高層建筑電氣設計重難點及優化措施

蘇曉波

（廣東建安消防機電工程有限公司，廣東廣州 510300）

0 引言

高層建筑電氣系統設計活動中，應對建筑環境、施工成本等影響因素展開系統性的調研，在實際設計時必須保證設計人員秉承實事求是的工作態度，巧妙的借助科學的、合理性的設計方法展開設計工作。設計人員應該持續性的學習各種新穎的設計方法、設計理念，以提高高層建筑物的設計質量，對電氣系統的性能進行優化，且還應該保證電氣系統的環保性能滿足現行規范的基本要求。

1 工程概況

本文以某大樓建設項目作為研究案例，該建筑物的總建筑面積高達7.5萬m2，地上建筑物為兩棟高層辦公大樓、4層裙房；地下結構設計為3層式的地下車庫。其中，1#塔樓設計為19層，2#塔樓設計為15層，地下室車庫3層局部設計為人防工程。

2 原電氣設計方案

該大樓在設計過程中應該堅持安全性、經濟性、合理性原則。1#塔樓、裙房應該結合綠色的三星標識展開設計。為保證電氣系統的節能效果能夠達到管理要求，設計人員應該對可再生資源予以重視，可以在裙房的屋面部位安裝176塊光伏構件，光伏構件的規格應該為290Wp。分布式光伏發電的總電能為51.04kWp，配備光伏并網柜與GCI-50K組串式逆變器，當逆變器發生逆變匯流以后直接與并網柜進行連接，并網柜的出線端口與配電室進行連接；地下室的頂部地面綠化區域設置10套導光筒；塔樓的屋頂、裙房屋面應該安裝太陽能集熱板。

（1）新能源機動車充電裝置。結合我國住建部最新發布的《關于加強城市電動汽車充電設施規劃建設工作報告》內容來看，對于建筑面積超過20000m2的辦公樓等大型建筑物需要配備停車場、社會公共停車場，新能源機動車充電裝置的數量不得低于總停車位的10%。考慮到經濟性原則的影響，該項目內設計如下：地上停車場車位規劃為27個，地下車庫車位規劃為663個，總計690個車位；停車場配備70臺充電樁。充電樁的負荷等級全部設計為三級，供電方式設計為一個變壓器，多個停車場共同使用，電容盡可能的分布在分段母線上，充電樁選擇使用專用類型的供電線路。

（2）變配電室的位置確定、變壓器數量確定：①以負荷分布狀態進行分析，裙房負一層設計為實驗室與機房，一樓屬于是檢測大廳，2樓是餐廳與廚房，三樓、四樓為員工活動區域，空調外機組全部安裝在裙房的屋頂區域。由此就可以發現，裙房區域承受的負載較為集中。②以場地分布的距離進行分析，裙房分布在兩座塔樓之間，南側塔樓與北側塔樓供電距離可以滿足實際需求，通過計算以后得出1號塔樓與風機之間的距離為160m，與3號樓最遠的電氣設備之間的距離大概為140m，通過對電箱安裝的部位、控制開關的定值進行優化設計，能夠滿足電壓靈敏性的要求。需要對未級配電區的靈敏性進行檢驗，電氣的末端若未進行接地處理，一旦發生故障后，首端應具備良好的可靠性。③以電纜敷設的線路進行分析，借助地下一層內安裝的橋架向各個電氣設備供電，因此設置在建筑物的地下車庫中比較合適。④以建筑物的凈高度進行分析，因該高層建筑物地下結構分為三層，每層基本上都達到了極限值，所以配電室設置在地下一層比較合適，由于地下一層區域的頂板未設置夾層，所以我們完全可以利用層高與兩座塔樓下方的剪力墻布設配電室，不管配電室設置在哪一側的下方，其與另一側塔樓之間的距離都不會太遠。若設置兩座變電所，則不具備經濟性原則。

3 電氣設計優化措施

高層建筑物在交付運營過程中，其突顯出以下特點：流動人員規模龐大、火災防范難度比較大、人員疏散難度比較大。在對電氣系統進行設計時，應該結合用戶的實際訴求及用電負荷的差異展開工作，嚴格的按照國家管理規范的標準，對用電負荷進行等級劃分[1]。

3.1 配電方式的選擇及優化

對于消防電氣設備、部分比較重要的電氣設備而言，可以使用多回路放射式電纜，電纜的末端需作特別的處理，然后進行供電，這樣可以保證供電的可靠性。該高層建筑物的各樓層用電比較均勻，計算流量相對比較大，所以應該選擇使用密集型母線進行供電，逐層設置插接箱進行供電。

3.2 電纜選擇及敷設

結合《民用建筑設計規范》第7.4.1條進行分析：“一類高層建筑物應該優先選擇低煙聚乙烯線纜或是無煙無鹵線纜”；此外在13.10.4條中提及到：“消防設備、供電線路、控制線路的選擇，需滿足以下基本要求：火災預警管理系統保護的對象應該是一級建筑物，一級建筑物中的消防設備、供電線路、分支線路應該選擇使用絕緣電纜，當線路敷設滿足防火等級要求的情況下，可以選擇使用有機絕緣電纜”[2]。《建筑設計防火規范》第10.1.10條要求到：“在建筑環境存在一定的局限性時，面對消防線路、配電線路使用同一個檢查井埋設情況，消防線路應該使用絕緣類型不燃性電纜[3]。

結合以上介紹，將該項目中的電纜全部選擇使用阻燃低煙無鹵聚乙烯線纜，通過計算出每米電纜的材料體積，確定出檢查井中的主干線使用A級阻燃，分支線路選擇使用B級阻燃，末端線路使用C級阻燃。對于單獨敷設的消防線路可以選擇使用偏柔性電纜，線纜的外層應該具備以下要求：無煙、無鹵、絕緣。柔性線纜的施工難度相對比較小，采購成本非常低，常使用在應急通信、消防專用通訊等場景中。

線路敷設問題，該高層建筑物中使用的礦物絕緣電纜全部都是利用梯架進行敷設，有機絕緣電纜利用防火橋架進行敷設，這樣敷設可以確保大樓在發生火災的情況下，線路的安全性能夠得到保證。非消防電纜全部使用無蓋有孔類型的橋架，有利于電纜散熱。

3.3 照明節能設計

地下車庫環境內的照明度至少為30lx，行車道照明度招商為50lx。行車道兩側的照明設備應該選擇使用回路配電，通道沿線設置應急照明燈，應急照明燈應該是由應急照明箱單獨進行供電，日間時段可以依靠主電源進行供電，保證燈具持續照明，停車位照明燈可以利用感應器進行控制[4]。

地上環境內的公共場所全部使用LED燈源，樓道間、樓梯轉角部位可以設置紅外線控制開挖；衛生間、開水房等可以使用紅外干控制開關；大廳、電梯、走廊、餐廳應該使用智能化控制系統，根據場景的實際需求進行控制。

高層建筑物中的辦公區域一般都是使用LED燈源，其照明形式主要是一般照明與局部照明混合構成，通常都是利用智能照明控制系統予以控制，系統會根據室內外光照強度對照明效果進行調整，局部照明可以使用人工控制開關。

3.4 裝配式電氣管線布置的優化

該項目中的1號塔樓的5～17層設計的是裝配式混凝土施工技術，這種技術意味著施工過程中會使用到諸多的預制混凝土構件，例如，預制樓梯、預制隔斷墻、預制樓板等等。為了能夠降低前期預埋管線對預制構件的裝配質量影響，我們只對火災報警系統、應急照明系統作暗敷處理，其他非消防設備全部在首次裝修施工時，敷設在疊合板下70mm的現澆層中。一般性的PVC管材可以輕易的穿過桁架筋，但是消防設備全部使用金屬導管，在實際敷設的過程中，金屬導管的角度調整難度比較大。若管線需要交叉進行布設時，其保護層的厚度難以達到30mm，所以我們可以將消防預警、應急照明的線路敷設在疊合板的接縫部位，疊合板接縫部位的現澆段寬度為30cm、厚度為12cm，完全可以并排敷設JDG、接線盒，且施工非常便捷。樓道間的控制面板、疏散指示燈、消防應急報警器全部設計在休息區域，通過垂直布線的方式進行敷設，以此就不需要設置在疊合板的預制層中[5]。ALC預制隔斷墻、預制樓梯施工之前，施工人員應該提前將管線預埋工作完成，保證預制構件后期施工順利進行。疊合板的接縫可以參照下圖中信息所示。

3.5 變壓器臺數確定

通過全面的研究分析以后，將變壓器設計在裙房的地下一層中，在-1F區域設置配電室，結合設計圖紙來看，地下車庫的總面積為3.2萬m2，大約占整個項目建筑面積43%。結合企業的業務發展特征，該公司旗下的子公司與集團總部之間的交流比較頻繁，2號塔樓存在對外出租的可能性，所以該項目中配備4臺SC（B）13-1250kVA干式變壓器（2臺負責1號塔樓、地下車庫、裙房，剩下2臺負責2號塔樓、地下車庫局部區域、充電樁）。在經過供電需求分析以后，在市政道路的綠化區域新建一座開閉所，兩路獨立式的電源線路沿著綠化帶直接連接負1層橋架至配電室，以此完整該項目中室外區域的所有線路敷設，為后期的施工、維護提供巨大的便利。

3.6 電動汽車充電設施

（1）為避免出現因充電樁、蓄電池而引發的火災安全事故，對地下車庫內安裝的充電樁應該設置額外的限制條件。結合《電動汽車分散充電設施工程技術標準》（GB/T 51313—2018）中管理要求來看，新建地下車庫安裝的充電設備應該分布在同一個防火區域內；假若設置在地下環境中時，應該盡可能的設置在地下車庫的第一層，不宜安裝在地下四層以下。《電動汽車充換電設施系統設計標準》中要求對于額定電流小于32A的充電樁設備應該安裝在充電站、電池更換站、停車庫中，不得隨意安裝在其他場所。且還規定到：地下停車庫到每個消防單元中，充電樁的數量不得超過12個，消防單元的出入口應該避開車輛，并設置特級防火卷簾門進行分隔，防火單元的樓板、隔墻防火等級不得低于1.5h。

（2）針對于電擊防護問題，我國現行管理規范《民用建筑電氣設計規范》（JGJ 16—2018）中明確的要求到：凡使用以下設備，其配備的線路全部需要設置電流防護措施：①手持式電氣設備、移動式電氣設備。②公告場所露天環境下使用的電氣設備。露天環境下的充電樁全部需要設置電流保護器RCD，這屬于是為了防護個體遭受電擊，一般情況下，電流保護的標準值為30mA瞬動。需要特別提及到的一點是，充電設備含有一定的脈動直流電流，所以應該使用A型RCD，不可以選擇使用AC型RCD。結合《電動汽車交流充電樁技術條件》（NB/T 33002—2020）中管理要求來看，電流保護裝置應該設置在供電電纜進電端的側向，產品說明書中明確的備注到充電樁結構中已經安裝RCD電流保護器，電源配電箱控制開關部位還應該額外的安裝RCD電流保護器。結合《電動汽車分散充電設施工程技術標準》（GB/T 51313—2018）中要求來看，交流電流充電樁的電流保護器所對應的型號規格應該與充電樁內置的電流保護器RCD保持一致。③露天環境下，無電位環境的充電樁設備需要在停車位上設置等電位平衡線，電位平衡線使用熱鍍鋅鋼管加工而成，鋼管的規格尺寸為25mm×4mm，需深入底層以下0.15～－0.3m，這種設計可以保證在電流保護器失效后，人體接觸到的電流保持在一個安全范圍以內，不會對人體造成較大的傷害。

3.7 關于備用電源的設想

考慮到后期整個建筑物對于供電的需求會增大，相應的供電穩定性要求也會提供，所以，高層建筑物應該配備必要性的備用電源，鑒于此，本文提出以下兩種建議。

（1）配備蓄電池組。該高層建筑物使用220V浮充電方式，當雙路控制電源全部處于斷電狀態時，供電系統會立刻進行逆變處理以后，向指定線路提供電能。例如，臨時照明、通訊控制電源、安全監測供電等地。若蓄電池的容量可以滿足實際需求，可以喂電氣提供臨時電源，例如，電梯控制電源。這種設計方案最大的特點是不會產生較大的噪聲，可以保證電氣在短時間恢復供電。正常情況下，還能向通訊設備供電，其缺陷為前期需要投入較大的成本，且后期維護工作比較麻煩。

（2）配備備用發電機。雖然配備一個備用的發電機不具備經濟性原則，但是在設計過程中可以選擇功率偏大、性能偏高的鼓風機電機、電梯電機，并配備柴油發動機，通過配線組裝為一個發電機組，在常規運行狀態下，可以使用既有的電動功能，在出現事故狀態下系統可以切換使用發電功能。

4 結語

綜上所述，在設計高層建筑物的電氣系統時，應該滿足建筑物的實用性、施工經濟性、電氣先進性原則，實際進行過程中需保證建筑物自身的需求得到滿足，對電器系統進行合理的優化設計，提高對建筑電氣材料的考察力度，重視空調通風系統、建筑物照明系統的設計，保證供配電系統的穩定性，借助科學化、先進化的設計方法進行優化設計，突出建筑電氣系統的功能性，展現出建筑電氣系統設計的價值，以此來間接性的推動社會經濟進一步發展。