某数据中心结构优化设计

季 鹏，周海涛

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

随着全国新冠病毒疫情防控常态化，政府和企事业单位大量采用科技防疫、远程办公、远程教育、电商生活等措施，带动数据中心机房业务新建需求大幅度增加。据统计，2019年我国数据中心机房约占全球数据中心总量 20 % 以上，而且市场规模仍在不断扩大。目前，有关数据中心主体建筑优化设计研究较少，本文依托具体工程实际，讨论数据中心机房结构设计要点，研究行之有效的结构优化措施，并开展不同方案的经济性比选，为后续设计工作开展提供相关参考。

1 数据中心概况

数据中心机房是数字经济重要的载体，一般由电信部门建立标准化的专业级机房环境，为国企、事业单位、政府机构提供服务器租用及相关服务，部分大型互联网公司，如京东、阿里巴巴等，出于数据存储和业务拓展需要，也存在数据中心机房建设的需求。

数据中心机房主要由主机房（包括服务器群、存储器、网络交换机等设备）、基本工作间（包括办公室、缓冲间、走廊等）、辅助类房间（包括配电室、电池动力室、冷冻机房等）组成，同时配备有柴油发电机、变压器、蓄冷罐等设备。与普通房建类项目相比，数据中心机房大型设备众多，排布复杂、电缆管线交错，主体结构设计时需根据设备荷载和平面布置进行针对性优化，对建筑的不均匀沉降敏感度要求也更高。

1.1 数据中心建筑设计一般要求

1）建筑外形简洁大方，不宜过度花哨，体现绿色节能的特色。

2）需设置多个冗余出入口，通常不设置大型地下停车场。

3）需以提高能源利用率，减少能耗为原则，建筑外墙应当具有良好的保温和隔热性能，着重避免出现结露现象。

4）内部空间布局设计应按照标准化、模块化设计，兼顾灵活性和拓展性，必须满足未来运营中的设备定期检修、更换和退出等要求。

5）数据中心楼层梁下高度不应＜4.5 m，装修完成面净空不应＜ m。

1.2 数据中心结构设计一般要求

1）数据中心结构设计需在安全可靠，符合规范的前提下兼顾经济性原则，结构安全等级一般为一级，设计使用年限 50 年。

2）数据中心的设备区、能源供应区等重要设施必须确保抗震性能，以便在规定设防等级内地震发生时，仍然能够维持设备功能，即使出现功能上的障碍也能够迅速恢复正常。抗震构造措施应在当地抗震要求基础上适当提高。

3）数据中心机房设计荷载按照 YD 5003－2014《通信建筑工程设计规范》中要求或更高要求考虑，其余建筑按其功能性要求或工艺要求设计。

4）楼梯和走道应充分考虑大型设备（如变压器、高配柜、油机等）搬运要求。楼梯净宽≥1.5 m，平台净深≥1.8 m，净高≥2.2 m。通信机房之间的走道宽度：单面布房时一般≥1.8 m，双面布房时不应＜ 2.1 m，净高不低于 2.3 m。

5）数据中心屋面要考虑安装空调系统冷却塔、空调室外机、无线天线等设备，考虑上述设备安装一般需在屋面上设置架空构架层。

2 工程概况

本次笔者项目为湖北某数据中心机房，位于武汉市江夏区光谷八路，建筑面积 5 900 m2。结构安全等级为一级，基础设计等级为甲级，结构类型选用框架结构，框架抗震等级三级，地震设防烈度为 6 度（0.05g），反应谱特征周期为 0.35 s，抗震设防类别为重点设防类（乙类），应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求采取抗震措施。

3 上部结构荷载

数据中心采用框架结构，柱混凝土等级 C40，梁、板、基础混凝土等级为 C30，梁、柱主筋及箍筋，楼板受力钢筋均为 HRB400 级。

数据中心首层主要功能性房间有冷冻房、主机房、电池动力室、配电室等，层高 6.6 m；2～4 层房间布置基本类似，主要功能性房间包括主机房、配电室、电池室，层高 5.4 m；屋顶设有钢筋混凝土设备构架层，构架层高度 3.8 m，主要房间恒活荷载如表1 所示。

表1 湖北某数据中心主要荷载布置

4 上部结构优化方案

4.1 上部结构布置方案

本工程最大柱跨 9.6 m×8.4 m，上部结构布置可选择单向梁和井字梁。

4.1.1 井字梁方案

井字梁是由双向板和交叉梁系组成的空间受力结构体系，楼面荷载通过双向次梁均匀传递至X和Y两个方向上的主梁上，能满足建筑物大开间使用要求、较重荷载的功能需要，受力均匀合理，外形美观，可省去楼盖的顶棚吊顶，建筑后续处理和装饰较为方便。

4.1.2 单向梁方案

单次梁方案一般沿长跨方向布置次梁，将楼面板划分为数块单向板，楼面荷载沿单向板短跨方向传递至次梁上，次梁将荷载传递至单侧主梁上，因此单向布置次梁会导致两个方向上的主梁受力不均匀，荷载较大时，支承次梁的主梁受力将偏大。各方案构件截面尺寸如表2 所示。

表2 井字梁及单向梁方案构件截面尺寸 mm

4.2 经济性指标比较

上部结构各方案工程量如表3 所示，其中混凝土单价暂取 350 元/m3，模板单价暂取 30 元/m3，钢筋单价暂取5 000 元/t（含加工费）

表3 上部结构混凝土及钢筋用量对比表

综合比选上部结构单向梁、井字梁方案，单向梁方案具有较为明显的经济优势，单向梁方案比井字梁方案材料成本降低约 13 %。

5 基础布置方案

5.1 工程地质条件

拟建项目所在场地地势平坦。地基土层厚度及埋深变化均匀，综合评价整个场地为均匀地基，其中（3）层黏土全场地分布，呈硬塑～坚硬状态，低压缩性，强度好，绝对标高在 35.8～38.16 m，平均绝对标高标高约 37 m，地基承载力特征值fak=380，压缩模量Es=16.0，可作为拟建建筑物天然地基持力层使用。天然地基主要考虑独立基础及柱下条形基础两种形式。

5.2 独立基础设计原则

独立基础布置如图1 所示，主要设计原则如下。

图1 沉降等值线图（独立基础方案）

1）合理选用基础埋深。根据本工程持力层分布情况，拟选用独立基础，基础埋深为-3.5 m，基础需进入持力层深度≥200 mm。局部地段持力层土层绝对标高低于 37 m 处，可根据实地情况调整基底标高，但需确保相邻基础底标高高差不大于基础净距一半，灵活设置独立基础标高可控制土方作业工作量。

2）满足上部结构对地基承载力的要求。在进行独立基础设计时，需结合建筑场地的岩土工程勘察报告，合理设置独立基础计算参数，本工程结构重要性系数为 1.1，地基承载力特征值取 380 kPa，实际计算时考虑深度修正，修正系数取 1.4。

3）满足软弱下卧层验算要求。本项目（4）层粉质黏土为软弱下卧层，需满足承载力要求，计算时地基压力扩散角取 11°。

5.3 柱下交叉条形基础

本项目柱下条形基础方案拟选用基础埋深-4 m，考虑到本工程轴网尺寸为 8.4 m×9.6 m，柱底力向纵横两方向地基梁传递并不均匀，因此为均衡纵横两方向基础刚度，X向地梁截面设置为 800 mm×1 500 mm；Y向地梁截面设置为 800 mm×1 700 mm。

5.4 基础方案比选

独立基础及柱下交叉条形基础方案工程量及成本对比如表4 所示。

表4 基础混凝土及钢筋用量对比表

图1、图2 为不同基础方案的沉降等值线图。

图2 沉降等值线图（柱下条形基础方案）

由图1 所示，独立基础方案最大沉降为 67 mm；最大沉降发生建筑中部独立基础下；沉降量较大（＞60 mm）的等值线分布范围较广且不均匀，部分边跨相邻柱基沉降差＞0.002 l。

由图2 所示，柱下条形基础最大沉降为 56 mm，沉降等值线分布均匀，地基沉降变形由内到外呈凹字形分布，相邻柱基沉降差均＜0.002。

对比柱下条形基础，独立基础更易发生不均匀沉降，柱基沉降差将在梁柱等构件中产生附加应力，当这些附加应力与设计荷载作用下的内力之和超过构件的承载能力时，梁、柱端和楼板将会出现裂缝。

综合比选独立基础、柱下交叉条形基础，就经济效益而言，独立基础方案更具优势，独立基础方案比柱下交叉条形基础方案材料成本降低约 14 %；但柱下条形基础具有整体刚度大、调整不均匀沉降能力强的优点。

数据中心工程设备荷载大，管网、电缆密布，对不均匀沉降更为敏感；柱下交叉条形基础柱网间下挖空间更大，利于蓄冷罐基础、集水坑基础、电缆沟、设备基础等工程灵活布置，综合而言，数据中心工程浅基础应优选柱下交叉条形基础方案。

6 结语

数据中心工程荷载重、工程造价高，选择合理的结构布置及基础方案尤为重要［1-4］。上部结构及基础选型应综合考虑结构安全性、经济性、适用性，并结合数据中心工程特点和工程实际情况进行详细论证和比选。在满足建筑净高要求下，单向梁方案建设成本更低、传力途径清晰，应为数据中心结构平面布置的优选方案。柱下交叉条形基础造价略高于独立基础方案［5-7］，但基础整体性更好，利于蓄冷罐基础、设备基础的灵活布置，应为数据中心工程浅基础的优选方案。Q