随着我国经济的发展和建筑水平的提高,同时也为缓解建筑用地减少,尤其是城市核心区域用地紧张的矛盾,各地兴建了不少高层建筑,一、二线城市在CBD核心区也建设了不少建筑高度超过100 m的超高层建筑。其中250 m以上的超限高层建筑,建筑体量大,功能多涵盖了办公、商业、酒店等不同业态,人员特别密集,对于设计的要求也就更加严格,消防上的要求除了常规的GB 50016 - 2014《建筑设计防火规范》(2018年版,以下简称《建规》)以外,公安部消防局还于2018年4月发布了《建筑高度大于250 m民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》(以下简称《加强性技术要求》),其中对电气设计的应急供电系统、竖井、线缆等都有加强技术要求。笔者以新规执行后参与设计的一个建筑高度498m的项目为例,就几个超高层建筑电气设计的关键要点展开讨论,以提供建筑电气设计同仁一些设计思路的借鉴。

项目概况

该项目位于XX,为当地地标建筑,建筑高度498 m,包含办公、会议、酒店、商业、地下车库、地下人防等业态,总建筑面积383 350 m2,其中:地下部分89 569 m2,地上部分293 781 m2;地下4层,地上塔楼层数100层,共计10个避难和设备层。

本工程属一类超高层公共建筑,应按一级负荷要求供电。为满足本项目供电要求,本工程引入电源电压等级为10 kV,由市电网引来4路10 kV专线,4路10 kV电源两两成对,每一对10 kV电源中当一路电源发生故障时,另一路电源不应同时受到损坏。4路10 kV电源引入地下一层10 kV中心配电室,经分配后由大厦10 kV的垂直管井送至地上各设备层、地下一层各10 kV分变电所,各10 kV变电所经10 kV降压至0.4 kV。

为满足一级负荷中特别重要的负荷的供电要求,设置发电机电源如下:酒店设置1台10 kV发电机组,为酒店地下室和高区变电所提供发电电源;办公设置1台400 V发电机组,为低区办公变电所提供发电电源;设置1台10 kV发电机组,为中高区办公变电所提供发电电源。发电机供电范围为一级负荷中特别重要的负荷及有特殊要求的负荷。

各区域变电所变压器和柴油发电机组容量如表1所示。

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关于发电机接入方案的探讨

应急电源设置依据

对于超高层建筑设置柴油发电机,XX地标DGJ08-2048-2016《民用建筑电气防火设计规程》的要求是最明确的,其4.1.1条以黑体字明确,建筑高度大于250 m的公共建筑应设置柴油发电机组作为消防设备的应急电源。

《加强性技术要求》则是全国规范中第一个明确对超高层应急电源作出明确规定的,其第二十四条规定:消防用电应按一级负荷中特别重要的负荷供电。应急电源应采用柴油发电机组,柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段,连续供电时间不应小于3.0 h。

对于存在酒店业态的超高层建筑来说,JGJ62-2014《旅馆建筑设计规范》第6.3.1条第2款:四级旅馆建筑宜设自备电源,五级旅馆建筑应设自备电源,其容量应能满足实际运行负荷的需求。

综上几点,对于250 m以上超高层建筑,设置柴油发电机作为应急电源是必不可少的。

柴油发电机电源接入方式

对于高度超过250 m的超高层建筑,随着发电机组供电距离的增加,电压降会进一步增加,如果采用常规的400 V柴油发电机组,其电能质量有可能得不到保证。

根据大量的工程案例,常规进行超高层建筑电气设计时,柴油发电机供电距离在250 m以下时,通常会选用400 V低压柴油发电机组;柴油发电机供电距离在250 ~ 400 m时,采用低压400 V或中压10 kV需要进行技术经济比较;柴油发电机供电距离在400 m以上时,一般采用中压10 kV柴油发电机组或采用低区低压400 V、高区10 kV的应急电源配置方案。

本项目建筑高度接近500 m,经过前期技术经济比较,同时结合酒店业态位于高区的特点,拟考虑分业态分区段设置3台柴油发电机。其中酒店业态在地下1层、78层和屋顶机房层均有分区变电所,根据酒管公司要求,酒店业态的发电机组必须独立,且高区两个酒店变电所肯定采用10 kV柴油发电机,为低区的酒店变电所单独设置1台400 V低压柴油发电机技术经济性不合理,因此酒店业态就合用一台10 kV柴油发电机组。其他商业、办公及地库变电所,物业统一运营 ,应急电源分区段设置了2台柴油发电机,其中低区采用1台400 V低压发电机,中高区采用1台10 kV中压发电机。

明确了发电机的电压等级,如何接入供配电系统,也有讲究。在《建规》第10.1.6条,就强调消防用电设备应采用专用供电回路,并在条文说明中给出了400 V低压柴油发电机与变压器的接线示意图,可以看出规范编制组希望表达,在柴油发电机出线端就将消防负荷和重要负荷分回路供电,以达到消防用电设备采用专用供电回路的目的。

在《加强性技术要求》中,第二十四条更进一步强调了这一点,柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段。既然是针对250 m以上超高层建筑的新规,那么我们就理解为对于400 V低压发电机组和10 kV中压发电机组都需要满足上述条文。

图1为本项目采用的400 V低压柴油发电机组应急电源主接线示意图,消防负荷和重要负荷分别采用专用线路接至专用母线段,其中消防专用线路必须满足950 ℃ 3 h耐火试验,可以采用耐火母线或矿物绝缘电缆,这种接线方案被大量的民用建筑设计单位采用,接受度较高。

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对于10 kV柴油发电机应急电源的接入,有下列几种方案,笔者分别就其优缺点作如下分析:

a.方案A(如图2所示),此方案在10 kV柴油发电机出口就将重要负荷和消防负荷供电回路分开,分别引至末端变压器,在变压器低压侧也区分了消防和重要负荷的母线段,二、三级负荷的母线段与消防 / 重要负荷专用母线段用断路器分开,方便火灾或停电状态下切除非消防 / 重要负荷,完全满足《加强性技术要求》,但发电机出口端中压柜以及竖井内10 kV配电线路会较多,为保证可靠性对应会有较多的成本投入。

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b.方案B(如图3所示),对于个别地区电业部门不允许10 kV柴油发电机与市电进行切换,就必须考虑设置应急电源专用变压器,此种方案下,应急变压器出口端同样将消防回路和重要负荷回路区分开,分别接入消防母线段和重要负荷母线段,这个方案的缺点是专用应急电源变压器会占据较大机房位置,平时不用,如果不通电难以确保停电时的可靠性,如果平时通电则长期空载运行,并不节能。另外从10 kV柴油发电机出口端这个10 kV回路并未将消防和重要负荷分开,严格意义上与《加强性技术要求》并不完全一致。如果10 kV柴油发电机出口就分开消防和重要负荷的回路,电缆造价增加的同时,应急专用变压器也要分设,会占据更大机房面积和增加造价,经济性较差,不建议采用。

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c.方案C(如图4所示),在与业主、顾问的方案讨论会中,也有建议采用方案C。诚然,在10 kV配电中心处,将柴油发电机组提供的应急电源和市电切换后,再统一配出至各个分区变电所,可以节省大量的10 kV线缆,也避免了末端的10 kV切换装置,可以节约造价和机房面积,但正由于其市电和柴油发电机电源是切换后配出的,普通市电电源和柴油发电机应急电源兼用同一配电线路,与《加强性技术要求》提出的“柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段”并不一致,所以采用这种方案需要谨慎。

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综上所述,本项目还是采用了方案A,满足加强性技术要求的同时,兼顾经济性,占用的避难 / 机电层机房面积也相对较小。

关于电缆选型

如果说电能是人体的血液,供电线缆就相当于人体的血管,其可靠性尤其是火灾情况下的可靠性,对于建筑物来说至关重要。对于超高层建筑的电线电缆选型,多本规范都有提及,如《建规》、DGJ 08 - 2048 - 2016等。其中《建规》10.1.10第3款提到:“消防配电线路宜与其他配电线路分开敷设在不同的电缆井、沟内;确有困难需敷设在同一电缆井、沟内时,应分别布置在电缆井、沟的两侧,且消防配电线路应采用矿物绝缘类不燃性电缆”。DGJ 08 -  2048 - 2016虽然是一本上海地标,但由于上海地区的超高层建筑在国内属于最多最密集的,也对其他地区的建筑电气设计有较强的借鉴意义,其中提到建筑高度大于100 m的建筑,普通设备配电应采用阻燃A级的电缆,建筑高度大于250 m的建筑还应采用通过现行国家标准《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247中的B1级试验的产品,也是比较超前的提法。对于超过250 m以上的超高层建筑,最全面的还是《加强性技术要求》提出的以下要求:

“第二十五条 消防供配电线路应符合下列规定:

1 消防电梯和辅助疏散电梯的供电电线电缆应采用燃烧性能为A级、耐火时间不小于3.0 h的耐火电线电缆,其他消防供配电电线电缆应采用燃烧性能不低于B1级,耐火时间不小于3.0 h的耐火电线电缆。电线电缆的燃烧性能分级应符合现行国家标准《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247的规定;

2 消防用电应采用双路由供电方式,其供配电干线应设置在不同的竖井内;

3 避难层的消防用电应采用专用回路供电,且不应与非避难楼层(区)共用配电干线。

第二十六条 非消防用电线电缆的燃烧性能不应低于B1级。非消防用电负荷应设置电气火灾监控系统。”

这里要注意的是建筑高度大于250 m的超高层建筑,其消防电缆可以有两种要求,其中消防电梯和辅助疏散电梯的供电电缆要求最高,燃烧性能为A级,对于其他消防供配电电线电缆可以放宽到B1级,但耐火时间都是不小于3.0 h,且其燃烧性能分级都是依据《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247的规定。这里尤其要注意的,这个燃烧性能B1级与我们平时经常说的低烟无卤阻燃B级,参照标准和含义完全不同。通常我们说的低烟无卤阻燃级别A / B / C / D等,源自GB / T 18380《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验》系列标准,最早见诸设计规范是上海地标DGJ 08 - 93- 2002《民用建筑电线电缆防火设计规程》(已作废),以及其后续版本DG / TJ 08 - 2048 - 2008《民用建筑电气防火设计规程》(已作废),分别依据的是GB / T 18380.1 ~ 3 - 2001《电缆在火焰条件下的燃烧试验》(已作废)和GB / T 18380 - 2008两个版本,其源头都是IEC 60332 - 3:2000《电缆在火焰条件下的燃烧试验》。主要都是在不同的火焰燃烧条件下(其中A、B级是相同的40 min,C、D级是相同的20 min),同等的焦化高度和自熄时间情况下,阻燃级别更高的电缆,非金属含量多的电缆也能达到同等的焦化高度和自熄时间,实际上就允许敷设更多的高阻燃级别的电缆。而GB 31247 - 2014《电缆和光缆燃烧性能分级》则是一本完全国产的规范,由公安部提出,公安部XX消防研究所负责起草,主要就是针对火灾情况下电缆和光缆的燃烧性能进行的分级,其燃烧性能等级判据如表2所示。

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可以看到,要能达到燃烧性能A级,其所依据的试验方法为GB 8624 - 2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》,是将其作为建筑材料和制品放进燃烧炉内进行燃烧试验的,而B1和B2级则都还是用的电缆行业的燃烧试验标准,在钢梯架子上用丙烷喷灯燃烧,这是有质的差别的。另外表注说明需要特别注意:“对整体制品及其任何一种组件(金属材料除外)应分别进行试验,测得的整体制品的总热值以及各组件的总热值均满足分级判据时,方可判定为A级”,笔者认为,如果对电缆其线芯(金属材料)以及外包绝缘层耐火层分别试验,都要满足判据,那外包绝缘层如果是有机绝缘材料或有机阻燃材料,基本上都不可能通过A级燃烧性能试验。从多家电缆厂家了解到的情况来看也是如此,能满足燃烧性能A级的基本是传统意义上的铜护套刚性氧化镁矿物绝缘电缆,市面上比较多的根据各家厂标生产的柔性矿物绝缘电缆,虽然可以通过950 ℃ 3 h的耐火试验,但基本都无法满足燃烧性能A级试验,只有其中一部分可以达到燃烧性能B1级。

由此可见,对于250 m以上超高层建筑而言,《加强性技术要求》对消防电梯、辅助疏散电梯的配电要求是采用氧化镁矿物绝缘电缆,而其他消防设备的供电线缆,规范允许可以适当降低要求采用矿物绝缘类不燃性电缆,前提是能通过燃烧性能B1级试验。

另外需要注意的是,《加强性技术要求》还要求非消防用的电线电缆也需要满足燃烧性能B1级试验,笔者也就这一产品作了一番市场调研,满足低烟无卤的电缆产品可以标注为WDZB1 - YJY,但是大部分业主和招标单位对此型号并不熟悉,甚至有当作WDZB - YJY产品处理的情况发生,实际上能达到B1级燃烧性能试验的交联聚乙烯电缆需求较少,出货量小,大部分都不出现在电缆样本中,但一些电缆行业的龙头企业都有生产,成本会高于WDZA - YJY电缆,在设计交底中最好与业主方明确二者的区别。

关于超高层建筑电气竖井的设置

电气竖井是建筑内上下贯通的供电气各系统管线敷设的井道,可以和楼层强弱电间合用,也可单独设置。超高层建筑区段多,各个区段电梯数量也多,根据不同功能,核心筒的布置可能有较大差异,对电气竖井的设置带来了较大的设计难度,合理规划电气竖井并与其他机电专业井道、电梯井道共同整合在核心筒有限的面积内,往往也是超高层建筑设计的难点所在。通常情况下超高层项目,按照防火分区设置强电低压区间竖井、跨区间的强电干线竖井,重要项目会将高压及应急竖井分开设置,弱电竖井多为1个或2个,250 m以上超高层一般设置至少两个弱电竖井。

图5为本项目超高层建筑低区标准层竖井布置。

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对于其面积,一般情况下遵照JGJ 16 - 2008《民用建筑电气设计规范》设置电气竖井,确保高、低压及消防应急电源电气线路之间的安全距离不小于0.3 m或采取隔离措施,以及消防配电箱、端子箱前的安全操作距离不小于0.8 m的要求。同时,《建规》还对消防配电线路提出了更严格的要求,10.1.10第3款提到“消防配电线路宜与其他配电线路分开敷设在不同的电缆井、沟内;确有困难需敷设在同一电缆井、沟内时,应分别布置在电缆井、沟的两侧,且消防配电线路应采用矿物绝缘类不燃性电缆”。通常项目满足上述规范要求,布置好桥架、母线和配电箱,同时考虑一定的预留空间即可。但是对于250 m以上的超高层建筑,《加强性技术要求》提出了更高的要求,其二十五条第2款要求“消防用电应采用双路由供电方式,其供配电干线应设置在不同的竖井内”。这里的消防用电,应指从各个分区变压器配出的,引至末端消防用电设备双电源切换箱的双路电源。对于有两个防火分区的标准层,可以考虑两个低压强电间放置其消防低压常用电缆,其消防低压备用电缆可考虑放在另一个防火分区强电间内,同时需注意,强电间内的消防桥架和非消防桥架需要设置于强电间的两侧。如有专门的高压竖井或应急竖井,也可将消防低压备用电缆设于其中,都是满足规范要求的。

可以看到,本项目低区标准层设置两个防火分区,各设一个低压强电间兼竖井,高压竖井与发电机供电竖井也单设,每个防火分区的消防常 / 备用电缆分竖井设置,常用电缆设置在区间本防火分区低压强电间兼竖井内,备用电缆设置在另一防火分区低压强电间兼竖井内。此处需要注意,如有消防疏散电梯和消防电梯,且采用与其他消防设备不同的消防专用电缆,建议分桥架敷设。即使同样在高压竖井和发电机应急竖井内,不同业态的电缆桥架也作了区分,中压发电机的消防用电缆和重要负荷电缆也分桥架敷设,尽量确保可靠性。