数据中心机房综合管线支架设置方案比选

王金辉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

近年来，在全球经济数字化转型的浪潮中，我国数字经济发展进入加速期，数字产业化和产业数字化已经成为国家发展数字经济的重要抓手。数据中心作为数据服务的重要载体，无疑是数字经济发展核心基础设施和重要支撑，其建设规模也逐年增长。

数据中心机房装有各类数据服务器、环境保障设备，这些设备通过众多不同功能的管线联通起来，组成了复杂的数据服务系统。这些种类繁多、功能各异的管线，在设计阶段需要各专业协商整合，进行综合集成，以满足节约空间、方便安装维护、节能环保等要求。目前，机房综合管线较多采用上走线无吊顶安装方式，这种方式可以较好满足机房下送风精确制冷、充分利用机房净空、设备布局调整、维护管理等需求，常规的上走线方式需要在机房顶板预先钻孔，采用后置锚栓安装大量吊杆，对上部楼板造成较大的损伤，削弱楼板的承载力。如果锚栓定位不准，后期桥架安装中还得重新打孔增加吊杆，费时费力。

本文结合某数据中心项目机电工程案例，提出综合管线支架优化设计的不同方案，并通过对比，确定工程实施的最佳解决方案。

1 项目概况

某数据中心项目位于江苏省大数据示范园区，该园区是中国电信集团“2+4+31+X”战略的重要组成部分，建设用地 306 亩，总投资 120 亿元，规划建设数据机楼 10 幢、机架容量 3 万架，服务器 45 万台。该园区数据中心是在“新基建”背景下按照国际最新标准建设的新一代绿色数据中心，园区建成后将成为中国电信集团“天翼云”长三角重要节点。项目一期土建工程建设数据机房一栋，机房主体四层，机房总建筑面积20 577.02 m2，地上建筑面积 19 914.20 m2。采用钢筋混凝土框架结构，典型柱网尺寸为 9.9 m×10.2 m，主梁截面高度 950 mm，梁板采用井字梁方案。目前该数据中心已安装 2 400 个机架、4 万台服务器，可持续为华东地区用户提供工业互联网、5G、边缘计算等大数据服务。

该项目一期机电工程确定综合管线采用上走线无吊顶安装方式。在施工准备阶段，面对投资受限、工期紧张的情况，参建各方研讨后提出在机房顶板下结构梁间设置吊挂转换钢支架，再用吊杆将各类管线桥架固定于该转换支架，解决传统的楼板下直接锚筋吊挂方式的不利影响。因此，支架选型，是综合支架顺利安装的重中之重，也是安装质量及现场管理的重要保障，综合管线支架方案的合理确定成了参建各方共同关心的问题。

2 综合管线设计要求

机电安装过程过程中具有管道集中、种类繁多、施工环境差、安全隐患多等特点［1］，管线涉及工艺电源、机柜、消防、智能化、通信、暖通、电气、传输等多个专业，如果各自单独施工，难免造成布局混乱、桥架冲突、空间过度占用，从而导致承托桥架用量多、建设成本高的问题。因此，在机电设计阶段，需要由工艺专业牵头，依据设计规范及施工工艺标准，对各专业管线进行统筹规划、综合集成，并合理布置管线支架，做到安全可靠、经济合理、整齐美观，并满足施工、操作、维修等所需的间距要求［2］。

2.1 综合管线支架的布置要求

本项目结构梁呈井字形布置，相邻次梁轴线间距3.1～3.5 m，根据机房综合管线集成设计条件，每条综合管线桥架在路由方向均有结构主梁和次梁可供桥架吊杆安装，本次只需在每个板块区域增设两道转换钢支架，新增支架间最大间距 1.5 m，钢支架钢梁与管线路由方向垂直布置，两端采用后置锚栓固定于结构侧面。

2.2 综合管线桥架荷载

根据各专业提资，本次需要吊挂于结构梁和管线支架的线缆桥架主要有工艺电源、弱电智能化、机柜数据、电气照明、通风风管、气消管道等设施。在管线钢支架跨度范围内，吊装 1～2 列综合管线桥架，典型断面如图1 所示。

图1 综合管线桥架布置典型断面图

吊装在支架上的桥架主要分单层和双层两种，其中，双列双层桥架及附属件总重 420 kg/m，智能化桥架及附属件总重 35 kg/m，智能化冷媒管桥架及附属件总重 100 kg/m、风管及附属件 60 kg/m、部分双层智能化和配电桥架及附属件总重 620 kg/m、监控桥架及附属件总重 50 kg/m。个别区域三层智能化和配电桥架及附属件总重 720 kg/m。

根据上述综合管线桥架荷载、吊挂设施安装需求，并考虑后期桥架的可扩展性和维护需求，对转换钢支架上的附加荷载按照荷载等效原则进行简化，按照钢支架梁上均布作用的附加荷载不超过 8 kN/m，集中作用的总附加荷载不超过 16 kN为设计使用条件。

3 管线吊架方案比选

结合以上机房综合管线设计在路由排布、安装需求、荷载分布等方面因素和建筑结构梁板布置的具体情况，并考虑方案实施的合理性，提出以下两种综合管线支架方案，并进行方案比选。

3.1 方案一：螺栓组装式工字钢支架

方案一支架主要由主钢梁、支架锚固件和装配螺栓三大部分组成，支架锚固板由锚固螺栓、锚固端板和连接板组成，主要构造如图2 所示。

图2 方案一支架构造

1）主钢梁。采用热轧普通 14# 工字钢，材料强度为Q345B。钢梁两端分别留设 2 个φ18 mm×56 mm 安装腰形孔，钢梁长度以钢梁安装端相邻次梁之间净距扣减60 mm 确定。

2）支架锚固件。锚固端板边长 230 mm×230 mm， 厚度 12 mm，锚板连接板采用 150 mm×100 mm，厚度8 mm，连接板与端板采用双面角焊缝焊接，焊缝高度6 mm，锚固端板采用 4M16 倒锥形化学锚栓，锚固于结构次梁侧面中部。

3）支架组装方式。支架主钢梁两端与支架锚板连接板采用 2M16 安装螺栓组装。

施工顺序：现场放线定位——后置锚栓施工——锚板制作、安装——主钢梁组装——线缆吊杆及走线架安装。

3.2 方案二：插承装配式方管钢支架

方案二支架主要由插接主梁、承插端锚固件和限位螺栓三大部分组成，承插端锚固件由锚固螺栓、锚固端板、承插外管、斜杆和加劲板板组成，主要构造如图3 所示。

图3 方案二支架构造

1）插接主梁。采用热轧普通矩形管 100 mm× 40 mm×6 mm，材料强度为 Q355 B，矩形管两端根据需要留设 2～3 个限位螺栓孔，方便调节。插接主钢梁长度为可调变值，本工程主钢梁长度取最短长度 2 200 mm，以体现经济性。

2）承插端锚固件。承插外管内径需要比插接主梁外径稍大一些，采用 120 mm×60 mm×6 mm，并在合适位置留设限位螺栓孔。锚固端板边长为 230 mm× 480 mm，厚度 20 mm，斜杆采用 60mm×40 mm×6 mm矩形管。承插外管、斜杆分别与锚固端板对接围焊，角焊缝高度 6 mm。加劲板采用 6 mm 厚钢板，与斜杆、承插外管、锚固端板采用焊接连接。锚板端板采用6 M16 倒锥形化学锚栓，锚固于结构次梁侧面中部。

3）支架装配方式。在一端承插锚固件固定后，将主钢梁插入该端锚固件承插外管内，待另一端锚固件安装后，将主钢梁插入另一端承插外管，调整主梁插入两端承插外管的长度，位置合适后采用限位螺栓固定。

施工顺序：现场放线定位——后置锚栓施工——锚固件制作——一端锚固件安装——主钢梁承插——另一端锚固件安装——主钢梁调节、固定——线缆吊杆及走线架安装。

3.3 两种方案的对比

针对上述两种不同支架设计方案，分别从构件用料、施工可调节的灵活性、进度保证性等维度进行比较。

3.3.1 构件用料方面

根据两种支架方案设计图纸测算，两种方案支架单套构件用料对比如表1 所示。由表中数据可见，方案一构件数量少，用钢量低，锚固螺栓数量少，构件连接焊缝少，钻孔锚固、构件焊接、构件组装工序的工作量小，施工周期短。

表1 两种方案支架单套构件用料对比

3.3.2 施工可调节性方面

以案例项目标准层为例，楼板井字梁结构典型的混凝土结构梁净距为 3.1 m，计算所得的两种方案支架施工可调节长度对比如表2 所示。

表2 两种方案支架施工可调节长度对比

不难看出，方案一的主钢梁两端均设置有腰形孔可供安装过程中调节位置、长度，但可调节灵活性较小，可调整长度范围主要便于解决现场施工误差，适用于结构梁间距变化较小，现场根据结构梁间距下料的工程场景。方案二支架以其插承装配的构造优势，支架可调节长度范围较大，可以满足结构梁间距基本相近、但变化稍多的工程场景。

3.3.3 施工安装耗时方面

为了比较两种支架方案在施工进度保证性方面优劣，现场作业人员根据不同方案分别进行了验证性施工，并对不同方案支架的不同工序耗用时长进行统计，相关数据如表3 所示（表中支架构件的焊接作业为工厂作业时长）。

表3 两种方案支架不同工序耗用时长

通过比较，方案一支架构造简单、构件数量少、锚栓和焊接时间短，两端锚固件更便于同时安装，施工相对快捷。而方案二构件数量多、锚栓和焊接工作量相对较大，为保证中间钢梁两端顺利插接，支架两端的锚固件需要先后错时施工，才能保证插接准确，相比而言，整体工序耗用时间较长。

3.3.4 综合优劣势比较

结合上述比较，并结合案例项目验证情况，对两种支架方案的主要优劣势进行综合比较，具体如表4 所示。

表4 两种方案支架综合优劣势比较

综合以上各方面比较，考虑到本项目结构梁布置较为规则、相邻结构梁间距变化不多、项目工期紧张、施工作业面窄等特点，经各方讨论并征求现场作业人员意见，最终确定方案一为案例项目实施方案。

4 选定方案的实施效果及工程建议

在案例项目一期机电安装工程实施中，共计安装方案一支架 563 套、M16 化学锚栓和 M16 安装螺栓各4 504 颗、锚固端板和连接板各 1 126 块，工程应用实景图如图4 所示。据测算，支架部分投资约 30 万元，支架安装周期 30 d，有力保证了项目当期机电安装工程从招标到交付总工期 100 d 的既定目标，创造了同类项目同等规模数据机房机电安装施工的“新速度”。

图4 方案一工程应用实景图

在案例项目实践中，支架施工还出现个别支架高度二次调整、锚栓拉拔力不足的情况，对后期项目提出以下建议。

1）施工前尽量应用 BIM 技术对支架布置位置、标高等进行更加细致的调整、优化，进一步提高施工效率、节约投资。

2）支架施工中化学锚栓安装工序质量尤为重要，需选用优质结构胶，严格把控钻孔、清孔、注胶、固化时间等工艺参数，确保锚栓拉拔力试验满足设计要求。

5 结语

本文结合某数据中心项目案例，通过在顶板结构梁间增设转换钢支架的方式，解决了传统机房综合管线锚筋吊挂安装方式的不足，提出了两种不同综合管线支架结构方案，并从构件用料、施工可调节性、各工序耗用时长、综合优劣势等方面进行了验证性对比，最终选用螺栓组装式工字钢支架方案为工程实施方案，通过案例工程应用，该方案构造简单、造价低、施工快，值得类似项目参考。Q