賀 曉，金 鑒，程 序，鄭梓豪，陳宇歡，李元齊

(1.中訊郵電咨詢設計院有限公司，河南 鄭州 450000；2.同濟大學 建筑工程系，上海 200092)

數(shù)據(jù)中心作為一類存儲各種通信和輔助設備的建筑，是新一代信息通信技術的重要載體，隨著云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和5 G技術的深入發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心需求不斷攀升，適用于信息化企業(yè)、銀行和金融機構、城市基建、科研院所和航空航天等場所.2021年7月，國家工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃》指出：要“統(tǒng)籌推進新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展；構建以新型數(shù)據(jù)中心為核心的智能算力生態(tài)系統(tǒng)”.2021年11月發(fā)布的《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，數(shù)據(jù)中心的高質(zhì)量建設與發(fā)展位列9大重點工程之一.

數(shù)據(jù)中心(Data Center)包含制冷模塊、供電模塊、IT模塊、輔助模塊、交通模塊等模塊.近年來，相比于一般的民用建筑，數(shù)據(jù)中心的建設具有以下幾個特點：(1)投資成本高.數(shù)據(jù)中心的機電設備多且價格昂貴，雖層數(shù)不高但荷載遠大于普通民用建筑，結構成本較高；(2)建設周期長、更新?lián)Q代快.傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建設周期在2～3 a，而投入使用后，數(shù)據(jù)中心的服務器一般在3～5 a需要更新?lián)Q代，整個數(shù)據(jù)中心的服務時間大約在15～20 a；(3)專業(yè)性強.因為數(shù)據(jù)中心功能的特殊性，在設計、建造和運維過程中都需要多專業(yè)協(xié)同配合，對所有項目團隊提出了更高的要求，且運維過程中的電力能耗在建筑全生命周期中同樣占據(jù)較大比重，在前期設計階段，設備的節(jié)能設計也是重中之重；(4)需要有可擴建性.在數(shù)據(jù)中心運維過程中，可能會因業(yè)務擴張而需要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心進行擴建，擴建過程周期要短，且不影響當前數(shù)據(jù)中心的運營.因此，數(shù)據(jù)中心建筑采用適合工業(yè)化建造的輕鋼模塊化鋼結構體系[1]具有整體優(yōu)勢.

目前，數(shù)據(jù)中心正迎來大規(guī)模生產(chǎn)和快速建造的需求浪潮.國內(nèi)不少學者也都提出了裝配式數(shù)據(jù)中心的構想.劉戀[2]對比了傳統(tǒng)混凝土結構數(shù)據(jù)中心、裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構數(shù)據(jù)中心的成本、建造周期等，說明了裝配式數(shù)據(jù)中心在建造速度和建造成本上的優(yōu)勢.楊軍志[3]將裝配式數(shù)據(jù)中心分為微模塊、集裝箱式及倉儲式，同樣突出了裝配式建造模式對比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在建造速度上的優(yōu)勢.

本文在分析數(shù)據(jù)中心建筑單元模塊化和標準化的基礎上，對模塊單元的設計環(huán)節(jié)、模塊單元運輸環(huán)節(jié)、一體化化建造及管理環(huán)節(jié)帶來技術挑戰(zhàn)及數(shù)字化技術運用等進行了分析和探索.最后總結了平臺化、智能化數(shù)據(jù)中心建設的優(yōu)勢，對未來的應用研究提出了展望.

1 數(shù)據(jù)中心的標準化模塊單元

模塊化數(shù)據(jù)中心有兩種標準化模式，一種是將IT機柜、電源和冷卻設備集成在一起的單箱式模塊，適合3個及以內(nèi)機柜的需求；另一種是組合式模塊，即按功能設計不同的模塊，如IT模塊，電力模塊，蒸發(fā)冷卻機組，風冷室外機組，輔助模塊(樓梯、走道、儲藏室)等.通過相應數(shù)量的模塊數(shù)量滿足需求，單棟數(shù)據(jù)中心最多可以容納3 000個機柜.

單箱式數(shù)據(jù)中心在一個集裝箱內(nèi)放置電源/UPS(Uninterrupted Power Supply，不間斷電源)、BBU集中柜，其余放置IT機架模塊.同時，在模塊的一端裝備空調(diào)室外機艙，通常采用風冷型制冷.為方便模塊單元的運輸，依據(jù)我國現(xiàn)行國家標準《系列1集裝箱分類、尺寸和額定質(zhì)量》[4]，擬定單箱式模塊標準寬度8′(8呎，2 438 mm)，高度9′6″(2 896 mm)，長度有三種，分別適配不同的計算/存儲模塊需求：18′(18呎，5 500 mm)、20′(20呎，6 058 mm)和40′(40呎，12192 mm)，見表1.

表1 單箱式模塊規(guī)格

組合式模塊建筑的各個功能模塊示意見圖1.依據(jù)各個模塊所存放設備的大小，制定不同的模塊尺寸，寬度8呎(2 438 mm)，高度13′6″(4 100 mm)，長度有三種：20呎(6 058 mm)，30呎(9 125 mm)和40呎(12 192 mm)，見表2.組合式模塊數(shù)據(jù)中心的規(guī)?？梢愿鶕?jù)需求來制定，一旦需求確定，就可以在滿足模塊組合規(guī)則的情況下生成多種不同的布局方式供設計師和客戶選擇.

表2 組合式模塊規(guī)格

2 模塊單元的標準化設計

輕鋼模塊化數(shù)據(jù)中心設計易實現(xiàn)標準化、參數(shù)化.因此，設計中在滿足數(shù)據(jù)中心各專業(yè)設計規(guī)范和協(xié)同的同時，也要以“工業(yè)化制造”為指導，兼顧模塊單元產(chǎn)品質(zhì)量和成本.圖2展示了標準化的數(shù)據(jù)中心單元的協(xié)同設計模式.

2.1 基于模塊化的建筑和設備設計

在建筑設計方面，由于采用了標準化的集裝箱尺寸，需要合理考慮整體功能空間的規(guī)劃，所有內(nèi)部尺寸都應盡量定制化，同時兼顧其他專業(yè)的需求.例如保溫系統(tǒng)需要結合標準化模塊單元的形式采用夾心保溫的方式，縫隙為需要重點處理的部位；預留墻板洞、管道井，以解決各專業(yè)管道穿行；防水模塊盡量避免跨越縫隙，盡量在同一個集裝箱內(nèi)自成體系；集裝箱防水接縫處理應考慮內(nèi)部橫向縱向接縫處理以及外部橫向縱向接縫處理.

在電氣與設備工藝設計方面，需要考慮將各種機電設備都能在工廠裝配好，或在現(xiàn)場的移動工廠提前安裝在模塊單元中.在設計時，依據(jù)標準集裝箱規(guī)格合理安排動力配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、插座系統(tǒng)、應急照明及疏散指示系統(tǒng)和安防系統(tǒng).針對單箱式模塊，電源是固定在邊緣側，只需在箱體內(nèi)進行布線設計；針對組合式模塊，則需要考慮由外市電引入，將高壓柜、變壓器、低壓配電系統(tǒng)、UPS配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)組成一個電源模塊，并預留同IT模塊、空調(diào)模塊的管線連接口.

2.2 模塊單元的結構設計

傳統(tǒng)模塊化建筑可采用墻承重或柱承重的承重形式[5-6].結構設計時，從工廠化加工的角度，需盡可能做到構件截面、甚至單元層面的標準化.為此，本文提出兩個原則：(1)為解決不同風荷載和地震作用的抗側力要求對模塊單元結構標準化的影響，可采用“承重與抗側分離”的設計理念，通過配置滿足不同抗側能力需求的預制功能構件，在承重需求下解決模塊單元的結構標準化問題，實現(xiàn)結構設計參數(shù)化.(2)為解決不同樓(屋)面荷載對模塊單元結構標準化的影響，可采用桁架式樓(屋)面方案，通過變換桁架弦桿截面或桁架高度方式，實現(xiàn)結構方案標準化和結構設計的參數(shù)化.在此基礎上，提出了由標準化截面構件、結構單元及節(jié)點構造的模塊單元方案(圖3).結構設計的另一個重點是模塊單元模塊之間連接設計，模塊之間需要通過標準連接件和連接工藝，形成滿足結構性能要求的標準化節(jié)點構造.連接節(jié)點主要涉及模塊與模塊、模塊與屋面、模塊與基礎之間，其中又分為角節(jié)點、邊節(jié)點、中節(jié)點.但在模塊單元結構方案標準化的前提下，很容易實現(xiàn)這些節(jié)點構造的標準化[7-9].

以某一多層組合式模塊建筑體系為例，在此闡明模塊單元的結構設計標準化理念.對于多層模塊結構體系，其上下相鄰的模塊受彎構件需要進行連接以提高其承載力.考慮到采用H型截面進行疊合連接方便，且用鋼量更小，可作為首先推薦的截面類型.此案例中，采用的標準化構件截面為：BOX 250×12，HN 100×50×5×7，HW 100×100×6×8，HW 150×150×7×10，HM 148×100×6×9，HM 194×150×6×9，HW 200×200×8×12.根據(jù)組合式模塊建筑體系的平面布置，整理出標準的模塊單元，并對其進行編號.模塊單元的編號規(guī)則為S/A(單箱式/組合式)-18/20/30/40(模塊長度)-A/B(模塊寬度)-Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ(首層/頂層/標準層)，例如，A-40-A-Ⅲ為標準層，長40 ft，寬2 438 mm，用于組合式數(shù)據(jù)中心的模塊單元.其中，標準模塊的具體布置如表3所示，標準構件與標準模塊的對應關系如圖3所示.

最終，將標準的模塊單元組裝為所需的模塊建筑，并對該體系進行各工況下的結構及構件驗算.對于上述案例中的組合式數(shù)據(jù)中心，標準模塊的組裝方案如圖4所示.

2.3 參數(shù)化智能設計

在數(shù)據(jù)中心建筑中，單箱式模塊數(shù)據(jù)中心只有一個模塊(如表1)，而組合式數(shù)據(jù)中心是諸多功能模塊的組合(如表2)，其IT機組、電源機組、冷卻機組的數(shù)量和相互約束是在選型時的重要考慮.組合式數(shù)據(jù)中心的智能化設計的重點在功能模塊數(shù)量和組合連接關系的參數(shù)化表達，以及在不同數(shù)量下模塊之間的組合形式變化.以IT機組需求和電源機組需求為例，本文將展示組合式數(shù)據(jù)中心的參數(shù)化智能設計的方法.

IT模塊是數(shù)據(jù)中心的核心部分，其布設情況將影響其他模塊，在參數(shù)化組合時宜優(yōu)先考慮.單個IT模塊可提供32個設備位置，除去PDF與消防設備(共占用3個設備位置)，剩下29個空位布設機柜和空調(diào).IT單模塊內(nèi)的機柜與空調(diào)除需滿足上述的位置數(shù)量的約束外，空調(diào)制冷量也應滿足數(shù)據(jù)機柜的制冷需求.同時，考慮到制冷設備故障等突發(fā)狀況，需預留一臺空調(diào)設備作為應急備份，則可歸納出如式(1)的約束關系.

x+y=29

(1)

式中：x表示機柜數(shù)量；y表示空調(diào)數(shù)量.

此外，空調(diào)制冷量應滿足數(shù)據(jù)機柜的制冷需求，而考慮到制冷故可得出機柜數(shù)量與空調(diào)數(shù)量之間還存在如式4.2的供需關系.

40(y-1)≥xb

(2)

式中：40表示單個空調(diào)制冷量(單位：kW)；x表示機柜數(shù)量；y表示空調(diào)數(shù)量；b表示單個機柜功耗.

據(jù)式(1)和(2)確定出每個IT單模塊內(nèi)容納的機架數(shù)量后，用戶輸入對IT機柜的需求，就可確定IT單模塊的總數(shù)量，如式3.

β=?a/x」+1

(3)

式中：β表示IT單模塊的總數(shù)量；a表示機柜數(shù)量；x表示空調(diào)數(shù)量.

之后可確定電源模塊的數(shù)量.在此之前，需要確定不同供電地區(qū)的PUE值.PUE表示數(shù)據(jù)中心總能源消耗與IT負載消耗的能源比值，值越大表明數(shù)據(jù)中心為實現(xiàn)IT設備運行所消耗的電能越大，是衡量一個數(shù)據(jù)中心性能和綠色程度的重要指標.根據(jù)上述概念，數(shù)據(jù)中心總電力需求θ即可表示為公式(4).

θ=δ·b·α/0.95

(4)

(5)

式中：δ表示總機架數(shù)量，計算方式如式(4)、(5)；b表示單個機架能耗；α表示PUE值；α，β，和x的含義同公式(3).

為保障供電，需對θ進行一定的系數(shù)放大0.95.最終，電源模塊的數(shù)量N則可用公式(6)表示：

N=θ/q

(6)

式中：表示電力模塊數(shù)量；θ表示總電力需求；表示單個電源模塊可供電量.

同時，考慮到數(shù)據(jù)中心對可靠性和安全性的需求，可以選擇N型供電系統(tǒng)或2N型供電系統(tǒng).圖5和圖6分別展示了在不同機架需求和供電模式下的模塊化數(shù)據(jù)中心生成結果.

參數(shù)化的模塊數(shù)據(jù)中心生成方式增強了設計的自動化，能夠快速生成符合各專業(yè)的模塊方案，方便了業(yè)主及設計師做分析與決策.

3 模塊運輸環(huán)節(jié)

模塊單元的運輸是在進行標準化設計時不可忽視的環(huán)節(jié)，如果在前期協(xié)同設計中提前制定好運輸方案，保證滿足運輸條件及運輸過程中的安全性，則可以避免不必要的運輸成本.針對國內(nèi)的模塊化數(shù)據(jù)中心，主要考慮公路運輸方式.傳統(tǒng)的運輸方案設計流程可參考圖7.傳統(tǒng)運輸方案主要流程有：

(1)確定半掛車車型.根據(jù)我國公路運輸相關標準《貨車掛車系列型譜》[10](GB/T 6420-2017)規(guī)定，集裝箱運輸半掛車運載的集裝箱規(guī)格有20呎，30呎和40呎，最大長度不可超過13.95 m，最大寬度不可超過2.55 m；

(2)確定牽引車車型.集裝箱運輸半掛車允許的總質(zhì)量有35 t、40 t和45 t三檔，依據(jù)掛車軸載質(zhì)量與掛車總質(zhì)量的關系[11]，如公式(7)，可以確定牽引車的最小牽引重量，以此來選擇牽引車的規(guī)格.

G牽引質(zhì)量≥G總-G軸載質(zhì)量

(7)

式中：G牽引質(zhì)量代表牽引座上最大質(zhì)量；G軸載質(zhì)量表示掛車軸載質(zhì)量；G總代表掛車總質(zhì)量.

(3)確定公路運輸條件.在進行公路運輸方案設計時，在設計時還需考慮到中國各級城市公路和高速公路的運輸和限行規(guī)則，依據(jù)車輛的限高、限寬和限重，牽引車的型號，運行時間等，合理選擇運輸?shù)览?

標準化模塊的運輸方案設計如圖8.

在模塊的標準化中已經(jīng)考慮了運輸半掛車車型以及牽引車車型的選擇，所有的模塊都可以找到符合要求的交通運輸工具.一旦交通運輸工具確定，可以借助路徑規(guī)劃工具自動優(yōu)選合適的運輸?shù)缆?，解決諸多可能造成設計返工的問題.

4 建造全過程一體化

模塊數(shù)據(jù)中心的建造數(shù)據(jù)需要集成管理與協(xié)調(diào)共享，從參數(shù)化設計到工程制造，從模塊運輸?shù)浆F(xiàn)場建造，全過程階段都要與各個專業(yè)模塊同步.建筑模型信息化與建筑云平臺技術的運用，將使模塊化數(shù)據(jù)中心邁上現(xiàn)代化建設的新臺階.將保存有全專業(yè)的模塊化數(shù)據(jù)中心的BIM模型存入后臺數(shù)據(jù)庫，打造信息BIM數(shù)據(jù)庫，利用互聯(lián)網(wǎng)技術，同步管理平臺、設計端、采購端和建造端，搭建起各專業(yè)的協(xié)同平臺.以形成高效、適合于工業(yè)化建造的數(shù)據(jù)中心結構體系以及支持實現(xiàn)數(shù)字化、智能化建造的一體化平臺，平臺框架如圖9所示.

建立的一體化建造平臺原型如圖10所示.數(shù)據(jù)中心云平臺具有如下特征：

(1)全專業(yè)全過程一體化管理.一體化管理平臺包括：權限管理、角色管理、人員管理、供應商管理、供應商產(chǎn)品管理、合同管理、項目管理、運輸路徑規(guī)劃、成本優(yōu)化、項目進度管理、項目進度可視化、全過程數(shù)字化建造、流程管理等模塊功能，如圖10(a).數(shù)字化建造的邏輯及技術實現(xiàn)是一體化平臺的關鍵所在；

(2)包含各模塊化數(shù)據(jù)中心的全信息模型.建筑的全信息模型是指包含數(shù)據(jù)中心的單體模塊到組合式模塊建筑各專業(yè)的全部信息，如出柜率、機柜數(shù)、建材BOM(Bill of Material)清單、模塊加工圖等.對于組合式模塊建筑，還可以對建筑面積、容積率等進行自動校核；

(3)數(shù)據(jù)中心從項目立項到交付后運維的全流程管理.平臺可以實現(xiàn)模塊化數(shù)據(jù)中心從立項、設計、供應商管理、施工管理的模塊化建設全流程工作，并且可以實時進度跟蹤、人員管理、變更等功能.在數(shù)據(jù)中心投入使用后，可以統(tǒng)計數(shù)據(jù)中心設備運行情況，融合BIM+IBMS+FM(設備設施管理系統(tǒng))，實現(xiàn)設備設施的可視化運維管理，如圖10(b).數(shù)據(jù)中心的所有建造數(shù)據(jù)都保存在云平臺中，可以服務于未來的數(shù)據(jù)中心擴建改造工作；

(4)智能化平臺.一體化平臺還可以調(diào)用當前的一些已有的API，在網(wǎng)頁端實現(xiàn)可視化與智能化的管理，比如利用高德地圖的API實現(xiàn)運輸路徑的優(yōu)化，或者利用一些模型輕量化工具以及WebGL實現(xiàn)模型在網(wǎng)頁端的3D展示.以運輸路徑自動規(guī)劃為例，輸入集裝箱尺寸和重量，接著，轉(zhuǎn)化為運輸掛板車的尺寸和重量，將參數(shù)傳給高德地圖API，直接在平臺上進行運輸路徑的智能規(guī)劃和查看.

5 發(fā)展展望

本文提出了數(shù)據(jù)中心建筑采用裝配式模塊化智能建造的一體化解決方案.首先按不同的功能和尺寸制定了標準化的數(shù)據(jù)中心模塊，以標準化模塊的功能約束與空間排布規(guī)則提出了智能化的參數(shù)設計方法，探討了模塊化數(shù)據(jù)中心的公路運輸方法，最后，從一體化管理的角度提出了基于全過程的模塊化數(shù)據(jù)中心的管理平臺.基于標準化模塊單元的輕鋼結構模塊化數(shù)據(jù)中心解決方案，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建造相比，引入標準化設計、智能化運輸和一體化管理的全新理念，具有標準化程度高、全自動化設計、全數(shù)字化平臺管理等優(yōu)勢.

但模塊化數(shù)據(jù)中心的工業(yè)化建造方案正處于初期發(fā)展的階段，仍缺乏系統(tǒng)性、智能化的成熟推廣方案.對基于標準化模塊單元的輕鋼模塊化數(shù)據(jù)中心解決方案，未來還需考慮以下技術性問題：

(1)數(shù)據(jù)中心模塊單元及建筑體系標準化.對于組合式集裝箱產(chǎn)品，需要根據(jù)不同應用場景(包括不同IT設備需求、不同配電容量等)確定模塊個數(shù)，再從單個模塊拼裝成整體數(shù)據(jù)中心建筑.建立起建筑、機電設備及通訊等專業(yè)的需求對應表，從標準化模塊單體到一體式模塊數(shù)據(jù)中心，形成標準的預制裝配式集裝箱數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品體系；

(2)基于產(chǎn)品思維的正向設計理念.基于模塊數(shù)據(jù)中心的標準化、系列化的集裝箱產(chǎn)品，賦予產(chǎn)品物理力學性能，機電運行指標等，實現(xiàn)結構的一鍵式審核并且建立起與專業(yè)結構分析軟件的導入接口.最終借助標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品化設計思想，形成集裝箱數(shù)據(jù)中心正向設計基本準則和方法；

(3)承重與抗側分離理念.除了設計應用于不同抗震分區(qū)的不同系列化模塊產(chǎn)品來滿足建筑抗震與抗風的需求，從模塊產(chǎn)品的角度，可以設計專門用于抗側的功能模塊.通過將抗側模塊分離，普通功能模塊只需滿足自身對豎向力的抵抗需求以及剛度需求，同時增減抗側模塊的數(shù)量來抵抗不同地震分區(qū)和風荷載分區(qū)給整體結構帶來的側向力；

(4)智能深化設計.組合式模塊建筑的模塊單體可以分為IT模塊、電力模塊、輔助模塊，針對不同的冷卻方式，有蒸發(fā)冷卻機組模塊和風冷室外機模塊.參數(shù)化的模塊數(shù)據(jù)可以通過簡潔的數(shù)學模型加以模擬，通過既定的模塊間的關系自動生成組合式模塊數(shù)據(jù)中心，并且依據(jù)一定的優(yōu)化收斂準則，得到最終的水平和豎向排布方案；

(5)模塊單元運輸和吊裝過程中的安全性問題.數(shù)據(jù)中心的模塊單元具有設備荷載大、單元規(guī)格長、集成化程度高的特點，還應針對模塊在不同交通條件的運輸過程及不同階段吊裝過程中受到的動力荷載，考慮其在運輸和吊裝過程中的安全性問題，保證數(shù)據(jù)中心模塊在運輸過程中的完好性；

(6)數(shù)據(jù)中心成本優(yōu)化.模塊化的數(shù)據(jù)中心可以依據(jù)大規(guī)模生產(chǎn)、流水線式的工廠生產(chǎn)流程、成熟的供應鏈、平臺化管理、智慧型運維，降低數(shù)據(jù)中心整體建設和運維的成本.