保護性建筑物修繕改造中的電氣設計方案淺談

熊 光,李光曦,蔡雄飛

(中信建筑設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

0 引 言

在歷史保護性建筑物的改造修繕設計過程中,既要遵循留下文化脈絡(修舊如舊)的主旨、又要滿足現(xiàn)代化的功能需求(煥發(fā)新生)[1]。因此,在保護性建筑物電氣方案設計中通常面臨諸多不同于新建建筑物設計的地方。本文以武漢市某地塊的修繕改造工程為例,探討保護性建筑物電氣修繕改造方案設計中的相關技術問題。

1 項目概況

1.1 項目整體概況

某片區(qū)改造建設項目中,D地塊為新建及修繕改造區(qū),該地塊內(nèi)部由D1、D2、D3 3部分組成,D區(qū)總平面如圖1所示。

圖1 D區(qū)總平面

D1、D2為新建建筑區(qū),各設置一個2層的地下室,地下室通過室外管群連通,主要功能初定為餐飲類商業(yè)和住宅等。D3區(qū)為保留建筑區(qū),修繕后建筑物的主要功能初定為文創(chuàng)辦公、一般性商業(yè)等。歷史保護性建筑物的修繕改造需要在設計前期進行反復踏勘及方案論證,耗時長。因此,優(yōu)先開展D3區(qū)的設計工作。

1.2 保留建筑物概況

D3區(qū)現(xiàn)存保留建筑10棟,早期功能為住宅區(qū),現(xiàn)為武漢市第一批一級優(yōu)秀歷史建筑,不可移動文物。建筑多為1～4層磚木結構,紅瓦四坡頂,局部為平屋頂(用作曬臺),建筑平面形式多為兩間式,前后設天井,平面近似為矩形。原始設計中,樓棟之間布局緊湊,各棟之間主要采用背靠背的布局方式,地塊角落的個別建筑房間甚至不規(guī)整。測繪資料顯示,建筑物屋前通道寬度通常可達3 m及以上,建筑物屋后通道寬度甚至不到2 m。各棟建筑單體由一到多個住宅單元組成,共計46個單元,每一住宅單元的規(guī)模250～350 m2。建筑物局部存在私搭私建和翻新的現(xiàn)象,但大體依然保留著原有的建筑風貌。

2 供配電系統(tǒng)改造

方案設計前,對保留建筑區(qū)的電氣設施進行踏勘考察。結果如下:現(xiàn)場僅有少量管線敷設痕跡,且殘留的管線基本損壞、老化,從建筑外墻不同時期的鐵橫擔及瓷瓶可以看出原有低壓配電線路采用沿建筑物外墻架空敷設。建筑物外墻不同時期的鐵橫擔如圖2所示。

圖2 建筑物外墻不同時期的鐵橫擔

架空敷設的入戶電纜如圖3所示。由于現(xiàn)場沒有完整的配電回路存留,根據(jù)周邊小區(qū)的供電方式,預計建筑物原低壓電源引自附近的市政桿上變壓器。

圖3 架空敷設的入戶電纜

2.1 供配電系統(tǒng)方案

該項目變配電所選址時,要考慮保留建筑物群早期均為住宅建筑,內(nèi)部房間間隔有限,且建筑物以磚木結構為主。如果將變配電房設置在保留建筑物中,需要打通多處內(nèi)部隔墻。因此,變配電所選址應盡量避免設置在保留建筑物中。

鑒于D3區(qū)四周幾乎被新建地塊(含地下室)包圍(見圖1),考慮從臨近新建地下室的變配電所引入低壓AC 220/380 V電源。方案選擇時,同時放棄在保留建筑物周邊設置箱式變電站的配電方案。

方案設計中擬將D3區(qū)北部5棟建筑(總建筑面積約6 800 m2)的電源從D1地塊新建地下室的Z1#專用變配電房引來;而D3區(qū)南部5棟建筑(總建筑面積約6 600 m2)的電源擬從D2地塊新建地下室的Z2#專用變配電房引來。在各棟建筑物靠近變配電房的建筑單元內(nèi)的合適位置(如后院天井內(nèi)的獨立房間)設置一個強、弱電合用間,合用間內(nèi)設配電總箱。在各單元樓內(nèi)分別設置一個分配電箱,分配電箱位于各單元的1F樓梯間側墻處。經(jīng)核實,各建筑單元分配電箱至變配電房的供電距離均不大于200 m,可以滿足供電距離的要求。各樓棟配電總箱與供電變壓器的相對位置如圖4所示。

2.2 室外電纜敷設

變配電房至配電總箱的路由采用室外管群敷設,為保護原貌,盡量減少路面開挖,利用地塊自身的特征,采用在主干通道下方多段式、分散布置排管的設計方案,見圖4。由于室外通道寬度有限,施工圖設計時應對各專業(yè)的室外管網(wǎng)進行綜合設計。室外管群施工應在古建筑及結構專業(yè)的指導下進行,應避免對歷史風貌現(xiàn)狀的破壞及對臨近保留建筑物墻體結構的影響。后期施工中還應對設備各專業(yè)室外管線(包括人工接地系統(tǒng))的施工工序進行合理的組織,以避免各分包單位各自為政、重復開挖,同時應在施工前、后做好工程記錄,利于施工后的還原工作。

圖4 各樓棟配電總箱與供電變壓器的相對位置

設計方案中,由于各配電總箱與配電分箱的設置點更靠近建筑物后院天井,而后院外部通道較窄,大多不具備管群的開挖條件。鑒于建筑物原設計采用了外墻鐵橫擔架空敷設方式,且后院通道的位置相對隱蔽。因此,從各棟配電總箱,至每一個單元分箱的電纜路由,考慮采用室外型橋架沿后院外墻敷設方式(單元數(shù)較少的樓棟則直接埋管敷設),同時應保證橋架全段處于建筑物群接閃器保護的LPZ0B區(qū)內(nèi)。橋架外觀選型或橋架隱蔽方案需要與古建筑專業(yè)共同確定。

室外鐵橫擔及瓷瓶具有一定時代特征,應與古建筑專業(yè)共同研究其修繕、保留方式。屋前墻面的鐵橫擔如圖5所示。平和打包廠(武漢市優(yōu)秀歷史建筑,始建于1905年,修繕于2017年)修繕改造項目保留的鐵橫擔如圖6所示。

圖5 屋前墻面的鐵橫擔

圖6 平和打包廠修繕改造項目保留的鐵橫擔

2.3 室內(nèi)低壓配電系統(tǒng)

現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn),原建筑室內(nèi)未見任何可用的配電裝置(可能已被拆除),只有少量的燈具及導線,從僅存的導線及敷設痕跡來看,存留電線均已明顯老化,且大多采用明敷或在木質(zhì)槽板內(nèi)。建筑設計中采用此類導線直接明敷的方式有一定火災隱患,應不再使用。

為降低歷史保護性建筑的電氣火災,根據(jù)《文物建筑電氣防火導則(試行)》,該項目低壓配電系統(tǒng)的設計及施工應符合如下相關要求[2]。

(1)低壓配電箱(柜)。配電箱(柜、盤)滿足同時使用用電設備的最大功率。設置在專用的獨立房間或者設置部位與其他功能區(qū)域有明顯的空間分隔,且安裝在不燃材料上,或者采取防火隔離措施后安裝在木質(zhì)等可燃材料上。下方及周圍0.5 m范圍內(nèi)沒有可燃物堆放,端子的接線應牢固。

(2)配電線路。配電回路同時使用用電設備的最大功率≤導線截面所允許最大負荷功率的 80%。阻燃性能為A級的耐火電線、電纜。電纜采用穿金屬管或金屬線槽敷設。從配電箱到用電設備之間的導線無接頭,或者接頭在金屬或者阻燃性能B1級以上的端子箱、接線模塊內(nèi),采用端子緊固連接。由總箱至各分箱的配線方式盡量采用放射式。采用樹干式時應避免采用穿刺接線,T接時應采用T接端子箱。

(3)燈具、電源插座、照明開關等。避免采用發(fā)熱功率大的燈具,推薦采用品質(zhì)優(yōu)良的LED燈具。電源插座、開關有阻燃性能。燈具無可燃物遮擋。燈具燈泡正下方0.3 m內(nèi)無可燃物堆放。功率大于3 kW的電熱器0.5 m內(nèi)無可燃物堆放。各電氣裝置應安裝在不燃材料上,或者采取隔離措施后安裝、放置在木質(zhì)等可燃材料上。電源插座、照明開關與導線連接,面板緊固,無松動現(xiàn)象。

(4)其他。文物建筑中宜優(yōu)先選擇具有防火性能的用電設備。各電涌保護器選型時應選擇匹配的后備保護器。正在修繕中的文物建筑應做好臨時用電線路、設備的防護及管理。文物建筑內(nèi)部不應設置電動車輛充電樁。

建筑物各單元負荷相對較小,單元樓內(nèi)考慮不設專用電井,豎向干線電纜采用穿金屬管敷設,水平電纜采用穿金屬管和金屬線槽敷設的方案,各電纜穿過樓板、墻面時應進行防火封堵。對非隱蔽處的金屬線槽采用古建筑專業(yè)認可的仿古式造型[3]。對消防電纜及非消防電纜分別采用WDZAN和WDZA型電纜、電線。除總配電箱在配電間內(nèi)落地式安裝外,為減少對墻體的破壞,各分配電箱建議在合適位置掛墻式明裝[4]。當獲得古建筑和結構專業(yè)的同意后,也可考慮在磚質(zhì)墻體開洞暗裝的方式。同時箱體制作安裝時,外觀應整潔,箱內(nèi)布置應緊湊。

3 防雷接地及電擊防護系統(tǒng)

3.1 防雷接地系統(tǒng)

原建筑物屋面及側墻未發(fā)現(xiàn)接閃、引下線等防雷裝置。由于建筑物大部分為磚木結構,僅有少量為混凝土。根據(jù)現(xiàn)場條件,原建筑物沒有設置防雷接地系統(tǒng)。由于保留建筑物群不在四周新建建筑物屋面接閃器的滾球保護范圍之內(nèi)。對保留區(qū)10棟建筑物的預計雷擊次數(shù)進行計算,計算結果中,最小值為0.154 2(D3-9棟),最大值為0.214 1(D3-7棟)。根據(jù)GB 50057—2010對各棟建筑物按第三類防雷建筑物設防。

該工程接閃器及引下線的做法如下:對屋面采用φ10 mm鍍鋅圓鋼作為接閃帶(明裝),沿屋脊、屋檐、女兒墻等位置敷設接閃帶,屋面接閃網(wǎng)網(wǎng)格不大于20 m×20 m或24 m×16 m。接閃帶過伸縮縫時采用銅質(zhì)連接帶弧形連接。屋面接閃器布置示意如圖7所示。

圖7 屋面接閃器布置示意

關于專設引下線的敷設,文獻[5]提出采用圓銅作為防雷引下線,盡管更具古香古色,但由于造價較高,不適于推廣到該項目中[5]。方案設計前期,參考了武漢市幾處重點項目的修繕方案,如武漢市魯茲故居修繕改造項目中,熱鍍鋅扁鋼專設引下線如圖8所示;武漢市平和打包廠修繕改造項目中,熱鍍鋅圓鋼專設引下線如圖9所示;鄱陽街小學改造中,引下線局部采用在外墻內(nèi)嵌入式敷設熱鍍鋅扁鋼的方式。

圖8 熱鍍鋅扁鋼專設引下線

圖9 熱鍍鋅圓鋼引下線

經(jīng)過比選,方案設計中結合了魯茲故居及平和打包廠的處理方式。在每一棟建筑單元體的四角外墻處各設一根專設引下線,引下線采用φ12 mm鍍鋅圓鋼沿墻明敷(根據(jù)墻面顏色對引下線涂刷相應顏色的外漆),并應經(jīng)最短路徑接地。在各引下線距地面1.8 m處設置斷接卡。引下線距地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段采用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯絕緣層保護,并采取防機械損傷措施。引下線3 m范圍內(nèi)敷設5 cm厚瀝青層或15 cm厚礫石層。

該工程接地極采用人工接地極,沿各棟建筑物外墻設置一圈水平接地極,水平接地采用熱鍍鋅扁鋼(65×5 mm),垂直接地采用熱鍍鋅角鋼(50×50×5 mm),長2.5 m。垂直接地極間距以及人工水平接地體的間距均為5 m。人工接地體在土壤中的埋設深度不應小于1 m,其距墻或基礎不宜小于1 m。

各接地裝置之間的間距均遠小于20 m,很難形成獨立的接地系統(tǒng)。因此,設計中對整個D3區(qū)內(nèi)部的接地裝置進行縱橫相連,同時與外部D1、D2區(qū)的新建建筑物地下室基礎結構鋼筋多處連通,形成整個D地塊的大接地系統(tǒng)。對于變配電房與建筑物共用大接地系統(tǒng)的情況,即使變配電房處于建筑物以外,其低壓配電系統(tǒng)的接地形式依然可以采用TN-S方式。但供電電纜在各單體建筑物進線處需要對PE導體重復接地。

根據(jù)國際電工委員會IEC 62305系列雷電防護標準中的雷電流分流模型,當大接地系統(tǒng)之上的建筑物附屬接閃器發(fā)生接閃時,該接地系統(tǒng)之上的單體建筑物,其進線電纜中雷電流分流值將遠小于一般性要求的12.5 kA(10/350 μs)。

3.2 電擊防護措施

原建筑無總等電位聯(lián)結,浴室等區(qū)域也未發(fā)現(xiàn)局部等電位聯(lián)結。考慮建筑物結構特殊性,建筑物樓板內(nèi)(木質(zhì)或素混凝土)沒有自然鋼筋網(wǎng)。新的建筑物功能取消浴室區(qū),但為減少后期使用中的電擊事故,建議施工圖設計中將燈具照明回路及壁掛式空調(diào)等回路均設置額定動作剩余電流為30 mA的瞬動型剩余電流保護器[6-7]。

4 火災自動報警系統(tǒng)及其他

原建筑物未設置火災自動報警系統(tǒng),根據(jù)GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》(2018年版)第11.0.13條,總建筑面積大于1 500 m2的木結構公共建筑應設置火災自動報警系統(tǒng)。由于各棟之間的間距較小且墻體均為普通墻體,不滿足規(guī)范GB 50016—2014表5.2.2的防火間距要求。因此,需要對整個建筑群設置火災自動報警系統(tǒng)。

整體項目(A、B、C、D 4個地塊)擬采用控制中心報警系統(tǒng),在D地塊D1分區(qū)地面1F設置主消防控制室,其余3個地塊各設1個分消防控制室。D3區(qū)建筑初步預計火警總點位約950點,根據(jù)暖通專業(yè)方案提資,各棟內(nèi)部沒有設置消防風機等需要聯(lián)動控制的裝置,因此僅需設置探測及報警裝置。各火警回路擬直接從主消防控制室引來,在各棟建筑1F強、弱電合用間內(nèi)設置火警接線端子箱,1F大廳處設置火災顯示盤。鑒于后期施工難度的不確定性,對于部分管線敷設受限制的區(qū)域也可考慮采用NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡技術設置智慧煙感。

該保留建筑群的火災危險性相對較大,需要在各非消防總進線回路設置電氣火災監(jiān)控探測器。根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》第13.5.3條,電氣火災監(jiān)控器的探測點按如下要求設置:磚木或木結構重點古建筑的電源進線宜在總開關的下端口測量。因此,當進線回路電流在300 A以下時,按回路設置電氣火災監(jiān)控探測器;對于300 A以上的回路,在分支回路設置探測器。電氣火災監(jiān)控檢測方式采用剩余電流及測溫式相結合的方式。

關于應急照明系統(tǒng),采用集中控制型系統(tǒng)對每一棟建筑設置分配電箱,除采用消防電源雙回路供電外,箱內(nèi)另設蓄電池組(應急時間≥30 min)。關于智能化系統(tǒng),設計僅提供路由,具體設計由專項設計單位完成。

5 結 語

與新建建筑物的電氣設計相比,保護性建筑的電氣修繕改造設計往往是一個較漫長的過程。設計中的重點總結如下:了解建筑物的歷史背景、建筑風格,明確建筑物修繕改造后的定位;掌握建筑物的現(xiàn)狀、施工條件及建筑物周邊的環(huán)境,便于選擇可行的設計、施工方案;重點關注建筑物的防火、防雷、電擊防護等安全性方面的設計;重點關注施工過程中開洞、開挖對結構專業(yè)的影響;明裝、明敷電氣裝置對建筑風格、歷史風貌的影響。同時,設計中需要克服的困難如下。

(1)前期測繪圖紙不夠準確,各專業(yè)提資信息的不確定性帶來的反復調(diào)整。

(2)修舊如舊的主旨思路以及現(xiàn)場條件對設計方案選擇的限制;建筑物的原始設計與執(zhí)行新規(guī)范之間的矛盾。

(3)多次現(xiàn)場踏勘、方案論證及專家會審造成時間消耗,體現(xiàn)為設計進度推進緩慢、設計周期較長。后期施工隨時需要設計人員深入現(xiàn)場指導,施工過程必會涉及局部方案的反復調(diào)整。

(4)現(xiàn)場踏勘中,有些樓梯已經(jīng)腐朽或出現(xiàn)開洞,有的墻體甚至出現(xiàn)開裂傾斜的現(xiàn)象,因此應注意現(xiàn)場的人身安全。