隨著我國經濟的發展和建筑水平的提高,同時也為緩解建筑用地減少,尤其是城市核心區域用地緊張的矛盾,各地興建了不少高層建筑,一、二線城市在CBD核心區也建設了不少建筑高度超過100 m的超高層建筑。其中250 m以上的超限高層建筑,建筑體量大,功能多涵蓋了辦公、商業、酒店等不同業態,人員特別密集,對于設計的要求也就更加嚴格,消防上的要求除了常規的GB 50016 - 2014《建筑設計防火規范》(2018年版,以下簡稱《建規》)以外,公安部消防局還于2018年4月發布了《建筑高度大于250 m民用建筑防火設計加強性技術要求(試行)》(以下簡稱《加強性技術要求》),其中對電氣設計的應急供電系統、豎井、線纜等都有加強技術要求。筆者以新規執行后參與設計的一個建筑高度498m的項目為例,就幾個超高層建筑電氣設計的關鍵要點展開討論,以提供建筑電氣設計同仁一些設計思路的借鑒。

項目概況

該項目位于XX,為當地地標建筑,建筑高度498 m,包含辦公、會議、酒店、商業、地下車庫、地下人防等業態,總建筑面積383 350 m2,其中:地下部分89 569 m2,地上部分293 781 m2;地下4層,地上塔樓層數100層,共計10個避難和設備層。

本工程屬一類超高層公共建筑,應按一級負荷要求供電。為滿足本項目供電要求,本工程引入電源電壓等級為10 kV,由市電網引來4路10 kV專線,4路10 kV電源兩兩成對,每一對10 kV電源中當一路電源發生故障時,另一路電源不應同時受到損壞。4路10 kV電源引入地下一層10 kV中心配電室,經分配后由大廈10 kV的垂直管井送至地上各設備層、地下一層各10 kV分變電所,各10 kV變電所經10 kV降壓至0.4 kV。

為滿足一級負荷中特別重要的負荷的供電要求,設置發電機電源如下:酒店設置1臺10 kV發電機組,為酒店地下室和高區變電所提供發電電源;辦公設置1臺400 V發電機組,為低區辦公變電所提供發電電源;設置1臺10 kV發電機組,為中高區辦公變電所提供發電電源。發電機供電范圍為一級負荷中特別重要的負荷及有特殊要求的負荷。

各區域變電所變壓器和柴油發電機組容量如表1所示。

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關于發電機接入方案的探討

應急電源設置依據

對于超高層建筑設置柴油發電機,XX地標DGJ08-2048-2016《民用建筑電氣防火設計規程》的要求是最明確的,其4.1.1條以黑體字明確,建筑高度大于250 m的公共建筑應設置柴油發電機組作為消防設備的應急電源。

《加強性技術要求》則是全國規范中第一個明確對超高層應急電源作出明確規定的,其第二十四條規定:消防用電應按一級負荷中特別重要的負荷供電。應急電源應采用柴油發電機組,柴油發電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段,連續供電時間不應小于3.0 h。

對于存在酒店業態的超高層建筑來說,JGJ62-2014《旅館建筑設計規范》第6.3.1條第2款:四級旅館建筑宜設自備電源,五級旅館建筑應設自備電源,其容量應能滿足實際運行負荷的需求。

綜上幾點,對于250 m以上超高層建筑,設置柴油發電機作為應急電源是必不可少的。

柴油發電機電源接入方式

對于高度超過250 m的超高層建筑,隨著發電機組供電距離的增加,電壓降會進一步增加,如果采用常規的400 V柴油發電機組,其電能質量有可能得不到保證。

根據大量的工程案例,常規進行超高層建筑電氣設計時,柴油發電機供電距離在250 m以下時,通常會選用400 V低壓柴油發電機組;柴油發電機供電距離在250 ~ 400 m時,采用低壓400 V或中壓10 kV需要進行技術經濟比較;柴油發電機供電距離在400 m以上時,一般采用中壓10 kV柴油發電機組或采用低區低壓400 V、高區10 kV的應急電源配置方案。

本項目建筑高度接近500 m,經過前期技術經濟比較,同時結合酒店業態位于高區的特點,擬考慮分業態分區段設置3臺柴油發電機。其中酒店業態在地下1層、78層和屋頂機房層均有分區變電所,根據酒管公司要求,酒店業態的發電機組必須獨立,且高區兩個酒店變電所肯定采用10 kV柴油發電機,為低區的酒店變電所單獨設置1臺400 V低壓柴油發電機技術經濟性不合理,因此酒店業態就合用一臺10 kV柴油發電機組。其他商業、辦公及地庫變電所,物業統一運營 ,應急電源分區段設置了2臺柴油發電機,其中低區采用1臺400 V低壓發電機,中高區采用1臺10 kV中壓發電機。

明確了發電機的電壓等級,如何接入供配電系統,也有講究。在《建規》第10.1.6條,就強調消防用電設備應采用專用供電回路,并在條文說明中給出了400 V低壓柴油發電機與變壓器的接線示意圖,可以看出規范編制組希望表達,在柴油發電機出線端就將消防負荷和重要負荷分回路供電,以達到消防用電設備采用專用供電回路的目的。

在《加強性技術要求》中,第二十四條更進一步強調了這一點,柴油發電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段。既然是針對250 m以上超高層建筑的新規,那么我們就理解為對于400 V低壓發電機組和10 kV中壓發電機組都需要滿足上述條文。

圖1為本項目采用的400 V低壓柴油發電機組應急電源主接線示意圖,消防負荷和重要負荷分別采用專用線路接至專用母線段,其中消防專用線路必須滿足950 ℃ 3 h耐火試驗,可以采用耐火母線或礦物絕緣電纜,這種接線方案被大量的民用建筑設計單位采用,接受度較高。

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對于10 kV柴油發電機應急電源的接入,有下列幾種方案,筆者分別就其優缺點作如下分析:

a.方案A(如圖2所示),此方案在10 kV柴油發電機出口就將重要負荷和消防負荷供電回路分開,分別引至末端變壓器,在變壓器低壓側也區分了消防和重要負荷的母線段,二、三級負荷的母線段與消防 / 重要負荷專用母線段用斷路器分開,方便火災或停電狀態下切除非消防 / 重要負荷,完全滿足《加強性技術要求》,但發電機出口端中壓柜以及豎井內10 kV配電線路會較多,為保證可靠性對應會有較多的成本投入。

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b.方案B(如圖3所示),對于個別地區電業部門不允許10 kV柴油發電機與市電進行切換,就必須考慮設置應急電源專用變壓器,此種方案下,應急變壓器出口端同樣將消防回路和重要負荷回路區分開,分別接入消防母線段和重要負荷母線段,這個方案的缺點是專用應急電源變壓器會占據較大機房位置,平時不用,如果不通電難以確保停電時的可靠性,如果平時通電則長期空載運行,并不節能。另外從10 kV柴油發電機出口端這個10 kV回路并未將消防和重要負荷分開,嚴格意義上與《加強性技術要求》并不完全一致。如果10 kV柴油發電機出口就分開消防和重要負荷的回路,電纜造價增加的同時,應急專用變壓器也要分設,會占據更大機房面積和增加造價,經濟性較差,不建議采用。

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c.方案C(如圖4所示),在與業主、顧問的方案討論會中,也有建議采用方案C。誠然,在10 kV配電中心處,將柴油發電機組提供的應急電源和市電切換后,再統一配出至各個分區變電所,可以節省大量的10 kV線纜,也避免了末端的10 kV切換裝置,可以節約造價和機房面積,但正由于其市電和柴油發電機電源是切換后配出的,普通市電電源和柴油發電機應急電源兼用同一配電線路,與《加強性技術要求》提出的“柴油發電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段”并不一致,所以采用這種方案需要謹慎。

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綜上所述,本項目還是采用了方案A,滿足加強性技術要求的同時,兼顧經濟性,占用的避難 / 機電層機房面積也相對較小。

關于電纜選型

如果說電能是人體的血液,供電線纜就相當于人體的血管,其可靠性尤其是火災情況下的可靠性,對于建筑物來說至關重要。對于超高層建筑的電線電纜選型,多本規范都有提及,如《建規》、DGJ 08 - 2048 - 2016等。其中《建規》10.1.10第3款提到:“消防配電線路宜與其他配電線路分開敷設在不同的電纜井、溝內;確有困難需敷設在同一電纜井、溝內時,應分別布置在電纜井、溝的兩側,且消防配電線路應采用礦物絕緣類不燃性電纜”。DGJ 08 -  2048 - 2016雖然是一本上海地標,但由于上海地區的超高層建筑在國內屬于最多最密集的,也對其他地區的建筑電氣設計有較強的借鑒意義,其中提到建筑高度大于100 m的建筑,普通設備配電應采用阻燃A級的電纜,建筑高度大于250 m的建筑還應采用通過現行國家標準《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247中的B1級試驗的產品,也是比較超前的提法。對于超過250 m以上的超高層建筑,最全面的還是《加強性技術要求》提出的以下要求:

“第二十五條 消防供配電線路應符合下列規定:

1 消防電梯和輔助疏散電梯的供電電線電纜應采用燃燒性能為A級、耐火時間不小于3.0 h的耐火電線電纜,其他消防供配電電線電纜應采用燃燒性能不低于B1級,耐火時間不小于3.0 h的耐火電線電纜。電線電纜的燃燒性能分級應符合現行國家標準《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247的規定;

2 消防用電應采用雙路由供電方式,其供配電干線應設置在不同的豎井內;

3 避難層的消防用電應采用專用回路供電,且不應與非避難樓層(區)共用配電干線。

第二十六條 非消防用電線電纜的燃燒性能不應低于B1級。非消防用電負荷應設置電氣火災監控系統。”

這里要注意的是建筑高度大于250 m的超高層建筑,其消防電纜可以有兩種要求,其中消防電梯和輔助疏散電梯的供電電纜要求最高,燃燒性能為A級,對于其他消防供配電電線電纜可以放寬到B1級,但耐火時間都是不小于3.0 h,且其燃燒性能分級都是依據《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247的規定。這里尤其要注意的,這個燃燒性能B1級與我們平時經常說的低煙無鹵阻燃B級,參照標準和含義完全不同。通常我們說的低煙無鹵阻燃級別A / B / C / D等,源自GB / T 18380《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》系列標準,最早見諸設計規范是上海地標DGJ 08 - 93- 2002《民用建筑電線電纜防火設計規程》(已作廢),以及其后續版本DG / TJ 08 - 2048 - 2008《民用建筑電氣防火設計規程》(已作廢),分別依據的是GB / T 18380.1 ~ 3 - 2001《電纜在火焰條件下的燃燒試驗》(已作廢)和GB / T 18380 - 2008兩個版本,其源頭都是IEC 60332 - 3:2000《電纜在火焰條件下的燃燒試驗》。主要都是在不同的火焰燃燒條件下(其中A、B級是相同的40 min,C、D級是相同的20 min),同等的焦化高度和自熄時間情況下,阻燃級別更高的電纜,非金屬含量多的電纜也能達到同等的焦化高度和自熄時間,實際上就允許敷設更多的高阻燃級別的電纜。而GB 31247 - 2014《電纜和光纜燃燒性能分級》則是一本完全國產的規范,由公安部提出,公安部XX消防研究所負責起草,主要就是針對火災情況下電纜和光纜的燃燒性能進行的分級,其燃燒性能等級判據如表2所示。

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可以看到,要能達到燃燒性能A級,其所依據的試驗方法為GB 8624 - 2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》,是將其作為建筑材料和制品放進燃燒爐內進行燃燒試驗的,而B1和B2級則都還是用的電纜行業的燃燒試驗標準,在鋼梯架子上用丙烷噴燈燃燒,這是有質的差別的。另外表注說明需要特別注意:“對整體制品及其任何一種組件(金屬材料除外)應分別進行試驗,測得的整體制品的總熱值以及各組件的總熱值均滿足分級判據時,方可判定為A級”,筆者認為,如果對電纜其線芯(金屬材料)以及外包絕緣層耐火層分別試驗,都要滿足判據,那外包絕緣層如果是有機絕緣材料或有機阻燃材料,基本上都不可能通過A級燃燒性能試驗。從多家電纜廠家了解到的情況來看也是如此,能滿足燃燒性能A級的基本是傳統意義上的銅護套剛性氧化鎂礦物絕緣電纜,市面上比較多的根據各家廠標生產的柔性礦物絕緣電纜,雖然可以通過950 ℃ 3 h的耐火試驗,但基本都無法滿足燃燒性能A級試驗,只有其中一部分可以達到燃燒性能B1級。

由此可見,對于250 m以上超高層建筑而言,《加強性技術要求》對消防電梯、輔助疏散電梯的配電要求是采用氧化鎂礦物絕緣電纜,而其他消防設備的供電線纜,規范允許可以適當降低要求采用礦物絕緣類不燃性電纜,前提是能通過燃燒性能B1級試驗。

另外需要注意的是,《加強性技術要求》還要求非消防用的電線電纜也需要滿足燃燒性能B1級試驗,筆者也就這一產品作了一番市場調研,滿足低煙無鹵的電纜產品可以標注為WDZB1 - YJY,但是大部分業主和招標單位對此型號并不熟悉,甚至有當作WDZB - YJY產品處理的情況發生,實際上能達到B1級燃燒性能試驗的交聯聚乙烯電纜需求較少,出貨量小,大部分都不出現在電纜樣本中,但一些電纜行業的龍頭企業都有生產,成本會高于WDZA - YJY電纜,在設計交底中最好與業主方明確二者的區別。

關于超高層建筑電氣豎井的設置

電氣豎井是建筑內上下貫通的供電氣各系統管線敷設的井道,可以和樓層強弱電間合用,也可單獨設置。超高層建筑區段多,各個區段電梯數量也多,根據不同功能,核心筒的布置可能有較大差異,對電氣豎井的設置帶來了較大的設計難度,合理規劃電氣豎井并與其他機電專業井道、電梯井道共同整合在核心筒有限的面積內,往往也是超高層建筑設計的難點所在。通常情況下超高層項目,按照防火分區設置強電低壓區間豎井、跨區間的強電干線豎井,重要項目會將高壓及應急豎井分開設置,弱電豎井多為1個或2個,250 m以上超高層一般設置至少兩個弱電豎井。

圖5為本項目超高層建筑低區標準層豎井布置。

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對于其面積,一般情況下遵照JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設計規范》設置電氣豎井,確保高、低壓及消防應急電源電氣線路之間的安全距離不小于0.3 m或采取隔離措施,以及消防配電箱、端子箱前的安全操作距離不小于0.8 m的要求。同時,《建規》還對消防配電線路提出了更嚴格的要求,10.1.10第3款提到“消防配電線路宜與其他配電線路分開敷設在不同的電纜井、溝內;確有困難需敷設在同一電纜井、溝內時,應分別布置在電纜井、溝的兩側,且消防配電線路應采用礦物絕緣類不燃性電纜”。通常項目滿足上述規范要求,布置好橋架、母線和配電箱,同時考慮一定的預留空間即可。但是對于250 m以上的超高層建筑,《加強性技術要求》提出了更高的要求,其二十五條第2款要求“消防用電應采用雙路由供電方式,其供配電干線應設置在不同的豎井內”。這里的消防用電,應指從各個分區變壓器配出的,引至末端消防用電設備雙電源切換箱的雙路電源。對于有兩個防火分區的標準層,可以考慮兩個低壓強電間放置其消防低壓常用電纜,其消防低壓備用電纜可考慮放在另一個防火分區強電間內,同時需注意,強電間內的消防橋架和非消防橋架需要設置于強電間的兩側。如有專門的高壓豎井或應急豎井,也可將消防低壓備用電纜設于其中,都是滿足規范要求的。

可以看到,本項目低區標準層設置兩個防火分區,各設一個低壓強電間兼豎井,高壓豎井與發電機供電豎井也單設,每個防火分區的消防常 / 備用電纜分豎井設置,常用電纜設置在區間本防火分區低壓強電間兼豎井內,備用電纜設置在另一防火分區低壓強電間兼豎井內。此處需要注意,如有消防疏散電梯和消防電梯,且采用與其他消防設備不同的消防專用電纜,建議分橋架敷設。即使同樣在高壓豎井和發電機應急豎井內,不同業態的電纜橋架也作了區分,中壓發電機的消防用電纜和重要負荷電纜也分橋架敷設,盡量確?煽啃。