高層建筑雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

摘 要：當(dāng)前，城市建筑越來越追求“高”，由于垂直高度的不斷上升，導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)也必須不斷向下延伸，同時(shí)也給風(fēng)雷設(shè)計(jì)提出了更高的要求。防雷是建筑工程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過程中對于各種因素必須進(jìn)行綜合的考慮。

關(guān)鍵詞：高層建筑；雷電防護(hù)；設(shè)計(jì)

高層建筑向著智能化和多樣化的方向不斷發(fā)展，側(cè)擊雷的防護(hù)是雷電防護(hù)措施中的關(guān)鍵因素。防雷是建筑工程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，是一門交叉性的綜合項(xiàng)目，因此設(shè)計(jì)過程中對于各種因素必須進(jìn)行綜合的考慮，以確保建筑和人身安全。

1 雷電活動(dòng)的基本規(guī)律

在我國，雷電主要發(fā)生在春夏季節(jié)，尤其以夏季為多發(fā)季節(jié)，冬季則幾乎不發(fā)生。從全球地理來看，雷電發(fā)生頻率最高的地方是赤道附近，隨著緯度的增加，依次向南北減弱，直到南北兩極幾乎不發(fā)生。因而，提出了平均雷暴日的概念來對特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷電活動(dòng)大小進(jìn)行衡量，此外，該標(biāo)準(zhǔn)也成為了防雷工程、建筑工程以及設(shè)計(jì)與評估過程中不可缺少的參考因素。根據(jù)不同地區(qū)的雷電的強(qiáng)度不同，可以將全國分為4個(gè)雷電日區(qū)域。北回歸線以南的雷電日超過80天；長江以南區(qū)的雷電日超過30天；長江以北地區(qū)的雷電日在15天至30天不等；西北地區(qū)的雷電日出現(xiàn)天數(shù)則在15天以下。我國最為劇烈的雷電活動(dòng)地區(qū)在海南省以及雷州半島，年均出現(xiàn)的雷電日為100-130天[1]。

當(dāng)前，城市建筑更多的追求“高”，由于垂直高度的不斷上升，則建筑基礎(chǔ)也必須不斷向下延伸，這也給風(fēng)雷設(shè)計(jì)提出了更高的要求。遵循“法拉第籠”定理，防雷系統(tǒng)大部分由接地裝置、引下線、避雷帶或網(wǎng)三者相連而成的籠式，或是具有抗擊雷電波、防側(cè)擊雷、防直擊雷與防雷電感應(yīng)系統(tǒng)的大網(wǎng)式，通過分流與接閃等方式，綜合設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)兼顧建筑物室內(nèi)和室外的防雷功能，保證人們的人生安全[2]。

2 高層建筑雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)問題與標(biāo)準(zhǔn)

2.1 常見的設(shè)計(jì)問題分析

從我國相關(guān)資料記載中能夠發(fā)現(xiàn)，在高層建筑雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)過程中，由于沒有統(tǒng)一、規(guī)范的防雷裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或是僅僅關(guān)注到建筑物外部LS設(shè)計(jì)而忽略其內(nèi)部的LEM設(shè)計(jì)，導(dǎo)致建筑的雷電防護(hù)工程在設(shè)計(jì)階段就有著不少漏洞，埋下安全隱患。通常來說，防雷設(shè)施的設(shè)計(jì)過程中最常見的有以下三類問題：首先，避雷針安裝不妥，導(dǎo)致感應(yīng)雷和地電位反擊過于強(qiáng)烈，雷擊概率的不斷上升。其次，引下線數(shù)量不妥當(dāng)，若是在無屏蔽網(wǎng)或是引下線為5根的地方，無論放置什么樣的電子設(shè)備，建筑物都會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)的干擾而癱瘓，使得防雷設(shè)計(jì)無效[3]。最后，設(shè)計(jì)過程沒有針對性的感應(yīng)雷的防護(hù)設(shè)計(jì)，雷電電流迅速變化引起強(qiáng)烈的電磁感應(yīng)，若沒有完善的接地裝置就難以泄入地下，導(dǎo)致火花放電，在破壞室內(nèi)電器的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、觸電等事故的發(fā)生。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化處理

針對上述的設(shè)計(jì)問題，新標(biāo)準(zhǔn)并沒有對建筑的垂直高度有明確的規(guī)定，而雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)在應(yīng)對相關(guān)防范問題的時(shí)候主要遵循以下三個(gè)原則。首先，建筑物雷電防護(hù)模式的設(shè)計(jì)中的攔截模式主要有滾球法（RSM）、保護(hù)角法（PAM）和網(wǎng)格法（MM），從電氣——幾何模型的角度來看，傳統(tǒng)滾球法（RSM）的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都較為豐富，是現(xiàn)行模式應(yīng)用最為廣泛的一種。其次，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)準(zhǔn)確的雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)，選擇源于傳輸線路和高層建筑的國際大電網(wǎng)組織（CIGRE）雷電流參數(shù)。最后，為了保障雷電防護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與有效性，就要安裝設(shè)計(jì)防護(hù)裝置[4]。

3 高層建筑雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 高層建筑屏蔽設(shè)施的設(shè)計(jì)

基于理論支持和實(shí)踐結(jié)果可以知道，若是建筑物的垂直高度大于100m，那么接地設(shè)備與防雷設(shè)備間就存在著超過一百萬伏的電位差，最直接的后果就是造成引下線連接的金屬體和它相鄰的金屬體之間的反擊放電現(xiàn)象。這時(shí)的雷電波高大而陡峭，在經(jīng)過引下線的時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致周圍導(dǎo)體出現(xiàn)電磁感應(yīng)。這時(shí)候，靠近引下線的導(dǎo)體沒有屏蔽作用而產(chǎn)生高電位，反擊導(dǎo)體的放電行為還會(huì)使絕緣體擊穿。如果導(dǎo)線外層包裹了屏蔽層，那么就能在防雷引下線與屏蔽層之間形成等電位，當(dāng)雷電打擊到當(dāng)屏蔽層時(shí)，屏蔽層到地上也會(huì)出現(xiàn)互感電勢。此外，主干電氣線路的主要部分主要安置在高層建筑物中心，并且要和引下線保持一定的距離，盡量避免干擾。因此，高層建筑內(nèi)部配置電氣線路主要采取的是鐵管配線式的形式。

3.2 均衡電位與電涌保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

在高層建筑的雷電防護(hù)工作的設(shè)計(jì)上，為了使建筑物內(nèi)部不出現(xiàn)電壓反擊，應(yīng)該按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，根據(jù)建筑物內(nèi)部不同地方的LEM的嚴(yán)重程度的不同，在相關(guān)位置上預(yù)留等電位連接板，與房屋防雷裝置相配合，那么結(jié)構(gòu)鋼筋與各種金屬管線都是在同一電位上，能夠很好地避免雷電電磁脈沖對于電子設(shè)備的干擾，也能夠?qū)τ谒矐B(tài)過電壓形成一定限制和電涌電流的分流。針對高層建筑，根據(jù)防雷任務(wù)的需求和電子設(shè)備的類型，選擇不同的等位連接網(wǎng)，從而避免防雷擊電磁脈沖和電壓反擊。針對低于300kHz的電子設(shè)備可采用S星型結(jié)構(gòu)；針對MHz級的電子設(shè)備系統(tǒng)，可采用M型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3.3 屏蔽作用與間隔距離的設(shè)計(jì)

在高層建筑物中的電子系統(tǒng)容易遭受到雷電電磁脈沖的沖擊，因此必須在建筑物、設(shè)備和各種線路（管道）中注意屏蔽設(shè)施的設(shè)計(jì)。通常情況下，在了解各項(xiàng)系統(tǒng)和設(shè)備的耐壓水平的基礎(chǔ)上，通過互相焊接高層建筑內(nèi)部鋼筋、金屬構(gòu)架與地板、門窗等，形成一個(gè)法拉第籠，再加上地網(wǎng)構(gòu)就能變成初級屏蔽網(wǎng)。在設(shè)計(jì)過程中尤其要注意到初級屏蔽網(wǎng)的衰減，屏蔽材料的選擇，雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的距離，以及屏蔽層厚度、網(wǎng)孔密度等等的參數(shù)，才能使得防衛(wèi)雷電的工作落到實(shí)處。

3.4 接地方式與接地裝置的設(shè)計(jì)

接地裝置通常有自然接地體和人工接地體兩種形式。在設(shè)計(jì)過程中，自然接地體通常由建筑物的基礎(chǔ)構(gòu)造鋼筋來擔(dān)當(dāng)；人工接地體則通常采用的是環(huán)形方式；而獨(dú)立的垂直接地體的接地裝置則可以用周圈式，縮短接地體和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋的距離能夠?qū)崿F(xiàn)均衡電位；木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的建筑物就要采用獨(dú)立接地方式，并單獨(dú)設(shè)置引下線，最好采用鉆孔深埋接地的方式。在設(shè)計(jì)過程中如果要用到共用接地裝置時(shí)，就要使其在各樓層設(shè)備中都要有安裝，通過接地預(yù)留端子或接地地板的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)總等電位聯(lián)結(jié)和局部等電位聯(lián)結(jié)。

遵循“法拉第籠”定理，防雷系統(tǒng)大部分是由接地裝置、引下線、避雷帶或網(wǎng)三者相連而成的籠式。綜合設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)以兼顧建筑物室內(nèi)和室外的防雷功能，保證人們的生命安全。在高層建筑雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)過程中，要注意高層建筑屏蔽設(shè)施的設(shè)計(jì)、均衡電位與電涌保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、屏蔽作用與間隔距離的設(shè)計(jì)、接地方式與接地裝置的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃彩東.河池鑫亮名都廣場綜合樓高層建筑雷電防護(hù)個(gè)例分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2011（9）：153-156.

[2]胡如江.建筑物雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用措施[J].科技與生活，2011（24）：180-181.

[3]伍世民，何耀斌，魏紅.高層建筑雷電防護(hù)裝置檢側(cè)要點(diǎn)[J].大科技，2012（3）：338-339.

[4]高清蘭，白桂巨，陳洪萍，等.高層建筑物防雷設(shè)計(jì)與綜合防護(hù)[J].太原科技，2012（1）.

作者簡介：涂緯華（1979，11-），男，江西省余干縣人，江西省鷹潭市氣象局，助工，本科學(xué)歷，研究方向：雷電防護(hù)。