万达信息股份有限公司 上海市 200237
【摘要】本文结合一个实际案例，针对数据中心机房建筑结构承重问题的相关处理程序、国家规范要求、机房荷载计算、集中荷载处理、结构加固方法和实际案例的解决方案等方面进行了研究和探讨。
【关键词】机房承重，集中荷载、散力架，结构加固。
一、前言
数据中心机房的建筑结构承重问题，既涉及到机房的承重安全，责任重大，又因数据中心机房的用户和实施方往往缺乏建筑结构专业知识，对此无从下手。所以，数据中心机房建筑结构承重问题是机房建设过程中的重点也是难点问题。
目前，存在着很多将普通建筑物或老旧建筑物改造为数据中心机房的情况，这种情况下，其建筑结构承重是首要问题。此时面对该问题的往往不是建筑设计方，而是机房的用户和实施方，因双方对建筑结构专业知识的缺乏，往往处理不当或盲目处理，影响项目正常实施甚至导致重大安全隐患。
因此，很有必要结合实际案例，对数据中心机房建筑结构承重问题进行研究探讨，以帮助用户、实施方等相关人员初步掌握国家有关规范、集中荷载的处理和建筑结构加固的方法，了解机房建筑结构承重问题的处理程序和解决方案。
二、项目各方的职责和处理程序
数据中心机房的承重问题，没有轻重之分，一旦出现问题将带给用户难于承受的直接和间接损失，责任重大。所以本文首先要强调并厘清项目各方的职责，以便项目各方能有效配合，按正确地方法和程序去处理问题。
1）首先，机房项目的实施方要负责告知用户机房建筑结构承重的规范要求以及本机房设备材料的重量和分布情况，提请用户按照专业规范的程序去处理承重问题。
2）机房项目的用户则要负责提请本建筑的设计单位确认机房建筑结构是否满足承重要求或如何进行建筑结构加固；如果是老旧建筑，因存在建筑结构的老化和衰减问题，则还要委托建筑工程质量监督检验单位对建筑结构先行鉴定，根据鉴定意见，再委托建筑设计单位设计结构加固方案，并由具备相应资质的施工单位进行结构加固施工（见流程图）。
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三、国家规范解读
无论是用户还是实施方，建设数据中心机房必须对国家规范中有关数据中心机房建筑结构的要求有所了解。根据GB50147-2017《数据中心设计规范》的要求，数据中心机房各主要区域的建筑结构活荷载标准值如表1：
:表1：
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要看懂这张表，先要解读表中的几个专业术语：
活荷载也称可变荷载﹐是施加在结构上的由人群﹑物料和交通工具引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载。活荷载标准值是指结构在使用期间可能出现的最大荷载值。
KN/㎡中的N代表牛顿（简称牛），是力的单位，KN/㎡代表千牛/每平方米。
1千克力=9.8牛≈10牛（工程上一般粗略取10）
则上表中：主机房活荷载标准值=8～12KN/㎡≈800～1200公斤力/每平方米，指主机房结构在使用期间可能出现的最大荷载值为800～1200千克力/每平方米。同样的，机房其他区域按上述计算式也各有其相应的最大荷载值要求。
四、案例情况介绍
本案例为某985高校的数据中心机房，机房选址在某大楼的一楼，大楼为钢混框架结构，机房下为地下停车库，楼面原设计活荷载标准值为3.5KN/㎡，机房设备平面布局如图1：
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本机房为整个数据中心的一期工程，但独立供电独立制冷独立运行是一个完整的数据中心机房，分为主机房和电池间两个区域，各区域的设备材料及重量统计见表2：
表2：
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五、案例现状与国家规范要求的对比分析
对比国家规范和本案例情况可知：
国家规范要求：主机房活荷载标准值=8～12KN/㎡≈800～1200公斤力/每平方米
电池室活荷载标准值=16KN/㎡≈1600公斤力/每平方米
实际案例情况：本机房区域原设计活荷载值=3.5KN/㎡≈350公斤力/每平方米
可见，本机房原建筑结构设计活荷载值明显低于国家规范要求的机房建筑结构活荷载值的要求，现有建筑结构作为数据中心机房使用存在安全隐患，因此，必须对现有的建筑结构进行加固处理。
六、机房集中荷载的计算
下面，我们对机房内荷载集中部位的荷载情况进行计算。
1）机柜组A荷载=5390KG/8.58㎡（机柜组A投影面积）≈628KG/㎡
2）机柜组B荷载=5590KG/9.46㎡（机柜组B投影面积）≈590KG/㎡
3）空调组荷载=1350KG/3.6㎡（空调组投影面积）≈375KG/㎡
4）电池组荷载=1300KG/2.97㎡（电池组投影面积）≈438KG/㎡
通过以上计算可知：
本机房有4个荷载集中部位，分别是机柜组A、机柜组B、空调组和电池组。
七、机房集中荷载散力的常用方法
机房集中荷载散力是通过散力支架等方法，将机房中的集中荷载分散到更大的承重面积上或传递到更适合承重的梁柱上，使机房楼板受力更均衡、承重更安全。在工程实践中，常用的有以下两种方法：
1）工字钢散力方法
如图2所示，将两根工字钢平行放置于机房地面并横跨在两根承重梁上，设备支架放置并焊接在工字钢上，设备重量由工字钢将重量传递至承重梁上。此方法适用于集中大荷载设备的散力和承重，比如高密度机柜组、大功率精密空调主机和大容量UPS电池组等。
2）槽钢散力支架方法
如图2所示，通常采用槽钢现场焊制整体散力支架，整体散力支架水平放置于机房地面上，设备支架再放置并焊接在散力支架上，通过加大散力架的面积，可以降低单位面积的平均荷载，避免了局部荷载过于集中的问题。此方法适用于中低密度机柜组、中小功率精密空调主机和中小容量UPS电池组的承重安装。
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八、机房建筑结构加固常用方法
机房建筑结构加固有加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法和碳纤维加固法等多种不同的技术和方法，其中，碳纤维加固和粘钢加固因施工方便、适用范围广等优点近年来比较常用，下面分别简单介绍下这两种加固方法。
1）碳纤维加固法
将需要加固的结构面粉刷层清除并打磨平整后，在结构面上刷高性能的环氧树脂粘结剂，将抗拉强度高的碳纤维布粘贴在结构面上，使碳纤维布与原结构面形成复合结构体共同受力，增强了原结构的抗裂或抗剪能力，提高了原结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。此方法常用于对建筑物楼面板的结构强度加固（如图3）。
2）粘钢加固法
将需要加固的结构面粉刷层清除并打磨平整后，在结构面上刷高性能的环氧树脂粘结剂，将钢板粘结于结构面的表面，使钢板与原结构面形成统一的整体，并用钢板、化学螺栓环绕粘结钢板和结构件紧密固定形成复合结构体，利用钢板良好的刚性和抗拉性达到增强结构件承载能力及刚度的目的。此方法常用于对建筑物梁柱的加固（如图3）。
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九、本案例解决方案介绍
通过以上国家规范的解读、本案例的荷载计算与分析、机房集中荷载散力和机房建筑结构加固常用方法的研究，在工程实践中我们对本案例数据中心机房建筑结构承重问题的处理采取了以下解决方案。
第一步：对机房建筑结构进行加固
本大楼竣工5年，楼龄较新，故未作结构鉴定。但本机房区域当时并未按照数据中心机房的规范标准进行建筑结构设计，存在建筑结构承重不足的问题，经用户方与建筑设计单位沟通，先对本机房进行建筑结构加固，设计单位经结构计算（关于结构计算，本文不详述），采取了以下加固方法：
对机房楼板采用了碳纤维布加固的方法（如图4），通过在机房楼板底部网格状粘贴碳纤维布，全面加强了整个楼板的承载能力。
因机房下承重柱满足承重要求，故仅重点对承载机柜组A、B的承重梁A、B采用了粘钢加固方法，加强了承重梁对本机房最大荷载机柜组A、B的承载能力（如图4）。
第二步：对机房设备采用散力支架
对本机房集中荷载最大的机柜组A和机柜组B采用了工字钢散力支架，每个机柜组下面平行布置两根20#B工字钢（如图5），工字钢两端分别架设在已经过结构加固处理的承重梁A和承重梁B上。这样，机柜组的重量就通过工字钢传递到承重梁上了，减轻了楼板中心区域的压力，获得了更好的建筑结构安全性。
空调组和电池组这两处集中载荷较大的设备采用了槽钢散力支架，用10#槽钢现场焊接了比设备支架面积更大的槽钢散力架放置于地面，设备支架再放置并焊接于槽钢散力支架之上（如图5），槽钢散力架增大了与楼板的接触面积。当精密空调组仅采用设备支架时平均荷载为375KG，采用散力架后平均荷载下降为231KG；当电池组仅采用设备支架时平均荷载为438KG，采用散力架后平均荷载下降为290KG，更有利于楼板建筑结构的安全性。
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本案例通过采用局部建筑结构加固和承重散力架相结合的解决方案，加固了结构、降低了集中荷载，满足了机房承重的要求，科学合理地将普通建筑物升级成了数据中心机房。
十、结束语
本机房虽不属于大型数据中心机房，但以小见大，本文针对数据中心机房结构承重问题需要考虑的相关职责和处理程序、国家规范要求、机房荷载的计算、集中荷载的处理、结构加固的方法进行了研究，并通过案例探讨了解决方案。希望本文所研究和探讨的内容，能对各位在今后数据中心机房的规划、设计和建设过程中的相关工作有所借鉴和参考。
【参考文献】
[1]数据中心设计规范GB50147-2017，北京：中国计划出版社，2017
[2]张家启等，建筑结构检测鉴定与加固设计，北京：中国建筑工业出版社，2011