王峰,丁斌,李果(中國(guó)聯(lián)通上海分公司,上海 200082)
隨著建設(shè)量的不斷擴(kuò)大,數(shù)據(jù)中心的土地、電、水、材料等資源消耗量及其在社會(huì)整體消耗量中所占比例逐年攀升,在東部數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中,短時(shí)間內(nèi)單靠增加外部資源(土地、開發(fā)指標(biāo)等)的代價(jià)太大,且不符合“東數(shù)西算”總體思路。所以只有通過對(duì)布局進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化,提高利用率和出柜率,才是最為有效的方式。
某數(shù)據(jù)中心是國(guó)家東數(shù)西算戰(zhàn)略的重要節(jié)點(diǎn),是滿足未來數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求和金融政企、高科技企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)需求的國(guó)際化數(shù)據(jù)中心??傆玫孛娣e為55 863 m2(83.8 畝),總建筑面積為13.75 萬m2,規(guī)劃?rùn)C(jī)架數(shù)為14 554架,PUE 值為1.25。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段,結(jié)合國(guó)家東數(shù)西算政策總體要求,面對(duì)該地區(qū)土地資源緊張的問題,在工藝要求和投資受控的基礎(chǔ)上,通過高指標(biāo)牽引,土地資源最大化利用,集約模塊化布局等方面的多措施并舉,最終各項(xiàng)指標(biāo)均在業(yè)界領(lǐng)先:超高畝產(chǎn)率(173 架/畝)、超高建筑利用率(81%)、超高出柜率〔7.9 m2/架(8 kW)〕。
數(shù)據(jù)中心建設(shè)經(jīng)過近20年的發(fā)展,已經(jīng)成為一種獨(dú)立的建筑類型,有著專屬的設(shè)計(jì)規(guī)范、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證體系。建設(shè)思路也從剛起步階段的“一切工藝優(yōu)先”發(fā)展到目前更為科學(xué)的“在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)靈活適配、集約高效、安全可靠等更多目標(biāo)”。為此,國(guó)標(biāo)與企標(biāo)也出臺(tái)了很多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其中出柜率作為評(píng)價(jià)集約高效的最核心的指標(biāo)也在不斷更新。在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段,只有將持續(xù)優(yōu)化和超越指標(biāo)作為總體思路進(jìn)行牽引,才能有效實(shí)現(xiàn)超高利用率和出柜率的目標(biāo)。
出柜率是指單機(jī)架所占建筑面積,單位是m2/架,是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心物理空間資源利用率的核心指標(biāo),相當(dāng)于住宅建筑的得房率。具體計(jì)算公式為機(jī)房建筑面積(不含門衛(wèi)、運(yùn)維樓等公共建筑部分)/總機(jī)架數(shù)。因不同功率密度的機(jī)架所對(duì)應(yīng)的設(shè)備配套物理空間不是等比例變化關(guān)系,所以標(biāo)準(zhǔn)制定中通常給出4 kW、6 kW、8 kW 3種指標(biāo),其他功率密度的機(jī)架按照插入法對(duì)應(yīng)換算,或者按照單位功率密度(單kW)進(jìn)行換算,以便在同一維度下進(jìn)行判斷與對(duì)比。
本項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,正值《中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)V2.0》實(shí)行,《中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)V3.0》修訂中,V2.0 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于出柜率的指標(biāo)描述如下:“生產(chǎn)用房總面積按照每標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架(4 kW)綜合建筑面積估算,單機(jī)架綜合建筑面積不宜大于8 m2”;V3.0 標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿中對(duì)于出柜率的指標(biāo)要求為:4 kW≤7.0 m2/架;6 kW≤8.5 m2/架;8 kW≤10.0 m2/架。
按照本項(xiàng)目單機(jī)柜功耗8 kW來進(jìn)行統(tǒng)一換算,實(shí)行中的標(biāo)準(zhǔn)出柜率限值為16 m2/架,修訂中的出柜率限值為10 m2/架,從中可以看出數(shù)據(jù)中心向高效集約發(fā)展的趨勢(shì)。本項(xiàng)目考慮到某地區(qū)資源緊張的現(xiàn)狀,需要在此發(fā)展趨勢(shì)中更進(jìn)一步,尋求更高的出柜率,以實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。
除自身企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外,其他運(yùn)營(yíng)商與第三方互聯(lián)網(wǎng)公司也有關(guān)于出柜率的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。各方的標(biāo)準(zhǔn)僅為普適性要求,具體執(zhí)行指標(biāo)還需要再對(duì)相鄰地域的落地實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)行分析。經(jīng)調(diào)研,各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中8 kW機(jī)架的出柜率標(biāo)準(zhǔn)均在10 m2/架左右。
各方的標(biāo)準(zhǔn)僅為普適性要求,具體執(zhí)行指標(biāo)還需要再對(duì)相鄰地域的落地實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)行分析。經(jīng)調(diào)研,具體數(shù)據(jù)如下:
a)某運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心1,機(jī)架數(shù)為3 000(6 kW),出柜率為7.5 m2/架。
b)某運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心2,機(jī)架數(shù)為13 000(8 kW),出柜率為8.2 m2/架。
c)某第三方公司數(shù)據(jù)中心,機(jī)架數(shù)為5 000(6 kW),出柜率為8.7 m2/架。
可見,東部地區(qū)近期所建數(shù)據(jù)中心出柜率都比較高。所以,本項(xiàng)目也需要在周邊項(xiàng)目指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高,持續(xù)優(yōu)化。
本項(xiàng)目所在地區(qū)土地資源緊張,開發(fā)指標(biāo)寶貴,所以在設(shè)計(jì)中除需要提高建筑自身物理空間利用率之外,也需要最大化提升土地資源利用率,結(jié)合高指標(biāo)牽引的設(shè)計(jì)思路,本項(xiàng)目引入業(yè)界新的評(píng)價(jià)指標(biāo)——畝產(chǎn)率。畝產(chǎn)率=園區(qū)機(jī)柜產(chǎn)出總數(shù)/園區(qū)用地規(guī)模,單位是“架/畝”,可在一定程度上反映出土地的開發(fā)強(qiáng)度和資源利用率。
理論上,對(duì)于同樣的規(guī)劃條件,容積率越高,數(shù)據(jù)中心建筑面積越大,畝產(chǎn)率越高;運(yùn)維辦公建筑規(guī)模越大,畝產(chǎn)率越低;對(duì)于同樣的容積率,數(shù)據(jù)中心單體出柜率越高,畝產(chǎn)率越高。
結(jié)合企標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)、周邊同類項(xiàng)目調(diào)研及對(duì)比分析以及創(chuàng)新指標(biāo)的引入,本項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段按照高指標(biāo)牽引的設(shè)計(jì)思路,制定出在滿足工藝要求和投資受控的基礎(chǔ)上,出柜率(8 kW)達(dá)到8 m2/架,畝產(chǎn)率達(dá)到170架/畝的目標(biāo)。
本項(xiàng)目用地位于某地新片區(qū),土地性質(zhì)是M2 工業(yè)用地,總用地面積為55 863 m2(83.8 畝)。所在地塊為高端制造板塊,交通便利,配套成熟。因土地資源緊缺,地塊控規(guī)及其他要求也十分嚴(yán)格,具體如表1所示。
表1 地塊控規(guī)及其他要求
上述控規(guī)指標(biāo)相對(duì)于一般工業(yè)用地,要求更加嚴(yán)格,其中綠地率、停車位、裝配式的要求并不利于數(shù)據(jù)中心建筑的規(guī)劃布置。在此客觀條件下,要做到土地利用率最大化,實(shí)現(xiàn)出柜率最大化,必須進(jìn)行深入研究,采用一些創(chuàng)新性的技術(shù)措施。
本項(xiàng)目地塊的特點(diǎn)是形狀規(guī)整,近似正方形,僅東側(cè)及東南角不太規(guī)則,且整體地勢(shì)平整,無明顯高差,西側(cè)和南側(cè)臨城市道路。按照可行性研究報(bào)告的要求以及工藝對(duì)土建要求,需要建設(shè)1 棟綜合樓、1 棟變電站、2棟數(shù)據(jù)中心、1棟門衛(wèi)以及其他相關(guān)配套建、構(gòu)筑物。
結(jié)合場(chǎng)地特點(diǎn)及功能需求,總體規(guī)劃因地制宜,將綜合樓布置在西北角,相對(duì)安靜、獨(dú)立;變電站布置在西南角,電纜進(jìn)線便利;2 棟數(shù)據(jù)中心集中布置在地塊中部,相對(duì)安全;2 棟油機(jī)平臺(tái)、蓄冷罐、地埋油罐等設(shè)備構(gòu)筑物集中布置在地塊東側(cè),可充分利用東側(cè)的不規(guī)則用地,且相對(duì)隱蔽獨(dú)立,靠近數(shù)據(jù)中心(見圖1)。
圖1 總體功能布局
本項(xiàng)目受限于區(qū)域總體規(guī)劃,對(duì)建筑高度和容積率都有一定限制,對(duì)綠地率和停車位也提出了很高的要求,在此基礎(chǔ)上,需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,才能在合理合規(guī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)極限利用。
a)容積率:控規(guī)要求1.2~2.0,按照滿容設(shè)計(jì),地上建筑面積最高可達(dá)111 726 m2。
b)建筑限高(室外地坪至女兒墻):控規(guī)要求小于等于30 m,按照極限設(shè)計(jì),并保留施工誤差的區(qū)間,取定29.9 m,最大化增加建筑樓層。
c)綠地率:控規(guī)要求≥20%,其中集中綠地不小于5%(集中綠地是指整塊面積≥400 m2的綠地)。按照下限20%設(shè)計(jì),盡量多預(yù)留用地投入生產(chǎn)。
d)停車位:按《建筑工程交通設(shè)計(jì)及停車庫(kù)(場(chǎng))設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ08-7-2021)的要求進(jìn)行設(shè)置。機(jī)動(dòng)車位配比標(biāo)準(zhǔn)為:研發(fā)辦公1 個(gè)/100 m2,生產(chǎn)廠房0.3個(gè)/100 m2,經(jīng)計(jì)算,本項(xiàng)目需要約400個(gè)停車位。數(shù)據(jù)中心園區(qū)是少人值守的園區(qū),并不需要這么多車位,且會(huì)占用過多生產(chǎn)空間,因?yàn)榇藯l件為強(qiáng)制性要求,在保證數(shù)量下限的基礎(chǔ)上,盡量采用小車位和地下車位,少占用寶貴的土地資源。
e)建筑密度:控規(guī)要求≥40%,雖然不設(shè)上限,但因?yàn)檫€有綠地率、停車位、建筑間距、運(yùn)輸?shù)缆返南嚓P(guān)用地需要預(yù)留,所以理論上的最大值約為50%(綠地占20%,構(gòu)筑物約占10%,停車位按照一半地上設(shè)置約占5%,道路及設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)地約占15%)。
綜上所述,滿足各項(xiàng)要求的極限指標(biāo)為:容積率為2.0;建筑高度為30 m;綠地率為20%;停車位為400輛;建筑密度為50%。
通過對(duì)極限指標(biāo)的分析,容積率對(duì)應(yīng)的地上建筑面積存在上限,建筑限高的限制導(dǎo)致建筑層數(shù)也受限制,停車位過多導(dǎo)致地上土地資源更加緊張。所以要想實(shí)現(xiàn)上述極限指標(biāo),需要對(duì)地下空間進(jìn)行合理開發(fā)和利用,減少地上資源的壓力。
數(shù)據(jù)中心建筑對(duì)于防水、防潮、防火、防塵、防靜電均有特殊要求,所以地下空間不能過多使用,僅能將對(duì)防水無特殊要求的功能房間放置在地下,比如汽車庫(kù)、水泵房、冷凍站等。結(jié)合工藝總體要求,本項(xiàng)目綜合樓設(shè)置2層地下室,用于放置地下車庫(kù);變電站設(shè)置1 層地下室,用于電纜布線;2 棟數(shù)據(jù)中心設(shè)置局部地下室,用于放置冷凍站、水泵房、消防水池、雨水回收池等功能房間,將能放在地下的房間盡量放在地下。最終地下建筑面積為23 750 m2,地下開發(fā)強(qiáng)度為0.43。在投資受控的基礎(chǔ)上,最大化釋放地上空間。
本項(xiàng)目核心生產(chǎn)用房為數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心是“為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所”,具有工藝性強(qiáng)、精密設(shè)備多、設(shè)計(jì)要求復(fù)雜的特點(diǎn)。
按照國(guó)標(biāo)和企標(biāo)相關(guān)要求,數(shù)據(jù)中心功能主要分為主機(jī)房(服務(wù)器機(jī)房,又名IT 機(jī)房)、支持區(qū)(電力電池室、空調(diào)機(jī)房、變配電室、柴發(fā)區(qū)等)、輔助區(qū)(備品備件室、監(jiān)控室、維護(hù)值班室、客戶運(yùn)維辦公等)三大部分。
提升建筑利用率的核心就是提升主機(jī)房的物理空間占比,減少支持區(qū)和輔助區(qū)的物理空間占比。為此,需要深度結(jié)合工藝架構(gòu),在此基礎(chǔ)上采取有效措施,從細(xì)節(jié)入手,精細(xì)化、極致化設(shè)計(jì),才能實(shí)現(xiàn)利用率最大化。
數(shù)據(jù)中心建筑按照地下1 層、地上5 層進(jìn)行豎向設(shè)計(jì),地下1 層以冷凍站、水泵房等為主要功能;地上1~5 層均為核心標(biāo)準(zhǔn)樓層,以主機(jī)房、電力電池室、空調(diào)設(shè)備區(qū)等為主要功能,按照規(guī)范及工藝要求,建筑高度為29.9 m(室外設(shè)計(jì)地面至大屋面女兒墻),實(shí)現(xiàn)了極限指標(biāo)。各樓層層高如下。
a)地下1 層為7.2 m,其中冷凍站局部下沉0.3 m,冷凍站層高達(dá)到7.5 m,主要凈高約為6.2 m。b)室內(nèi)外高差0.9 m,滿足且高于防洪防澇要求。c)1~5 層層高為5.4 m,凈高約為4.4 m,樓層高度滿足機(jī)柜和走線架高度的凈空要求。
d)大屋面女兒墻高度為2 m,滿足遮擋屋面臨邊設(shè)備、管井、泛水收頭等要求。
在本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)初期,總體布局為4 棟數(shù)據(jù)中心,每個(gè)單體平面輪廓為常規(guī)的60 m×80 m(寬×長(zhǎng))的矩形平面,每層面積約為4 800 m2,標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房層機(jī)架數(shù)量為640架,平面布局緊湊規(guī)整,建筑利用率約為75%。但是這種平面布局存在2 個(gè)問題,一是受限于整體空間無法嘗試多種平面組合,二是滿足消防疏散和日常使用的配套房間無法減少,所以在此基礎(chǔ)上如要大幅提升利用率和出柜率,唯有打破常規(guī),推陳出新。
數(shù)據(jù)中心建筑性質(zhì)為工業(yè)建筑,防火分區(qū)、疏散距離相比民用建筑更大更長(zhǎng),設(shè)計(jì)中充分結(jié)合此特點(diǎn),突破性地采用超大平面的布局方式,把樓梯間、疏散走道、消防設(shè)施、配套用房的服務(wù)半徑用到極致。
為此,本項(xiàng)目將4個(gè)數(shù)據(jù)中心兩兩合并,組合成超大平面輪廓,形成80 m×120 m(寬×長(zhǎng))的矩形平面,單層建筑面積達(dá)到了9 600 m2,大開間的布局可以嘗試多種設(shè)備房間組合,可以節(jié)省一條運(yùn)維走道,并將消防疏散和必要配套房間服務(wù)半徑極致應(yīng)用。
數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)用房主要由主機(jī)房、電力室、電池室、空調(diào)設(shè)備間組成,工藝強(qiáng)調(diào)電、冷、機(jī)柜的最佳匹配,即每個(gè)機(jī)房機(jī)架總功耗所對(duì)應(yīng)變壓器的供電量和空調(diào)系統(tǒng)的制冷量能夠得到最大化利用。因此數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)通常采用模塊化布局形式,按照變壓器和UPS 容量推導(dǎo)機(jī)架總功耗、機(jī)架數(shù)量、空調(diào)設(shè)備配置,從而形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)房模塊;模塊之間進(jìn)行組合形成一個(gè)機(jī)房單元;機(jī)房單元再增加交通體和配套用房就形成了完整的建筑平面。如果單純按照正向思維,層層推導(dǎo),工藝要求可以滿足,但物理空間作為推導(dǎo)的最后一步,往往存在局部不合理或者浪費(fèi)的情況。本項(xiàng)目為取得物理空間的最大化利用,需要雙向推導(dǎo),形成電、冷、機(jī)柜、物理空間4個(gè)要素的最佳匹配。
超大平面為雙向推導(dǎo)、4 要素最佳匹配提供了有利條件,在模塊組合中的靈活性更強(qiáng)。在深化設(shè)計(jì)中采取了如下措施以實(shí)現(xiàn)集約化的模塊布局。
a)從整體布局出發(fā),因超大平面疏散距離非常極限,總體布局中把對(duì)疏散要求較低的主機(jī)房布置在兩邊(設(shè)置極早期煙霧報(bào)警系統(tǒng),主機(jī)房疏散距離可增加50%),把對(duì)疏散要求較高的電力電池室布置在中間。同時(shí)電力用房到兩側(cè)主機(jī)房的電纜路由也最短,工藝性能最佳。
b)進(jìn)行機(jī)房模塊推導(dǎo),形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊,按照變壓器和UPS容量配置,1個(gè)電力電池室對(duì)應(yīng)2個(gè)主機(jī)房。
c)在模塊組合時(shí)充分考慮物理空間集約利用,對(duì)樓梯、電梯、走道、電氣間等用房進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)對(duì)模塊組合進(jìn)行適當(dāng)靈活調(diào)整。如圖2所示,2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊中的電力電池室整體右移,左側(cè)可擠出相對(duì)完整的空間放置配套用房;中間形成一個(gè)集中配套用房區(qū),功能相對(duì)獨(dú)立,可通過在防火分區(qū)交界處設(shè)置門禁形成完全獨(dú)立的2 個(gè)生產(chǎn)區(qū);也可通過在走道位置設(shè)置門禁,將機(jī)房區(qū)與配套區(qū)隔離,更有助于運(yùn)維管理和安全管理。
圖2 模塊集約優(yōu)化組合示意
綜上,本項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)層平面電力電池室居中,8 個(gè)主機(jī)房依次布置在兩側(cè),配套用房相對(duì)集約獨(dú)立,呈現(xiàn)出一個(gè)“蝶”形架構(gòu)(見圖3),建筑利用率提升至81%。
超大平面和集約模塊化布局提升了建筑利用率,但在每個(gè)設(shè)備房間內(nèi)部,還需充分考慮結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備影響的問題,從細(xì)節(jié)入手,做到每個(gè)房間的最大化利用。
按照理想情況,主機(jī)房房間內(nèi)無柱是對(duì)設(shè)備排布的最有利條件,但按照控規(guī)要求,必須采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系,受預(yù)制構(gòu)件的搬運(yùn)與安裝限制,無法采用超大柱網(wǎng)形成無柱空間。所以本項(xiàng)目采用局部大柱網(wǎng)形式,大部分柱跨在9~10 m,盡量減少房間內(nèi)柱子數(shù)量,并結(jié)合設(shè)備間距模數(shù),保證柱子對(duì)機(jī)架布置的影響降至最低。最終形成每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房面積600m2(包含兩側(cè)空調(diào)設(shè)備間)內(nèi)部柱子不超過4根,柱子影響到的設(shè)備數(shù)量?jī)H為8架,每個(gè)機(jī)房可布置機(jī)架數(shù)量為208架。
通過以上措施,本項(xiàng)目建筑平面的外輪廓尺寸為:80.18 m×119.94 m,主要柱網(wǎng)為9.0 m×8.1(10.60)m,標(biāo)準(zhǔn)層面積約為9 600m2,每層為2 個(gè)防火分區(qū),每個(gè)防火分區(qū)布置4 部封閉樓梯間,平面中設(shè)置2 部客梯和2 部3.0 t 貨梯。電力機(jī)房占比為26%,主機(jī)房占比為55%,配套設(shè)備用房占比為11%,交通體占比為8%,總體建筑利用率高達(dá)81%,標(biāo)準(zhǔn)層共有4 個(gè)機(jī)房模塊、8個(gè)主機(jī)房和1 604架機(jī)架。
通過充分調(diào)研與分析,綜合以上各項(xiàng)優(yōu)化措施,最終形成以下成果。
a)總體指標(biāo)。本項(xiàng)目機(jī)房總建筑面積約為114 500 m2,總機(jī)架數(shù)為14 544架,單機(jī)架功耗為8 kW。
b)土地資源最大化利用。容積率為1.992;建筑密度為48.43%;綠地率為21.02%;建筑高度為29.9 m;地下空間開發(fā)強(qiáng)度為0.43,均為控規(guī)和投資限制下的極限指標(biāo)。
c)建筑空間最大化利用。超大單體建筑為54 581 m2;超大單層平面為9 600 m2;建筑利用率為81%。
d)算力資源最大供給。畝產(chǎn)率為173架/畝;出柜率為7.9 m2/架(8 kW)。
本文以某運(yùn)營(yíng)商某數(shù)據(jù)中心為例對(duì)東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心如何實(shí)現(xiàn)超高出柜率進(jìn)行了研究。以高指標(biāo)牽引、土地資源最大化利用、建筑空間最大化利用為優(yōu)化思路,在工藝要求和投資受控的基礎(chǔ)上,在有限的物理空間內(nèi)最大化提升了算力供給。后續(xù)將結(jié)合技術(shù)的發(fā)展演進(jìn),繼續(xù)跟蹤研究“東數(shù)西算”政策下不同大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn),在此基礎(chǔ)上推廣建設(shè),助力數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的高效發(fā)展建設(shè)。