，可以將高層結構建筑作為我國未來建筑行業發展與建設的主要方向。為了提高高層結構建筑的市場價值，開展建筑電氣設計方案優化方法的研究，對比試驗結果表明，本文設計的方案可以提高電氣防雷能力，但要將此方案在市場中推廣使用，還需要后期科研單位技術人員進行此方案的進一步優化與完善。