數(shù)據(jù)中心工藝規(guī)劃及協(xié)同設(shè)計

王 超， 趙祎晨， 錢 龍， 高 航

(1. 中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100089； 2. 中信銀行，北京 100010)

1 數(shù)據(jù)中心的“多樣性”

2020年，國家進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在數(shù)字化浪潮的推動下，人們的工作、生活都在悄然轉(zhuǎn)變，尤其是疫情防控期間，不論是外賣、快遞、線上商城等業(yè)務(wù)的正常運轉(zhuǎn)，還是工作、學(xué)習(xí)的穩(wěn)定暢通，這些都離不開數(shù)據(jù)中心。

總的來說，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、類別、技術(shù)應(yīng)用等方向，都具有多樣性。

(1)類別多樣化

類別分為政府、企業(yè)、自用、租用，建設(shè)地點可以城內(nèi)或城外，建筑形式可以是平層或高層，其無定式。

(2)技術(shù)多樣化

空間布局、流線規(guī)劃、設(shè)備運輸、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)房配電、空調(diào)制冷、智能監(jiān)控、消防報警、室內(nèi)裝飾等各功能模塊環(huán)環(huán)相扣，既相互倚重，又相互制約。

(3)建設(shè)多樣化

部分?jǐn)?shù)據(jù)中心對所布置的服務(wù)器機(jī)柜數(shù)量有較高要求，在空間布局時，將盡可能增加IT機(jī)房模塊面積，最大化機(jī)柜及服務(wù)器布置空間，相應(yīng)用電量、制冷量等要求隨之增加，如何平衡此間關(guān)系是需要重點考量的。

部分?jǐn)?shù)據(jù)中心對建設(shè)等級、可靠性要求嚴(yán)格，則配電、網(wǎng)絡(luò)的冗余、后備設(shè)計，主干路由的規(guī)劃，制冷系統(tǒng)的形式選擇成為重點，而其對于空間布局的要求、對機(jī)柜數(shù)量的影響，以及反過來IT電量、發(fā)熱量對供電、制冷的影響，則需要在規(guī)劃階段做出平衡。

部分?jǐn)?shù)據(jù)中心有分期建設(shè)的需求，此時，無論空間布局還是機(jī)房配電、空調(diào)制冷等機(jī)電系統(tǒng)，均需按照“模塊化”定義設(shè)計，需考慮按模組投入建設(shè)、各功能模塊匹配的設(shè)計思路，還需要兼顧先期低負(fù)載狀況對供電、制冷系統(tǒng)的影響，以及后期建設(shè)對前期內(nèi)容的影響等，此種情況對于各專業(yè)設(shè)計及專業(yè)之間的協(xié)同有著更高的要求。

2 數(shù)據(jù)中心工藝規(guī)劃

數(shù)據(jù)中心的多樣性決定了數(shù)據(jù)中心設(shè)計工作的復(fù)雜程度，除上述外，數(shù)據(jù)中心建設(shè)還涉及到等級評定、快速部署、“兩地三中心”的總體規(guī)劃、不同類型建筑的機(jī)房改造等，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心兼含多種需求，收集、整理、分析建設(shè)及使用需求，并據(jù)此制定與之匹配的設(shè)計方案，在其中平衡各功能模塊，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的沖突，搭建最有利、最可靠、最適配的設(shè)計架構(gòu)，這便是工藝規(guī)劃設(shè)計的主要工作。

平衡、協(xié)調(diào)和整體考量貫穿于整個工藝規(guī)劃過程，從工藝規(guī)劃的角度，設(shè)計方案必須是一個整體，全部內(nèi)容整體一致才是最佳方案，有時需要“犧牲”部分內(nèi)容的“完美”，以達(dá)到整體的平衡。

例如在數(shù)據(jù)中心設(shè)計過程中，經(jīng)常碰到工藝專業(yè)要求房間門的高度設(shè)為2 400mm，但2 400mm非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，定制會增加造價，建筑專業(yè)接收工藝方案時通常會建議將房間門的高度改為2 300mm。但在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，各功能房間涉及設(shè)備運輸，除變壓器、冷機(jī)等大型設(shè)備可能考慮預(yù)留吊裝口外，UPS、機(jī)柜等需利用設(shè)置的貨梯運送至各房間，工藝專業(yè)會考慮設(shè)備運輸流線的規(guī)劃。而且，增加的造價在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中并非不可接受，數(shù)據(jù)中心建成后，部署設(shè)備并非一臺兩臺，而投產(chǎn)后運維階段還會涉及設(shè)備更換，在門的尺寸上節(jié)省的造價，在之后的運維投產(chǎn)階段會帶來更多麻煩。所以將門的尺寸增至2 400mm是較為合理的。

3 數(shù)據(jù)中心協(xié)同設(shè)計

整體考量、平衡設(shè)計貫穿整個工藝規(guī)劃階段，而在接下來的細(xì)化、深化設(shè)計中，各種變更、調(diào)整也隨時會“打破”這種整體、平衡。無論新建還是改造數(shù)據(jù)中心，設(shè)計過程中或多或少會有需求變更或條件制約，不得不調(diào)整設(shè)計方案。雖然最初涉及修改的往往是某一專業(yè)，但其可能對其他專業(yè)的設(shè)計方案產(chǎn)生影響，所以各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計便十分必要。以下幾個工程中的狀況可更好地闡述協(xié)同設(shè)計的必要性。

3.1 裝飾與空調(diào)

在某數(shù)據(jù)中心項目中，數(shù)據(jù)機(jī)房的制冷空調(diào)位于獨立的空調(diào)間內(nèi)，采取下送上回的送風(fēng)方式。項目驗收時，發(fā)現(xiàn)機(jī)房內(nèi)聲音特別嘈雜，偶爾還會有尖嘯，同時機(jī)房、空調(diào)間內(nèi)灰塵較大。在對項目設(shè)計、施工過程整體了解分析后，認(rèn)為應(yīng)是回風(fēng)口尺寸過小導(dǎo)致。

經(jīng)調(diào)查，在項目進(jìn)入施工階段后，結(jié)合現(xiàn)場情況、裝修材料及裝修效果，甲方要求修改機(jī)房模塊與空調(diào)間隔墻的方案，裝飾專業(yè)工程師根據(jù)要求修改了方案。數(shù)據(jù)機(jī)房與空調(diào)間隔墻下送風(fēng)上回風(fēng)的實現(xiàn)形式詳見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)機(jī)房隔墻方案

但修改后的方案變動了空調(diào)回風(fēng)口的高度，此時，應(yīng)由暖通專業(yè)按照規(guī)范規(guī)定，結(jié)合空調(diào)風(fēng)量、回風(fēng)口尺寸、回風(fēng)口開孔率計算回風(fēng)口處風(fēng)速，避免因為風(fēng)速過大而揚(yáng)起灰塵及增加噪聲。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736-2012)中7.4.13條規(guī)定：回風(fēng)口的吸風(fēng)速度，宜按表7.4.13選用，詳見表1。

回風(fēng)口的吸風(fēng)速度 表1

但裝飾專業(yè)修改方案后，并未交由暖通專業(yè)校核回風(fēng)口尺寸。了解此事后，由暖通專業(yè)重新計算(過程詳見表2)校核回風(fēng)口尺寸，調(diào)整隔墻做法后，問題得到解決。

在此案例中，裝飾專業(yè)工程師在接收甲方調(diào)整方案的要求后，徑自調(diào)整并提交變更，未考慮回風(fēng)口高度變小，未經(jīng)暖通專業(yè)校核，導(dǎo)致施工完成后，回風(fēng)風(fēng)速過大，產(chǎn)生揚(yáng)塵、噪音，對數(shù)據(jù)中心的使用造成影響。

回風(fēng)風(fēng)速校核計算 表2

3.2 不同種類的蓄電池

近年來，隨著電動汽車的普及，由電池引發(fā)的事故也引起了全社會的普遍關(guān)注，電池的安全性能也成為了大眾最關(guān)心的問題。在數(shù)據(jù)中心中，蓄電池作為不可缺少的后備電源，其安全性對于數(shù)據(jù)中心的安全、穩(wěn)定運行，更是需要實時密切關(guān)注?！稊?shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》(GB 50174-2017)中對數(shù)據(jù)中心電池的監(jiān)控做出了明確規(guī)定，對于A級數(shù)據(jù)中心，更是要求“監(jiān)控每一個蓄電池的電壓、內(nèi)阻、故障和環(huán)境溫度”。故而，在設(shè)計方案中，蓄電池的集中監(jiān)控方案是不可或缺的。

在電池的快速發(fā)展進(jìn)程中，出現(xiàn)了各種類型的電池，例如鉛酸電池、鋰電池等，其工作方式、特性各有不同，也造成了監(jiān)控方案存在差別。例如，鋰電池由于其工作特性，對過充、過放等異常狀態(tài)耐受度較低，容易對電池本身造成較大的損傷甚至損毀，所以一般鋰電池在出廠時會對各單體電池集成監(jiān)控模塊，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時切斷電池的連接，以避免出現(xiàn)損毀甚至事故。而相較于此，早期數(shù)據(jù)中心一般采用鉛酸電池，鉛酸電池穩(wěn)定性較好，一般單獨配置監(jiān)控產(chǎn)品，目前市面上品牌監(jiān)控產(chǎn)品多種多樣。

在某數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計中，最初甲方要求蓄電池類型采用鋰電池，自控專業(yè)在設(shè)備監(jiān)控方案中預(yù)留相應(yīng)接口，讀取數(shù)據(jù)，再接入動環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。經(jīng)濟(jì)專業(yè)在編制工程清單及造價時，蓄電池項中添加描述“電池含(或自帶)監(jiān)控模塊”。在隨后的深化設(shè)計中，甲方取消采用鋰電池的要求。

因鋰電池與常用鉛酸電池的功率密度、標(biāo)稱電壓、重量等均有較大不同，在此項目中，當(dāng)甲方變更要求時涉及多專業(yè)協(xié)同修改：電氣專業(yè)需調(diào)整電池配置計算；結(jié)構(gòu)專業(yè)重新復(fù)核電池間荷載；自控專業(yè)調(diào)整監(jiān)控方案，改為單獨設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，從末端的傳感器、檢測模塊以及監(jiān)控管理單元等，需逐一進(jìn)行配置、設(shè)計；經(jīng)濟(jì)專業(yè)則需相應(yīng)調(diào)整概算，從蓄電池自帶監(jiān)控模塊調(diào)整為單獨設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)，需于自控專業(yè)分項中單獨增加此項。

在此案例中，如不清楚各類電池的區(qū)別，不能及時地針對需求變更做出各專業(yè)之間的同步聯(lián)動調(diào)整，則各專業(yè)設(shè)計方案不能匹配，在施工招標(biāo)、設(shè)備采購中，將出現(xiàn)招標(biāo)清單缺項漏項，以及樓板承重等一系列問題，施工中，會出現(xiàn)相應(yīng)變更、洽商，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，甚至結(jié)構(gòu)計算錯誤導(dǎo)致的建筑結(jié)構(gòu)問題，對于整體工程是極其不利的。

3.3 建筑與消防

《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50370-2005)中，3.1.5條規(guī)定：組合分配系統(tǒng)的滅火劑儲存量，應(yīng)按儲存量最大的防護(hù)區(qū)確定。

某數(shù)據(jù)中心設(shè)計中，數(shù)據(jù)機(jī)房精密空調(diào)單獨設(shè)計空調(diào)間，送風(fēng)方式下送上回。同時，采用氣體滅火系統(tǒng)，最大防護(hù)區(qū)為某一服務(wù)器機(jī)房連同為其設(shè)置的精密空調(diào)間，給排水專業(yè)工程師在對此進(jìn)行核算后，確定了氣體瓶組數(shù)量。在項目設(shè)計過程中，甲方根據(jù)使用需求提出變動局部布局，將上述服務(wù)器機(jī)房及鄰近測試機(jī)房共用空調(diào)間。平面房間布局調(diào)整參照圖2。

在接收此要求后，建筑師將此變動反饋暖通工程師，根據(jù)兩機(jī)房制冷需求重新核算空調(diào)配置；反饋電氣專業(yè)校核火災(zāi)報警探測器的設(shè)置；同時，反饋給排水專業(yè)工程師，此時，如空調(diào)間共用，雖然服務(wù)器機(jī)房與測試機(jī)房之間有隔墻分隔，但由于送風(fēng)回風(fēng)方式的原因，兩房間間接聯(lián)通，服務(wù)器機(jī)房、測試機(jī)房、精密空調(diào)間將作為一個氣體滅火防護(hù)區(qū)，防護(hù)區(qū)變大，需重新計算氣體瓶組數(shù)量，以及氣體滅火鋼瓶間房間尺寸(詳見表3)。

圖2 平面房間布局調(diào)整

在此案例中，如房間布局變更未能重新進(jìn)行氣體滅火防護(hù)區(qū)域的重新校核，將導(dǎo)致氣體滅火鋼瓶數(shù)量不足，滅火氣體設(shè)計用量達(dá)不到規(guī)范要求。數(shù)據(jù)中心作為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)載體，一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火氣體濃度不夠，火災(zāi)不能及時撲滅，相對于財產(chǎn)損失，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)的丟失、損毀，產(chǎn)生的負(fù)面影響將是巨大的。

3.4 協(xié)同設(shè)計的必要性

任何類型的建筑工程設(shè)計中，各專業(yè)都不是各自“作戰(zhàn)”，無論建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)還是機(jī)電專業(yè)，都是彼此依存、互相影響的。當(dāng)其中某一專業(yè)做出修改，就需要考慮對其他專業(yè)，甚至整體的設(shè)計方案的影響。

對于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計更是如此，數(shù)據(jù)中心建設(shè)要求高，資源需求大，設(shè)計節(jié)點數(shù)量多，工程技術(shù)復(fù)雜，各專業(yè)協(xié)同設(shè)計，才能保證設(shè)計方案的匹配、完整、統(tǒng)一。

滅火氣體用量校核計算 表3

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心是一種較為復(fù)雜的建筑類型，其設(shè)計與一般的民用建筑有較大不同，最初的建設(shè)選址便需考慮所在地的地質(zhì)、氣象、人文、資源等諸多因素，而整體的設(shè)計方案需兼顧地理條件的匹配、建設(shè)等級、PUE指標(biāo)要求、分期建設(shè)等約束條件，同時還需考慮建成后的管理制度、運維習(xí)慣。工藝規(guī)劃設(shè)計給出的是滿足需求、利用條件、平衡制約的綜合解決方案，強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一、整體、協(xié)同。

數(shù)據(jù)中心的設(shè)計，單單側(cè)重建筑形體、新興技術(shù)以及只強(qiáng)調(diào)PUE、綠色、節(jié)能是不明智的，應(yīng)以功能性為主，在此基礎(chǔ)上兼顧美觀；對于用戶而言，數(shù)據(jù)中心承載的都是核心數(shù)據(jù)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)，穩(wěn)定、可靠是最重要的要求，新興技術(shù)由于沒有得到足夠的實際應(yīng)用考驗，萬不可冒進(jìn)采用；作為用能大戶，為保障其安全可靠運行，數(shù)據(jù)中心消耗的電、水、油等能源量是巨大的，在一定范圍內(nèi)，PUE值盡可能低是建設(shè)單位、設(shè)計院的一致目標(biāo)，但一味強(qiáng)調(diào)甚至“唯PUE論”則不可取，極端天氣、上架率、自動化程度、運維策略等因素都可影響PUE，因此數(shù)據(jù)中心還是應(yīng)以穩(wěn)定性、可靠性高為準(zhǔn)則。