M5-02 承重核算与架空地板设计

模块5 · Day 21 | 机房规划与空间设计

学习者：王鸿才 | 目标岗位：弱电智能化解决方案架构师（智算中心） 项目锚点：北京平谷智算数据中心（9120个6kW机柜，6栋建筑，热通道封闭） 核心命题：9120个机柜压在地板上——结构安全吗？如何计算？

导言：为什么承重是设计的第一道关

在数据中心设计中，存在一个反直觉的现象：许多弱电工程师花了大量精力在设备选型和网络规划上，却在最后被一个土建问题卡住——楼板承重不够。

典型事故案例：

某金融数据中心，设备到货后发现楼板承重仅5 kN/m²，而机柜区需要8 kN/m²，不得不分散布置机柜，严重影响网络拓扑设计。
某云计算中心二期扩建，承重核算时发现一期建筑剩余承重能力不足，只能降低机柜功率密度部署，计算能力打了折扣。

承重核算的时间节点：

方案设计阶段（必须做）→ 验证机柜能否部署
初步设计阶段（必须做）→ 与结构工程师确认加固方案
施工图设计阶段（必须做）→ 明确加固位置和方法
设备到货后（已来不及）→ 只能被动适应

核心结论先放：平谷项目6kW/柜，单机柜重量约1200kg，机柜底脚对地压强约2.5 MPa，换算均布荷载约9-12 kN/m²，刚好满足或略超GB50174 A级最低要求（8.0 kN/m²），需要精确计算。

1. 荷载分类基础

1.1 荷载类型定义

在结构工程中，荷载分为两大类，数据中心设计必须掌握：

荷载分类树：
荷载
├── 静荷载（Dead Load / Permanent Load）
│   ├── 建筑结构自重（梁/板/柱/墙）
│   ├── 建筑面层（地面找平层、装饰面层）
│   ├── 设备基础（架空地板支腿、UPS底座等）
│   └── 固定安装设备（永久安装的精密空调等）
│
└── 活荷载（Live Load / Variable Load）
    ├── 均布活荷载（Uniformly Distributed Load，UDL）
    │   └── 设备连续分布时的等效分布力
    │       单位：kN/m²
    │
    └── 集中荷载（Concentrated Load / Point Load）
        └── 单个支撑点（如机柜柜脚）施加的集中力
            单位：kN

1.2 数据中心荷载的特殊性

数据中心与普通办公楼的荷载差异：

场所	楼面活荷载标准值	特殊说明
普通办公室	2.0 kN/m²	人员+家具
档案室/书库	5.0 kN/m²	密集书柜
数据中心（C级）	6.0 kN/m²	GB50174 C级最低
数据中心（B级）	8.0 kN/m²	GB50174 B级要求
数据中心（A级）	≥8.0 kN/m²	GB50174 A级，平谷项目适用
数据中心（高密GPU）	12-20 kN/m²	特殊加固区
UPS室（含电池）	10-16 kN/m²	铅酸蓄电池极重

关键数字速记：A级数据中心楼板承重 ≥ 8.0 kN/m²（即 800 kg/m²）

1.3 单位换算（必须掌握）

荷载单位换算关系：
  1 kN = 100 kg（重力加速度取9.8 m/s²，工程近似取10 m/s²）
  1 kN/m² = 100 kg/m²
  8.0 kN/m² = 800 kg/m²

  压强单位换算：
  1 MPa = 1 N/mm² = 1000 kN/m² = 100 吨/m²

  注意：
  - 设备厂商规格书通常给出重量（kg）
  - 结构规范使用荷载（kN 或 kN/m²）
  - 两者换算：重量(kg) × g(10 m/s²) ÷ 1000 = 重力(kN)

快速换算公式（工程中常用）：

重量(kg) ÷ 100 = 荷载(kN)
荷载(kN/m²) × 100 = 重量(kg/m²)

例：一台服务器重10kg → 荷载 = 10÷100 = 0.1 kN
例：楼板承重800 kg/m² → 荷载 = 800÷100 = 8.0 kN/m²

2. 数据中心荷载来源分析

2.1 机柜荷载组成

一个完整的6kW机柜，其重量来源：

6kW机柜荷载组成（以标准42U机柜为例）：
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ 组成部分                重量(kg)    占比    │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 机柜柜体（钢架）         120-180     13%     │
│ 服务器（6kW,满配）       400-600     48%     │
│ 网络交换机               20-40       3%      │
│ PDU（配电单元）×2        20-30       3%      │
│ 线缆（铜缆+光缆）        30-60       5%      │
│ 理线架/配件              20-30       3%      │
│ KVM+液晶屏               10-15       1%      │
│ 其他（风扇托盘等）        20-30       3%      │
├─────────────────────────────────────────────┤
│ 合计（估算）             640-985 kg          │
│ 工程取值                 **≈800 kg**         │
│ 保守取值（含余量×1.2）   **≈1000 kg**        │
└─────────────────────────────────────────────┘

2.2 6kW机柜详细重量计算（平谷项目）

服务器配置假设（6kW机柜满配方案）：

方案1：2U服务器满配（CPU服务器）
  2U服务器功耗约：200-300W/台（取250W）
  机柜可装：6000W ÷ 250W/台 = 24台（2U×24 = 48U，超过42U）
  实际装：6000W ÷ 300W/台 = 20台

  重量计算：
  柜体（42U标准柜）：150 kg
  2U服务器（含2块CPU+内存+硬盘）：15-25 kg/台，取20 kg
  20台服务器：20 × 20 = 400 kg
  网络交换机（1台48口）：25 kg
  PDU×2：15 × 2 = 30 kg
  线缆：40 kg
  其他附件：25 kg
  ────────────────────────────────
  合计：150+400+25+30+40+25 = **670 kg**

方案2：AI训练服务器（GPU服务器，B2楼适用）
  GPU服务器（4U，8×A100）：约100-150 kg/台，取120 kg
  功耗：10kW/台（6kW柜装满时考虑降频使用）

  注：B2楼按30kW/柜计算，每柜3台GPU服务器
  3台GPU服务器：3 × 120 = 360 kg
  柜体：150 kg
  InfiniBand交换机：50 kg（HDR，40端口）
  PDU×2（高密63A）：20×2 = 40 kg
  液冷管道（预留）：30 kg
  其他：30 kg
  ────────────────────────────────
  B2楼单柜重量：**660 kg**（30kW机柜）

平谷项目B1楼（通用服务器区）标准6kW机柜重量取值：

工程计算值：
  柜体：150 kg
  IT设备（满配）：450 kg（20台2U服务器）
  配电设备（PDU×2）：30 kg
  网络设备：25 kg
  线缆及附件：50 kg
  ────────────────────────────────
  合计：705 kg

  设计安全系数（×1.2）：705 × 1.2 = 846 kg ≈ **850 kg/柜**
  对应荷载：850 ÷ 100 = **8.5 kN/柜**

2.3 机柜以外的附加荷载

主机房内不只是机柜，还有：

附加荷载来源	典型重量/数量	等效均布荷载影响
架空地板系统	50-80 kg/m²（地板+支腿）	+0.5-0.8 kN/m²
线缆桥架（上走线）	30-50 kg/m	局部集中荷载
列间精密空调	800-1500 kg/台	局部集中荷载（需独立核算）
人员活荷载	2.0 kN/m²（办公标准）	临时荷载
地板下管道	10-30 kg/m	可忽略

综合荷载估算（机柜区域）：

总荷载 = 机柜等效均布荷载 + 架空地板 + 其他附加
       = 机柜集中荷载换算值 + 0.65 + 0.5
       ≈ 机柜均布换算值 + 1.15 kN/m²

3. 集中荷载换算为均布荷载

3.1 为什么需要换算

结构规范给出的是均布荷载限值（kN/m²），但机柜通过柜脚施加集中荷载（kN）。

需要在两种荷载形式之间转换：

集中荷载（实际）──→ 换算均布荷载（与规范对比）
  机柜重量W ──→ 单位面积承受的等效荷载q

3.2 机柜柜脚接触面积

标准42U机柜（600mm宽 × 1000mm深）的柜脚配置：

机柜底部俯视图（600mm × 1000mm）：
┌──────────────────────────────────────┐
│                                      │
│  ◆ 柜脚1                  柜脚2 ◆  │
│ (100×100mm)              (100×100mm) │
│                                      │
│                                      │
│  ◆ 柜脚3                  柜脚4 ◆  │
│ (100×100mm)              (100×100mm) │
└──────────────────────────────────────┘

标准机柜柜脚参数：

柜脚数量：4个（角落各1个）
单个柜脚接触面积：通常为 100mm × 100mm = 0.01 m²
4个柜脚总接触面积：0.01 × 4 = 0.04 m²

注意：不同厂商柜脚尺寸有差异：

通用机柜（中低端）：80mm×80mm，接触面积 0.0064 m²/脚
重型机柜（高密）：120mm×120mm，接触面积 0.0144 m²/脚
带底部基座的机柜：底框整体接触，面积较大

3.3 集中荷载计算过程

示例：平谷项目标准6kW机柜承重核算

已知：
  机柜总重量 W = 850 kg = 8.5 kN（含余量）
  机柜外形尺寸：宽600mm × 深1000mm × 高2000mm（42U）
  柜脚数量：4个
  单脚接触面积：100×100 = 10,000 mm² = 0.01 m²

Step 1：每个柜脚承受的集中力
  每脚集中力 F = W / 4 = 8.5 kN / 4 = 2.125 kN/脚

Step 2：柜脚处的接触压强（局部应力）
  接触压强 σ = F / A_脚 = 2.125 kN / 0.01 m²
             = 212.5 kN/m² = 0.2125 MPa（约 2.1 kgf/cm²）

  对比混凝土强度：C30混凝土抗压强度 ≥ 20 MPa
  → 柜脚接触压强（0.21 MPa）远小于混凝土强度，不会压碎地板 ✓

Step 3：换算为机柜占地面积的等效均布荷载
  机柜占地面积 A_柜 = 0.6 m × 1.0 m = 0.6 m²
  等效均布荷载 q = W / A_柜 = 8.5 kN / 0.6 m² = 14.2 kN/m²

  注：这是机柜正下方占地面积的等效均布荷载
      比规范要求的 8.0 kN/m² 高出 77%
      → 需要进一步分析！

3.4 区域均布荷载计算（正确方法）

工程中不能只看机柜正下方，需要考虑整个机柜区域（含通道）的均布荷载：

正确计算方法：区域均布荷载

定义：机柜区域均布荷载 =
  区域内所有机柜总重量 / 区域总面积（含通道）

计算示例（一排24台机柜）：

  机柜区域尺寸（含单侧半个冷热通道）：
  长度方向：24柜 × 0.6m = 14.4m
  宽度方向：机柜深度 + 半冷通道 + 半热通道
           = 1.0m + 0.7m + 0.6m = 2.3m
  区域总面积 = 14.4 × 2.3 = 33.12 m²

  区域内机柜总重量：24柜 × 850 kg = 20,400 kg = 204 kN

  区域均布荷载 = 204 kN / 33.12 m² = 6.16 kN/m²

  加上架空地板：6.16 + 0.65 = 6.81 kN/m²

  → 6.81 kN/m² < 8.0 kN/m²（A级要求）？

  等等！这里有个陷阱——

3.5 为什么区域均布荷载不够用

关键理解：楼板设计不是按照"整个机房平均"来设计的，而是按照最不利位置的荷载来验算。

最不利位置分析：

情况1（通道处）：通道无机柜，荷载仅为架空地板+人员 ≈ 1.0 kN/m²
情况2（机柜正下方）：等效均布荷载 ≈ 14.2 kN/m²（前面已算）

楼板需要同时满足：
  (a) 最大均布荷载区域（机柜直下方）的整体承载力
  (b) 集中荷载对楼板的局部冲切验算

→ 结构工程师需要做的是：验算机柜柜脚处的楼板冲切和弯矩
→ 弱电工程师需要做的是：提供正确的荷载数值和分布模型

给结构工程师的荷载说明书格式：

荷载参数说明（弱电工程师提供给结构专业）：

区域类型：IT主机房区（服务器机柜）
荷载类型：集中荷载（通过柜脚传递）

单机柜参数：
  机柜总重（含设备）：850 kg（最大值）
  机柜外形：600W × 1000D × 2000H mm
  柜脚数量：4个
  单脚接触面积：100×100 = 10,000 mm²
  单脚最大集中力：850/4 × 10 N/kg = 2125 N = 2.125 kN

  机柜平面布置图见附图（机柜行间距：冷通道1.4m/热通道1.2m）

附加荷载：
  架空地板系统：65 kg/m² = 0.65 kN/m²（均布）
  上走线桥架：35 kg/m = 0.35 kN/m（线荷载，沿机柜行方向）
  人员活荷载：2.0 kN/m²（按GB50009取值）

工程要求：
  楼板活荷载承载力 ≥ 8.0 kN/m²（GB50174 A级）
  同时满足柜脚集中荷载验算

4. 平谷项目承重验算

4.1 总重量估算

全园区机柜总重：

9120台机柜 × 850 kg/柜 = 7,752,000 kg = 7,752 吨

分栋：每栋 1,752,000 kg = 1,752 吨（6栋 × 1520柜/栋）

这意味着什么？

类比：
1,752 吨 ≈ 1752辆小汽车（1吨/辆）
               ≈ 700辆满载卡车（2.5吨/辆）
               ≈ 585头大象（3吨/头）

单栋主机房面积约 1500-2000 m²，均布荷载：
  1,752 吨 / 1800 m² = 0.973 吨/m² ≈ 9.73 kN/m²（不含通道）

含通道（主机房总面积2000m²，机柜区约占70%=1400m²）：
  含通道均布荷载 = 1520×850kg / (2000m²) = 646 kg/m² = 6.46 kN/m²

  加架空地板：6.46 + 0.65 = 7.11 kN/m² < 8.0 kN/m²？

注意：上面的计算是平均值，结构验算用最不利工况（机柜正下方集中荷载）。

4.2 机柜柜脚局部承压验算

最不利工况：相邻两个机柜的柜脚落点距离很近时：

相邻机柜排列（热通道侧，背靠背）：

机柜A后脚   机柜B后脚
    ↓           ↓
────●───────────●────  热通道（1.2m）
    |           |
    0.6m        0.6m（各自机柜深度）

两机柜后脚之间距离 = 1.2m（热通道宽度）
每个脚受力：2.125 kN
局部荷载密度（以1.2m × 0.6m区域考虑）：
  2.125 kN × 2 / (1.2 × 0.6) = 5.9 kN/m²（热通道区域）

机柜自身正下方（0.6m × 1.0m）：
  8.5 kN / 0.6m² = 14.2 kN/m²

结论：机柜正下方等效均布荷载达到 14.2 kN/m²，远超8.0 kN/m²规范值。

为什么这个数据中心还能建？

解答：楼板的荷载扩散效应（Load Spreading）

荷载从柜脚通过楼板向下扩散，在某一深度处均匀分布：

柜脚集中力 → 楼板（混凝土+钢筋）→ 主梁 → 柱 → 基础

扩散规则：荷载在楼板内按 1:1 或 1:2 扩散（视楼板厚度）
          对于200mm厚楼板，荷载扩散半径约100-200mm

→ 楼板的实际受力分布比简单换算更均匀
→ 但仍需结构工程师按规范验算，不能靠估计

4.3 平谷项目承重结论与建议

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│               平谷项目承重核算结论                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 计算项目                  结果          结论                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 单机柜总重（含余量）       850 kg        作为设计输入        │
│ 区域平均均布荷载           7.11 kN/m²   <8.0，需关注         │
│ 含架空地板总荷载           7.76 kN/m²   <8.0，边界情况       │
│ 机柜正下方等效均布荷载     14.2 kN/m²   远超8.0，需结构验算  │
│ GB50174 A级要求           ≥8.0 kN/m²   规范要求             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 行动建议：                                                   │
│ 1. 委托专业结构工程师进行楼板冲切验算（必须）                │
│ 2. 核查原建筑结构设计图（楼板厚度、混凝土等级、钢筋配置）    │
│ 3. 重型设备（电池、UPS）区域特别加固（≥10 kN/m²）           │
│ 4. B2楼GPU高密区（30kW/柜，机柜更重）需专项加固            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

5. 承重不足的处理方案

5.1 发现承重不足后的决策树

承重不足确认
      ↓
┌─────────────────────────────────┐
│  差距有多大？                    │
└─────────────────────────────────┘
      │
      ├──→ 差距 < 20%（如需8.0，实际7.0-7.9）
      │         → 方案A：楼板加固（碳纤维布或钢板粘贴）
      │         → 方案B：机柜分散布置（增加间距，降低密度）
      │
      ├──→ 差距 20%-50%（如需8.0，实际4.0-6.0）
      │         → 方案C：增加支撑柱/钢支架
      │         → 方案D：降低机柜装机密度（减少每柜重量）
      │
      └──→ 差距 > 50%（结构性缺陷）
                → 方案E：重建/另选建筑
                → 方案F：功能降级（改为非主机房用途）

5.2 方案A：楼板加固技术

碳纤维布（CFRP）加固法：

加固原理：在楼板底部粘贴碳纤维布，增加受弯承载力

适用条件：
  - 楼板配筋不足导致的承载力不足
  - 楼板厚度基本满足要求，但钢筋截面面积不够
  - 加固后可提升承载力 20-40%

施工要求：
  - 不影响楼板使用（从底层施工，不需要主机房停机）
  - 施工周期：约2-4周（视加固面积）
  - 成本：约 200-500 元/m²

限制：
  - 主机房已有架空地板，底层施工需协调（通常在楼板下层施工）
  - 加固后不能改变荷载分布（不能随意移动机柜）

钢板粘贴加固法：

原理类似，在楼板底部粘贴钢板
效果更强，成本更高
重量增加（钢板自重），需注意对下层楼板的影响

5.3 方案B：机柜分散布置（最常用方案）

通过调整机柜布局，将荷载分散到更大面积：

分散布置策略：

策略1：增大机柜间距（空柜位）
  原方案：24柜/行，紧密排列
  调整后：每隔4个机柜留1个空位（20%空位）
  效果：区域均布荷载降低约20%
  代价：损失20%机柜容量

策略2：轻重分区
  将重型机柜（GPU服务器，更重）集中在楼板承重更好的柱网中心区域
  轻型机柜（网络设备）布置在承重较弱区域

  平谷项目B2楼执行逻辑：
  - 确认结构柱网（通常8m×8m或9m×9m）
  - GPU机柜优先布置在柱网交叉点附近（楼板最强处）
  - 空机柜行布置在跨中位置（楼板最弱处）

策略3：采用架空地板基座分散
  在机柜下方增加 300mm×300mm 的钢板基座
  将4个柜脚（4×10,000mm²）扩展为1块钢板（90,000mm²）
  效果：接触面积扩大5.6倍，局部压强降低5.6倍

5.4 平谷项目B2楼（GPU高密区）特殊加固方案

B2楼情况：
  机柜功率：30kW/柜
  机柜重量：约1200 kg/柜（含GPU服务器3台×120kg+液冷管路等）
  等效均布荷载（机柜正下方）：1200×10/(0.6×1.0)/1000 = 20 kN/m²

  → 远超普通楼板承载能力，必须加固

加固方案（结构工程师设计）：
  1. 楼板碳纤维布加固（+30%承载力）
  2. 增设格构钢架（将机柜荷载传递到主梁，不通过楼板）
  3. 机柜间距加大至200mm（从标准600mm深机柜行加大至600mm+200mm间距）
  4. 液冷CDU（每组800-1200 kg）设独立基础（不依赖楼板）

加固后承载能力：≥15 kN/m²
满足30kW高密度GPU机柜需求

6. 架空地板设计

6.1 架空地板的作用

数据中心架空地板（Raised Floor / Access Floor）具有多重功能：

架空地板多功能示意：
                    ↑ 服务器进冷风
┌──────────────────────────────────────────────────┐  ← 活动地板面（走路/机柜落脚）
│                                                  │
│           地板下空间（静压箱 Plenum）              │  ← 冷风通道（14-18°C冷风在此流动）
│  ┌────────────┐   ┌──────────────────┐           │
│  │  低压电缆   │   │  冷冻水管道（保温）│           │  ← 线缆和管道通过地板下走线
│  │  通信线缆   │   │  冷凝水管道       │           │
│  └────────────┘   └──────────────────┘           │
└──────────────────────────────────────────────────┘  ← 原始楼面（结构地面）
         ↑
    钢支腿（可调高度）

架空地板四大功能：

气流通道：形成地板下静压箱，向冷通道均匀送冷风
走线空间：电缆/光缆/管道在地板下隐蔽走线
均压分布：将机柜柜脚集中荷载通过架空地板支腿分散到更大面积
防静电：导静电架空地板减少人体静电对IT设备的损害

6.2 架空地板高度选择

地板高度选择决策矩阵：

  地板高度   下走线空间   气流压力   适用场景
  ─────────────────────────────────────────────
  300mm      有限，仅小线缆   较低     低密度机房（<4kW/柜）
  450mm      充裕（推荐）     中等     中密度机房（4-8kW/柜）← 平谷标准区
  600mm      充裕             较高     高密度机房（>8kW/柜）
  800mm+     极充裕           高       特殊需求（液冷管道）

  关键影响因素：
  1. 功率密度越高，需要更大气流量，需要更高地板压箱
  2. 管道越多（冷冻水、消防、线缆），需要更高走线空间
  3. 建筑净高有限时，高架空地板会减少主机房净高

平谷项目选择：

B1/B3/B4/B5楼（标准区，6kW/柜）：450mm架空地板
B2楼（高密区，30kW/柜，液冷预留）：600mm架空地板
B6楼（测试区）：450mm架空地板

净高影响计算：

建筑层高（通常）：5.5-7.0m
结构梁底（最低点）：-300mm → 净高 5.2-6.7m
设备层（桥架+管道+灯具）：-500mm → 净高 4.7-6.2m
天花板（吊顶）：-200mm → 净高 4.5-6.0m
架空地板：-450mm → 净高 4.05-5.55m

主机房净高（地板面到天花板）= 建筑净高 - 架空地板高度
≥ 3.0m（GB50174要求）

关键数字：主机房净高（地板面到天花板）≥ 3.0m（GB50174第6.1条）

6.3 活动地板承重标准（GB6650）

架空地板的承重分为两个维度：

均布荷载承载力（楼面整体）：

GB6650 架空地板分级：
  普通型：均布荷载 ≥ 10 kN/m²
  重型：均布荷载 ≥ 15 kN/m²
  超重型：均布荷载 ≥ 20 kN/m²

  注意：此处均布荷载是活动地板本身承受能力
  ≠ 建筑楼板承重（两者分别核算）

集中荷载承载力（单块板）：

单块板（600×600mm）集中荷载：≥ 8.9 kN（约 890 kg 点荷载）
测试标准：在板中心施加集中力，挠度 ≤ 2mm

平谷项目地板选型：

标准机柜区：重型架空地板（15 kN/m²），600×600mm规格
GPU高密区：超重型架空地板（20 kN/m²），抗静电导电面层
面层材质：硫酸钙板（防潮、重），表面贴高压层压板（HPL）

6.4 地板开孔率设计

冷通道地板开孔的目的：让冷风从地板下静压箱进入冷通道，送入服务器进风面。

GB50174规定：冷通道下方地板开孔率 ≥ 25%（第6.3条）

实际设计中如何决定开孔率？

开孔率设计原则：

1. 匹配原则：开孔位置对应机柜冷风需求位置
   - 高功率密度机柜（≥6kW）：开孔率 25-40%
   - 低功率密度机柜（<4kW）：开孔率 15-25%

2. 均压原则：沿冷通道长度方向，远端开孔率 > 近端开孔率
   （近端：靠近空调出风口，气压高；远端：气压低）

   近端开孔率 ≈ 20%
   中段开孔率 ≈ 25-30%
   远端开孔率 ≈ 35-40%

3. 平谷项目6kW机柜设计值：
   标准开孔砖（600×600mm）：
   开孔面积 = 600×600×25% = 90,000 mm² = 0.09 m²
   每排（24机柜，冷通道长14.4m）开孔砖数：
   14.4 ÷ 0.6 = 24块，每块选25-30%开孔率

开孔砖规格（常用）：

开孔率	规格型号	适用场景
25%	标准型	通用机柜（4-6kW/柜）
30%	中开孔	中高密度（6-10kW/柜）
56%	高开孔	高密度（10kW+/柜）
0%（盲板）	热通道下方	通道封闭盖板

注意：热通道下方不开孔（防止冷热混合），用盲板封住。

6.5 走线方式：下走线 vs 上走线

两种走线方式对比：

方式1：下走线（Under Floor Cable Distribution）
  路径：机柜→地板开孔→地板下空间→另一机柜

  优点：
  ✓ 线缆隐蔽，机房整洁美观
  ✓ 不占用机柜上方空间（不影响气流组织）
  ✓ 改造方便（拉出地板砖即可操作）

  缺点：
  ✗ 减少冷风通道空间（地板下线缆多时影响气流）
  ✗ 线缆散热困难（线缆产热积聚在地板下）
  ✗ 线缆管理难（地板下不可见，难以追踪）
  ✗ 防水要求高（冷凝水风险）

方式2：上走线（Overhead Cable Distribution）
  路径：机柜→顶部走线架（Open Cable Tray）→桥架→另一机柜

  优点：
  ✓ 线缆可见，管理方便
  ✓ 不占地板下空间（气流更均匀）
  ✓ 热通道上方桥架可兼做热通道封闭的顶部支撑
  ✓ 适合高密度（机柜多，线缆多，下走线空间不够）

  缺点：
  ✗ 需要在机柜顶部增加走线架（增加造价）
  ✗ 视觉上稍乱（但有利于管理）
  ✗ 遮挡天花板灯光（需补充照明）

平谷项目走线方式选择：

混合方式（推荐）：
  B1楼（CPU服务器，低密度）：以下走线为主
  B2楼（GPU服务器，高密度）：以上走线为主
  所有楼：强电（电源线）下走线，弱电（信号线）上走线，分桥架

  理由：
  - B2楼30kW/柜，线缆密度极高，地板下塞不下，只能上走线
  - 强弱电分开：防止电磁干扰，便于分类管理
  - 电源线下走：靠近PDU，不需要长距离高空布线
  - 信号线上走：需要跨机柜行连接，上方桥架更灵活

7. 架空地板施工关键要点

7.1 支腿安装精度要求

架空地板平整度要求（GB50462数据中心基础设施施工及验收规范）：
  任意5m范围内高差：≤ ±2mm
  整体水平度：≤ ±5mm（跨越整个机房）
  支腿垂直度：≤ 2mm/m

  为什么精度这么高？
  - 机柜落脚不平会导致门开关不灵、前后门对不齐
  - 架空地板高差导致地板缝隙，漏冷风，影响气流组织
  - 精密空调底部法兰与地板缝隙漏气，制冷效率下降

7.2 接地处理

架空地板系统必须做等电位接地：

接地路径：
钢支腿（导电）→ 地板下均压铜排 → 接地母排 → 机房联合接地系统

要求：
- 每块活动地板下方的钢支腿：导电电阻 ≤ 1Ω（支腿与楼面之间）
- 地板整体对地电阻：1MΩ ≤ R ≤ 1000MΩ（防静电要求）
- 接地连接点：每100m²至少1个接地端子

7.3 防鼠防虫措施

地板下空间是鼠害和虫害的高风险区域：

所有管线穿楼板处：防火封堵兼防鼠处理（不锈钢网+防火泥）
进出线孔：穿线管出口加防鼠网（网孔≤8mm）
地板下定期巡检：每季度检查是否有啮齿类动物

7.4 防火封堵与密封

地板下空间的密封对气体灭火系统至关重要：

密封要求：
- 地板下静压箱：与外部空气完全密封（避免气体灭火时泄漏）
- 穿越地板的管线/线缆：防火封堵材料填充（阻火泥/膨胀型密封胶）
- 架空地板边缘（靠墙处）：PVC角线密封，不留缝隙
- 活动地板格栅板（检修口）：锁扣式，密封条压紧

8. UPS室承重专项

8.1 为什么UPS室承重要求更高

铅酸蓄电池（VRLA）密度极大：

铅酸电池重量：
  单体电池（12V/100Ah）：约35 kg
  一组电池（10只串联，120V总电压）：350 kg

  UPS后备时间1小时（2000kW UPS）：
  电池容量需求 = 2000kW × 1h ÷ (120V系统电压) = 大量电池

  实际计算（2000kW，1h后备，240V直流母线）：
  需要容量：2000kW × 1h / 240V = 8333 Ah
  每只 100Ah 电池：8333 / 100 = 84 组（每组 20 只×12V）
  总电池只数：84 × 20 = 1680 只
  总重量：1680 × 35 kg = 58,800 kg ≈ **59 吨**！

  UPS室面积约 200m²：
  平均承重 = 59 吨 / 200m² = 295 kg/m² = 2.95 kN/m²
  加UPS设备本身（每台约 1-2 吨，共 10 台）：
  总荷载 ≈ 3.0 + 0.5 = **3.5-10 kN/m²**（视布局而定）

  → UPS室通常需要 ≥ 10-16 kN/m² 承重能力

8.2 电池架布局与承重分散

电池架设计原则（降低集中荷载）：

方案1：低层架（电池单层摆放）
  高度：450-600mm（1-2层）
  优点：重心低，便于更换单只电池
  缺点：占地面积大
  承重：相对分散

方案2：高层架（电池3-4层叠放）
  高度：1200-1500mm（3-4层）
  优点：节省地面面积
  缺点：重心高，维护困难
  承重：局部集中，需加固

平谷项目电池室选择：
  单栋配备容量：2×1000kW UPS，后备30min
  采用低层架（2层），分散布置
  特殊结构：电池下方设钢制基础（均压板），将荷载传至梁上

9. 2σ 诊断问题

Q1（记忆层）：填空

GB50174 A级数据中心楼板活荷载 ≥ ______kN/m²。
1 kN/m² = ______kg/m²。
数据中心架空地板推荐高度（标准6kW密度）为 ______mm。
冷通道地板开孔率要求 ≥ ______%（GB50174要求）。
UPS室楼板承重一般需要 ≥ ______kN/m²。

答案：

8.0 kN/m²
100 kg/m²
450mm
25%
10 kN/m²

Q2（理解层）：简答

机柜等效均布荷载（14.2 kN/m²，仅机柜正下方面积）大于A级规范要求（8.0 kN/m²），为什么该数据中心仍然可以建设？
下走线和上走线各有什么优缺点？平谷项目B2楼（GPU高密区）应选哪种，理由是什么？
为什么架空地板高度要选450mm而不是300mm（即使300mm更便宜且节省净高）？

参考答案：

因为结构楼板的承载能力不是按局部换算均布荷载来判断的，而是按实际的集中荷载进行冲切验算和弯矩验算。混凝土楼板有荷载扩散效应，荷载从柜脚通过楼板向下扩散时，在主梁层面上的等效均布荷载已经被稀释很多。真正的验算需要结构工程师完成。
下走线：线缆隐蔽、整洁，适合低密度；高密度时地板下被线缆占满，气流受阻。上走线：线缆可见便于管理，适合高密度。B2楼GPU高密区应选上走线，因为：GPU服务器线缆极多（8×100G InfiniBand + 8×电源线/服务器），地板下空间不足；上走线桥架还可作为热通道封闭的顶部支架（一物两用）。
450mm比300mm提供更大的气流静压箱体积，气流更均匀；450mm走线空间更充裕（冷冻水管道直径100-150mm，加保温层后约200mm，300mm地板下勉强放下但几乎没有气流空间）；6kW/柜密度下地板开孔送风量需要一定静压，450mm能更好维持静压。

Q3（应用层）：计算

题目：平谷项目B2楼GPU高密区，机柜规格如下：

机柜外形：800mm宽 × 1200mm深 × 2200mm高
机柜总重（含3台GPU服务器+液冷组件）：1200 kg
柜脚数量：4个，每脚接触面积：150mm × 150mm
机柜行间距：冷通道1.8m，热通道1.2m
每行机柜数：16个

请计算：

每个柜脚受到的集中力（kN）；
机柜占地面积（含通道50%分摊）的区域均布荷载（kN/m²）；
若原楼板承重能力为8.0 kN/m²，需提升到多少才够用？

参考答案：

每脚集中力 = 1200 kg × 10 N/kg ÷ 4 脚 = 3000 N = 3.0 kN/脚
区域面积（含通道50%）：
- 单柜占地 = 0.8 × 1.2 = 0.96 m²
- 含通道50%分摊：通道宽度 = (1.8 + 1.2) / 2 = 1.5m（每侧分摊0.75m）
- 含通道单柜区域 = (0.8 + 1.5) × 1.2 = 2.76 m²
- 或更准确：每行16柜，行长=16×0.8=12.8m，行深=1.2m，含通道 = 1.2 + (1.8+1.2)/2 = 1.2+1.5 = 2.7m
- 区域面积/柜 = (12.8 × 2.7) / 16 = 2.16 m²/柜
- 区域均布荷载 = 1200 kg × 10 N/kg / (2.16 × 1000) = 12000 / 2160 = 5.56 kN/m²
- 加架空地板：5.56 + 0.8（高密度区用0.8）= 6.36 kN/m²
需要的承重能力：
- 注意：6.36 kN/m² 是含通道的区域均布荷载，但结构上还需验算集中荷载。
- 建议取安全系数1.5：6.36 × 1.5 ≈ 9.5 kN/m²
- 再加上GPU区液冷CDU荷载（约1吨/台，需单独加固）
- 综合建议：楼板加固至 ≥12 kN/m²（留足余量应对未来功率密度进一步提升）

速记卡（Day 21 核心记忆点）

╔══════════════════════════════════════════════════════╗
║          Day 21 速记卡：承重核算与架空地板设计          ║
╠══════════════════════════════════════════════════════╣
║  承重要求：                                           ║
║    A级主机房 ≥ 8.0 kN/m² = 800 kg/m²                ║
║    UPS/电池室 ≥ 10-16 kN/m²                          ║
║    GPU高密区 ≥ 12-20 kN/m²                           ║
║                                                      ║
║  换算口诀：重量(kg) ÷ 100 = 荷载(kN)                 ║
║                                                      ║
║  6kW机柜重量：~850 kg（含余量）                        ║
║  机柜正下方等效均布：~14 kN/m²（需结构验算）            ║
║  含通道区域均布：~7 kN/m²（参考值）                    ║
║                                                      ║
║  架空地板高度：300/450/600mm                           ║
║    标准区（6kW）选 450mm                              ║
║    高密区（30kW）选 600mm                             ║
║                                                      ║
║  冷通道开孔率 ≥ 25%（GB50174）                        ║
║  热通道下方：用盲板，不开孔                            ║
║                                                      ║
║  上走线 vs 下走线：                                   ║
║    低密度→下走线（整洁），高密度→上走线（灵活）          ║
╚══════════════════════════════════════════════════════╝

本章总结

知识点	核心数字	工程意义
A级主机房承重	≥8.0 kN/m²	机柜部署的结构前提
UPS室承重	≥10 kN/m²	电池组重量导致
6kW机柜总重	~850 kg（保守取值）	承重核算输入
机柜占地等效均布	~14 kN/m²（不含通道）	超规范，需结构验算
含通道区域均布	~7 kN/m²（参考值）	接近规范，边界情况
架空地板高度（标准）	450mm	气流和走线平衡
冷通道开孔率	≥25%	确保均匀送冷风
架空地板承重	≥15 kN/m²（重型）	机柜落脚不压坏地板

下一节预告：M5-03 PUE详细测算与能效设计——平谷项目9120机柜，每年耗电多少度？PUE如何精确计算？北京气候条件如何影响能效？

文件版本：v1.0 | 生成日期：2026-02-19 | 适用标准：GB50174-2017 / GB50462-2015 / GB6650-2008