大型綜合體項目機電一體化設(shè)計探究蘇州灣文化中心項目案例

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計大型綜合體項目機電一體化設(shè)計探究——蘇州灣文化中心項目案例0

引言國內(nèi)的建筑設(shè)計院體系里一般是按照專業(yè)劃分部門的居多，建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電各有自己的專業(yè)院或者專業(yè)部，水暖電三個專業(yè)間往往都覺得自己的專業(yè)重要性要高過其他兩個專業(yè)，誰也不服氣誰。一個成功的建筑不僅僅是靠漂亮的造型，合理的布局與流線，如果機電系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)就是一個無法使用的廢物，水暖電三個專業(yè)少了誰都不行，無論是機電的哪個專業(yè)，說到底都是為了建筑服務的，都是為了實現(xiàn)建筑的功能，確保環(huán)境的舒適與安全而存在的。尤其電氣專業(yè)是天生的服務性專業(yè)，我們很大的一部分工作量就是為水暖設(shè)備供電與控制，這些設(shè)備能正常運行了，建筑也就具備了基本的使用條件。中國傳統(tǒng)的哲學里講到做人的最高境界是“無我利他”、“上善若水，水善利萬物而不爭”，其實對應到機電設(shè)計上也是一樣的，設(shè)計時多想想其他專業(yè)，能讓別的專業(yè)最舒服這是一個好的設(shè)計的基本前提。大型的綜合體項目往往匯集了多種業(yè)態(tài)，有多個經(jīng)營及使用的主體，不同的業(yè)態(tài)及主體對有不同的要求，因此機電系統(tǒng)格外復雜，在這樣的情況下更需要通過機電一體化的通盤考慮與設(shè)計來實現(xiàn)建筑整體效果的最佳以及機電系統(tǒng)運行的最優(yōu)。本文結(jié)合蘇州灣文化中心項目的工程實例對此問題進行探討，供各位同行參考。1項目簡介

臨太湖而建的蘇州灣文化中心用地面積160畝，總建筑面積約22萬平方米。沿著城市軸線分布南北兩個片區(qū)，北側(cè)包括一個可容納1600座的大劇院、一個可容納600座的戲劇廳，10余間排練廳、IMAX影城和湖景餐廳；南側(cè)包括吳江博物館，規(guī)劃展示館，會議中心。兩者通過飄逸的雙曲絲帶造型鋼結(jié)構(gòu)巨型天幕連通，最終融入同一座宏大建筑體中。獨具一格的建筑造型與公共空間樹立了湖區(qū)時代的文藝新典范，開業(yè)后迅速成為了蘇州乃至周邊地區(qū)的網(wǎng)紅打卡地和蘇州城市文化的新名片。圖1

蘇州灣文化中心建成實景（左側(cè)為大劇院）2

蘇州灣文化中心機電設(shè)計與安裝概況

作為一個兼具了劇院、影院、博物館、規(guī)劃展示館和大型會議中心以及商業(yè)的綜合體項目，出于運營的需求不同業(yè)態(tài)之間的機電系統(tǒng)均需要獨立設(shè)置。同時因為雙曲絲帶的造型，機電系統(tǒng)的管線在地上部分基本上沒有橫平豎直的，每層的平面和空間關(guān)系都相當復雜。本項目的建筑方案、結(jié)構(gòu)方案、內(nèi)裝與景觀方案均由境外合作事務所提供，但是機電專業(yè)從方案開始就完全是由本院設(shè)備專業(yè)配合境外建筑師事務所開展的，機電專業(yè)的三個負責人曾專程前往巴黎與法國建筑設(shè)計大師共同工作過一段時間，用了一周不到的時間即敲定了設(shè)備方案以及主要的設(shè)備站房和管線路徑。此外還有和境外的聲學顧問、舞臺機械、舞臺燈光顧問公司的配合。從初設(shè)，施工圖一直到最后的裝修設(shè)計和招商機電末端點位的修改以及全程的現(xiàn)場檢查，實現(xiàn)了全過程的完整服務。下面簡單列舉下本工程中的主要機電工程：電氣專業(yè)4個變電所，12臺2000kVA的變壓器，2臺800kW常用功率的發(fā)電機組，38臺10kV中壓開關(guān)柜，150臺0.4kV低壓開關(guān)柜，1200臺末端控制箱與配電箱，50kWP光伏發(fā)電裝置，3770米密集型母線，51000米橋架，47.6萬米電纜，134.6萬米各類電線，應急照明燈具13000套，室外泛光照明點光源9900個，投光燈196套，景觀照明燈具200套。兩個消控與安防中心，12500個火災自動報警探測器，手報按鈕987個，紅外對射探測器36套，各類高清攝像頭1800余個?？照{(diào)專業(yè)2個制冷機房，8臺制冷主機（含2臺乙二醇雙工況制冷機），86臺冷凍水循環(huán)水泵，6臺燃氣鍋爐，6臺熱水循環(huán)水泵，158臺空氣處理機組，119臺排煙風機，172臺消防送風及正壓風機，245臺VRV機組，875臺風機盤管，風管長度56625米，冷熱水管46527米，消音器432個，水管風管減震支架1200余副。給排水專業(yè)2個消防泵房，2個生活泵房，8個氣體滅火機房，2個雨水回收機房，2個太陽能熱水機房，16臺冷卻塔，17臺消防水泵，11臺生活水泵，196套污水提升泵，875套消火栓，35臺消防炮，206500米室內(nèi)消防管線，4500米室外雨污水管線…..蘇州灣文化中心的機電安裝造價超過了3個億，施工周期長達60個月，最高峰時進場機電專業(yè)施工人員達400人。3機電一體化設(shè)計的具體實踐3.1機電一體化設(shè)計需要有相應的保障機制從上節(jié)列舉的工程量上可以看出機電的每一個專業(yè)都有相當大的工作量，這還只是一個22萬平方的綜合體，現(xiàn)在體量更大功能更多的綜合體比比皆是，對于這樣的項目水暖電僅保證自身的機房設(shè)置與系統(tǒng)最優(yōu)是遠遠不夠的，機電專業(yè)之間存在著大量的協(xié)調(diào)工作，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計院里項目總師一般都是由建筑專業(yè)擔當，對機電系統(tǒng)缺乏比較深入的了解。舉個很簡單的例子，當設(shè)備的三個專業(yè)同時看上了某處位置要拿來作為自己的站房或者管井的時候，建筑師是很難判斷怎樣處理才是最佳方案的，往往就是兩手一攤說機電專業(yè)你們自己去吵吧，結(jié)果最后誰的嗓門大誰就占據(jù)了最好的位置，這顯然不是最好的解決方案。那么為什么不能在設(shè)計體系里就設(shè)定一位機電專業(yè)的協(xié)調(diào)人來處理類似這樣的問題呢？不僅僅是設(shè)計階段，將來施工階段碰到的凡屬于機電專業(yè)的內(nèi)部矛盾與協(xié)調(diào)也是統(tǒng)統(tǒng)交由此人處理，協(xié)調(diào)好了以后再統(tǒng)一對土建專業(yè)提資或者統(tǒng)一對外呢？從技術(shù)上來說這樣做是可行的，資深的水暖電工程師在精通本專業(yè)知識的同時對其他兩個專業(yè)的基本常識還是了解的，可以勝任這樣的工作。不過，前提是在產(chǎn)值分配體系里必須有相應的產(chǎn)值給到這樣的角色，沒錢的事是很少有人會主動去承擔的，大家寧愿去吵架搶位置。也是在經(jīng)歷了好多項目上的教訓以后，在中衡設(shè)計凡屬于復雜的公建項目都會在項目啟動的同時指定專門的機電項目經(jīng)理，機電項目經(jīng)理一般由參與項目設(shè)計的機電專業(yè)負責人擔任，產(chǎn)值比例為項目總產(chǎn)值的4%。有了這么一位機電項目經(jīng)理后很多機電一體化的事情就順理成章了，還拿土建提資的事情來說，機電項目經(jīng)理協(xié)調(diào)完了水暖電智能化專業(yè)的管井需求之后，提給土建專業(yè)的就是如下的一張整合在一起的資料圖，建筑專業(yè)會感到非常舒服。圖2

某核心筒機電一體化提資3.2機電管線綜合說到機電一體化，管線綜合是繞不開的話題，大體量的復雜公建管道綜合也是要產(chǎn)生相當大的工作量的，如果沒有對應的產(chǎn)值那同樣不會有專業(yè)主動來承擔，怎么辦呢？按照常理，室內(nèi)管線里風管最大最不靈活，那么室內(nèi)管線匯總應由暖通專業(yè)負責，室外管線水管最大最多，室外管線匯總應由給排水專業(yè)負責，這部分機電管線匯總的工作量在本院是予以承認的，產(chǎn)值由不承擔管線匯總的其他專業(yè)折讓，最終體現(xiàn)在各專業(yè)相應的產(chǎn)值比例里。文化中心項目在2013年開始設(shè)計的時候BIM技術(shù)還不像現(xiàn)在這么成熟，尚不具備完全利用BIM來進行正向設(shè)計的條件，所以機電各個專業(yè)是在平面上先畫完主管線然后再在機電項目經(jīng)理的主持下完成管線匯總。匯總時按照以下原則：噴淋管基本穿梁，先風管后水管，先大管后小管，先無壓管后有壓管，考慮保溫及操作空間，電氣讓水暖，強電讓弱電，先兩邊后中間，根據(jù)吊頂標高預留嵌入式機電末端安裝空間，匯總完成后由暖通專業(yè)給出如下的節(jié)點剖面并反映在設(shè)備三個專業(yè)的施工圖內(nèi)。圖3

機電一體化管線匯總剖面圖4

機電一體化管線安裝實景當然由于建筑造型的特殊性，全部管線基本完成后還是要再反過來利用BIM建模進行驗證，仍然發(fā)現(xiàn)了不少問題，特別是那些在平面上很難發(fā)現(xiàn)的問題，比如說：由于墻面斜度較大，同一樓層頂面和地面的輪廓線差別較大，平面圖中較難表達此部分內(nèi)容，設(shè)備專業(yè)管線位置定位在平面圖中看是對的，在實際中其實已經(jīng)出了建筑外墻，如下圖所示：圖5

機電管線局部BIM驗證這樣逐層機電管線疊加驗證并修改，最后形成一個完整的三維管線模型。三維模型設(shè)計完成后交付給了施工單位，對施工過程給予了非常好的指導作用。需要指出的是BIM進行管線匯總發(fā)現(xiàn)有比較嚴重的碰撞問題時，具體應如何進行避讓仍需要在機電項目經(jīng)理主持下進行，而不是由BIM制圖人員來自行調(diào)整。圖6

大劇院地上部分完整的機電3維管線

特別具有挑戰(zhàn)意義的管線綜合是在1600人大劇院中，為了使同一演出大廳在作為交響樂演奏、會議、歌劇演出時都具有最佳的聲學混響效果，建筑師創(chuàng)造性地采用獨特的整體升降吊頂來實現(xiàn)這一國內(nèi)最大體積的可變混響觀眾廳（增減4700立方米），管線綜合時除了要考慮大劇院上空本身的機電管線還要將聲學吊頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)、耳光室結(jié)構(gòu)、舞臺燈光管線以及檢修馬道，舞臺音響管線等綜合排布，最后是在機電REVIT模型里導入舞臺機械的solidworks模型和結(jié)構(gòu)犀牛模型后才完成了這部分的管線綜合，最后完成的效果比較理想。圖7

大劇院的可升降吊頂3.3合適的就是最好的（關(guān)于機械設(shè)備的控制）除了管線的綜合，機電一體化里還有很重要的一塊就是空調(diào)以及給排水設(shè)備的自動控制，在國內(nèi)的建筑設(shè)計院體系里，水暖設(shè)備的自控毫無疑問是電氣工程師或者弱電工程師們的設(shè)計范圍，所以電氣工程師不僅僅要負責配電，更要為水暖系統(tǒng)是不是能夠正常運行與自動調(diào)節(jié)擔責。最后水暖系統(tǒng)的效果如果未能達到之前的設(shè)計要求，那到底是電氣的責任還是水暖自身的問題又是一筆糊涂賬。本院做過很多歐美在華投資的高端工業(yè)施工圖項目，這些項目往往都是業(yè)主委托的境外建筑師事務所完成了初步設(shè)計。歐美實行的是建筑師負責制，所以初步設(shè)計里除了建筑專業(yè)圖紙和技術(shù)描述外，還同樣有建筑師事務所委托的境外機械事務所（負責水暖專業(yè)）和電氣事務所完成的設(shè)計圖紙以及招標技術(shù)文件，讓我們感觸頗深的是關(guān)于機械（水暖專業(yè)）的自控點位要求甚至是DDC系統(tǒng)的詳細描述都是在機械事務所提供的技術(shù)文件里體現(xiàn)的，進一步的和境外機械事務所的交流中發(fā)現(xiàn)在境外的工程中基本上水暖設(shè)備的控制都是由設(shè)備自己配套的控制箱來實現(xiàn)的，電氣專業(yè)只負責配電給控制箱即可，這樣機械專業(yè)就完全對自己設(shè)計的這個系統(tǒng)是否能正常運行負責任，歐美國家的這樣一種做法是值得我們借鑒的。因此在蘇州灣文化中心的項目里我們也做了這樣的嘗試，所有的空氣處理機均自帶一對一的控制箱，空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機與制冷機組一起實施群控系統(tǒng)，群控的要求由空調(diào)專業(yè)提供，所需要的配套動力控制箱及自控系統(tǒng)也放在暖通專業(yè)范圍內(nèi)招標，生活水泵、污水提升泵等統(tǒng)統(tǒng)自帶控制柜，這樣基本上只有消防風機和消防水泵的控制箱是需要電氣專業(yè)按照國家標準圖完成，其他的需要有自控要求的水暖設(shè)備均自帶控制柜，接入BA系統(tǒng)。這樣的機電一體化思路下，機械專業(yè)需要提供如下圖所示的控制拓撲圖以及詳細的控制要求以方便訂貨：圖8

暖通專業(yè)提供的AHU控制拓撲圖對應的電氣專業(yè)的系統(tǒng)圖就只需要為每臺AHU的配套控制箱配電即可，圖中只反映控制箱的進出動力電纜，如下圖所示：圖9

AHU控制拓撲圖最后完成的效果如下圖：圖10

空調(diào)機房內(nèi)安裝的每臺AHU自帶控制箱不僅僅是單臺的空氣處理機組，對整個制冷機房的冷熱源系統(tǒng)空調(diào)專業(yè)也有群控的解決方案，包含所有的制冷機組、鍋爐系統(tǒng)、冷熱水循環(huán)水泵、冷卻塔、板換、電動調(diào)節(jié)閥等控制與配電。和AHU機組一樣暖通專業(yè)同樣提供了群控系統(tǒng)的控制拓撲圖與詳盡的控制要求，國內(nèi)現(xiàn)在也有機房群控比較成熟的一攬子解決方案，那為電氣專業(yè)為什么不樂見其成呢？都放在機械專業(yè)一起實現(xiàn)不香嗎？放棄了對這部分產(chǎn)品和設(shè)備的控制，我們也同時解放了自己。圖11

制冷機房內(nèi)安裝的群控控制系統(tǒng)控制柜（空調(diào)專業(yè)提供）文化中心項目里采用上述水暖設(shè)備自帶控制箱的做法后最后的調(diào)試過程相當順利，目前也都運行正常。這些設(shè)備自帶的控制箱最后也還是接入了BA系統(tǒng)，不過BA系統(tǒng)大多數(shù)情況下只有簡單的遠程啟?？刂坪瓦\行以及故障報警監(jiān)視，所有的現(xiàn)場聯(lián)動都是設(shè)備自帶的控制箱來實現(xiàn)的。這樣的作法簡化了機械與電氣的界面，機不異電，電不異機，其實無論機械設(shè)備的控制是放在水暖專業(yè)來還是放在電氣專業(yè)來設(shè)計，最終的實現(xiàn)還是落在負責施工的機電安裝公司身上，對于安裝公司而言他們本身實施的就是機電一體化的體系，所以根本沒有這部分控制內(nèi)容是屬于誰的糾結(jié)，只要保證設(shè)備正常運行系統(tǒng)效果完美就可以了，而這不正是大家最終追求的目的嗎。3.4機電一體化是為了最好地展現(xiàn)建筑之美在本文一開始我們就提出了綜合體項目里機電專業(yè)是服務性專業(yè)，是為了實現(xiàn)建筑的功能而存在的，如果說機電管線以及系統(tǒng)的的整合體現(xiàn)的是機電一體化的“里子”，那么明露在重要建筑共享空間里的那些機電設(shè)備就是“面子”。在這些空間里機電專業(yè)在實現(xiàn)諸如照明、供冷供熱、消防等基本功能的同時必須非常注意機電專業(yè)之間以及和建筑專業(yè)的配合。這些場所和建筑專業(yè)最好的配合就是感覺不到機電設(shè)備的存在，“水善利萬物而不爭”就像下圖里展現(xiàn)的大劇院的入口大廳，乍一看去除了幾個頂面上的格柵燈好像什么機電設(shè)備都沒有，其實所有的配電箱都安裝在角落的配電間內(nèi)、全部采用燈控系統(tǒng)自動控制沒有現(xiàn)場的按鈕開關(guān)；必要的消火栓箱都在墻內(nèi)挖了井，前面有與墻面平齊的隱蔽的門；高大空間里的紅外對射探測器安裝在突出的側(cè)墻面上沿大廳長軸方向?qū)ι?；消防炮藏在頂面格柵與木飾面的間隙內(nèi)；空調(diào)采用地送風，風管全走在地下室，只有落地幕墻邊上的地面送風格柵露在外面，排煙口隱藏在頂面格柵后，就連消防疏散指示燈為了不破壞大廳墻面的單純性也是采用了地面嵌入形式，并且還要找確地面花紋鋪裝圖案的間隔……當然在走道吊頂上所有明露的照明燈具、煙感、噴淋頭、攝像頭等機電設(shè)備就更不用說要統(tǒng)一地排列整齊，一切為了最好地展現(xiàn)建筑之美。圖12

大劇院入口大廳機電與建筑的配合4

結(jié)束語本項目的機電項目經(jīng)理為給排水專業(yè)總工，筆者作為電氣專業(yè)負責人參與了全過程的設(shè)計與建設(shè)。從澆筑底板開始機電專業(yè)即在機電項目經(jīng)理安排下定期前往工地巡查機電管線的預埋預留，到后期安裝工程全面展開時更是每周要巡視一次工地，水暖電專業(yè)輪流排班。不管是哪個專業(yè)前往現(xiàn)場，除了現(xiàn)場解決自己專業(yè)的問題外也都會把其他專業(yè)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題帶回來交由相應專業(yè)設(shè)計師解決，碰到涉及多個機電專業(yè)的問