保护性建筑物修缮改造中的电气设计方案浅谈

熊 光,李光曦,蔡雄飞

(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)

0 引 言

在历史保护性建筑物的改造修缮设计过程中,既要遵循留下文化脉络(修旧如旧)的主旨、又要满足现代化的功能需求(焕发新生)[1]。因此,在保护性建筑物电气方案设计中通常面临诸多不同于新建建筑物设计的地方。本文以武汉市某地块的修缮改造工程为例,探讨保护性建筑物电气修缮改造方案设计中的相关技术问题。

1 项目概况

1.1 项目整体概况

某片区改造建设项目中,D地块为新建及修缮改造区,该地块内部由D1、D2、D3 3部分组成,D区总平面如图1所示。

图1 D区总平面

D1、D2为新建建筑区,各设置一个2层的地下室,地下室通过室外管群连通,主要功能初定为餐饮类商业和住宅等。D3区为保留建筑区,修缮后建筑物的主要功能初定为文创办公、一般性商业等。历史保护性建筑物的修缮改造需要在设计前期进行反复踏勘及方案论证,耗时长。因此,优先开展D3区的设计工作。

1.2 保留建筑物概况

D3区现存保留建筑10栋,早期功能为住宅区,现为武汉市第一批一级优秀历史建筑,不可移动文物。建筑多为1～4层砖木结构,红瓦四坡顶,局部为平屋顶(用作晒台),建筑平面形式多为两间式,前后设天井,平面近似为矩形。原始设计中,楼栋之间布局紧凑,各栋之间主要采用背靠背的布局方式,地块角落的个别建筑房间甚至不规整。测绘资料显示,建筑物屋前通道宽度通常可达3 m及以上,建筑物屋后通道宽度甚至不到2 m。各栋建筑单体由一到多个住宅单元组成,共计46个单元,每一住宅单元的规模250～350 m2。建筑物局部存在私搭私建和翻新的现象,但大体依然保留着原有的建筑风貌。

2 供配电系统改造

方案设计前,对保留建筑区的电气设施进行踏勘考察。结果如下:现场仅有少量管线敷设痕迹,且残留的管线基本损坏、老化,从建筑外墙不同时期的铁横担及瓷瓶可以看出原有低压配电线路采用沿建筑物外墙架空敷设。建筑物外墙不同时期的铁横担如图2所示。

图2 建筑物外墙不同时期的铁横担

架空敷设的入户电缆如图3所示。由于现场没有完整的配电回路存留,根据周边小区的供电方式,预计建筑物原低压电源引自附近的市政杆上变压器。

图3 架空敷设的入户电缆

2.1 供配电系统方案

该项目变配电所选址时,要考虑保留建筑物群早期均为住宅建筑,内部房间间隔有限,且建筑物以砖木结构为主。如果将变配电房设置在保留建筑物中,需要打通多处内部隔墙。因此,变配电所选址应尽量避免设置在保留建筑物中。

鉴于D3区四周几乎被新建地块(含地下室)包围(见图1),考虑从临近新建地下室的变配电所引入低压AC 220/380 V电源。方案选择时,同时放弃在保留建筑物周边设置箱式变电站的配电方案。

方案设计中拟将D3区北部5栋建筑(总建筑面积约6 800 m2)的电源从D1地块新建地下室的Z1#专用变配电房引来;而D3区南部5栋建筑(总建筑面积约6 600 m2)的电源拟从D2地块新建地下室的Z2#专用变配电房引来。在各栋建筑物靠近变配电房的建筑单元内的合适位置(如后院天井内的独立房间)设置一个强、弱电合用间,合用间内设配电总箱。在各单元楼内分别设置一个分配电箱,分配电箱位于各单元的1F楼梯间侧墙处。经核实,各建筑单元分配电箱至变配电房的供电距离均不大于200 m,可以满足供电距离的要求。各楼栋配电总箱与供电变压器的相对位置如图4所示。

2.2 室外电缆敷设

变配电房至配电总箱的路由采用室外管群敷设,为保护原貌,尽量减少路面开挖,利用地块自身的特征,采用在主干通道下方多段式、分散布置排管的设计方案,见图4。由于室外通道宽度有限,施工图设计时应对各专业的室外管网进行综合设计。室外管群施工应在古建筑及结构专业的指导下进行,应避免对历史风貌现状的破坏及对临近保留建筑物墙体结构的影响。后期施工中还应对设备各专业室外管线(包括人工接地系统)的施工工序进行合理的组织,以避免各分包单位各自为政、重复开挖,同时应在施工前、后做好工程记录,利于施工后的还原工作。

图4 各楼栋配电总箱与供电变压器的相对位置

设计方案中,由于各配电总箱与配电分箱的设置点更靠近建筑物后院天井,而后院外部通道较窄,大多不具备管群的开挖条件。鉴于建筑物原设计采用了外墙铁横担架空敷设方式,且后院通道的位置相对隐蔽。因此,从各栋配电总箱,至每一个单元分箱的电缆路由,考虑采用室外型桥架沿后院外墙敷设方式(单元数较少的楼栋则直接埋管敷设),同时应保证桥架全段处于建筑物群接闪器保护的LPZ0B区内。桥架外观选型或桥架隐蔽方案需要与古建筑专业共同确定。

室外铁横担及瓷瓶具有一定时代特征,应与古建筑专业共同研究其修缮、保留方式。屋前墙面的铁横担如图5所示。平和打包厂(武汉市优秀历史建筑,始建于1905年,修缮于2017年)修缮改造项目保留的铁横担如图6所示。

图5 屋前墙面的铁横担

图6 平和打包厂修缮改造项目保留的铁横担

2.3 室内低压配电系统

现场踏勘中发现,原建筑室内未见任何可用的配电装置(可能已被拆除),只有少量的灯具及导线,从仅存的导线及敷设痕迹来看,存留电线均已明显老化,且大多采用明敷或在木质槽板内。建筑设计中采用此类导线直接明敷的方式有一定火灾隐患,应不再使用。

为降低历史保护性建筑的电气火灾,根据《文物建筑电气防火导则(试行)》,该项目低压配电系统的设计及施工应符合如下相关要求[2]。

(1)低压配电箱(柜)。配电箱(柜、盘)满足同时使用用电设备的最大功率。设置在专用的独立房间或者设置部位与其他功能区域有明显的空间分隔,且安装在不燃材料上,或者采取防火隔离措施后安装在木质等可燃材料上。下方及周围0.5 m范围内没有可燃物堆放,端子的接线应牢固。

(2)配电线路。配电回路同时使用用电设备的最大功率≤导线截面所允许最大负荷功率的 80%。阻燃性能为A级的耐火电线、电缆。电缆采用穿金属管或金属线槽敷设。从配电箱到用电设备之间的导线无接头,或者接头在金属或者阻燃性能B1级以上的端子箱、接线模块内,采用端子紧固连接。由总箱至各分箱的配线方式尽量采用放射式。采用树干式时应避免采用穿刺接线,T接时应采用T接端子箱。

(3)灯具、电源插座、照明开关等。避免采用发热功率大的灯具,推荐采用品质优良的LED灯具。电源插座、开关有阻燃性能。灯具无可燃物遮挡。灯具灯泡正下方0.3 m内无可燃物堆放。功率大于3 kW的电热器0.5 m内无可燃物堆放。各电气装置应安装在不燃材料上,或者采取隔离措施后安装、放置在木质等可燃材料上。电源插座、照明开关与导线连接,面板紧固,无松动现象。

(4)其他。文物建筑中宜优先选择具有防火性能的用电设备。各电涌保护器选型时应选择匹配的后备保护器。正在修缮中的文物建筑应做好临时用电线路、设备的防护及管理。文物建筑内部不应设置电动车辆充电桩。

建筑物各单元负荷相对较小,单元楼内考虑不设专用电井,竖向干线电缆采用穿金属管敷设,水平电缆采用穿金属管和金属线槽敷设的方案,各电缆穿过楼板、墙面时应进行防火封堵。对非隐蔽处的金属线槽采用古建筑专业认可的仿古式造型[3]。对消防电缆及非消防电缆分别采用WDZAN和WDZA型电缆、电线。除总配电箱在配电间内落地式安装外,为减少对墙体的破坏,各分配电箱建议在合适位置挂墙式明装[4]。当获得古建筑和结构专业的同意后,也可考虑在砖质墙体开洞暗装的方式。同时箱体制作安装时,外观应整洁,箱内布置应紧凑。

3 防雷接地及电击防护系统

3.1 防雷接地系统

原建筑物屋面及侧墙未发现接闪、引下线等防雷装置。由于建筑物大部分为砖木结构,仅有少量为混凝土。根据现场条件,原建筑物没有设置防雷接地系统。由于保留建筑物群不在四周新建建筑物屋面接闪器的滚球保护范围之内。对保留区10栋建筑物的预计雷击次数进行计算,计算结果中,最小值为0.154 2(D3-9栋),最大值为0.214 1(D3-7栋)。根据GB 50057—2010对各栋建筑物按第三类防雷建筑物设防。

该工程接闪器及引下线的做法如下:对屋面采用φ10 mm镀锌圆钢作为接闪带(明装),沿屋脊、屋檐、女儿墙等位置敷设接闪带,屋面接闪网网格不大于20 m×20 m或24 m×16 m。接闪带过伸缩缝时采用铜质连接带弧形连接。屋面接闪器布置示意如图7所示。

图7 屋面接闪器布置示意

关于专设引下线的敷设,文献[5]提出采用圆铜作为防雷引下线,尽管更具古香古色,但由于造价较高,不适于推广到该项目中[5]。方案设计前期,参考了武汉市几处重点项目的修缮方案,如武汉市鲁兹故居修缮改造项目中,热镀锌扁钢专设引下线如图8所示;武汉市平和打包厂修缮改造项目中,热镀锌圆钢专设引下线如图9所示;鄱阳街小学改造中,引下线局部采用在外墙内嵌入式敷设热镀锌扁钢的方式。

图8 热镀锌扁钢专设引下线

图9 热镀锌圆钢引下线

经过比选,方案设计中结合了鲁兹故居及平和打包厂的处理方式。在每一栋建筑单元体的四角外墙处各设一根专设引下线,引下线采用φ12 mm镀锌圆钢沿墙明敷(根据墙面颜色对引下线涂刷相应颜色的外漆),并应经最短路径接地。在各引下线距地面1.8 m处设置断接卡。引下线距地面上1.7 m至地面下0.3 m的一段采用至少3 mm厚的交联聚乙烯绝缘层保护,并采取防机械损伤措施。引下线3 m范围内敷设5 cm厚沥青层或15 cm厚砾石层。

该工程接地极采用人工接地极,沿各栋建筑物外墙设置一圈水平接地极,水平接地采用热镀锌扁钢(65×5 mm),垂直接地采用热镀锌角钢(50×50×5 mm),长2.5 m。垂直接地极间距以及人工水平接地体的间距均为5 m。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于1 m,其距墙或基础不宜小于1 m。

各接地装置之间的间距均远小于20 m,很难形成独立的接地系统。因此,设计中对整个D3区内部的接地装置进行纵横相连,同时与外部D1、D2区的新建建筑物地下室基础结构钢筋多处连通,形成整个D地块的大接地系统。对于变配电房与建筑物共用大接地系统的情况,即使变配电房处于建筑物以外,其低压配电系统的接地形式依然可以采用TN-S方式。但供电电缆在各单体建筑物进线处需要对PE导体重复接地。

根据国际电工委员会IEC 62305系列雷电防护标准中的雷电流分流模型,当大接地系统之上的建筑物附属接闪器发生接闪时,该接地系统之上的单体建筑物,其进线电缆中雷电流分流值将远小于一般性要求的12.5 kA(10/350 μs)。

3.2 电击防护措施

原建筑无总等电位联结,浴室等区域也未发现局部等电位联结。考虑建筑物结构特殊性,建筑物楼板内(木质或素混凝土)没有自然钢筋网。新的建筑物功能取消浴室区,但为减少后期使用中的电击事故,建议施工图设计中将灯具照明回路及壁挂式空调等回路均设置额定动作剩余电流为30 mA的瞬动型剩余电流保护器[6-7]。

4 火灾自动报警系统及其他

原建筑物未设置火灾自动报警系统,根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)第11.0.13条,总建筑面积大于1 500 m2的木结构公共建筑应设置火灾自动报警系统。由于各栋之间的间距较小且墙体均为普通墙体,不满足规范GB 50016—2014表5.2.2的防火间距要求。因此,需要对整个建筑群设置火灾自动报警系统。

整体项目(A、B、C、D 4个地块)拟采用控制中心报警系统,在D地块D1分区地面1F设置主消防控制室,其余3个地块各设1个分消防控制室。D3区建筑初步预计火警总点位约950点,根据暖通专业方案提资,各栋内部没有设置消防风机等需要联动控制的装置,因此仅需设置探测及报警装置。各火警回路拟直接从主消防控制室引来,在各栋建筑1F强、弱电合用间内设置火警接线端子箱,1F大厅处设置火灾显示盘。鉴于后期施工难度的不确定性,对于部分管线敷设受限制的区域也可考虑采用NB-IoT消防物联网无线网络技术设置智慧烟感。

该保留建筑群的火灾危险性相对较大,需要在各非消防总进线回路设置电气火灾监控探测器。根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》第13.5.3条,电气火灾监控器的探测点按如下要求设置:砖木或木结构重点古建筑的电源进线宜在总开关的下端口测量。因此,当进线回路电流在300 A以下时,按回路设置电气火灾监控探测器;对于300 A以上的回路,在分支回路设置探测器。电气火灾监控检测方式采用剩余电流及测温式相结合的方式。

关于应急照明系统,采用集中控制型系统对每一栋建筑设置分配电箱,除采用消防电源双回路供电外,箱内另设蓄电池组(应急时间≥30 min)。关于智能化系统,设计仅提供路由,具体设计由专项设计单位完成。

5 结 语

与新建建筑物的电气设计相比,保护性建筑的电气修缮改造设计往往是一个较漫长的过程。设计中的重点总结如下:了解建筑物的历史背景、建筑风格,明确建筑物修缮改造后的定位;掌握建筑物的现状、施工条件及建筑物周边的环境,便于选择可行的设计、施工方案;重点关注建筑物的防火、防雷、电击防护等安全性方面的设计;重点关注施工过程中开洞、开挖对结构专业的影响;明装、明敷电气装置对建筑风格、历史风貌的影响。同时,设计中需要克服的困难如下。

(1)前期测绘图纸不够准确,各专业提资信息的不确定性带来的反复调整。

(2)修旧如旧的主旨思路以及现场条件对设计方案选择的限制;建筑物的原始设计与执行新规范之间的矛盾。

(3)多次现场踏勘、方案论证及专家会审造成时间消耗,体现为设计进度推进缓慢、设计周期较长。后期施工随时需要设计人员深入现场指导,施工过程必会涉及局部方案的反复调整。

(4)现场踏勘中,有些楼梯已经腐朽或出现开洞,有的墙体甚至出现开裂倾斜的现象,因此应注意现场的人身安全。