办公楼加装分布式能源的结构优化探讨

常秀端

上海艾能电力工程有限公司

0 背景

随着社会经济的发展，能源结构的调整，能源需求量的增加，环境问题也日益突出，特别是传统办公楼由于建筑老化，节能措施不到位，暖通系统通常采用传统的单体空调，故能耗较高[1]。对老式办公楼加装分布式能源系统不仅可提高能源综合利用效率，改善办公人员工作环境，而且也是积极响应政府节能减排号召的具体体现。

本文将针对上海某综合办公楼，为解决楼宇自身能源供应问题，在屋顶加装分布式能源系统后如何对办公楼结构改造进行了分析探讨。

1 项目概况及改造范围

1.1 项目概况

上海某综合办公楼是一座集研发、市场、办公为一体的综合体建筑，分主楼和裙楼两部分，楼已建成并投运10 多年，采用传统的电制冷机组供冷和锅炉供暖。为提升办公楼品质，保障供能质量，展示绿色建筑的节能特性，决定建设一套天然气分布式能源系统。系统主要包括一台额定功率为300 kW 的燃气内燃发电机组和一套溴化锂冷温水机组，同时配套智慧能源管理平台。由于办公楼功能要求，分布式能源系统不能过多占用屋内建筑面积，故主要设备布置在办公楼裙楼屋顶上，电子设备间和能量管理系统布置在建筑室内。

1.2 办公楼结构概况

办公楼主楼为地上十层，总高50 m。裙楼地上为单层混凝土框架结构，主要为办公楼展厅，层高5 m。主楼与裙楼地下一层为钢筋混凝土框架结构，两者间无沉降缝，均为刚性连接。改造前，裙楼屋面为现浇钢筋混凝土梁板，梁板顶结构标高5.0 m，板厚150 mm。裙楼屋顶为上人屋面，并有绿色植物覆盖，覆土厚度800 mm，女儿墙高度800 mm，女儿墙顶部均有不锈钢栏杆作为围护。裙楼利用主楼的楼梯作为公共消防通道。

1.3 主要改造内容

新增天然气分布式能源系统设置于该办公楼裙楼屋顶，露天布置。为不影响原有屋面的绿化，最大程度减少对原屋面结构的过度破坏及发电机等振动设备对办公楼主体建筑的振动影响，拟在裙楼屋顶新建一座高出原屋面建筑完成面约1.5 m的设备钢平台，所有分布式能源设备安装在钢平台上，不与原屋面直接接触。

裙楼屋顶改造完成后，需恢复屋顶绿化。因此，改造过程中需先拆除原屋面覆土及屋面防水、保温层等，然后将新建钢平台与主体结构连接。平台施工完成后及时对屋面做好防水、保温修复，最后还需对屋顶绿化进行复原。

按照环评要求，需沿主楼楼梯间西南角立面敷设烟囱，顶标高与主楼女儿墙顶平齐，还需做烟囱外立面装饰，以满足与周围建筑风格一致的要求。

2 改造方案分析

2.1 方案设计影响因素

改造项目面临许多难解决的问题，其中最主要的是结构方案的选择，因为结构方案合理与否关系到旧建筑改造的成败。不合理的结构体系可能造成新老建筑构物结合不理想而影响正常使用[2]，严重的会造成结构的不安全。

结构方案的选择主要应满足工艺流程、主要设备对建筑结构的要求，尤其是振动设备对原有建筑主体结构和连接部位的影响。屋顶新增大的荷载，需考虑结构的承载力及对主体结构件的沉降影响。新增烟囱，敷设需考虑与原有建筑的连接、支撑及与周围建筑外立面的风格一致，以达到整体建筑景观的和谐统一。

2.2 结构设计方案优化

2.2.1 钢平台设计

为保证钢平台底部检修空间及绿植生长需求，钢平台应高出屋顶完成面约1.5 m，设备平台钢梁及钢柱均采用型钢结构。主钢梁梁端与钢柱间为刚接，次钢梁与主钢梁处为铰接。钢梁上平铺钢格栅板，钢柱尽量放置于原框架柱的位置。在清除全部屋面原有覆土和屋面保温层等建筑面层后，露出原有结构层，在原框架柱柱顶新埋设钢板，钢柱与钢板用植筋方法，以保证钢柱强度。植筋植入原框架柱内的长度不小于15 m，以保证原有框架柱受力而原梁板不受力，减小因荷载增加加固梁板的不方便性。

为减少对原主体结构基础的影响，新增的荷载既要满足工艺需求，又要保证原有基础尽量不被破坏或尽量不加固。为此，对原有覆土厚度进行了优化，将原覆土厚度从800 mm 改为300 mm，这样，既能保证原有屋面的绿化率，还能减轻新增荷载的重量。经优化后，原有基础无需单独加固。

新增钢平台采用整体空间计算模型计算。按现行抗震及荷载规范[3]，采用中国建筑科学研究院开发的PKPM 软件，在满足规范允许的挠度下，控制平台钢梁的应力比，不仅优化了钢结构成本，也满足了工艺需求。

2.2.2 烟囱支架及外围护设计

为降低新建能源站排出的烟气对周围环境的影响，新增烟囱需沿主楼楼梯间西南角敷设，且烟囱顶标高与主楼女儿墙平齐。主楼每层框架梁的位置作为新建烟囱支架生根处，即上下侧均植筋于原框架梁中，外侧焊接钢板，钢板再与角钢焊接，这样每层层高位置均形成三角支架的稳定结构。烟囱外侧用外挂铝板进行围护，保持与主体建筑外立面风格一致，确保办公楼整体建筑效果不被破坏，从外面看不到烟囱，达到分布式能源系统与主体建筑周围环境的和谐统一。见图1钢柱柱脚节点详图和图2新增烟囱支架布置图。

图1 钢柱柱脚节点详图

图2 新增烟囱支架布置图

2.2.3 新增设备的振动对主体结构的影响

裙楼屋顶安装分布式能源系统后，为分析新增设备的振动对原主体结构的影响，特别是设备和主体建筑是否产生共振问题，为此，特请专业公司进行现场检测。检测结果表明，燃气发电机组振动频率为250～4000 Hz，与主体建筑自振频率不在同一范围，因此，理论上两者不会发生同振及共振现象。检查结果见表1。

表1 主体建筑振动检测结果

3 项目实施效果

至此，分布式能源系统已投运两年多，整个系统运行良好，各项指标达到了设计要求，办公舒适度也得到了明显提升，全年能源消费降低了20%以上。为检验办公楼改造效果，业主委托专业机构对主体建筑的沉降量和沉降差进行了监测，并对综合办公楼主楼和裙楼主要建构件进行了检测，目前各项指标都很理想，基本上同理论计算值相符，满足规范要求。本项目已成为办公楼屋顶加装分布式能源系统的一个成功典范。改造前效果图见图3，改造后实景图见图4。

图3 改造前效果图

图4 改造后实景图

4 结语

1）本项目为老建筑增加分布式能源系统改造工程，由于主体建筑使用时间较长，且设计规范及计算软件也已更新，加上在裙楼屋顶加装大设备，势必给设计和施工带来很大的难度，但通过适当的技术措施和合理的设计方案，节省了改造成本，取得了较好的改造效果。

2）为减小对裙楼屋顶绿化的影响及设备振动对主体建筑结构的影响，本项目在屋顶加设了钢平台，并对原覆土厚度进行了优化。此外，为防止原有建筑屋面漏雨问题，将原有裙楼全部屋面建筑面层重新进行了设计和施工，改用新型的防水材料。这是继屋面加装分布式能源站后又一成功案例，为以后的项目改造提供了技术和实践经验。

3）有关老建筑改扩建工程的设计，目前国家相应的规范不多，阐述也不全面、详细[4]。随着国家节能减排力度的加大，对建筑节能的要求会越来越高，传统办公楼通过适当改扩建，增设分布式能源系统将迎来一波新的增长，国家级行业协会也会尽早出台和完善政策和规范标准。