某數據中心結構優化設計

季 鵬，周海濤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著全國新冠病毒疫情防控常態化，政府和企事業單位大量采用科技防疫、遠程辦公、遠程教育、電商生活等措施，帶動數據中心機房業務新建需求大幅度增加。據統計，2019年我國數據中心機房約占全球數據中心總量 20 % 以上，而且市場規模仍在不斷擴大。目前，有關數據中心主體建筑優化設計研究較少，本文依托具體工程實際，討論數據中心機房結構設計要點，研究行之有效的結構優化措施，并開展不同方案的經濟性比選，為后續設計工作開展提供相關參考。

1 數據中心概況

數據中心機房是數字經濟重要的載體，一般由電信部門建立標準化的專業級機房環境，為國企、事業單位、政府機構提供服務器租用及相關服務，部分大型互聯網公司，如京東、阿里巴巴等，出于數據存儲和業務拓展需要，也存在數據中心機房建設的需求。

數據中心機房主要由主機房（包括服務器群、存儲器、網絡交換機等設備）、基本工作間（包括辦公室、緩沖間、走廊等）、輔助類房間（包括配電室、電池動力室、冷凍機房等）組成，同時配備有柴油發電機、變壓器、蓄冷罐等設備。與普通房建類項目相比，數據中心機房大型設備眾多，排布復雜、電纜管線交錯，主體結構設計時需根據設備荷載和平面布置進行針對性優化，對建筑的不均勻沉降敏感度要求也更高。

1.1 數據中心建筑設計一般要求

1）建筑外形簡潔大方，不宜過度花哨，體現綠色節能的特色。

2）需設置多個冗余出入口，通常不設置大型地下停車場。

3）需以提高能源利用率，減少能耗為原則，建筑外墻應當具有良好的保溫和隔熱性能，著重避免出現結露現象。

4）內部空間布局設計應按照標準化、模塊化設計，兼顧靈活性和拓展性，必須滿足未來運營中的設備定期檢修、更換和退出等要求。

5）數據中心樓層梁下高度不應＜4.5 m，裝修完成面凈空不應＜ m。

1.2 數據中心結構設計一般要求

1）數據中心結構設計需在安全可靠，符合規范的前提下兼顧經濟性原則，結構安全等級一般為一級，設計使用年限 50 年。

2）數據中心的設備區、能源供應區等重要設施必須確保抗震性能，以便在規定設防等級內地震發生時，仍然能夠維持設備功能，即使出現功能上的障礙也能夠迅速恢復正常。抗震構造措施應在當地抗震要求基礎上適當提高。

3）數據中心機房設計荷載按照 YD 5003－2014《通信建筑工程設計規范》中要求或更高要求考慮，其余建筑按其功能性要求或工藝要求設計。

4）樓梯和走道應充分考慮大型設備（如變壓器、高配柜、油機等）搬運要求。樓梯凈寬≥1.5 m，平臺凈深≥1.8 m，凈高≥2.2 m。通信機房之間的走道寬度：單面布房時一般≥1.8 m，雙面布房時不應＜ 2.1 m，凈高不低于 2.3 m。

5）數據中心屋面要考慮安裝空調系統冷卻塔、空調室外機、無線天線等設備，考慮上述設備安裝一般需在屋面上設置架空構架層。

2 工程概況

本次筆者項目為湖北某數據中心機房，位于武漢市江夏區光谷八路，建筑面積 5 900 m2。結構安全等級為一級，基礎設計等級為甲級，結構類型選用框架結構，框架抗震等級三級，地震設防烈度為 6 度（0.05g），反應譜特征周期為 0.35 s，抗震設防類別為重點設防類（乙類），應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求采取抗震措施。

3 上部結構荷載

數據中心采用框架結構，柱混凝土等級 C40，梁、板、基礎混凝土等級為 C30，梁、柱主筋及箍筋，樓板受力鋼筋均為 HRB400 級。

數據中心首層主要功能性房間有冷凍房、主機房、電池動力室、配電室等，層高 6.6 m；2～4 層房間布置基本類似，主要功能性房間包括主機房、配電室、電池室，層高 5.4 m；屋頂設有鋼筋混凝土設備構架層，構架層高度 3.8 m，主要房間恒活荷載如表1 所示。

表1 湖北某數據中心主要荷載布置

4 上部結構優化方案

4.1 上部結構布置方案

本工程最大柱跨 9.6 m×8.4 m，上部結構布置可選擇單向梁和井字梁。

4.1.1 井字梁方案

井字梁是由雙向板和交叉梁系組成的空間受力結構體系，樓面荷載通過雙向次梁均勻傳遞至X和Y兩個方向上的主梁上，能滿足建筑物大開間使用要求、較重荷載的功能需要，受力均勻合理，外形美觀，可省去樓蓋的頂棚吊頂，建筑后續處理和裝飾較為方便。

4.1.2 單向梁方案

單次梁方案一般沿長跨方向布置次梁，將樓面板劃分為數塊單向板，樓面荷載沿單向板短跨方向傳遞至次梁上，次梁將荷載傳遞至單側主梁上，因此單向布置次梁會導致兩個方向上的主梁受力不均勻，荷載較大時，支承次梁的主梁受力將偏大。各方案構件截面尺寸如表2 所示。

表2 井字梁及單向梁方案構件截面尺寸 mm

4.2 經濟性指標比較

上部結構各方案工程量如表3 所示，其中混凝土單價暫取 350 元/m3，模板單價暫取 30 元/m3，鋼筋單價暫取5 000 元/t（含加工費）

表3 上部結構混凝土及鋼筋用量對比表

綜合比選上部結構單向梁、井字梁方案，單向梁方案具有較為明顯的經濟優勢，單向梁方案比井字梁方案材料成本降低約 13 %。

5 基礎布置方案

5.1 工程地質條件

擬建項目所在場地地勢平坦。地基土層厚度及埋深變化均勻，綜合評價整個場地為均勻地基，其中（3）層黏土全場地分布，呈硬塑～堅硬狀態，低壓縮性，強度好，絕對標高在 35.8～38.16 m，平均絕對標高標高約 37 m，地基承載力特征值fak=380，壓縮模量Es=16.0，可作為擬建建筑物天然地基持力層使用。天然地基主要考慮獨立基礎及柱下條形基礎兩種形式。

5.2 獨立基礎設計原則

獨立基礎布置如圖1 所示，主要設計原則如下。

圖1 沉降等值線圖（獨立基礎方案）

1）合理選用基礎埋深。根據本工程持力層分布情況，擬選用獨立基礎，基礎埋深為-3.5 m，基礎需進入持力層深度≥200 mm。局部地段持力層土層絕對標高低于 37 m 處，可根據實地情況調整基底標高，但需確保相鄰基礎底標高高差不大于基礎凈距一半，靈活設置獨立基礎標高可控制土方作業工作量。

2）滿足上部結構對地基承載力的要求。在進行獨立基礎設計時，需結合建筑場地的巖土工程勘察報告，合理設置獨立基礎計算參數，本工程結構重要性系數為 1.1，地基承載力特征值取 380 kPa，實際計算時考慮深度修正，修正系數取 1.4。

3）滿足軟弱下臥層驗算要求。本項目（4）層粉質黏土為軟弱下臥層，需滿足承載力要求，計算時地基壓力擴散角取 11°。

5.3 柱下交叉條形基礎

本項目柱下條形基礎方案擬選用基礎埋深-4 m，考慮到本工程軸網尺寸為 8.4 m×9.6 m，柱底力向縱橫兩方向地基梁傳遞并不均勻，因此為均衡縱橫兩方向基礎剛度，X向地梁截面設置為 800 mm×1 500 mm；Y向地梁截面設置為 800 mm×1 700 mm。

5.4 基礎方案比選

獨立基礎及柱下交叉條形基礎方案工程量及成本對比如表4 所示。

表4 基礎混凝土及鋼筋用量對比表

圖1、圖2 為不同基礎方案的沉降等值線圖。

圖2 沉降等值線圖（柱下條形基礎方案）

由圖1 所示，獨立基礎方案最大沉降為 67 mm；最大沉降發生建筑中部獨立基礎下；沉降量較大（＞60 mm）的等值線分布范圍較廣且不均勻，部分邊跨相鄰柱基沉降差＞0.002 l。

由圖2 所示，柱下條形基礎最大沉降為 56 mm，沉降等值線分布均勻，地基沉降變形由內到外呈凹字形分布，相鄰柱基沉降差均＜0.002。

對比柱下條形基礎，獨立基礎更易發生不均勻沉降，柱基沉降差將在梁柱等構件中產生附加應力，當這些附加應力與設計荷載作用下的內力之和超過構件的承載能力時，梁、柱端和樓板將會出現裂縫。

綜合比選獨立基礎、柱下交叉條形基礎，就經濟效益而言，獨立基礎方案更具優勢，獨立基礎方案比柱下交叉條形基礎方案材料成本降低約 14 %；但柱下條形基礎具有整體剛度大、調整不均勻沉降能力強的優點。

數據中心工程設備荷載大，管網、電纜密布，對不均勻沉降更為敏感；柱下交叉條形基礎柱網間下挖空間更大，利于蓄冷罐基礎、集水坑基礎、電纜溝、設備基礎等工程靈活布置，綜合而言，數據中心工程淺基礎應優選柱下交叉條形基礎方案。

6 結語

數據中心工程荷載重、工程造價高，選擇合理的結構布置及基礎方案尤為重要［1-4］。上部結構及基礎選型應綜合考慮結構安全性、經濟性、適用性，并結合數據中心工程特點和工程實際情況進行詳細論證和比選。在滿足建筑凈高要求下，單向梁方案建設成本更低、傳力途徑清晰，應為數據中心結構平面布置的優選方案。柱下交叉條形基礎造價略高于獨立基礎方案［5-7］，但基礎整體性更好，利于蓄冷罐基礎、設備基礎的靈活布置，應為數據中心工程淺基礎的優選方案。Q