互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房加固設(shè)計(jì)及應(yīng)用

□ 胡桂彬 姚云龍 江彩云 蘇鶴善

在“十四五”規(guī)劃的背景下，政府、企業(yè)搭建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)的需求越來越多，因此各省通信運(yùn)營(yíng)商積極建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房（Internet Data Center，簡(jiǎn)稱IDC機(jī)房）。一般情況下，運(yùn)營(yíng)商是在自有土地上建設(shè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，而整個(gè)項(xiàng)目周期2年～5年，難以滿足新形勢(shì)下政府和企業(yè)對(duì)IDC機(jī)房的緊迫需求，并且隨著城市化的發(fā)展，在市區(qū)內(nèi)難以購買到合適的工業(yè)用地，不便于客戶維護(hù)。此時(shí)租賃既有建筑改造為IDC機(jī)房成了一種選擇，而改造項(xiàng)目受限因素多、施工難度大，往往比較被動(dòng)，如按行業(yè)慣例對(duì)租賃的房屋進(jìn)行整體、長(zhǎng)期使用要求的改造加固，十分不經(jīng)濟(jì)，條件不符合現(xiàn)實(shí)要求。因此需研究對(duì)房屋進(jìn)行特定局部區(qū)域、臨時(shí)性的改造設(shè)計(jì)方法，以確保建筑的安全性，同時(shí)降低項(xiàng)目造價(jià)和改造難度。

1 工程概況

1.1 建設(shè)需求

2020年末，廣西某運(yùn)營(yíng)商急需半年內(nèi)在南寧建設(shè)完成一個(gè)面積約2000m2IDC機(jī)房以承接可預(yù)見的通信業(yè)務(wù)。根據(jù)《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，IDC機(jī)房為生產(chǎn)性機(jī)房、重要的通信建筑、重點(diǎn)抗震設(shè)防類別、一級(jí)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、空間通透，設(shè)備所在層樓面活荷載值為6KN/m2～16KN/m2，機(jī)房使用年限不小于20年。根據(jù)以上需求選擇了商務(wù)區(qū)1棟辦公樓的1樓部分區(qū)域進(jìn)行核實(shí)改造[1]。

1.2 建筑概況

該辦公樓建設(shè)時(shí)間為2015年，由主樓和裙樓組成。主樓高度為65.65m，16層，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)；裙樓高度為12.85m，3層，框架結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)正下方區(qū)域?yàn)槠綉?zhàn)結(jié)合人防地下室。結(jié)構(gòu)的平、立面布置規(guī)則，傳力途徑簡(jiǎn)捷、明確，豎向構(gòu)件連續(xù)貫通、對(duì)齊，改造區(qū)域主要柱網(wǎng)軸距為8.4m×8.4m。

主樓區(qū)域的基礎(chǔ)形式為人工挖孔灌注墩（樁）基礎(chǔ)，其他區(qū)域?yàn)楠?dú)立基礎(chǔ)。

抗震類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，設(shè)防烈度為6°，地震分組一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ，按6°采取抗震措施，人防地下室設(shè)防等級(jí)為常6級(jí)、核6級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.35KN/m2，地面粗糙度為C類。

一層原設(shè)計(jì)用途為營(yíng)業(yè)廳、會(huì)議室，設(shè)計(jì)施工活荷載值為5.0KN/m2。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，房屋外觀質(zhì)量良好，承重構(gòu)件無開裂、無加層改擴(kuò)建的情況，墻體無開裂、抹灰層脫落、無結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋銹蝕痕跡等現(xiàn)象，僅部分區(qū)域天花板有滲水痕跡。

建筑外輪廓情況及機(jī)房所在層如圖1所示，IDC機(jī)房改造區(qū)域平面圖如圖2所示。

圖1 機(jī)房所在層位置

圖2 IDC機(jī)房建設(shè)區(qū)域

2 工程特點(diǎn)及加固難點(diǎn)

本項(xiàng)目特點(diǎn)是對(duì)租賃的既有建筑物進(jìn)行改造，盡管建筑的后續(xù)設(shè)計(jì)使用年限還剩約43年，但運(yùn)營(yíng)商要求按后續(xù)使用20年進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，且僅在租賃場(chǎng)地范圍內(nèi)進(jìn)行，即在保證房屋正常使用下、在設(shè)計(jì)使用年限中某個(gè)時(shí)間段內(nèi)、對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行升級(jí)加固的改造設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目改造時(shí)依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011－2010）（2016版）將南寧市設(shè)防烈度由6°調(diào)整7°[2]，《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）對(duì)建筑可靠性指標(biāo)進(jìn)行提高，兩個(gè)參數(shù)都是對(duì)建筑物整體性的調(diào)整[3]，而改造范圍卻只能局限在一樓，給改造設(shè)計(jì)帶來一定挑戰(zhàn)。

同時(shí)，需確保改造加固過程中其他樓層能正常使用，施工過程中不能破壞主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，則改造方案只能采用直接增補(bǔ)的措施，而不能采用可能更合適的換、改、拆構(gòu)件等措施。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 條件變化

由于規(guī)范更新和機(jī)房使用性質(zhì)變化導(dǎo)致參數(shù)出現(xiàn)以下調(diào)整：

（1）城市設(shè)防烈度由6°調(diào)整7°[2]；

（2）恒載分項(xiàng)系數(shù)由1.4調(diào)整為1.5，活荷載分項(xiàng)系數(shù)由1.2調(diào)整為1.3[3]；

（3）重要性系數(shù)調(diào)整為1.1；

（4）設(shè)防類別調(diào)整為重要設(shè)防類；

（5）樓板活荷載由5.0KN/m2提高到6.0KN/m2；

（6）由民用建筑調(diào)整工業(yè)建筑（通信生產(chǎn)樓），活荷載組合系數(shù)為0.9，頻遇值組合系數(shù)為0.9，準(zhǔn)永久系數(shù)為0.8[1]。

3.2 計(jì)算分析

采用盈建科軟件進(jìn)行計(jì)算復(fù)核分析，由于本建筑物竣工不足10年，原設(shè)計(jì)文件完整、有效，且無須懷疑結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重的性能退化，所以，計(jì)算中材料力學(xué)指標(biāo)可采用原設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.1 地基及基礎(chǔ)

機(jī)房荷載增加區(qū)域比較均勻、分散，且荷載占比小，其他作用效應(yīng)為整體、均勻的增加，可以認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)傳遞到各基礎(chǔ)的準(zhǔn)永久值比例保持不變。所以，在房屋用途和規(guī)范調(diào)整后，建筑地基可能存在一定的沉降，地基變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)傾斜影響可以忽略不計(jì)。

經(jīng)多次計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地基基底的標(biāo)準(zhǔn)組合值平均提高10.3%，其中，一層機(jī)房區(qū)域活荷載值由5.0KN/m2提高到6.0KN/m2，增加值約2000KN，只占標(biāo)準(zhǔn)值的0.3%。因結(jié)構(gòu)重要性調(diào)整，作用效應(yīng)值提高10%，部分獨(dú)立基礎(chǔ)基地應(yīng)力最大值超過1.2倍承載力特征值的5%。

建筑已竣工5年，考慮建筑長(zhǎng)期壓密影響地基承載力的提高，且建筑物基礎(chǔ)沒發(fā)現(xiàn)開裂、不均勻沉降等情況，決定對(duì)地基暫不做加固處理[4]。

3.2.2 上部結(jié)構(gòu)

建筑物在2001年以后建造，鑒定宜按現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011－2010）（2016版）進(jìn)行抗震驗(yàn)算，后續(xù)使用年限宜采用50年，主樓相關(guān)整體指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 整體指標(biāo)對(duì)比

結(jié)果顯示，該樓的層間位移角均小于1/800、位移比均不大于1.2，剪重比、地震剪力均增大一倍，還是在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，整體性指標(biāo)較好。但主樓的抗震等級(jí)由原來的三級(jí)變?yōu)橐患?jí)，導(dǎo)致大部分構(gòu)件不滿足抗震構(gòu)造措施要求，如框架柱和剪力墻的軸壓比、框架柱與框架梁、抗震墻約束范圍及配筋等，改造加固范圍涉及上部樓層，現(xiàn)實(shí)無法提供施工條件，需采取其他設(shè)計(jì)措施解決抗震構(gòu)造措施的問題。

（1）措施一：既然租賃年限是20年，那么確保改造后20年內(nèi)符合IDC機(jī)房的結(jié)構(gòu)安全要求即可，20年以后整個(gè)建筑物重新按原設(shè)計(jì)目標(biāo)功能使用。因此，可按B類建筑對(duì)主樓進(jìn)行鑒定核算。計(jì)算參數(shù)中，特征周期值由0.35調(diào)整為0.30，主樓抗震等級(jí)調(diào)整為二級(jí)，考慮設(shè)計(jì)使用年限的活荷載調(diào)整系數(shù)為0.90[5]。

重新計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有所下降，但一樓上部樓層還存在大量構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施不滿足規(guī)范要求的問題，需進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）措施二：既然允許加固施工范圍也是提高結(jié)構(gòu)安全性的范圍，那么在措施一的基礎(chǔ)上采取分區(qū)設(shè)計(jì)的措施，將一層和上部其他樓層劃分為兩個(gè)區(qū)段，僅對(duì)一層區(qū)段的抗震設(shè)防類別和重要性進(jìn)行提高，上部其他樓層區(qū)段維持原狀[6]。即僅將一層區(qū)段抗震等級(jí)設(shè)為二級(jí)，重要性系數(shù)為1.10。實(shí)際上，上層結(jié)構(gòu)的提前破壞會(huì)危及IDC機(jī)房層的安全，因此對(duì)機(jī)房層采取更高加強(qiáng)措施，將重要性系數(shù)提高為1.20，提高一層構(gòu)件的承載力。該措施同時(shí)契合精細(xì)化、重點(diǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念。

重新計(jì)算分析，結(jié)果顯示只有一層的框架柱軸壓比不滿足要求，加固范圍控制在一層內(nèi)，能滿足業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商的要求。

4 加固方案

混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)所面臨的不確定因素遠(yuǎn)比新建工程多而復(fù)雜，且受限制也多，改造加固措施應(yīng)充分考慮對(duì)后續(xù)施工的影響[7]。

4.1 主樓部分

一層框架柱軸壓比不滿規(guī)范要求，既可通過提高承載力的方式降低對(duì)抗震構(gòu)造措施的要求，也可直接采取降低軸壓比的措施[8]。表2為對(duì)技術(shù)上可行的4種加固方案對(duì)比。

表2 框架柱加固方案對(duì)比

如表2所示，粘貼鋼板、粘貼碳纖維法均需加固前卸荷，因涉及上部樓層較多，無法實(shí)現(xiàn)。鋼構(gòu)套方案要求采取防火防腐措施，并需要定期維護(hù)，會(huì)影響日后IDC機(jī)房正常生產(chǎn)，而現(xiàn)澆鋼筋混凝土套加固法施工要求低、便捷，無防火、防腐措施要求，且不需進(jìn)行加固前卸載，施工后幾天即可拆模，迅速給其他施工作業(yè)騰出空間，十分符合IDC機(jī)房改造和使用要求。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土套加固措施如圖3所示，對(duì)原框架柱四周進(jìn)行鑿毛，每邊各增加100mm，混凝土等級(jí)同原設(shè)計(jì)等級(jí)，并在柱頂采用微膨脹混凝土替代，四周按構(gòu)造要求配置縱筋和箍筋，結(jié)構(gòu)加固后，既能直接降低柱子的軸壓比，又能增加柱子的承載力，同時(shí)提高“強(qiáng)柱弱梁”的程度。

圖3 現(xiàn)澆鋼筋混凝土套

4.2 裙樓部分

因原營(yíng)業(yè)廳大堂高度10m，遠(yuǎn)超機(jī)房?jī)艨盏囊螅柙黾訆A層，同時(shí)對(duì)其改造為維護(hù)監(jiān)控室，改造范圍如圖4所示。表3為技術(shù)可行的3種改造方案對(duì)比。

表3 夾層改造方案對(duì)比

圖4 增加夾層區(qū)域

如表3所示，采用鋼梁與壓型板現(xiàn)澆混凝土方案最合適。該加固方案施工便捷，不需支撐模板，短時(shí)間養(yǎng)護(hù)即可開展樓板上下方的其他改造工作，如圖5所示。

圖5 鋼梁與壓型板現(xiàn)澆混凝土

具體做法為通過化學(xué)錨栓將鋼梁與原框架柱連接，節(jié)點(diǎn)做法采用鉸接[7]，以減少鋼梁對(duì)框架柱產(chǎn)生不平衡的節(jié)點(diǎn)彎矩。同時(shí)為提高節(jié)點(diǎn)處的抗震變形能力，對(duì)節(jié)點(diǎn)上下1.5m范圍內(nèi)采用鋼構(gòu)套措施加固，如圖6所示。邊跨鋼筋植入原有混凝土梁內(nèi)，增強(qiáng)其整體性。既解決機(jī)房空間過高和增加監(jiān)控室的問題，又給裙樓增加水平抗側(cè)力構(gòu)件，提高了裙樓的抗震承載力。

圖6 鋼構(gòu)套

5 加固的重點(diǎn)控制

加固過程中，需對(duì)容易忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)控制。

一是框架柱的加固。（1）原框架柱表面應(yīng)充分鑿毛，使新增混凝土套與其進(jìn)行可靠連接；（2）應(yīng)清理框架柱根部的浮漿、砂漿等，使混凝土套與結(jié)構(gòu)樓板直接連接，頂部應(yīng)使用微膨脹混凝土代替，以減少新增部分的受力應(yīng)變滯后；（3）新增混凝土應(yīng)確保振搗密實(shí)，以保證其設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

二是夾層的加固。（1）鋼梁節(jié)點(diǎn)鉆孔施工前，應(yīng)采用鋼筋掃描儀進(jìn)行鋼筋定位，禁止鉆孔過程中打斷原受力縱筋或多次鉆孔造成節(jié)點(diǎn)處混凝土蜂窩式破壞，造成隱蔽性的節(jié)點(diǎn)抗震承載力下降；（2）現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格落實(shí)對(duì)鉆孔定位、節(jié)點(diǎn)板的開孔尺寸等精度控制，以免個(gè)別錨栓、鋼板孔集中受力而被逐個(gè)破壞。

6 加固后效果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目由于時(shí)間緊、限制條件多，經(jīng)過多次討論計(jì)算，不斷優(yōu)化改造方案，以較小的改造措施提高了建筑的整體可靠性和抗震性能，且確保IDC機(jī)房使用安全。

此外，施工過程中按運(yùn)營(yíng)商的要求進(jìn)行駐場(chǎng)協(xié)助，及時(shí)對(duì)遇到的干擾和困難提出解決方案，并對(duì)施工單位提出的合理建議進(jìn)行采納并做設(shè)計(jì)變更，最后項(xiàng)目從立項(xiàng)到選址、設(shè)計(jì)、改造施工、配套安裝等僅用時(shí)4個(gè)月，且全程符合綠色施工的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)整體項(xiàng)目完工時(shí)，獲得運(yùn)營(yíng)商的高度贊揚(yáng)。

7 總結(jié)

（1）對(duì)既有建筑物根據(jù)用途重新進(jìn)行分區(qū)段改造設(shè)計(jì)、重點(diǎn)加固設(shè)計(jì)，可極大地減少改造加固的范圍。

（2）改造加固措施除考慮自身的可行性、施工便利性外，充分考慮其對(duì)后續(xù)工作的影響，可加快整個(gè)項(xiàng)目總體進(jìn)度。

（3）本項(xiàng)目以辦公樓改造為IDC機(jī)房為例，解決規(guī)范更新、用途改變、施工范圍受限帶來改造加固設(shè)計(jì)問題，為同類項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。