地热井施工现场 图片来自：微软
作者：Nadine M. Post
微软热能中心，有一个创新性的地源供暖和制冷系统，这是该“科技巨头”给位于西雅图郊外、面积72英亩（约29.14万平方米）的东园区内的现代化建筑提供服务的，真正将两种迥异的工作路径“合二为一”。由于团队协作、虚拟设计和建造、模块化交付和碳减排的协同作用，微软热能中心团队为智能可持续项目交付树立了榜样，可应用于许多建筑类型。
微软热能中心的核心是一栋两层的中央公用事业单位工厂——作为微软全球可持续发展承诺的象征被永久展出。该工厂75%的机械和电气设备是在受控环境下异地预制的。
热能中心最大的特质和最令人生畏的部分是其面积6.5英亩（约26305平方米）的地热井区，由大约900个穿越未知领域的孔洞组成，大部分钻孔达到550英尺（167.64米）深度。AEI工程公司的机电工程师项目经理罗比·奥利尔说，可以把地热井区想象成“一个巨大的地下热交换器”。AEI的15个完整地热系统中，微软的系统是最大的。
井区存在一些障碍物，因为路基上散布着过去建筑的残余物以及巨石、卵石和岩石——这些都没有记录在案。该系统还必须为其他的园区项目围绕着现有的公用事业线路和未来的线路进行建设。“地下情况有一些挑战，”总承包商GLY建筑公司的高级项目经理本·哈姆说。
微软热能中心工厂于2020年8月开始建造，在2022年6月底建成；地热系统的工期自2020年2月至2022年3月。据GLY所说，尽管障碍重重，该团队还是按时在预算内完成了项目。微软至今也没有公布项目成本或任何相关细节。
闭环地源加热和冷却系统输送冷水或温水与地球深层交换能量。井区有直径6英寸（15.24厘米）的井，每个井都包含一个充满水的环形回路，可以吸收地球的能量。这些井在顶部连接通过横向管道与面积63726平方英尺（约5920平方米）的中央公用事业单位工厂相连。
所有人都将项目的成功归功于精心设计，这也是依靠团队协作和合作完成的。这包括GLY参与前期阶段以及麦克唐纳·米勒设备公司机械系统解决方案的设计辅助和山谷电气公司的协助。AEI的奥利尔说，通过对多余的机械设备进行价值工程设计，节省了约1500万美元的成本，如果没有设计辅助，这种情况可能不会发生。
数字化设计建造
虚拟设计和建造支持这些活动。业主代表OAC服务公司的建筑系统总监麦克·格林说，其中包括一个精确到每英寸256像素的3D模型，该模型是一个数字孪生体。他补充说，一个统一的BIM执行计划至关重要，该计划制定了项目的标准。
“BIM是设计和施工的出发点，”NBBJ的负责人克里斯·贝扎同意道。格林·波特·伦丁公司的负责人蒂姆·布罗克韦补充道：“对我们来说，这个项目改变了游戏规则。”格林·波特·伦丁公司负责该项目的土木工程、结构工程。
非现场施工提高了质量和安全性，减少了现场工作量。GLY的哈姆说，例如，每个钢架立管现场施工需要六周的工作量，而在受控环境下只需要10天的工作。
在热能中心，机械和电气系统优先。例如，钢结构建在设备周围。钢结构安装工在两层建筑的屋顶和第二层都留有两个30平方英尺（2×2.79平方米）的面积，以便起重机操作。然后，安装人员再来填充结构。钢铁承包商更喜欢一次性移动和复位。
地热能交换
地热系统通过井中的环形管道交换来自地球深处的能量。
格林表示，从施工文件的发布到交付使用，综合策略仅产生了247份信息邀请书。“这种规模的项目很可能会有2000份信息邀请书，”格林补充道，他表示每份的成本为1080美元。
热能中心的加热能力为每小时2800万英制散热量。其9台冷水机可提供9000吨制冷。该系统的规模可为17座新建筑中300万平方英尺（27.87万平方米）的办公和休闲空间提供服务，其中包括两栋现有办公楼；华盛顿州雷德蒙园区的一个地下车库；还有四座建筑尚未建成。
井区目前被板球和垒球场、篮球和匹克球场、道路和景观所覆盖。GLY的哈姆说，园区里的其他承包商“在我们之后成功地安装了所有的（地面）设备，迄今为止没有对地下井系统造成任何损坏。”
热能中心的工厂除了用于地热系统的冷却器、泵、立管和电气设备外，还包括应急发电机和其他组件，并在大楼旁边的七个储罐中以最大容量储存了28万加仑热能。水被分配到四个热水和三个冷水储水箱中，每个储水箱65英尺（19.812米）高，用卡车从全美各地运过来。配电系统连接到建筑物，以完成供暖和制冷系统。
根据AEI的说法，水箱的主要作用是使热能中心的加热和冷却设备以最有效的方式运行，而不是必须立即响应园区的变化需求。
闭环地热系统由深地质井中24000英尺（7315.2米）长的充水塑料管组成。井管本身是环状的，一端用于供水，另一端用于回水。
奥利尔说，地热能交换作为供暖系统主要组成部分的基本原理是基于园区的开放式绿色空间。他补充说，尽管地热不是成本最低的解决方案，但它确实减轻了电力设备的负担，从而节省了运营费用。奥利尔说，与电阻加热或热水锅炉的选项相比，它“非常耐用和有韧性”，而且效率很高。
减少隐含碳
由于采用可再生能源，热能中心在运营上实现了碳中和，符合微软的全球可持续发展目标，该目标包括到2030年实现负碳和水资源正效益。团队使用了2019年发布的、并可在“建筑透明”网站上免费下载的隐含碳计算器（EC3）。和团队预测一样，该项目还合并了大约一半源于施工的隐含碳。
交通运输中减少碳排放的一个例子是热能中心废料运输卡车的燃料——可再生生物柴油，由再利用的脂肪、用过的烹饪油和非食用油制成。GLY从俄勒冈州购买了大量燃料，并将其储存在现场的一个油罐中。
微软将所有园区现代化项目作为协调试点项目来改进隐含碳计算器，该项目允许团队比较从采矿到施工中的主要建筑材料和系统中的隐含碳。迄今为止，园区范围内的隐含碳计算器试点取得了“巨大成功”，微软房地产与设施部门高级开发经理杰夫·罗维诺表示。“我们与五家建筑公司、三个总承包商和多个结构工程公司一起将该工具集成到现代化项目的核心战略中，并有望将我们的隐含碳足迹减少30%。”罗维诺补充道。
微软预计这项试点将为所有团队使用隐含碳计算器减少隐含碳提供便利。罗维诺说，“我们相信隐含碳计算器可以推动整个建筑行业的广泛进步。”
非现场作业也减少了隐含碳，部分原因是工厂环境中的废物减少了，送货和施工人员前往工地的次数减少了，现场进度也缩短了。
建模
对于业主代表格林来说，热能中心工厂提供了一个难得的“搭建平台”的机会，以实现机电设备模块化交付的潜力。这位有着40年施工经验的资深人士表示，在一次初期的模块化团队会议上，“我看到设计助手ME公司对此非常感兴趣”。该公司对预制装配式建筑有着强烈的偏好，因为它是作为管道装配配套进入这个行业的。格林了解到，渴望预制的ME公司经常因设计师和承包商不愿接受模块化而受挫，尤其是在商业开发中。
格林说，经过验证的BIM还使ME公司能够承诺比通常情况下更多的预制房屋。格林补充说，为了让模块化工作，热能中心“必须首先在虚拟环境中构建，近乎完美，然后在物质世界中进行验证”。关于热能中心，“质量保证-质量控制不只是嘴上说说。”
GLY通过在高度精细的设计模型上构建建筑BIM。在设计开发结束后，麦克唐纳·米勒接管了模型中的空间协调。碰撞检测每周进行一次。
这个策略奏效了。格林说，第一个预制模块设置在BIM允许的1/8英寸（0.038米）内。
棘手的地质工作也从BIM中受益。该模型包括井位、分配管道以及GLY合同之外的现有和规划的公用设施。
AEI在施工前制定了地质井潜在位置的初步计划。然后，GLY和麦克唐纳·米勒利用该计划进行初始地下测试钻孔，并开发了初始BIM，以确定地热分包商招标书所包含的潜在地质井位置。在与GeoTility签订合同后，麦克唐纳·米勒和GeoTility主要负责监管模型，并与GLY进行协调。
模型的创建并不简单。为了制定每个井区的挖掘协议，该团队进行了“坑探”调查，包括在一个区域的周边挖掘点位，以确定是否有活跃的公用设施，然后连接这些点以创建挖掘地图。
优化工序
在规划地热系统的一个重大挑战是在拥挤的井下为所有地热钻孔寻找空间。AEI的奥利尔说：“就面积而言，园区是巨大的，但要获得尽可能多的绿色空间需要在整个场地铺设大量管道。”
钻孔中心间距为15英尺（4.572米），而不是更常见的20英尺（6.096米）。此外，钻孔深度为550英尺（167.64米），而不是更常见的300英尺（91.44米）。通过设计-施工优化过程，该团队确定，通过将钻孔深度增加10%并增加电热水锅炉以抵消约30%的峰值供暖需求，钻孔数量可以减少约25%。
奥利尔说，与同等容量的地热钻孔相比，电锅炉的初始投资成本要低得多，而且只能在一年中最冷的时候使用。他补充说，这意味着园区整体能效仅略有下降。
优化训练突出了全电动系统设计的一个重要方面，AEI已将其推广到其他工作中。热泵系统比非热泵系统更昂贵，尤其是在与地热源搭配时。奥利尔解释说，抵消这一问题的方法是根据一年中的大部分运行时间来确定系统热泵组件的尺寸，并确定辅助系统与热泵系统结合工作的尺寸，应对一年中需要系统满负荷的少数几个小时。
钻地质井花了两年时间。GLY只有半英亩土地的永久监护权。其他井区必须从园区内的其他承包商处“借用”。
GLY的哈姆说，“我们不得不在七个不同的区域进行作业，而不是一次性在整个井区钻井，虽然后者是我们的首选。”每个区域约4万平方英尺（3716.12平方米）。
GLY表示，分散这些小区域是多种因素造成的结果，包括现有建筑的拆除以及由其他总承包商控制的材料存储、施工人员帐篷或新公用设施安装的区域，其中包括电力服务、下水道、生活用水、现场照明、数据等。
我们的目标是在挖出6英尺（1.83米）深的地质井之后，将这些设施安装好，在某些情况下，这些设施位于地下或与之平行。哈姆说，这需要额外的协调。
在其他承包商临时移交这些空间之前，GLY使用无人机对未来的钻探区域进行了评估和规划。哈姆说，“我们将通过无人机评估肉眼可见的障碍物，测量其高度、面积和坡度。”
经受考验
在挖掘了6英尺（1.83米）并平整一段路面等钻机稳定后，工作人员将使用钻孔灌注桩对钻井钻孔，置入直径1.25英寸（3.175厘米）的环形管道，并用水泥浆填充钻孔。GeoTility总裁斯图尔特·亚诺表示：“神奇的是，这个洞一直开着，以便插入线圈。然后，集合或成组的地质井通过管道汇集到一个拱顶，并通过更大直径的管道输送回中央工厂。
地质原因导致了一些变动，包括放弃和迁移一些钻孔。“大多数情况下，你需要更长时间钻透障碍物，容易磨损钻头，通常会降低整体生产率，”亚诺说。麦克唐纳·米勒公司的高级项目经理本·勒温特补充说，在某些情况下，“我们试了又试，但还是无法到达550英尺（167.64米）的深度。”
哈姆回忆说，当钻机撞到一块无法钻透的巨石时，他处于一种“恐慌”状态，这块巨石大部分都在深处。在这种情况下，即900口井中的25口，团队钻探到400英尺（121.92米），然后找到其他区域增加井，仍然符合设计意图。“我们在施工期间恢复了系统设计，”勒温特说。“如果我们在一口井上少了150英尺（45.72米），我们需要在其他地方弥补。”他补充道。
微软热能中心项目还经受住了外部事件的冲击，包括木匠罢工和卡车司机罢工导致混凝土运输中断。尽管大部分具体工作由GLY自己完成的，并在罢工发生时已经完成，但GLY确实不得不自己混合33立方码（25.23立方米）混凝土。
新冠肺炎疫情和恶劣天气也给项目造成影响，总共损失了26天的工期。哈姆说：“由于天气原因，我们损失了11天，”其中6天是由于下雪，1天是由于酷热，4天是由于空气质量差。剩余的损失时间是由于许可证审批的延迟。
走在时代的前沿
回想起来，OAC的格林强调了在工作初期设定预期和定期沟通目标的重要性。“在整个过程中让团队成员负起责任。”他建议业主，首先在模型中构建项目。模型与现实世界具有相同的三维坐标。格林说：“如果不能在模型中完美地构建它，那么在现实世界中正确构建它的可能性很低。”
一个可靠的BIM执行计划对成功至关重要。“花在建模和冲突检测上的时间与发现施工过程中的错误相比微不足道，”他说。他建议，信任团队，但“根据模型验证工作是否到位”。
微软的罗维诺也对业主提出了建议：“选择配合度高的公司”，这些公司有在短时间内完成复杂工作的记录。
AEI的奥利尔总结道：“热能中心是每个相关人员的职业项目。我们觉得这个项目走在了时代的前面，（然而）规范才开始跟上步伐，我们可能会看到更多项目采取类似的策略。”
