隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和建筑水平的提高，同時也為緩解建筑用地減少，尤其是城市核心區(qū)域用地緊張的矛盾，各地興建了不少高層建筑，一、二線城市在CBD核心區(qū)也建設了不少建筑高度超過100 m的超高層建筑。其中250 m以上的超限高層建筑，建筑體量大，功能多涵蓋了辦公、商業(yè)、酒店等不同業(yè)態(tài)，人員特別密集，對于設計的要求也就更加嚴格，消防上的要求除了常規(guī)的GB 50016 - 2014《建筑設計防火規(guī)范》（2018年版，以下簡稱《建規(guī)》）以外，公安部消防局還于2018年4月發(fā)布了《建筑高度大于250 m民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》（以下簡稱《加強性技術要求》），其中對電氣設計的應急供電系統(tǒng)、豎井、線纜等都有加強技術要求。筆者以新規(guī)執(zhí)行后參與設計的一個建筑高度498m的項目為例，就幾個超高層建筑電氣設計的關鍵要點展開討論，以提供建筑電氣設計同仁一些設計思路的借鑒。
項目概況
該項目位于XX，為當?shù)氐貥私ㄖㄖ叨?98 m，包含辦公、會議、酒店、商業(yè)、地下車庫、地下人防等業(yè)態(tài)，總建筑面積383 350 m2，其中：地下部分89 569 m2，地上部分293 781 m2；地下4層，地上塔樓層數(shù)100層，共計10個避難和設備層。
本工程屬一類超高層公共建筑，應按一級負荷要求供電。為滿足本項目供電要求，本工程引入電源電壓等級為10 kV，由市電網(wǎng)引來4路10 kV專線，4路10 kV電源兩兩成對，每一對10 kV電源中當一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不應同時受到損壞。4路10 kV電源引入地下一層10 kV中心配電室，經(jīng)分配后由大廈10 kV的垂直管井送至地上各設備層、地下一層各10 kV分變電所，各10 kV變電所經(jīng)10 kV降壓至0.4 kV。
為滿足一級負荷中特別重要的負荷的供電要求，設置發(fā)電機電源如下：酒店設置1臺10 kV發(fā)電機組，為酒店地下室和高區(qū)變電所提供發(fā)電電源；辦公設置1臺400 V發(fā)電機組，為低區(qū)辦公變電所提供發(fā)電電源；設置1臺10 kV發(fā)電機組，為中高區(qū)辦公變電所提供發(fā)電電源。發(fā)電機供電范圍為一級負荷中特別重要的負荷及有特殊要求的負荷。
各區(qū)域變電所變壓器和柴油發(fā)電機組容量如表1所示。
關于發(fā)電機接入方案的探討
應急電源設置依據(jù)
對于超高層建筑設置柴油發(fā)電機，XX地標DGJ08-2048-2016《民用建筑電氣防火設計規(guī)程》的要求是最明確的，其4.1.1條以黑體字明確，建筑高度大于250 m的公共建筑應設置柴油發(fā)電機組作為消防設備的應急電源。
《加強性技術要求》則是全國規(guī)范中第一個明確對超高層應急電源作出明確規(guī)定的，其第二十四條規(guī)定：消防用電應按一級負荷中特別重要的負荷供電。應急電源應采用柴油發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段，連續(xù)供電時間不應小于3.0 h。
對于存在酒店業(yè)態(tài)的超高層建筑來說，JGJ62-2014《旅館建筑設計規(guī)范》第6.3.1條第2款：四級旅館建筑宜設自備電源，五級旅館建筑應設自備電源，其容量應能滿足實際運行負荷的需求。
綜上幾點，對于250 m以上超高層建筑，設置柴油發(fā)電機作為應急電源是必不可少的。
柴油發(fā)電機電源接入方式
對于高度超過250 m的超高層建筑，隨著發(fā)電機組供電距離的增加，電壓降會進一步增加，如果采用常規(guī)的400 V柴油發(fā)電機組，其電能質量有可能得不到保證。
根據(jù)大量的工程案例，常規(guī)進行超高層建筑電氣設計時，柴油發(fā)電機供電距離在250 m以下時，通常會選用400 V低壓柴油發(fā)電機組；柴油發(fā)電機供電距離在250 ~ 400 m時，采用低壓400 V或中壓10 kV需要進行技術經(jīng)濟比較；柴油發(fā)電機供電距離在400 m以上時，一般采用中壓10 kV柴油發(fā)電機組或采用低區(qū)低壓400 V、高區(qū)10 kV的應急電源配置方案。
本項目建筑高度接近500 m，經(jīng)過前期技術經(jīng)濟比較，同時結合酒店業(yè)態(tài)位于高區(qū)的特點，擬考慮分業(yè)態(tài)分區(qū)段設置3臺柴油發(fā)電機。其中酒店業(yè)態(tài)在地下1層、78層和屋頂機房層均有分區(qū)變電所，根據(jù)酒管公司要求，酒店業(yè)態(tài)的發(fā)電機組必須獨立，且高區(qū)兩個酒店變電所肯定采用10 kV柴油發(fā)電機，為低區(qū)的酒店變電所單獨設置1臺400 V低壓柴油發(fā)電機技術經(jīng)濟性不合理，因此酒店業(yè)態(tài)就合用一臺10 kV柴油發(fā)電機組。其他商業(yè)、辦公及地庫變電所，物業(yè)統(tǒng)一運營 ，應急電源分區(qū)段設置了2臺柴油發(fā)電機，其中低區(qū)采用1臺400 V低壓發(fā)電機，中高區(qū)采用1臺10 kV中壓發(fā)電機。
明確了發(fā)電機的電壓等級，如何接入供配電系統(tǒng)，也有講究。在《建規(guī)》第10.1.6條，就強調消防用電設備應采用專用供電回路，并在條文說明中給出了400 V低壓柴油發(fā)電機與變壓器的接線示意圖，可以看出規(guī)范編制組希望表達，在柴油發(fā)電機出線端就將消防負荷和重要負荷分回路供電，以達到消防用電設備采用專用供電回路的目的。
在《加強性技術要求》中，第二十四條更進一步強調了這一點，柴油發(fā)電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段。既然是針對250 m以上超高層建筑的新規(guī)，那么我們就理解為對于400 V低壓發(fā)電機組和10 kV中壓發(fā)電機組都需要滿足上述條文。
圖1為本項目采用的400 V低壓柴油發(fā)電機組應急電源主接線示意圖，消防負荷和重要負荷分別采用專用線路接至專用母線段，其中消防專用線路必須滿足950 ℃ 3 h耐火試驗，可以采用耐火母線或礦物絕緣電纜，這種接線方案被大量的民用建筑設計單位采用，接受度較高。
對于10 kV柴油發(fā)電機應急電源的接入，有下列幾種方案，筆者分別就其優(yōu)缺點作如下分析：
a．方案A（如圖2所示），此方案在10 kV柴油發(fā)電機出口就將重要負荷和消防負荷供電回路分開，分別引至末端變壓器，在變壓器低壓側也區(qū)分了消防和重要負荷的母線段，二、三級負荷的母線段與消防 / 重要負荷專用母線段用斷路器分開，方便火災或停電狀態(tài)下切除非消防 / 重要負荷，完全滿足《加強性技術要求》，但發(fā)電機出口端中壓柜以及豎井內10 kV配電線路會較多，為保證可靠性對應會有較多的成本投入。
b．方案B（如圖3所示），對于個別地區(qū)電業(yè)部門不允許10 kV柴油發(fā)電機與市電進行切換，就必須考慮設置應急電源專用變壓器，此種方案下，應急變壓器出口端同樣將消防回路和重要負荷回路區(qū)分開，分別接入消防母線段和重要負荷母線段，這個方案的缺點是專用應急電源變壓器會占據(jù)較大機房位置，平時不用，如果不通電難以確保停電時的可靠性，如果平時通電則長期空載運行，并不節(jié)能。另外從10 kV柴油發(fā)電機出口端這個10 kV回路并未將消防和重要負荷分開，嚴格意義上與《加強性技術要求》并不完全一致。如果10 kV柴油發(fā)電機出口就分開消防和重要負荷的回路，電纜造價增加的同時，應急專用變壓器也要分設，會占據(jù)更大機房面積和增加造價，經(jīng)濟性較差，不建議采用。
c．方案C（如圖4所示），在與業(yè)主、顧問的方案討論會中，也有建議采用方案C。誠然，在10 kV配電中心處，將柴油發(fā)電機組提供的應急電源和市電切換后，再統(tǒng)一配出至各個分區(qū)變電所，可以節(jié)省大量的10 kV線纜，也避免了末端的10 kV切換裝置，可以節(jié)約造價和機房面積，但正由于其市電和柴油發(fā)電機電源是切換后配出的，普通市電電源和柴油發(fā)電機應急電源兼用同一配電線路，與《加強性技術要求》提出的“柴油發(fā)電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段”并不一致，所以采用這種方案需要謹慎。
綜上所述，本項目還是采用了方案A，滿足加強性技術要求的同時，兼顧經(jīng)濟性，占用的避難 / 機電層機房面積也相對較小。
關于電纜選型
如果說電能是人體的血液，供電線纜就相當于人體的血管，其可靠性尤其是火災情況下的可靠性，對于建筑物來說至關重要。對于超高層建筑的電線電纜選型，多本規(guī)范都有提及，如《建規(guī)》、DGJ 08 - 2048 - 2016等。其中《建規(guī)》10.1.10第3款提到：“消防配電線路宜與其他配電線路分開敷設在不同的電纜井、溝內；確有困難需敷設在同一電纜井、溝內時，應分別布置在電纜井、溝的兩側，且消防配電線路應采用礦物絕緣類不燃性電纜”。DGJ 08 - 2048 - 2016雖然是一本上海地標，但由于上海地區(qū)的超高層建筑在國內屬于最多最密集的，也對其他地區(qū)的建筑電氣設計有較強的借鑒意義，其中提到建筑高度大于100 m的建筑，普通設備配電應采用阻燃A級的電纜，建筑高度大于250 m的建筑還應采用通過現(xiàn)行國家標準《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247中的B1級試驗的產(chǎn)品，也是比較超前的提法。對于超過250 m以上的超高層建筑，最全面的還是《加強性技術要求》提出的以下要求：
“第二十五條 消防供配電線路應符合下列規(guī)定：
1 消防電梯和輔助疏散電梯的供電電線電纜應采用燃燒性能為A級、耐火時間不小于3.0 h的耐火電線電纜，其他消防供配電電線電纜應采用燃燒性能不低于B1級，耐火時間不小于3.0 h的耐火電線電纜。電線電纜的燃燒性能分級應符合現(xiàn)行國家標準《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247的規(guī)定；
2 消防用電應采用雙路由供電方式，其供配電干線應設置在不同的豎井內；
3 避難層的消防用電應采用專用回路供電，且不應與非避難樓層（區(qū)）共用配電干線。
第二十六條 非消防用電線電纜的燃燒性能不應低于B1級。非消防用電負荷應設置電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。”
這里要注意的是建筑高度大于250 m的超高層建筑，其消防電纜可以有兩種要求，其中消防電梯和輔助疏散電梯的供電電纜要求最高，燃燒性能為A級，對于其他消防供配電電線電纜可以放寬到B1級，但耐火時間都是不小于3.0 h，且其燃燒性能分級都是依據(jù)《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247的規(guī)定。這里尤其要注意的，這個燃燒性能B1級與我們平時經(jīng)常說的低煙無鹵阻燃B級，參照標準和含義完全不同。通常我們說的低煙無鹵阻燃級別A / B / C / D等，源自GB / T 18380《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》系列標準，最早見諸設計規(guī)范是上海地標DGJ 08 - 93- 2002《民用建筑電線電纜防火設計規(guī)程》（已作廢），以及其后續(xù)版本DG / TJ 08 - 2048 - 2008《民用建筑電氣防火設計規(guī)程》（已作廢），分別依據(jù)的是GB / T 18380.1 ~ 3 - 2001《電纜在火焰條件下的燃燒試驗》（已作廢）和GB / T 18380 - 2008兩個版本，其源頭都是IEC 60332 - 3：2000《電纜在火焰條件下的燃燒試驗》。主要都是在不同的火焰燃燒條件下（其中A、B級是相同的40 min，C、D級是相同的20 min），同等的焦化高度和自熄時間情況下，阻燃級別更高的電纜，非金屬含量多的電纜也能達到同等的焦化高度和自熄時間，實際上就允許敷設更多的高阻燃級別的電纜。而GB 31247 - 2014《電纜和光纜燃燒性能分級》則是一本完全國產(chǎn)的規(guī)范，由公安部提出，公安部XX消防研究所負責起草，主要就是針對火災情況下電纜和光纜的燃燒性能進行的分級，其燃燒性能等級判據(jù)如表2所示。
可以看到，要能達到燃燒性能A級，其所依據(jù)的試驗方法為GB 8624 - 2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》，是將其作為建筑材料和制品放進燃燒爐內進行燃燒試驗的，而B1和B2級則都還是用的電纜行業(yè)的燃燒試驗標準，在鋼梯架子上用丙烷噴燈燃燒，這是有質的差別的。另外表注說明需要特別注意：“對整體制品及其任何一種組件（金屬材料除外）應分別進行試驗，測得的整體制品的總熱值以及各組件的總熱值均滿足分級判據(jù)時，方可判定為A級”，筆者認為，如果對電纜其線芯（金屬材料）以及外包絕緣層耐火層分別試驗，都要滿足判據(jù)，那外包絕緣層如果是有機絕緣材料或有機阻燃材料，基本上都不可能通過A級燃燒性能試驗。從多家電纜廠家了解到的情況來看也是如此，能滿足燃燒性能A級的基本是傳統(tǒng)意義上的銅護套剛性氧化鎂礦物絕緣電纜，市面上比較多的根據(jù)各家廠標生產(chǎn)的柔性礦物絕緣電纜，雖然可以通過950 ℃ 3 h的耐火試驗，但基本都無法滿足燃燒性能A級試驗，只有其中一部分可以達到燃燒性能B1級。
由此可見，對于250 m以上超高層建筑而言，《加強性技術要求》對消防電梯、輔助疏散電梯的配電要求是采用氧化鎂礦物絕緣電纜，而其他消防設備的供電線纜，規(guī)范允許可以適當降低要求采用礦物絕緣類不燃性電纜，前提是能通過燃燒性能B1級試驗。
另外需要注意的是，《加強性技術要求》還要求非消防用的電線電纜也需要滿足燃燒性能B1級試驗，筆者也就這一產(chǎn)品作了一番市場調研，滿足低煙無鹵的電纜產(chǎn)品可以標注為WDZB1 - YJY，但是大部分業(yè)主和招標單位對此型號并不熟悉，甚至有當作WDZB - YJY產(chǎn)品處理的情況發(fā)生，實際上能達到B1級燃燒性能試驗的交聯(lián)聚乙烯電纜需求較少，出貨量小，大部分都不出現(xiàn)在電纜樣本中，但一些電纜行業(yè)的龍頭企業(yè)都有生產(chǎn)，成本會高于WDZA - YJY電纜，在設計交底中最好與業(yè)主方明確二者的區(qū)別。
關于超高層建筑電氣豎井的設置
電氣豎井是建筑內上下貫通的供電氣各系統(tǒng)管線敷設的井道，可以和樓層強弱電間合用，也可單獨設置。超高層建筑區(qū)段多，各個區(qū)段電梯數(shù)量也多，根據(jù)不同功能，核心筒的布置可能有較大差異，對電氣豎井的設置帶來了較大的設計難度，合理規(guī)劃電氣豎井并與其他機電專業(yè)井道、電梯井道共同整合在核心筒有限的面積內，往往也是超高層建筑設計的難點所在。通常情況下超高層項目，按照防火分區(qū)設置強電低壓區(qū)間豎井、跨區(qū)間的強電干線豎井，重要項目會將高壓及應急豎井分開設置，弱電豎井多為1個或2個，250 m以上超高層一般設置至少兩個弱電豎井。
圖5為本項目超高層建筑低區(qū)標準層豎井布置。
對于其面積，一般情況下遵照JGJ 16 - 2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》設置電氣豎井，確保高、低壓及消防應急電源電氣線路之間的安全距離不小于0.3 m或采取隔離措施，以及消防配電箱、端子箱前的安全操作距離不小于0.8 m的要求。同時，《建規(guī)》還對消防配電線路提出了更嚴格的要求，10.1.10第3款提到“消防配電線路宜與其他配電線路分開敷設在不同的電纜井、溝內；確有困難需敷設在同一電纜井、溝內時，應分別布置在電纜井、溝的兩側，且消防配電線路應采用礦物絕緣類不燃性電纜”。通常項目滿足上述規(guī)范要求，布置好橋架、母線和配電箱，同時考慮一定的預留空間即可。但是對于250 m以上的超高層建筑，《加強性技術要求》提出了更高的要求，其二十五條第2款要求“消防用電應采用雙路由供電方式，其供配電干線應設置在不同的豎井內”。這里的消防用電，應指從各個分區(qū)變壓器配出的，引至末端消防用電設備雙電源切換箱的雙路電源。對于有兩個防火分區(qū)的標準層，可以考慮兩個低壓強電間放置其消防低壓常用電纜，其消防低壓備用電纜可考慮放在另一個防火分區(qū)強電間內，同時需注意，強電間內的消防橋架和非消防橋架需要設置于強電間的兩側。如有專門的高壓豎井或應急豎井，也可將消防低壓備用電纜設于其中，都是滿足規(guī)范要求的。
可以看到，本項目低區(qū)標準層設置兩個防火分區(qū)，各設一個低壓強電間兼豎井，高壓豎井與發(fā)電機供電豎井也單設，每個防火分區(qū)的消防常 / 備用電纜分豎井設置，常用電纜設置在區(qū)間本防火分區(qū)低壓強電間兼豎井內，備用電纜設置在另一防火分區(qū)低壓強電間兼豎井內。此處需要注意，如有消防疏散電梯和消防電梯，且采用與其他消防設備不同的消防專用電纜，建議分橋架敷設。即使同樣在高壓豎井和發(fā)電機應急豎井內，不同業(yè)態(tài)的電纜橋架也作了區(qū)分，中壓發(fā)電機的消防用電纜和重要負荷電纜也分橋架敷設，盡量確保可靠性。
