數據中心機房綜合管線支架設置方案比選

王金輝

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

近年來，在全球經濟數字化轉型的浪潮中，我國數字經濟發展進入加速期，數字產業化和產業數字化已經成為國家發展數字經濟的重要抓手。數據中心作為數據服務的重要載體，無疑是數字經濟發展核心基礎設施和重要支撐，其建設規模也逐年增長。

數據中心機房裝有各類數據服務器、環境保障設備，這些設備通過眾多不同功能的管線聯通起來，組成了復雜的數據服務系統。這些種類繁多、功能各異的管線，在設計階段需要各專業協商整合，進行綜合集成，以滿足節約空間、方便安裝維護、節能環保等要求。目前，機房綜合管線較多采用上走線無吊頂安裝方式，這種方式可以較好滿足機房下送風精確制冷、充分利用機房凈空、設備布局調整、維護管理等需求，常規的上走線方式需要在機房頂板預先鉆孔，采用后置錨栓安裝大量吊桿，對上部樓板造成較大的損傷，削弱樓板的承載力。如果錨栓定位不準，后期橋架安裝中還得重新打孔增加吊桿，費時費力。

本文結合某數據中心項目機電工程案例，提出綜合管線支架優化設計的不同方案，并通過對比，確定工程實施的最佳解決方案。

1 項目概況

某數據中心項目位于江蘇省大數據示范園區，該園區是中國電信集團“2+4+31+X”戰略的重要組成部分，建設用地 306 畝，總投資 120 億元，規劃建設數據機樓 10 幢、機架容量 3 萬架，服務器 45 萬臺。該園區數據中心是在“新基建”背景下按照國際最新標準建設的新一代綠色數據中心，園區建成后將成為中國電信集團“天翼云”長三角重要節點。項目一期土建工程建設數據機房一棟，機房主體四層，機房總建筑面積20 577.02 m2，地上建筑面積 19 914.20 m2。采用鋼筋混凝土框架結構，典型柱網尺寸為 9.9 m×10.2 m，主梁截面高度 950 mm，梁板采用井字梁方案。目前該數據中心已安裝 2 400 個機架、4 萬臺服務器，可持續為華東地區用戶提供工業互聯網、5G、邊緣計算等大數據服務。

該項目一期機電工程確定綜合管線采用上走線無吊頂安裝方式。在施工準備階段，面對投資受限、工期緊張的情況，參建各方研討后提出在機房頂板下結構梁間設置吊掛轉換鋼支架，再用吊桿將各類管線橋架固定于該轉換支架，解決傳統的樓板下直接錨筋吊掛方式的不利影響。因此，支架選型，是綜合支架順利安裝的重中之重，也是安裝質量及現場管理的重要保障，綜合管線支架方案的合理確定成了參建各方共同關心的問題。

2 綜合管線設計要求

機電安裝過程過程中具有管道集中、種類繁多、施工環境差、安全隱患多等特點［1］，管線涉及工藝電源、機柜、消防、智能化、通信、暖通、電氣、傳輸等多個專業，如果各自單獨施工，難免造成布局混亂、橋架沖突、空間過度占用，從而導致承托橋架用量多、建設成本高的問題。因此，在機電設計階段，需要由工藝專業牽頭，依據設計規范及施工工藝標準，對各專業管線進行統籌規劃、綜合集成，并合理布置管線支架，做到安全可靠、經濟合理、整齊美觀，并滿足施工、操作、維修等所需的間距要求［2］。

2.1 綜合管線支架的布置要求

本項目結構梁呈井字形布置，相鄰次梁軸線間距3.1～3.5 m，根據機房綜合管線集成設計條件，每條綜合管線橋架在路由方向均有結構主梁和次梁可供橋架吊桿安裝，本次只需在每個板塊區域增設兩道轉換鋼支架，新增支架間最大間距 1.5 m，鋼支架鋼梁與管線路由方向垂直布置，兩端采用后置錨栓固定于結構側面。

2.2 綜合管線橋架荷載

根據各專業提資，本次需要吊掛于結構梁和管線支架的線纜橋架主要有工藝電源、弱電智能化、機柜數據、電氣照明、通風風管、氣消管道等設施。在管線鋼支架跨度范圍內，吊裝 1～2 列綜合管線橋架，典型斷面如圖1 所示。

圖1 綜合管線橋架布置典型斷面圖

吊裝在支架上的橋架主要分單層和雙層兩種，其中，雙列雙層橋架及附屬件總重 420 kg/m，智能化橋架及附屬件總重 35 kg/m，智能化冷媒管橋架及附屬件總重 100 kg/m、風管及附屬件 60 kg/m、部分雙層智能化和配電橋架及附屬件總重 620 kg/m、監控橋架及附屬件總重 50 kg/m。個別區域三層智能化和配電橋架及附屬件總重 720 kg/m。

根據上述綜合管線橋架荷載、吊掛設施安裝需求，并考慮后期橋架的可擴展性和維護需求，對轉換鋼支架上的附加荷載按照荷載等效原則進行簡化，按照鋼支架梁上均布作用的附加荷載不超過 8 kN/m，集中作用的總附加荷載不超過 16 kN為設計使用條件。

3 管線吊架方案比選

結合以上機房綜合管線設計在路由排布、安裝需求、荷載分布等方面因素和建筑結構梁板布置的具體情況，并考慮方案實施的合理性，提出以下兩種綜合管線支架方案，并進行方案比選。

3.1 方案一：螺栓組裝式工字鋼支架

方案一支架主要由主鋼梁、支架錨固件和裝配螺栓三大部分組成，支架錨固板由錨固螺栓、錨固端板和連接板組成，主要構造如圖2 所示。

圖2 方案一支架構造

1）主鋼梁。采用熱軋普通 14# 工字鋼，材料強度為Q345B。鋼梁兩端分別留設 2 個φ18 mm×56 mm 安裝腰形孔，鋼梁長度以鋼梁安裝端相鄰次梁之間凈距扣減60 mm 確定。

2）支架錨固件。錨固端板邊長 230 mm×230 mm， 厚度 12 mm，錨板連接板采用 150 mm×100 mm，厚度8 mm，連接板與端板采用雙面角焊縫焊接，焊縫高度6 mm，錨固端板采用 4M16 倒錐形化學錨栓，錨固于結構次梁側面中部。

3）支架組裝方式。支架主鋼梁兩端與支架錨板連接板采用 2M16 安裝螺栓組裝。

施工順序：現場放線定位——后置錨栓施工——錨板制作、安裝——主鋼梁組裝——線纜吊桿及走線架安裝。

3.2 方案二：插承裝配式方管鋼支架

方案二支架主要由插接主梁、承插端錨固件和限位螺栓三大部分組成，承插端錨固件由錨固螺栓、錨固端板、承插外管、斜桿和加勁板板組成，主要構造如圖3 所示。

圖3 方案二支架構造

1）插接主梁。采用熱軋普通矩形管 100 mm× 40 mm×6 mm，材料強度為 Q355 B，矩形管兩端根據需要留設 2～3 個限位螺栓孔，方便調節。插接主鋼梁長度為可調變值，本工程主鋼梁長度取最短長度 2 200 mm，以體現經濟性。

2）承插端錨固件。承插外管內徑需要比插接主梁外徑稍大一些，采用 120 mm×60 mm×6 mm，并在合適位置留設限位螺栓孔。錨固端板邊長為 230 mm× 480 mm，厚度 20 mm，斜桿采用 60mm×40 mm×6 mm矩形管。承插外管、斜桿分別與錨固端板對接圍焊，角焊縫高度 6 mm。加勁板采用 6 mm 厚鋼板，與斜桿、承插外管、錨固端板采用焊接連接。錨板端板采用6 M16 倒錐形化學錨栓，錨固于結構次梁側面中部。

3）支架裝配方式。在一端承插錨固件固定后，將主鋼梁插入該端錨固件承插外管內，待另一端錨固件安裝后，將主鋼梁插入另一端承插外管，調整主梁插入兩端承插外管的長度，位置合適后采用限位螺栓固定。

施工順序：現場放線定位——后置錨栓施工——錨固件制作——一端錨固件安裝——主鋼梁承插——另一端錨固件安裝——主鋼梁調節、固定——線纜吊桿及走線架安裝。

3.3 兩種方案的對比

針對上述兩種不同支架設計方案，分別從構件用料、施工可調節的靈活性、進度保證性等維度進行比較。

3.3.1 構件用料方面

根據兩種支架方案設計圖紙測算，兩種方案支架單套構件用料對比如表1 所示。由表中數據可見，方案一構件數量少，用鋼量低，錨固螺栓數量少，構件連接焊縫少，鉆孔錨固、構件焊接、構件組裝工序的工作量小，施工周期短。

表1 兩種方案支架單套構件用料對比

3.3.2 施工可調節性方面

以案例項目標準層為例，樓板井字梁結構典型的混凝土結構梁凈距為 3.1 m，計算所得的兩種方案支架施工可調節長度對比如表2 所示。

表2 兩種方案支架施工可調節長度對比

不難看出，方案一的主鋼梁兩端均設置有腰形孔可供安裝過程中調節位置、長度，但可調節靈活性較小，可調整長度范圍主要便于解決現場施工誤差，適用于結構梁間距變化較小，現場根據結構梁間距下料的工程場景。方案二支架以其插承裝配的構造優勢，支架可調節長度范圍較大，可以滿足結構梁間距基本相近、但變化稍多的工程場景。

3.3.3 施工安裝耗時方面

為了比較兩種支架方案在施工進度保證性方面優劣，現場作業人員根據不同方案分別進行了驗證性施工，并對不同方案支架的不同工序耗用時長進行統計，相關數據如表3 所示（表中支架構件的焊接作業為工廠作業時長）。

表3 兩種方案支架不同工序耗用時長

通過比較，方案一支架構造簡單、構件數量少、錨栓和焊接時間短，兩端錨固件更便于同時安裝，施工相對快捷。而方案二構件數量多、錨栓和焊接工作量相對較大，為保證中間鋼梁兩端順利插接，支架兩端的錨固件需要先后錯時施工，才能保證插接準確，相比而言，整體工序耗用時間較長。

3.3.4 綜合優劣勢比較

結合上述比較，并結合案例項目驗證情況，對兩種支架方案的主要優劣勢進行綜合比較，具體如表4 所示。

表4 兩種方案支架綜合優劣勢比較

綜合以上各方面比較，考慮到本項目結構梁布置較為規則、相鄰結構梁間距變化不多、項目工期緊張、施工作業面窄等特點，經各方討論并征求現場作業人員意見，最終確定方案一為案例項目實施方案。

4 選定方案的實施效果及工程建議

在案例項目一期機電安裝工程實施中，共計安裝方案一支架 563 套、M16 化學錨栓和 M16 安裝螺栓各4 504 顆、錨固端板和連接板各 1 126 塊，工程應用實景圖如圖4 所示。據測算，支架部分投資約 30 萬元，支架安裝周期 30 d，有力保證了項目當期機電安裝工程從招標到交付總工期 100 d 的既定目標，創造了同類項目同等規模數據機房機電安裝施工的“新速度”。

圖4 方案一工程應用實景圖

在案例項目實踐中，支架施工還出現個別支架高度二次調整、錨栓拉拔力不足的情況，對后期項目提出以下建議。

1）施工前盡量應用 BIM 技術對支架布置位置、標高等進行更加細致的調整、優化，進一步提高施工效率、節約投資。

2）支架施工中化學錨栓安裝工序質量尤為重要，需選用優質結構膠，嚴格把控鉆孔、清孔、注膠、固化時間等工藝參數，確保錨栓拉拔力試驗滿足設計要求。

5 結語

本文結合某數據中心項目案例，通過在頂板結構梁間增設轉換鋼支架的方式，解決了傳統機房綜合管線錨筋吊掛安裝方式的不足，提出了兩種不同綜合管線支架結構方案，并從構件用料、施工可調節性、各工序耗用時長、綜合優劣勢等方面進行了驗證性對比，最終選用螺栓組裝式工字鋼支架方案為工程實施方案，通過案例工程應用，該方案構造簡單、造價低、施工快，值得類似項目參考。Q