工程實(shí)踐丨大型綜合體項目機電一體化設計探究——蘇州灣文化中心項目案例
蘇州灣文化中心由中衡設計與法國包贊巴克建筑事務(wù)所作為聯(lián)合體與蘇州市吳江城市投資發(fā)展有限公司簽訂設計總包合同，提供包括建筑主體、機電、聲學(xué)、舞臺工藝、燈光音響、室內設計、幕墻、景觀(guān)等在內的全專(zhuān)業(yè)、全過(guò)程一體化設計。在整個(gè)設計建造過(guò)程中，中衡設計高質(zhì)量高標準的專(zhuān)業(yè)整合一體化設計成果、全過(guò)程現場(chǎng)服務(wù)，以及施工技術(shù)指導，保證了項目高品質(zhì)的實(shí)現。其中機電工程從方案、施工圖到現場(chǎng)施工指導，均由中衡設計完成。如此大規模的綜合體機電系統格外復雜，下文便探討了在這樣的情況下如何通過(guò)機電一體化的通盤(pán)考慮與設計來(lái)實(shí)現建筑整體效果的最佳以及機電系統運行的最優(yōu)。
本文來(lái)源：智能建筑電氣技術(shù)雜志（ID：znjzdqcmjg）
相關(guān)內容刊登于《智能建筑電氣技術(shù)》雜志2021年6月刊
作者：傅衛東，王祥，杜廣亮，王志翔 中衡設計集團股份有限公司
【導讀】綜合體項目里機電系統復雜，需要通過(guò)機電一體化的通盤(pán)考慮與設計來(lái)實(shí)現建筑整體效果的最佳以及機電系統運行的最優(yōu)。本文以蘇州灣文化中心項目為例對機電一體化實(shí)現的體制保障以及具體實(shí)踐做法進(jìn)行了分析，提出了設置機電項目經(jīng)理、機電管線(xiàn)綜合分工、水暖設備自控界面以及機電融合為建筑服務(wù)的理念供設計同行參考。
大型綜合體項目機電一體化設計探究
——蘇州灣文化中心項目案例
文/傅衛東，王祥，杜廣亮，王志翔
中衡設計集團股份有限公司
引言
國內的建筑設計院體系里一般是按照專(zhuān)業(yè)劃分部門(mén)的居多，建筑、結構、水、暖、電各有自己的專(zhuān)業(yè)院或者專(zhuān)業(yè)部，水暖電三個(gè)專(zhuān)業(yè)間往往都覺(jué)得自己的專(zhuān)業(yè)重要性要高過(guò)其他兩個(gè)專(zhuān)業(yè)，誰(shuí)也不服氣誰(shuí)。
一個(gè)成功的建筑不僅僅是靠漂亮的造型，合理的布局與流線(xiàn)，如果機電系統不能正常運轉就是一個(gè)無(wú)法使用的廢物，水暖電三個(gè)專(zhuān)業(yè)少了誰(shuí)都不行，無(wú)論是機電的哪個(gè)專(zhuān)業(yè)，說(shuō)到底都是為了建筑服務(wù)的，都是為了實(shí)現建筑的功能，確保環(huán)境的舒適與安全而存在的。尤其電氣專(zhuān)業(yè)是天生的服務(wù)性專(zhuān)業(yè)，我們很大的一部分工作量就是為水暖設備供電與控制，這些設備能正常運行了，建筑也就具備了基本的使用條件。中國傳統的哲學(xué)里講到做人的最高境界是“無(wú)我利他”、“上善若水，水善利萬(wàn)物而不爭”，其實(shí)對應到機電設計上也是一樣的，設計時(shí)多想想其他專(zhuān)業(yè)，能讓別的專(zhuān)業(yè)最舒服這是一個(gè)好的設計的基本前提。
大型的綜合體項目往往匯集了多種業(yè)態(tài)，有多個(gè)經(jīng)營(yíng)及使用的主體，不同的業(yè)態(tài)及主體對有不同的要求，因此機電系統格外復雜，在這樣的情況下更需要通過(guò)機電一體化的通盤(pán)考慮與設計來(lái)實(shí)現建筑整體效果的最佳以及機電系統運行的最優(yōu)。本文結合蘇州灣文化中心項目的工程實(shí)例對此問(wèn)題進(jìn)行探討，供各位同行參考。
項目簡(jiǎn)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(wàn)平方米。沿著(zhù)城市軸線(xiàn)分布南北兩個(gè)片區，北側包括一個(gè)可容納1600座的大劇院、一個(gè)可容納600座的戲劇廳，10余間排練廳、IMAX影城和湖景餐廳；南側包括吳江博物館，規劃展示館，會(huì )議中心。兩者通過(guò)飄逸的雙曲絲帶造型鋼結構巨型天幕連通，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(shù)立了湖區時(shí)代的文藝新典范，開(kāi)業(yè)后迅速成為了蘇州乃至周邊地區的網(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(shí)景（左側為大劇院）
蘇州灣文化中心機電設計與安裝概況
作為一個(gè)兼具了劇院、影院、博物館、規劃展示館和大型會(huì )議中心以及商業(yè)的綜合體項目，出于運營(yíng)的需求不同業(yè)態(tài)之間的機電系統均需要獨立設置。同時(shí)因為雙曲絲帶的造型，機電系統的管線(xiàn)在地上部分基本上沒(méi)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、結構方案、內裝與景觀(guān)方案均由境外合作事務(wù)所提供，但是機電專(zhuān)業(yè)從方案開(kāi)始就完全是由本院設備專(zhuān)業(yè)配合境外建筑師事務(wù)所開(kāi)展的，機電專(zhuān)業(yè)的三個(gè)負責人曾專(zhuān)程前往巴黎與法國建筑設計大師共同工作過(guò)一段時(shí)間，用了一周不到的時(shí)間即敲定了設備方案以及主要的設備站房和管線(xiàn)路徑。此外還有和境外的聲學(xué)顧問(wèn)、舞臺機械、舞臺燈光顧問(wèn)公司的配合。從初設，施工圖一直到最后的裝修設計和招商機電末端點(diǎn)位的修改以及全程的現場(chǎng)檢查，實(shí)現了全過(guò)程的完整服務(wù)。
下面簡(jiǎn)單列舉下本工程中的主要機電工程：
電氣專(zhuān)業(yè)4個(gè)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(kāi)關(guān)柜，150臺0.4kV低壓開(kāi)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(xiàn)，51000米橋架，47.6萬(wàn)米電纜，134.6萬(wàn)米各類(lèi)電線(xiàn)，應急照明燈具13000套，室外泛光照明點(diǎn)光源9900個(gè)，投光燈196套，景觀(guān)照明燈具200套。兩個(gè)消控與安防中心，12500個(gè)火災自動(dòng)報警探測器，手報按鈕987個(gè)，紅外對射探測器36套，各類(lèi)高清攝像頭1800余個(gè)?？照{專(zhuān)業(yè)2個(gè)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(fēng)機，172臺消防送風(fēng)及正壓風(fēng)機，245臺VRV機組，875臺風(fēng)機盤(pán)管，風(fēng)管長(cháng)度56625米，冷熱水管46527米，消音器432個(gè)，水管風(fēng)管減震支架1200余副。給排水專(zhuān)業(yè)2個(gè)消防泵房，2個(gè)生活泵房，8個(gè)氣體滅火機房，2個(gè)雨水回收機房，2個(gè)太陽(yáng)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米室內消防管線(xiàn)，4500米室外雨污水管線(xiàn)…..
蘇州灣文化中心的機電安裝造價(jià)超過(guò)了3個(gè)億，施工周期長(cháng)達60個(gè)月，最高峰時(shí)進(jìn)場(chǎng)機電專(zhuān)業(yè)施工人員達400人。
機電一體化設計的具體實(shí)踐
3.1 機電一體化設計需要有相應的保障機制
從上節列舉的工程量上可以看出機電的每一個(gè)專(zhuān)業(yè)都有相當大的工作量，這還只是一個(gè)22萬(wàn)平方的綜合體，現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置與系統最優(yōu)是遠遠不夠的，機電專(zhuān)業(yè)之間存在著(zhù)大量的協(xié)調工作，傳統的建筑設計院里項目總師一般都是由建筑專(zhuān)業(yè)擔當，對機電系統缺乏比較深入的了解。舉個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，當設備的三個(gè)專(zhuān)業(yè)同時(shí)看上了某處位置要拿來(lái)作為自己的站房或者管井的時(shí)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(shuō)機電專(zhuān)業(yè)你們自己去吵吧，結果最后誰(shuí)的嗓門(mén)大誰(shuí)就占據了最好的位置，這顯然不是最好的解決方案。
那么為什么不能在設計體系里就設定一位機電專(zhuān)業(yè)的協(xié)調人來(lái)處理類(lèi)似這樣的問(wèn)題呢？不僅僅是設計階段，將來(lái)施工階段碰到的凡屬于機電專(zhuān)業(yè)的內部矛盾與協(xié)調也是統統交由此人處理，協(xié)調好了以后再統一對土建專(zhuān)業(yè)提資或者統一對外呢？從技術(shù)上來(lái)說(shuō)這樣做是可行的，資深的水暖電工程師在精通本專(zhuān)業(yè)知識的同時(shí)對其他兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的基本常識還是了解的，可以勝任這樣的工作。不過(guò)，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(méi)錢(qián)的事是很少有人會(huì )主動(dòng)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，在中衡設計凡屬于復雜的公建項目都會(huì )在項目啟動(dòng)的同時(shí)指定專(zhuān)門(mén)的機電項目經(jīng)理，機電項目經(jīng)理一般由參與項目設計的機電專(zhuān)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(lái)說(shuō)，機電項目經(jīng)理協(xié)調完了水暖電智能化專(zhuān)業(yè)的管井需求之后，提給土建專(zhuān)業(yè)的就是如下的一張整合在一起的資料圖，建筑專(zhuān)業(yè)會(huì )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(xiàn)綜合
說(shuō)到機電一體化，管線(xiàn)綜合是繞不開(kāi)的話(huà)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(méi)有對應的產(chǎn)值那同樣不會(huì )有專(zhuān)業(yè)主動(dòng)來(lái)承擔，怎么辦呢？按照常理，室內管線(xiàn)里風(fēng)管最大最不靈活，那么室內管線(xiàn)匯總應由暖通專(zhuān)業(yè)負責，室外管線(xiàn)水管最大最多，室外管線(xiàn)匯總應由給排水專(zhuān)業(yè)負責，這部分機電管線(xiàn)匯總的工作量在本院是予以承認的，產(chǎn)值由不承擔管線(xiàn)匯總的其他專(zhuān)業(yè)折讓?zhuān)罱K體現在各專(zhuān)業(yè)相應的產(chǎn)值比例里。
文化中心項目在2013年開(kāi)始設計的時(shí)候BIM技術(shù)還不像現在這么成熟，尚不具備完全利用BIM來(lái)進(jìn)行正向設計的條件，所以機電各個(gè)專(zhuān)業(yè)是在平面上先畫(huà)完主管線(xiàn)然后再在機電項目經(jīng)理的主持下完成管線(xiàn)匯總。匯總時(shí)按照以下原則：噴淋管基本穿梁，先風(fēng)管后水管，先大管后小管，先無(wú)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(zhuān)業(yè)給出如下的節點(diǎn)剖面并反映在設備三個(gè)專(zhuān)業(yè)的施工圖內。
圖3 機電一體化管線(xiàn)匯總剖面
圖4 機電一體化管線(xiàn)安裝實(shí)景
當然由于建筑造型的特殊性，全部管線(xiàn)基本完成后還是要再反過(guò)來(lái)利用BIM建模進(jìn)行驗證，仍然發(fā)現了不少問(wèn)題，特別是那些在平面上很難發(fā)現的問(wèn)題，比如說(shuō)：由于墻面斜度較大，同一樓層頂面和地面的輪廓線(xiàn)差別較大，平面圖中較難表達此部分內容，設備專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)位置定位在平面圖中看是對的，在實(shí)際中其實(shí)已經(jīng)出了建筑外墻，如下圖所示：
圖5 機電管線(xiàn)局部BIM驗證
這樣逐層機電管線(xiàn)疊加驗證并修改，最后形成一個(gè)完整的三維管線(xiàn)模型。三維模型設計完成后交付給了施工單位，對施工過(guò)程給予了非常好的指導作用。需要指出的是BIM進(jìn)行管線(xiàn)匯總發(fā)現有比較嚴重的碰撞問(wèn)題時(shí)，具體應如何進(jìn)行避讓仍需要在機電項目經(jīng)理主持下進(jìn)行，而不是由BIM制圖人員來(lái)自行調整。
圖6 大劇院地上部分完整的機電3維管線(xiàn)
特別具有挑戰意義的管線(xiàn)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(lè )演奏、會(huì )議、歌劇演出時(shí)都具有最佳的聲學(xué)混響效果，建筑師創(chuàng )造性地采用獨特的整體升降吊頂來(lái)實(shí)現這一國內最大體積的可變混響觀(guān)眾廳（增減4700立方米），管線(xiàn)綜合時(shí)除了要考慮大劇院上空本身的機電管線(xiàn)還要將聲學(xué)吊頂的鋼結構、耳光室結構、舞臺燈光管線(xiàn)以及檢修馬道，舞臺音響管線(xiàn)等綜合排布，最后是在機電REVIT模型里導入舞臺機械的solidworks模型和結構犀牛模型后才完成了這部分的管線(xiàn)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)于機械設備的控制）
除了管線(xiàn)的綜合，機電一體化里還有很重要的一塊就是空調以及給排水設備的自動(dòng)控制，在國內的建筑設計院體系里，水暖設備的自控毫無(wú)疑問(wèn)是電氣工程師或者弱電工程師們的設計范圍，所以電氣工程師不僅僅要負責配電，更要為水暖系統是不是能夠正常運行與自動(dòng)調節擔責。最后水暖系統的效果如果未能達到之前的設計要求，那到底是電氣的責任還是水暖自身的問(wèn)題又是一筆糊涂賬。本院做過(guò)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(wù)所完成了初步設計。歐美實(shí)行的是建筑師負責制，所以初步設計里除了建筑專(zhuān)業(yè)圖紙和技術(shù)描述外，還同樣有建筑師事務(wù)所委托的境外機械事務(wù)所（負責水暖專(zhuān)業(yè)）和電氣事務(wù)所完成的設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(zhuān)業(yè)）的自控點(diǎn)位要求甚至是DDC系統的詳細描述都是在機械事務(wù)所提供的技術(shù)文件里體現的，進(jìn)一步的和境外機械事務(wù)所的交流中發(fā)現在境外的工程中基本上水暖設備的控制都是由設備自己配套的控制箱來(lái)實(shí)現的，電氣專(zhuān)業(yè)只負責配電給控制箱即可，這樣機械專(zhuān)業(yè)就完全對自己設計的這個(gè)系統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，空調系統的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機與制冷機組一起實(shí)施群控系統，群控的要求由空調專(zhuān)業(yè)提供，所需要的配套動(dòng)力控制箱及自控系統也放在暖通專(zhuān)業(yè)范圍內招標，生活水泵、污水提升泵等統統自帶控制柜，這樣基本上只有消防風(fēng)機和消防水泵的控制箱是需要電氣專(zhuān)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備均自帶控制柜，接入BA系統。
這樣的機電一體化思路下，機械專(zhuān)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(zhuān)業(yè)提供的AHU控制拓撲圖
對應的電氣專(zhuān)業(yè)的系統圖就只需要為每臺AHU的配套控制箱配電即可，圖中只反映控制箱的進(jìn)出動(dòng)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 空調機房?jì)劝惭b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(gè)制冷機房的冷熱源系統空調專(zhuān)業(yè)也有群控的解決方案，包含所有的制冷機組、鍋爐系統、冷熱水循環(huán)水泵、冷卻塔、板換、電動(dòng)調節閥等控制與配電。和AHU機組一樣暖通專(zhuān)業(yè)同樣提供了群控系統的控制拓撲圖與詳盡的控制要求，國內現在也有機房群控比較成熟的一攬子解決方案，那為電氣專(zhuān)業(yè)為什么不樂(lè )見(jiàn)其成呢？都放在機械專(zhuān)業(yè)一起實(shí)現不香嗎？放棄了對這部分產(chǎn)品和設備的控制，我們也同時(shí)解放了自己。
圖11 制冷機房?jì)劝惭b的群控控制系統控制柜（空調專(zhuān)業(yè)提供）
文化中心項目里采用上述水暖設備自帶控制箱的做法后最后的調試過(guò)程相當順利，目前也都運行正常。這些設備自帶的控制箱最后也還是接入了BA系統，不過(guò)BA系統大多數情況下只有簡(jiǎn)單的遠程啟?？刂坪瓦\行以及故障報警監視，所有的現場(chǎng)聯(lián)動(dòng)都是設備自帶的控制箱來(lái)實(shí)現的。這樣的作法簡(jiǎn)化了機械與電氣的界面，機不異電，電不異機，其實(shí)無(wú)論機械設備的控制是放在水暖專(zhuān)業(yè)來(lái)還是放在電氣專(zhuān)業(yè)來(lái)設計，最終的實(shí)現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(shí)施的就是機電一體化的體系，所以根本沒(méi)有這部分控制內容是屬于誰(shuí)的糾結，只要保證設備正常運行系統效果完美就可以了，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建筑之美
在本文一開(kāi)始我們就提出了綜合體項目里機電專(zhuān)業(yè)是服務(wù)性專(zhuān)業(yè)，是為了實(shí)現建筑的功能而存在的，如果說(shuō)機電管線(xiàn)以及系統的的整合體現的是機電一體化的“里子”，那么明露在重要建筑共享空間里的那些機電設備就是“面子”。在這些空間里機電專(zhuān)業(yè)在實(shí)現諸如照明、供冷供熱、消防等基本功能的同時(shí)必須非常注意機電專(zhuān)業(yè)之間以及和建筑專(zhuān)業(yè)的配合。這些場(chǎng)所和建筑專(zhuān)業(yè)最好的配合就是感覺(jué)不到機電設備的存在，“水善利萬(wàn)物而不爭”就像下圖里展現的大劇院的入口大廳，乍一看去除了幾個(gè)頂面上的格柵燈好像什么機電設備都沒(méi)有，其實(shí)所有的配電箱都安裝在角落的配電間內、全部采用燈控系統自動(dòng)控制沒(méi)有現場(chǎng)的按鈕開(kāi)關(guān)；必要的消火栓箱都在墻內挖了井，前面有與墻面平齊的隱蔽的門(mén)；高大空間里的紅外對射探測器安裝在突出的側墻面上沿大廳長(cháng)軸方向對射；消防炮藏在頂面格柵與木飾面的間隙內；空調采用地送風(fēng)，風(fēng)管全走在地下室，只有落地幕墻邊上的地面送風(fēng)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、攝像頭等機電設備就更不用說(shuō)要統一地排列整齊，一切為了最好地展現建筑之美。
圖12 大劇院入口大廳機電與建筑的配合
結束語(yǔ)
本項目的機電項目經(jīng)理為給排水專(zhuān)業(yè)總工，筆者作為電氣專(zhuān)業(yè)負責人參與了全過(guò)程的設計與建設。從澆筑底板開(kāi)始機電專(zhuān)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(xiàn)的預埋預留，到后期安裝工程全面展開(kāi)時(shí)更是每周要巡視一次工地，水暖電專(zhuān)業(yè)輪流排班。不管是哪個(gè)專(zhuān)業(yè)前往現場(chǎng)，除了現場(chǎng)解決自己專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題外也都會(huì )把其他專(zhuān)業(yè)現場(chǎng)發(fā)現的問(wèn)題帶回來(lái)交由相應專(zhuān)業(yè)設計師解決，碰到涉及多個(gè)機電專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題時(shí)即由機電項目經(jīng)理召集一起討論協(xié)商，本著(zhù)整體機電一體化效果最優(yōu)，建筑展現最完美作為出發(fā)點(diǎn)和立足點(diǎn)來(lái)制定解決方案，為蘇州灣文化中心項目最后的完美收官打下了良好的基礎。
機不異電，電不異機，機既是電，電即是機。中衡設計的機電專(zhuān)業(yè)也在眾多的項目磨合中建立了良好的內部關(guān)系和大局觀(guān)，“無(wú)我利他”的理念深入人心。時(shí)至今日在本院機電總院下已經(jīng)不復存在初始設計時(shí)獨立的電氣部、給排水部和暖通部，取而代之的是數個(gè)水暖電各專(zhuān)業(yè)整合在一起的機電綜合院，設想在這種工作模式下能使機電專(zhuān)業(yè)最大程度地去除彼此之間的專(zhuān)業(yè)壁壘，更緊密地合作，更有效地服務(wù)于項目，從而配合建筑專(zhuān)業(yè)創(chuàng )造出更多像蘇州灣文化中心這樣磅礴大氣的優(yōu)秀項目。