互聯網數據中心機房加固設計及應用

□ 胡桂彬 姚云龍 江彩云 蘇鶴善

在“十四五”規劃的背景下，政府、企業搭建網絡服務器系統的需求越來越多，因此各省通信運營商積極建設互聯網數據中心機房（Internet Data Center，簡稱IDC機房）。一般情況下，運營商是在自有土地上建設數據中心機房，而整個項目周期2年～5年，難以滿足新形勢下政府和企業對IDC機房的緊迫需求，并且隨著城市化的發展，在市區內難以購買到合適的工業用地，不便于客戶維護。此時租賃既有建筑改造為IDC機房成了一種選擇，而改造項目受限因素多、施工難度大，往往比較被動，如按行業慣例對租賃的房屋進行整體、長期使用要求的改造加固，十分不經濟，條件不符合現實要求。因此需研究對房屋進行特定局部區域、臨時性的改造設計方法，以確保建筑的安全性，同時降低項目造價和改造難度。

1 工程概況

1.1 建設需求

2020年末，廣西某運營商急需半年內在南寧建設完成一個面積約2000m2IDC機房以承接可預見的通信業務。根據《通信建筑工程設計規范》要求，IDC機房為生產性機房、重要的通信建筑、重點抗震設防類別、一級結構安全等級、空間通透，設備所在層樓面活荷載值為6KN/m2～16KN/m2，機房使用年限不小于20年。根據以上需求選擇了商務區1棟辦公樓的1樓部分區域進行核實改造[1]。

1.2 建筑概況

該辦公樓建設時間為2015年，由主樓和裙樓組成。主樓高度為65.65m，16層，框架—剪力墻結構；裙樓高度為12.85m，3層，框架結構。上部結構正下方區域為平戰結合人防地下室。結構的平、立面布置規則，傳力途徑簡捷、明確，豎向構件連續貫通、對齊，改造區域主要柱網軸距為8.4m×8.4m。

主樓區域的基礎形式為人工挖孔灌注墩（樁）基礎，其他區域為獨立基礎。

抗震類別為標準設防，設防烈度為6°，地震分組一組，場地類別為Ⅱ，按6°采取抗震措施，人防地下室設防等級為常6級、核6級。基本風壓為0.35KN/m2，地面粗糙度為C類。

一層原設計用途為營業廳、會議室，設計施工活荷載值為5.0KN/m2。

經現場勘察發現，房屋外觀質量良好，承重構件無開裂、無加層改擴建的情況，墻體無開裂、抹灰層脫落、無結構構件鋼筋銹蝕痕跡等現象，僅部分區域天花板有滲水痕跡。

建筑外輪廓情況及機房所在層如圖1所示，IDC機房改造區域平面圖如圖2所示。

圖1 機房所在層位置

圖2 IDC機房建設區域

2 工程特點及加固難點

本項目特點是對租賃的既有建筑物進行改造，盡管建筑的后續設計使用年限還剩約43年，但運營商要求按后續使用20年進行改造設計，且僅在租賃場地范圍內進行，即在保證房屋正常使用下、在設計使用年限中某個時間段內、對局部區域進行升級加固的改造設計。

項目改造時依據《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2010）（2016版）將南寧市設防烈度由6°調整7°[2]，《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068—2018）對建筑可靠性指標進行提高，兩個參數都是對建筑物整體性的調整[3]，而改造范圍卻只能局限在一樓，給改造設計帶來一定挑戰。

同時，需確保改造加固過程中其他樓層能正常使用，施工過程中不能破壞主體結構構件，則改造方案只能采用直接增補的措施，而不能采用可能更合適的換、改、拆構件等措施。

3 結構計算分析

3.1 條件變化

由于規范更新和機房使用性質變化導致參數出現以下調整：

（1）城市設防烈度由6°調整7°[2]；

（2）恒載分項系數由1.4調整為1.5，活荷載分項系數由1.2調整為1.3[3]；

（3）重要性系數調整為1.1；

（4）設防類別調整為重要設防類；

（5）樓板活荷載由5.0KN/m2提高到6.0KN/m2；

（6）由民用建筑調整工業建筑（通信生產樓），活荷載組合系數為0.9，頻遇值組合系數為0.9，準永久系數為0.8[1]。

3.2 計算分析

采用盈建科軟件進行計算復核分析，由于本建筑物竣工不足10年，原設計文件完整、有效，且無須懷疑結構有嚴重的性能退化，所以，計算中材料力學指標可采用原設計的標準值。

3.2.1 地基及基礎

機房荷載增加區域比較均勻、分散，且荷載占比小，其他作用效應為整體、均勻的增加，可以認為上部結構傳遞到各基礎的準永久值比例保持不變。所以，在房屋用途和規范調整后，建筑地基可能存在一定的沉降，地基變形對上部結構傾斜影響可以忽略不計。

經多次計算對比發現，地基基底的標準組合值平均提高10.3%，其中，一層機房區域活荷載值由5.0KN/m2提高到6.0KN/m2，增加值約2000KN，只占標準值的0.3%。因結構重要性調整，作用效應值提高10%，部分獨立基礎基地應力最大值超過1.2倍承載力特征值的5%。

建筑已竣工5年，考慮建筑長期壓密影響地基承載力的提高，且建筑物基礎沒發現開裂、不均勻沉降等情況，決定對地基暫不做加固處理[4]。

3.2.2 上部結構

建筑物在2001年以后建造，鑒定宜按現行《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2010）（2016版）進行抗震驗算，后續使用年限宜采用50年，主樓相關整體指標對比如表1所示。

表1 整體指標對比

結果顯示，該樓的層間位移角均小于1/800、位移比均不大于1.2，剪重比、地震剪力均增大一倍，還是在設計允許范圍內，整體性指標較好。但主樓的抗震等級由原來的三級變為一級，導致大部分構件不滿足抗震構造措施要求，如框架柱和剪力墻的軸壓比、框架柱與框架梁、抗震墻約束范圍及配筋等，改造加固范圍涉及上部樓層，現實無法提供施工條件，需采取其他設計措施解決抗震構造措施的問題。

（1）措施一：既然租賃年限是20年，那么確保改造后20年內符合IDC機房的結構安全要求即可，20年以后整個建筑物重新按原設計目標功能使用。因此，可按B類建筑對主樓進行鑒定核算。計算參數中，特征周期值由0.35調整為0.30，主樓抗震等級調整為二級，考慮設計使用年限的活荷載調整系數為0.90[5]。

重新計算分析，發現結構內力有所下降，但一樓上部樓層還存在大量構件的抗震構造措施不滿足規范要求的問題，需進一步優化。

（2）措施二：既然允許加固施工范圍也是提高結構安全性的范圍，那么在措施一的基礎上采取分區設計的措施，將一層和上部其他樓層劃分為兩個區段，僅對一層區段的抗震設防類別和重要性進行提高，上部其他樓層區段維持原狀[6]。即僅將一層區段抗震等級設為二級，重要性系數為1.10。實際上，上層結構的提前破壞會危及IDC機房層的安全，因此對機房層采取更高加強措施，將重要性系數提高為1.20，提高一層構件的承載力。該措施同時契合精細化、重點區域設計的設計理念。

重新計算分析，結果顯示只有一層的框架柱軸壓比不滿足要求，加固范圍控制在一層內，能滿足業主和運營商的要求。

4 加固方案

混凝土結構加固設計所面臨的不確定因素遠比新建工程多而復雜，且受限制也多，改造加固措施應充分考慮對后續施工的影響[7]。

4.1 主樓部分

一層框架柱軸壓比不滿規范要求，既可通過提高承載力的方式降低對抗震構造措施的要求，也可直接采取降低軸壓比的措施[8]。表2為對技術上可行的4種加固方案對比。

表2 框架柱加固方案對比

如表2所示，粘貼鋼板、粘貼碳纖維法均需加固前卸荷，因涉及上部樓層較多，無法實現。鋼構套方案要求采取防火防腐措施，并需要定期維護，會影響日后IDC機房正常生產，而現澆鋼筋混凝土套加固法施工要求低、便捷，無防火、防腐措施要求，且不需進行加固前卸載，施工后幾天即可拆模，迅速給其他施工作業騰出空間，十分符合IDC機房改造和使用要求。

現澆鋼筋混凝土套加固措施如圖3所示，對原框架柱四周進行鑿毛，每邊各增加100mm，混凝土等級同原設計等級，并在柱頂采用微膨脹混凝土替代，四周按構造要求配置縱筋和箍筋，結構加固后，既能直接降低柱子的軸壓比，又能增加柱子的承載力，同時提高“強柱弱梁”的程度。

圖3 現澆鋼筋混凝土套

4.2 裙樓部分

因原營業廳大堂高度10m，遠超機房凈空的要求，需增加夾層，同時對其改造為維護監控室，改造范圍如圖4所示。表3為技術可行的3種改造方案對比。

表3 夾層改造方案對比

圖4 增加夾層區域

如表3所示，采用鋼梁與壓型板現澆混凝土方案最合適。該加固方案施工便捷，不需支撐模板，短時間養護即可開展樓板上下方的其他改造工作，如圖5所示。

圖5 鋼梁與壓型板現澆混凝土

具體做法為通過化學錨栓將鋼梁與原框架柱連接，節點做法采用鉸接[7]，以減少鋼梁對框架柱產生不平衡的節點彎矩。同時為提高節點處的抗震變形能力，對節點上下1.5m范圍內采用鋼構套措施加固，如圖6所示。邊跨鋼筋植入原有混凝土梁內，增強其整體性。既解決機房空間過高和增加監控室的問題，又給裙樓增加水平抗側力構件，提高了裙樓的抗震承載力。

圖6 鋼構套

5 加固的重點控制

加固過程中，需對容易忽視的關鍵環節進行重點控制。

一是框架柱的加固。（1）原框架柱表面應充分鑿毛，使新增混凝土套與其進行可靠連接；（2）應清理框架柱根部的浮漿、砂漿等，使混凝土套與結構樓板直接連接，頂部應使用微膨脹混凝土代替，以減少新增部分的受力應變滯后；（3）新增混凝土應確保振搗密實，以保證其設計強度。

二是夾層的加固。（1）鋼梁節點鉆孔施工前，應采用鋼筋掃描儀進行鋼筋定位，禁止鉆孔過程中打斷原受力縱筋或多次鉆孔造成節點處混凝土蜂窩式破壞，造成隱蔽性的節點抗震承載力下降；（2）現場嚴格落實對鉆孔定位、節點板的開孔尺寸等精度控制，以免個別錨栓、鋼板孔集中受力而被逐個破壞。

6 加固后效果評價

本項目由于時間緊、限制條件多，經過多次討論計算，不斷優化改造方案，以較小的改造措施提高了建筑的整體可靠性和抗震性能，且確保IDC機房使用安全。

此外，施工過程中按運營商的要求進行駐場協助，及時對遇到的干擾和困難提出解決方案，并對施工單位提出的合理建議進行采納并做設計變更，最后項目從立項到選址、設計、改造施工、配套安裝等僅用時4個月，且全程符合綠色施工的標準。當整體項目完工時，獲得運營商的高度贊揚。

7 總結

（1）對既有建筑物根據用途重新進行分區段改造設計、重點加固設計，可極大地減少改造加固的范圍。

（2）改造加固措施除考慮自身的可行性、施工便利性外，充分考慮其對后續工作的影響，可加快整個項目總體進度。

（3）本項目以辦公樓改造為IDC機房為例，解決規范更新、用途改變、施工范圍受限帶來改造加固設計問題，為同類項目提供經驗借鑒。