高層民用建筑改造工程電氣設(shè)計(jì)探究

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展和國(guó)民生活質(zhì)量的持續(xù)提升，現(xiàn)有建筑已難以滿足公眾日益增長(zhǎng)的使用需求，因此對(duì)既有建筑進(jìn)行翻新與擴(kuò)建的需求日益凸顯。在進(jìn)行高層民用建筑的改造或新建工程時(shí)，必須充分考慮原有建筑的內(nèi)外部條件限制，并嚴(yán)格遵循現(xiàn)行法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保工程質(zhì)量和安全。高層民用建筑，對(duì)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與質(zhì)量提出了極高的要求，直接關(guān)系到居住者的日常生活品質(zhì)。由于高層民用建筑的廣闊空間、多元結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的高度層次，電氣系統(tǒng)的規(guī)劃布局必須充分考量其獨(dú)特性。以保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與整體安全性為首要目標(biāo)，確保電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)作，從而滿足居住者的日常用電需求。

關(guān)鍵詞：高層民用建筑 改造工程 電氣設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU976.1

Exploration of Electrical Design for High-Rise Civil Building Renovation Projects

ZHAO Yuqi

Tianjin Institute of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Tianjin， 300199 China

Abstract： With the steady development of social economy and the continuous improvement of the quality of life of the people， the existing buildings have been unable to meet the growing demand of the public， so the demand for renovation and expansion of existing buildings has become increasingly prominent. When renovating or constructing high-rise civil buildings， the internal and external conditions of the original buildings must be fully considered， and the current regulations and standards must be strictly followed to ensure the quality and safety of the project. High-rise civil buildings have extremely high requirements for the design and quality of electrical systems， which directly affect the quality of daily life of residents. Due to the vast space， diverse structure and complex height hierarchy of high-rise civil buildings， the planning and layout of electrical systems must fully consider their uniqueness. The primary goal is to ensure the stability and overall safety of the power supply， and ensure the continuous and stable operation of the power system， so as to meet the daily electricity needs of the occupants.

Key Words： High-rise; Civil buildings; Renovation engineering; Electrical design

隨著城市化進(jìn)程的加速和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層民用建筑在我國(guó)城市建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。然而隨著時(shí)間的推移，許多早期建造的高層建筑已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)功能性、安全性和舒適度的要求。在高層民用建筑的改造過程中，電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和更新是一個(gè)核心問題。電氣系統(tǒng)不僅關(guān)系到建筑的日常運(yùn)行，更直接影響到居住者的生活質(zhì)量和安全。然而，高層建筑的電氣改造工程面臨著諸多挑戰(zhàn)，如原有建筑結(jié)構(gòu)的限制、新舊系統(tǒng)的兼容性、不斷更新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。本文旨在探討高層民用建筑改造工程中電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素和優(yōu)化策略。通過分析內(nèi)部和外部影響因素，提出基于PDCA循環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并就電氣接地、低壓供配電系統(tǒng)和消防供電等具體方面提出優(yōu)化建議。確保改造后的建筑能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求，提高建筑的安全性、舒適度和能源效率。

1 工程概況

該民用建筑總計(jì)16層，其中地上15層，地下1層，整體高度達(dá)到58.5 m。目前，二樓和三樓是本次改建的重點(diǎn)，這兩層占地面積約為2 438 m2。過去，這些區(qū)域主要用作辦公空間，但如今計(jì)劃轉(zhuǎn)型為教育基地。因此，需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整和改造，以滿足教學(xué)基地所需的輔助設(shè)施等需求。

在該建筑設(shè)施中，用電負(fù)荷被明確劃分為二級(jí)和三級(jí)。具體而言，消防系統(tǒng)、電梯運(yùn)行及供水泵等關(guān)鍵設(shè)備的用電被歸類為二級(jí)用電負(fù)荷，而其余用電需求則被劃分為三級(jí)負(fù)荷。根據(jù)原設(shè)計(jì)規(guī)劃，建筑的主電源主要依賴于一條10 kV的高壓供電線路，備用電源采用了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電設(shè)備。

2 高層民用建筑改造工程電氣設(shè)計(jì)影響因素

2.1 內(nèi)部因素：既有建筑實(shí)際存在的一些現(xiàn)場(chǎng)情況

在進(jìn)行高層民用建筑改造的電氣工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮5個(gè)核心內(nèi)在因素，即建筑格局、建筑功能、設(shè)備運(yùn)行及使用情況、設(shè)備用房的設(shè)置情況以及建筑基礎(chǔ)設(shè)施需求。

2.1.1建筑格局

在建筑規(guī)劃階段，對(duì)于逃生路徑、機(jī)械房位置及管線布局等關(guān)鍵要素進(jìn)行周密的配置規(guī)劃。根據(jù)現(xiàn)有的建筑法規(guī)，逃生路徑的最大長(zhǎng)度不應(yīng)超過60 m，機(jī)械房應(yīng)根據(jù)建筑高度和面積按照公式進(jìn)行計(jì)算，其中為機(jī)械房面積，單位為m2，為建筑高度，單位為m，為建筑寬度，單位為m。

2.1.2建筑功能

在改造建筑區(qū)域的過程中，建筑用途的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變是關(guān)鍵因素。例如：如果建筑由商業(yè)用途轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮猛荆娏π枨罂赡軙?huì)從100 W/m2減少到50 W/m2，變壓器容量需求也相應(yīng)調(diào)整。這可以通過公式計(jì)算，其中 為總功率需求，單位為W，為面積，單位為m2，為單位面積功率需求，單位為W/m2。

2.1.3設(shè)備運(yùn)行與使用情況

考慮設(shè)備的運(yùn)行效率及其在建筑中的布置。以電梯為例，其能效標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)公式評(píng)估，其中為能效，單位為W，為載重量，單位為kg，為樓層數(shù)，為運(yùn)行時(shí)間，單位為s。

2.1.4設(shè)備用房的設(shè)置情況

重點(diǎn)關(guān)注是否合理規(guī)劃了實(shí)用性房間，包括發(fā)電機(jī)房、電力轉(zhuǎn)換及分配室等關(guān)鍵設(shè)施。例如，發(fā)電機(jī)房應(yīng)有足夠空間容納備用發(fā)電機(jī)，其最小面積可按計(jì)算，其中為發(fā)電機(jī)房總面積，單位為m2），為發(fā)電機(jī)數(shù)量，為單個(gè)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)度，單位為m，為單個(gè)發(fā)電機(jī)的寬度，單位為m。

2.1.5建筑基礎(chǔ)設(shè)施需求

傳統(tǒng)高層民用建筑在設(shè)計(jì)功能上已難以滿足人們?cè)陔娏κ褂煤突A(chǔ)建設(shè)等方面的實(shí)際需求。如燃?xì)庑枨罅科渲袨榭側(cè)細(xì)庑枨?，單位為m3/h，是戶數(shù)，為單戶燃?xì)庀?，單位為m3/h[1]。

2.2 外部因素：外部設(shè)計(jì)環(huán)境與投資建設(shè)方的需求

在進(jìn)行高層民用建筑改造的電氣工程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、建筑需求、建筑投資以及建筑周期因素至關(guān)重要。

2.2.1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的變化

隨著國(guó)家發(fā)展的不斷深化，電氣工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則也在持續(xù)演進(jìn)。配電房必須滿足最小面積要求，即m2，其中代表建筑層數(shù)。此公式確保了電氣設(shè)備的安全和維護(hù)空間，減少因空間不足造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2建筑需求的變化

人們對(duì)高品質(zhì)生活的需求日益增強(qiáng)，影響到暖氣、能量供給等電氣設(shè)計(jì)方面。例如，現(xiàn)代高層住宅的電力需求比20年前增長(zhǎng)了約50%，從60 W/m2增至90 W/m2。這一變化要求電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用更高標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載計(jì)算方法，按公式計(jì)算，其中為總功率需求，為總使用面積，為單位面積功率需求。

2.2.3建筑投資

在高層民用建筑改造過程中，需要全面評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)提案的成本，確保經(jīng)濟(jì)上的可行性。例如：初步預(yù)算可以通過計(jì)算預(yù)估的總成本，利用公式，其中為材料成本，為勞動(dòng)力成本，為設(shè)計(jì)費(fèi)用。

2.2.4建筑周期

每個(gè)高層民用建筑改造工作都需遵循預(yù)設(shè)的建設(shè)周期，并劃分為多個(gè)階段進(jìn)行。例如：建筑周期可以按照工程進(jìn)度公式來(lái)預(yù)測(cè)，其中為第N階段所需時(shí)間。

3 基于PDCA循環(huán)開展高層民用建筑改造工程電氣設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)劃階段

在最初的規(guī)劃中，改建后的場(chǎng)地面積、預(yù)期客流量、展出物品的特性和所需承擔(dān)的功能等多方面因素，原辦公空間難以滿足作為展覽館的各項(xiàng)要求[2]。某高層民用建筑辦公樓基本情況如表1所示。

3.2 執(zhí)行階段

現(xiàn)有變壓器的額定容量理論上能夠滿足增加的用電需求以及配電設(shè)備的正常運(yùn)行，然而該變壓器的使用年限較長(zhǎng)，其設(shè)備老化現(xiàn)象明顯，效率損耗較為嚴(yán)重，已逼近安全使用的年限閾值[3]。該建筑物原設(shè)計(jì)二級(jí)負(fù)載能力為108 kW，目前實(shí)際運(yùn)行設(shè)備裝機(jī)容量為100 kW。

3.3 檢查溝通協(xié)調(diào)階段

在當(dāng)前的環(huán)節(jié)，按計(jì)劃分階段進(jìn)行更新工作，目前正處于第一階段。針對(duì)之前提出的3個(gè)計(jì)劃，進(jìn)行如下分析。

3.3.1方案一

該計(jì)劃在執(zhí)行后的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)流程將相對(duì)簡(jiǎn)化，同時(shí)其成本效益和可靠性也較為優(yōu)越。但從工程技術(shù)的視角出發(fā)，該建筑物的主要電力消耗達(dá)到108 kW。若按照計(jì)劃從市政電網(wǎng)中引入一條10 kV的供電線路，其成本效益并不理想，且在實(shí)際操作中存在一定的難度。

3.3.2方案二

根據(jù)本計(jì)劃，該建筑的空調(diào)系統(tǒng)需要進(jìn)行翻新，并計(jì)劃拆除鍋爐設(shè)施以及新建柴油機(jī)發(fā)電空間，滿足本次改造的需求。然而在完成成本預(yù)算后，現(xiàn)階段的更新改造將僅限于教學(xué)基地的空調(diào)系統(tǒng)，該建筑系統(tǒng)更新計(jì)劃將推遲至第二階段工程。地下室內(nèi)的空間無(wú)法滿足通風(fēng)與排煙的需求，同時(shí)地表紅線區(qū)域內(nèi)也不具備建立柴油發(fā)電設(shè)施的條件，因此本次改造將重點(diǎn)關(guān)注和保障重要電力負(fù)荷的連續(xù)性和可靠供電。

3.3.3方案三

經(jīng)過對(duì)前述2套計(jì)劃進(jìn)行詳盡的評(píng)估、校驗(yàn)以及確認(rèn)后，更新變配電設(shè)施、整修建筑空調(diào)系統(tǒng)以及重建柴油發(fā)電機(jī)房等重要工作，納入改造工程的第二階段。在第一階段的改造工作中，主要聚焦于教育基地供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，選用了動(dòng)力型EPS作為備用電源。

3.4 實(shí)施階段

本次改造工程建設(shè)與啟用過程中，原計(jì)劃未進(jìn)行任何根本性的變更或調(diào)整，因此，最初的3個(gè)實(shí)施步驟被證實(shí)是切實(shí)可行且有效的。

4 高層民用建筑改造工程電氣設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

4.1 電氣接地

在高層民用建筑改造施工過程中，接地聯(lián)接器的設(shè)置應(yīng)與配電網(wǎng)的接地結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，并需依照電器柜內(nèi)的預(yù)先規(guī)劃進(jìn)行妥善安置。對(duì)于高電壓系統(tǒng)，應(yīng)采用中性點(diǎn)接地法作為接地技術(shù)方案。在安全地線作業(yè)時(shí)，當(dāng)連接邊緣裝置與金屬性質(zhì)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)通過PE線纜來(lái)確保高層建筑構(gòu)建穩(wěn)固的安全地線連接。

4.2 低壓供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該建筑在采用單線母線供電體系的基礎(chǔ)上，若計(jì)劃向某低壓交流配電房引入10 kV的城市供電，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，可以配置兩臺(tái)功率相當(dāng)?shù)淖儔浩?。其中一條供電線路遭遇斷電故障時(shí)，另一條線路能迅速接管，確保不間斷供電。在進(jìn)行電線鋪設(shè)工作之前，需要對(duì)線路的類別和數(shù)量進(jìn)行全面掌握，以確保不會(huì)對(duì)后續(xù)的建設(shè)工作產(chǎn)生不良影響。

4.3 消防供電

消防系統(tǒng)系由電子與電氣兩類設(shè)施深度融合而成，其中電子設(shè)施以自動(dòng)火警系統(tǒng)為核心，電氣設(shè)施則以升降機(jī)、滅火泵等關(guān)鍵設(shè)備為支柱。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須嚴(yán)格遵循既定規(guī)范，以確保系統(tǒng)各項(xiàng)功能得以充分發(fā)揮。當(dāng)前，電源系統(tǒng)的構(gòu)建主要采取兩種策略，即緊急備用電源與主要技術(shù)用電源的結(jié)合運(yùn)用，二者能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換，從而確保電源供應(yīng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在進(jìn)行高層民用建筑改造工程電氣設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)工作人員需要嚴(yán)格遵守國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，充分考量高層民用建筑實(shí)際狀況，制訂切實(shí)可行的規(guī)劃方案。方案的實(shí)施需經(jīng)過規(guī)劃、執(zhí)行、檢驗(yàn)以及溝通協(xié)調(diào)4個(gè)階段，確保每一步都得到有效執(zhí)行?；赑DCA流程管理，可以確保高層民用建筑改造工程能夠按照既定目標(biāo)順利推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

進(jìn)行計(jì)算，其中為機(jī)械房面積，單位為m2，為建筑高度，單位為m，為建筑寬度，單位為m。計(jì)算，其中 為總功率需求，單位為W，為面積，單位為m2，為單位面積功率需求，單位為W/m2。評(píng)估，其中為能效，單位為W，為載重量，單位為kg，為樓層數(shù)，為運(yùn)行時(shí)間，單位為s。計(jì)算，其中為發(fā)電機(jī)房總面積，單位為m2），為發(fā)電機(jī)數(shù)量，為單個(gè)發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)度，單位為m，為單個(gè)發(fā)電機(jī)的寬度，單位為m。其中為總?cè)細(xì)庑枨?，單位為m3/h，是戶數(shù)，為單戶燃?xì)庀?，單位為m3/h[1]。m2，其中代表建筑層數(shù)。此公式確保了電氣設(shè)備的安全和維護(hù)空間，減少因空間不足造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。公式計(jì)算，其中為總功率需求，為總使用面積，為單位面積功率需求。，其中為材料成本，為勞動(dòng)力成本，為設(shè)計(jì)費(fèi)用。來(lái)預(yù)測(cè)，其中為第N階段所需時(shí)間。參考文獻(xiàn)

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