數據中心建筑與結構設計對電源配套建設預留的研究

袁小川，邱永剛

（中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

1 建筑設計對電源配套建設的預留

建筑設計主要目的是合理安排建筑內部各種使用功能和使用空間，協調建筑與周圍環境和各種外部條件的關系，解決建筑內外空間的造型問題，采取合理的技術措施綜合協調與各種設備相關的技術問題，全面考慮環境、功能、技術、藝術方面的問題。從建筑設計的角度來看，建筑設計是其他專業設計的基礎。數據中心是具有特殊功能的建筑，與民用建筑相比更具專業性，在設計時不僅要滿足日常生活功能需求，還應滿足設備正常運行的功能要求，比如較大的用電負荷以及較高的樓面承載力。所以在建筑設計時要結合數據中心的特點，綜合各專業的技術需求，以滿足數據中心核心設備安全、高效運行為目標進行設計[1]。

1.1 總體規劃預留

總體規劃預留主要是從場地總體規劃入手，綜合短期建設目標和遠期建設需求對功能區和建筑進行場地空間預留，對于電源配套建設預留而言主要是對電力引入、電力管廊、動力配套房屋等做好總體規劃，并對遠期建設需求做好場地空間預留。首先要收集電源配套專業關于技術資料、配置參數及引電容量的需求，根據場地的現狀結合短期建設目標以及遠期需求進行綜合布局。總體規劃除了遵循功能要求，還必須認真貫徹國家的方針、政策，執行國家頒布的相關規范及標準。只有這樣才能達到設計的最終目的[2]。

新建數據中心項目，建設單位因投資成本和效益等原因，一般分期建設。電源配套設施作為數據中心的動力來源，在總體規劃時應重點關注電力引入路由、電源配套建筑等方面。電力引入要結合場地和周邊環境的實際情況規劃引電路由，并根據遠期需求預留足夠的空間。對于電源配套建筑，通常以短期需求為建設目標，預留足夠的遠期建設用地，這種建設方式具有短期投資小、工期短、見效快等優點。但從長遠來看，此模式也存在弊端，電源配套房屋建設規模是根據數據中心核心設備需求來確定，為了方便后期擴容時在空間上得到最大化利用，數據中心建筑主體一般是按遠期規模考慮，設備及相關配套設施分期建設，如按短期需求為建設目標，數據機房設備擴容時，再建設相關配套設施用房將大幅增加人員組織成本、時間成本、直接經濟成本等。所以筆者認為，電源配套相關土建設施應該按遠期規劃建設，在內部做好空間預留，這樣不僅可以對各建設周期內的相關設施做很好的規劃安排，還能從總體上減少建設成本。除此之外還需考慮各功能點的位置關系，如動力配套用房與數據中心的位置關系，兩者距離不宜太遠但應滿足最低的防火間距要求。當遠期預留有多座數據中心時，此時應圍繞動力配套建筑布局，同時應根據需求提前規劃預留足夠的空間用于動力配套房屋、地下管廊以及運輸通道的擴容建設。對于預留的規模，應該根據遠期建設的設備規模確定。

1.2 局部空間預留

局部設計預留是電源配套各功能點結合短期建設目標和遠期建設需求，對單體建筑內部進行空間布局設計。比如低壓配電間、UPS 間、電池間、高壓配電間、柴油發電機室、油庫在建筑內部空間位置關系、面積、高度進行設計。在進行電源配套建設時，為了減少線路損耗，通常把低壓配電間、UPS 間、電池間和數據機房設置在一個建筑單體內，這樣數據中心就形成以數據機房為核心外加電源配套和輔助用房組成的綜合性建筑單體。其面積通常以機架的規模確定。在進行建筑平面方案設計時，數據機房、電源配套相關房間宜為矩形或方形，根據機架尺寸（1.2m×0.6m）為模數布設軸網，據此推算軸線間距宜取8.4m、9.6m、10.8m。

豎向的空間預留方面，數據中心相比民用建筑而言要求更高，其主要原因在于設備體量大、輔助設備管線多。除了滿足設備高度需求以外，還應考慮電源配套走線高度、消防設備管線高度、空調設備風管高度以及結構構件自身的高度等因素。

一般數據機房豎向布置見圖1 所示，在機房的層高要根據空調送風方式以及電源配套走線方式來確定；當采用下送風防靜電地板架空部分作為靜壓箱考慮時，不應采用下走線且架空高度宜取大值；當考慮下走線時，此時可不考慮走線架高度，防靜電地板架空高度應按需求設置；綜上所述，數據中心層高要各專業協調，根據機房空調以及電源配套方案來確定。根據筆者經驗，數據中心層高5m～5.5m 較為合適[3]。

圖1 豎向布置示意

數據中心建筑面積通常根據機架的建設規模來確定。首先確定機房的建筑面積，假設機房平面為矩形，柱間距為9.6m，考慮柱子對機柜布置最不利。列頭端和末端設置凈寬不小于1.5m 走道，機架列間設置不小于1.2m 的維護通道，單列機柜的從屬面積為48m2，分攤到單機架建筑面積為2.18m2，此計算方法沒有考慮機房內放置空調末端，適用于風冷空調的機房。當機房制冷采用水冷空調時，機房內需放置空調末端，此時機房一端走道加寬2m 寬計算，單列機柜從屬面積為52.8m2，分攤到的單機架為2.4m2。對于需要設置參觀走道的機房，在機房列頭走道端外側設置參觀通道，走道寬度宜取2.4m，此時單列機架的從屬面積為58.56m2，分攤到單機架的面積為2.7m2。考慮到機房縱向端部還需要設置寬度不小于1.5m 寬度的走道，以上三種情況分攤到單機架的面積宜分別取2.3m2、2.5m2、2.8m2。

電源配套作為支撐數據機房運行的核心設施，二者位置關系是空間布局的重中之重。平面布置時，電源配套房間應與所提供電力支持的數據機房相鄰，除走道外不宜有其他房屋隔斷。當設有多個數據機房時，低壓配電間、UPS 間、電池間宜集中設置在建筑平面中心位置，數據機房圍繞其四周對稱布置。豎向布置時各層低壓配電間、UPS 間、電池間應上下位置對應。數據機房和電源配套房間以及電纜上線間墻面和樓板要提前預留洞口作為走線通道。電源配套用房面積應根據數據中心的建設等級來確定，按常規設計時一般占數據機房面積的20%～30%。隨著技術的革新，采用各模塊一體化設計時電源配套用房可節約面積40%～50%。

對于在既有建筑內部建設的數據中心，主要是利用好建筑內部的既有空間，對數據中心各功能區合理布局。數據機房是數據中心的核心，既要考慮大開間區域布局，還要考慮與動力配套設施的距離以及空調設備的位置。通常動力配套設施的樓面荷載較大，一般將其設置在建筑的首層，以減小對既有建筑結構的影響[4]。

2 結構設計對電源配套建設的預留

當今數字化、信息化技術無處不在，對人們的生活以及社會的經濟發展產生重大和深遠的影響。數據中心作為支撐信息化社會的載體，除了滿足自生承載力需求外，在應對重大自然災害時自身結構主體應具備較高的可靠性。在結構設計時必須嚴格執行國家相關規范和標準，保證設計質量。根據規范的相關規定，數據中心分為A 級、B 級、C 級三個等級，A 級數據中心抗震設防分類不應低于乙類，B 級和C 級不應低于丙類，對于國家級數據中心抗震設防分類應增加一級。

數據中心主體結構形式選型方面，為保證核心區機房設備布置的連續，需要大開間布局，所以宜采用框架結構和框架-剪力墻結構，不宜選用剪力墻結構。數據中心需要布設的設備較多，需要大面積平臺用于安裝設備，所以在場地不受限的情況下宜采用多層建筑方案，適當增加建筑占地面積，屋面有足夠空間作為室外設備的安裝平臺。數據中心結構宜對稱布置，同時結構質量和剛度應分布均勻，避免質心和剛心出現嚴重偏心產生較大扭轉效應。需要設置變形縫時，變形縫不宜穿越機房區。

2.1 樓面荷載預留

數據中心的樓面荷載主要集中在數據機房和電源配套區域，其設備重量大且集中，樓面活荷載遠大于普通民用建筑。在確定結構樓面活荷載時除了執行規范規定以外，還要與實際建設需求以及后期擴容等綜合考慮。對于數據機房的樓面荷載取值應根據機架內安裝設備來計算。按機架滿容量42U 來考慮，單機柜重量一般為1050kg，機房內設置有走道以及維護通道通，如按機柜滿布進行設計，機房樓面結構承載力存在很大冗余且不具備擴容條件，所以數據機房樓面活載宜根據設備自身重量進行等效均布來取值。以柱間距為9.6m 的數據機房為例，采用井字梁結構，樓面板為雙向板，次梁間距按主梁三等分取3.2m。考慮設備底座高度0.5m，樓板厚度0.12m，根據《建筑結構荷載規范》附錄C 計算樓面等效均布活荷載為6.45kn/m2。配電間其平面布置以及設備重量與數據機房近似，其樓面荷載可取機房樓面等效值。數據中心對后備電及時長要求較高，電池容量需求較大，電池間樓面荷載通常最大，結構設計時在確定電池間樓面活荷載時，要根據電池自身重量以及布置方式來確定。參考國內封閉式鉛酸電池單節電池重量為75kg（含支架）。按雙列雙層布置計算樓面等效均布活荷載荷載為6.6kn/m2。按雙列四層布置時為13.2kn/m2。以上計算值為設備荷載，設計時還應考慮維護通道人流等因素[5]。

2.2 結構構件洞口預留

數據機房樓地面為滿足防靜電要求，地面一般鋪設防靜電活動地板，防靜電地板架空高度一般在0.25m～0.6m 之間。為保證數據中心地面整體平整美觀，在結構設計時樓地面會選擇樓地面下沉為防靜電地板預留足夠的安裝空間，由此會出現大面積錯層，樓板不連續，在樓板平面內形成大面積洞口，樓板剛度削弱較大，從而不滿足樓板面內無限剛度的假定，對整體結構不利，所以在結構分析時應考慮樓板變形對結構的影響。對于樓面結構大面積錯層的數據機房位置，由于質量在豎向錯位，在水平地震剪力作用下，數據機房周邊的框架梁會產生較大的扭矩，在設計時應重點關注，采取措施增加抗扭剛度。

當需要在框架梁預留洞口時應避開梁端以及有集中荷載作用剪力較大的區域。在箍筋加密區以及設置附加箍筋及吊筋的區域不宜設置。預留洞口應設置在鋼筋混凝土梁截面受壓區以外，保證截面受壓區面積，減小對梁截面受力平衡的影響。鋼框架梁腹板預留洞口時應對其周邊采取補強措施。除此之外，預留洞口對結構構件的剛度有較大削弱，在設計時應考慮洞口對構件撓度影響。

對于結構樓板預留洞口，要減小洞口對樓板剛度削弱影響，在洞口邊緣應有補強措施。對樓面剛度影響較小的洞口，可在洞口周邊對稱設置補強鋼筋，其鋼筋總截面不應小于洞口截面斷開鋼筋的面積，并滿足相關構造要求。當在樓面設置對樓面剛度有較大影響的洞口時，應在周邊設置滿足構造要求的邊梁或暗梁。

數據中心洞口預留尺寸應根據設備以及功能需求來確定，設備與洞口間應預留一定的間隙，使結構與設備二者間有一定的相對變位，間隙采用有機防火回填料進行封堵。在電源配套房間設備上方應提前預留用于安裝的吊鉤，起吊能力應滿足設備安裝要求。

3 結語

在數據中心建設過程中，建筑及配套設施作為支撐其運行的載體，空間布局和結構安全是保障數據中心高效、安全運行的基礎。本文對數據中心建筑和結構設計時電源配套設施相關預留進行研究，對數據中心建設項目電源配套相關設施的總體到局部空間規劃、樓面荷載及洞口等相關預留有了更新的認識。