工程实践丨大型综合体项目机电一体化设计探究——苏州湾文化中心项目案例
苏州湾文化中心由中衡设计与法国包赞巴克建筑事务所作为联合体与苏州市吴江城市投资发展有限公司签订设计总包合同，提供包括建筑主体、机电、声学、舞台工艺、灯光音响、室内设计、幕墙、景观等在内的全专业、全过程一体化设计。在整个设计建造过程中，中衡设计高质量高标准的专业整合一体化设计成果、全过程现场服务，以及施工技术指导，保证了项目高品质的实现。其中机电工程从方案、施工图到现场施工指导，均由中衡设计完成。如此大规模的综合体机电系统格外复杂，下文便探讨了在这样的情况下如何通过机电一体化的通盘考虑与设计来实现建筑整体效果的最佳以及机电系统运行的最优。
本文来源：智能建筑电气技术杂志（ID：znjzdqcmjg）
相关内容刊登于《智能建筑电气技术》杂志2021年6月刊
作者：傅卫东，王祥，杜广亮，王志翔 yd77699云顶国际
【导读】综合体项目里机电系统复杂，需要通过机电一体化的通盘考虑与设计来实现建筑整体效果的最佳以及机电系统运行的最优。本文以苏州湾文化中心项目为例对机电一体化实现的体制保障以及具体实践做法进行了分析，提出了设置机电项目经理、机电管线综合分工、水暖设备自控界面以及机电融合为建筑服务的理念供设计同行参考。
大型综合体项目机电一体化设计探究
——苏州湾文化中心项目案例
文/傅卫东，王祥，杜广亮，王志翔
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引言
国内的建筑设计院体系里一般是按照专业划分部门的居多，建筑、结构、水、暖、电各有自己的专业院或者专业部，水暖电三个专业间往往都觉得自己的专业重要性要高过其他两个专业，谁也不服气谁。
一个成功的建筑不仅仅是靠漂亮的造型，合理的布局与流线，如果机电系统不能正常运转就是一个无法使用的废物，水暖电三个专业少了谁都不行，无论是机电的哪个专业，说到底都是为了建筑服务的，都是为了实现建筑的功能，确保环境的舒适与安全而存在的。尤其电气专业是天生的服务性专业，我们很大的一部分工作量就是为水暖设备供电与控制，这些设备能正常运行了，建筑也就具备了基本的使用条件。中国传统的哲学里讲到做人的最高境界是“无我利他”、“上善若水，水善利万物而不争”，其实对应到机电设计上也是一样的，设计时多想想其他专业，能让别的专业最舒服这是一个好的设计的基本前提。
大型的综合体项目往往汇集了多种业态，有多个经营及使用的主体，不同的业态及主体对有不同的要求，因此机电系统格外复杂，在这样的情况下更需要通过机电一体化的通盘考虑与设计来实现建筑整体效果的最佳以及机电系统运行的最优。本文结合苏州湾文化中心项目的工程实例对此问题进行探讨，供各位同行参考。
项目简介
临太湖而建的苏州湾文化中心用地面积160亩，总建筑面积约22万平方米。沿着城市轴线分布南北两个片区，北侧包括一个可容纳1600座的大剧院、一个可容纳600座的戏剧厅，10余间排练厅、IMAX影城和湖景餐厅；南侧包括吴江博物馆，规划展示馆，会议中心。两者通过飘逸的双曲丝带造型钢结构巨型天幕连通，最终融入同一座宏大建筑体中。独具一格的建筑造型与公共空间树立了湖区时代的文艺新典范，开业后迅速成为了苏州乃至周边地区的网红打卡地和苏州城市文化的新名片
图1 苏州湾文化中心建成实景（左侧为大剧院）
苏州湾文化中心机电设计与安装概况
作为一个兼具了剧院、影院、博物馆、规划展示馆和大型会议中心以及商业的综合体项目，出于运营的需求不同业态之间的机电系统均需要独立设置。同时因为双曲丝带的造型，机电系统的管线在地上部分基本上没有横平竖直的，每层的平面和空间关系都相当复杂。本项目的建筑方案、结构方案、内装与景观方案均由境外合作事务所提供，但是机电专业从方案开始就完全是由本院设备专业配合境外建筑师事务所开展的，机电专业的三个负责人曾专程前往巴黎与法国建筑设计大师共同工作过一段时间，用了一周不到的时间即敲定了设备方案以及主要的设备站房和管线路径。此外还有和境外的声学顾问、舞台机械、舞台灯光顾问公司的配合。从初设，施工图一直到最后的装修设计和招商机电末端点位的修改以及全程的现场检查，实现了全过程的完整服务。
下面简单列举下本工程中的主要机电工程：
电气专业4个变电所，12台2000kVA的变压器，2台800kW常用功率的发电机组，38台10kV中压开关柜，150台0.4kV低压开关柜，1200台末端控制箱与配电箱，50kWP光伏发电装置，3770米密集型母线，51000米桥架，47.6万米电缆，134.6万米各类电线，应急照明灯具13000套，室外泛光照明点光源9900个，投光灯196套，景观照明灯具200套。两个消控与安防中心，12500个火灾自动报警探测器，手报按钮987个，红外对射探测器36套，各类高清摄像头1800余个。空调专业2个制冷机房，8台制冷主机（含2台乙二醇双工况制冷机），86台冷冻水循环水泵，6台燃气锅炉，6台热水循环水泵，158台空气处理机组，119台排烟风机，172台消防送风及正压风机，245台VRV机组，875台风机盘管，风管长度56625米，冷热水管46527米，消音器432个，水管风管减震支架1200余副。给排水专业2个消防泵房，2个生活泵房，8个气体灭火机房，2个雨水回收机房，2个太阳能热水机房，16台冷却塔，17台消防水泵，11台生活水泵，196套污水提升泵，875套消火栓，35台消防炮，206500米室内消防管线，4500米室外雨污水管线…..
苏州湾文化中心的机电安装造价超过了3个亿，施工周期长达60个月，最高峰时进场机电专业施工人员达400人。
机电一体化设计的具体实践
3.1 机电一体化设计需要有相应的保障机制
从上节列举的工程量上可以看出机电的每一个专业都有相当大的工作量，这还只是一个22万平方的综合体，现在体量更大功能更多的综合体比比皆是，对于这样的项目水暖电仅保证自身的机房设置与系统最优是远远不够的，机电专业之间存在着大量的协调工作，传统的建筑设计院里项目总师一般都是由建筑专业担当，对机电系统缺乏比较深入的了解。举个很简单的例子，当设备的三个专业同时看上了某处位置要拿来作为自己的站房或者管井的时候，建筑师是很难判断怎样处理才是最佳方案的，往往就是两手一摊说机电专业你们自己去吵吧，结果最后谁的嗓门大谁就占据了最好的位置，这显然不是最好的解决方案。
那么为什么不能在设计体系里就设定一位机电专业的协调人来处理类似这样的问题呢？不仅仅是设计阶段，将来施工阶段碰到的凡属于机电专业的内部矛盾与协调也是统统交由此人处理，协调好了以后再统一对土建专业提资或者统一对外呢？从技术上来说这样做是可行的，资深的水暖电工程师在精通本专业知识的同时对其他两个专业的基本常识还是了解的，可以胜任这样的工作。不过，前提是在产值分配体系里必须有相应的产值给到这样的角色，没钱的事是很少有人会主动去承担的，大家宁愿去吵架抢位置。也是在经历了好多项目上的教训以后，在中衡设计凡属于复杂的公建项目都会在项目启动的同时指定专门的机电项目经理，机电项目经理一般由参与项目设计的机电专业负责人担任，产值比例为项目总产值的4%。有了这么一位机电项目经理后很多机电一体化的事情就顺理成章了，还拿土建提资的事情来说，机电项目经理协调完了水暖电智能化专业的管井需求之后，提给土建专业的就是如下的一张整合在一起的资料图，建筑专业会感到非常舒服。
图2 某核心筒机电一体化提资
3.2 机电管线综合
说到机电一体化，管线综合是绕不开的话题，大体量的复杂公建管道综合也是要产生相当大的工作量的，如果没有对应的产值那同样不会有专业主动来承担，怎么办呢？按照常理，室内管线里风管最大最不灵活，那么室内管线汇总应由暖通专业负责，室外管线水管最大最多，室外管线汇总应由给排水专业负责，这部分机电管线汇总的工作量在本院是予以承认的，产值由不承担管线汇总的其他专业折让，最终体现在各专业相应的产值比例里。
文化中心项目在2013年开始设计的时候BIM技术还不像现在这么成熟，尚不具备完全利用BIM来进行正向设计的条件，所以机电各个专业是在平面上先画完主管线然后再在机电项目经理的主持下完成管线汇总。汇总时按照以下原则：喷淋管基本穿梁，先风管后水管，先大管后小管，先无压管后有压管，考虑保温及操作空间，电气让水暖，强电让弱电，先两边后中间，根据吊顶标高预留嵌入式机电末端安装空间，汇总完成后由暖通专业给出如下的节点剖面并反映在设备三个专业的施工图内。
图3 机电一体化管线汇总剖面
图4 机电一体化管线安装实景
当然由于建筑造型的特殊性，全部管线基本完成后还是要再反过来利用BIM建模进行验证，仍然发现了不少问题，特别是那些在平面上很难发现的问题，比如说：由于墙面斜度较大，同一楼层顶面和地面的轮廓线差别较大，平面图中较难表达此部分内容，设备专业管线位置定位在平面图中看是对的，在实际中其实已经出了建筑外墙，如下图所示：
图5 机电管线局部BIM验证
这样逐层机电管线叠加验证并修改，最后形成一个完整的三维管线模型。三维模型设计完成后交付给了施工单位，对施工过程给予了非常好的指导作用。需要指出的是BIM进行管线汇总发现有比较严重的碰撞问题时，具体应如何进行避让仍需要在机电项目经理主持下进行，而不是由BIM制图人员来自行调整。
图6 大剧院地上部分完整的机电3维管线
特别具有挑战意义的管线综合是在1600人大剧院中，为了使同一演出大厅在作为交响乐演奏、会议、歌剧演出时都具有最佳的声学混响效果，建筑师创造性地采用独特的整体升降吊顶来实现这一国内最大体积的可变混响观众厅（增减4700立方米），管线综合时除了要考虑大剧院上空本身的机电管线还要将声学吊顶的钢结构、耳光室结构、舞台灯光管线以及检修马道，舞台音响管线等综合排布，最后是在机电REVIT模型里导入舞台机械的solidworks模型和结构犀牛模型后才完成了这部分的管线综合，最后完成的效果比较理想。
图7 大剧院的可升降吊顶
3.3 合适的就是最好的（关于机械设备的控制）
除了管线的综合，机电一体化里还有很重要的一块就是空调以及给排水设备的自动控制，在国内的建筑设计院体系里，水暖设备的自控毫无疑问是电气工程师或者弱电工程师们的设计范围，所以电气工程师不仅仅要负责配电，更要为水暖系统是不是能够正常运行与自动调节担责。最后水暖系统的效果如果未能达到之前的设计要求，那到底是电气的责任还是水暖自身的问题又是一笔糊涂账。本院做过很多欧美在华投资的高端工业施工图项目，这些项目往往都是业主委托的境外建筑师事务所完成了初步设计。欧美实行的是建筑师负责制，所以初步设计里除了建筑专业图纸和技术描述外，还同样有建筑师事务所委托的境外机械事务所（负责水暖专业）和电气事务所完成的设计图纸以及招标技术文件，让我们感触颇深的是关于机械（水暖专业）的自控点位要求甚至是DDC系统的详细描述都是在机械事务所提供的技术文件里体现的，进一步的和境外机械事务所的交流中发现在境外的工程中基本上水暖设备的控制都是由设备自己配套的控制箱来实现的，电气专业只负责配电给控制箱即可，这样机械专业就完全对自己设计的这个系统是否能正常运行负责任，欧美国家的这样一种做法是值得我们借鉴的。因此在苏州湾文化中心的项目里我们也做了这样的尝试，所有的空气处理机均自带一对一的控制箱，空调系统的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机与制冷机组一起实施群控系统，群控的要求由空调专业提供，所需要的配套动力控制箱及自控系统也放在暖通专业范围内招标，生活水泵、污水提升泵等统统自带控制柜，这样基本上只有消防风机和消防水泵的控制箱是需要电气专业按照国家标准图完成，其他的需要有自控要求的水暖设备均自带控制柜，接入BA系统。
这样的机电一体化思路下，机械专业需要提供如下图所示的控制拓扑图以及详细的控制要求以方便订货：
图8 暖通专业提供的AHU控制拓扑图
对应的电气专业的系统图就只需要为每台AHU的配套控制箱配电即可，图中只反映控制箱的进出动力电缆，如下图所示：
图9 AHU控制拓扑图
最后完成的效果如下图：
图10 空调机房内安装的每台AHU自带控制箱
不仅仅是单台的空气处理机组，对整个制冷机房的冷热源系统空调专业也有群控的解决方案，包含所有的制冷机组、锅炉系统、冷热水循环水泵、冷却塔、板换、电动调节阀等控制与配电。和AHU机组一样暖通专业同样提供了群控系统的控制拓扑图与详尽的控制要求，国内现在也有机房群控比较成熟的一揽子解决方案，那为电气专业为什么不乐见其成呢？都放在机械专业一起实现不香吗？放弃了对这部分产品和设备的控制，我们也同时解放了自己。
图11 制冷机房内安装的群控控制系统控制柜（空调专业提供）
文化中心项目里采用上述水暖设备自带控制箱的做法后最后的调试过程相当顺利，目前也都运行正常。这些设备自带的控制箱最后也还是接入了BA系统，不过BA系统大多数情况下只有简单的远程启停控制和运行以及故障报警监视，所有的现场联动都是设备自带的控制箱来实现的。这样的作法简化了机械与电气的界面，机不异电，电不异机，其实无论机械设备的控制是放在水暖专业来还是放在电气专业来设计，最终的实现还是落在负责施工的机电安装公司身上，对于安装公司而言他们本身实施的就是机电一体化的体系，所以根本没有这部分控制内容是属于谁的纠结，只要保证设备正常运行系统效果完美就可以了，而这不正是大家最终追求的目的吗。
3.4 机电一体化是为了最好地展现建筑之美
在本文一开始我们就提出了综合体项目里机电专业是服务性专业，是为了实现建筑的功能而存在的，如果说机电管线以及系统的的整合体现的是机电一体化的“里子”，那么明露在重要建筑共享空间里的那些机电设备就是“面子”。在这些空间里机电专业在实现诸如照明、供冷供热、消防等基本功能的同时必须非常注意机电专业之间以及和建筑专业的配合。这些场所和建筑专业最好的配合就是感觉不到机电设备的存在，“水善利万物而不争”就像下图里展现的大剧院的入口大厅，乍一看去除了几个顶面上的格栅灯好像什么机电设备都没有，其实所有的配电箱都安装在角落的配电间内、全部采用灯控系统自动控制没有现场的按钮开关；必要的消火栓箱都在墙内挖了井，前面有与墙面平齐的隐蔽的门；高大空间里的红外对射探测器安装在突出的侧墙面上沿大厅长轴方向对射；消防炮藏在顶面格栅与木饰面的间隙内；空调采用地送风，风管全走在地下室，只有落地幕墙边上的地面送风格栅露在外面，排烟口隐藏在顶面格栅后，就连消防疏散指示灯为了不破坏大厅墙面的单纯性也是采用了地面嵌入形式，并且还要找确地面花纹铺装图案的间隔……当然在走道吊顶上所有明露的照明灯具、烟感、喷淋头、摄像头等机电设备就更不用说要统一地排列整齐，一切为了最好地展现建筑之美。
图12 大剧院入口大厅机电与建筑的配合
结束语
本项目的机电项目经理为给排水专业总工，笔者作为电气专业负责人参与了全过程的设计与建设。从浇筑底板开始机电专业即在机电项目经理安排下定期前往工地巡查机电管线的预埋预留，到后期安装工程全面展开时更是每周要巡视一次工地，水暖电专业轮流排班。不管是哪个专业前往现场，除了现场解决自己专业的问题外也都会把其他专业现场发现的问题带回来交由相应专业设计师解决，碰到涉及多个机电专业的问题时即由机电项目经理召集一起讨论协商，本着整体机电一体化效果最优，建筑展现最完美作为出发点和立足点来制定解决方案，为苏州湾文化中心项目最后的完美收官打下了良好的基础。
机不异电，电不异机，机既是电，电即是机。中衡设计的机电专业也在众多的项目磨合中建立了良好的内部关系和大局观，“无我利他”的理念深入人心。时至今日在本院机电总院下已经不复存在初始设计时独立的电气部、给排水部和暖通部，取而代之的是数个水暖电各专业整合在一起的机电综合院，设想在这种工作模式下能使机电专业最大程度地去除彼此之间的专业壁垒，更紧密地合作，更有效地服务于项目，从而配合建筑专业创造出更多像苏州湾文化中心这样磅礴大气的优秀项目。