膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計(jì)探析

何棟梁，成彥惠，王波

(1．湖南城市學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000;2．上海億拓膜結(jié)構(gòu)工程有限公司，上海201406)

近10余年，膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)取得了迅速發(fā)展，這種非傳統(tǒng)的全新結(jié)構(gòu)因其造型美觀大方，色彩多樣，耐大氣腐蝕，隔熱隔聲阻燃，節(jié)能，空間利用率高，建設(shè)周期短，工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)而在工程中得到廣泛的應(yīng)用，如各類(lèi)工業(yè)廠房、超市、倉(cāng)庫(kù)、展覽館、體育館、飛機(jī)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、別墅、園林小品建筑等。由于膜結(jié)構(gòu)建筑物獨(dú)特的建筑體系，使得此類(lèi)建筑與普通磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)建筑物的防雷工程設(shè)計(jì)和施工有較大的差異。筆者通過(guò)工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題作一些粗淺的探析。

1 防雷規(guī)范要求及防雷類(lèi)別的確定

1.1 防雷規(guī)范要求

GB 50057－1994(2000)(建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“防雷規(guī)范”)對(duì)建筑物的防雷設(shè)計(jì)做出了明確規(guī)定，表1將防雷設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)單的歸納［1］。

從表1可知，防雷設(shè)計(jì)最終將通過(guò)防雷裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)?！胺览滓?guī)范”中對(duì)防雷裝置材料的選用做了規(guī)定，主要是利用建筑物自身結(jié)構(gòu)中的鋼材料作為防雷裝置。如利用屋頂上的永久金屬物和屋面內(nèi)混凝土構(gòu)件中的鋼筋作為接閃器，利用建筑物構(gòu)件中的鋼柱、鋼筋等作為引下線(xiàn)以及利用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為自然接地裝置等。

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1.2 防雷類(lèi)別的確定

按常規(guī)設(shè)計(jì)方法根據(jù)膜結(jié)構(gòu)建筑物的重要性，使用性質(zhì)，發(fā)生雷擊事故的可能性和后果分類(lèi)，其中建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N為:

上式中，當(dāng)h＜100 m時(shí)，

式中:Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2);

Td為年平均雷暴日數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站資料確定(d/a)。

L、W、h為分別為建筑物長(zhǎng)、寬、高(m)。

k為矯正系數(shù)，在一般情況下取1，在下列情況下取相應(yīng)的數(shù)值:位于曠野孤立的建筑物取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處，地下水露頭處、土山頂部、山谷風(fēng)口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5;

N＞0.06次/a的部、省級(jí)辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物和N＞0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物應(yīng)劃為第二類(lèi)防雷建筑物。

0.012次/a≤N≤0.06次/a的部、省級(jí)辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物和0.06次/a≤N≤0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物應(yīng)劃為第三類(lèi)防雷建筑物。

2 防雷設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮的因素

2.1 接閃功能

在防雷設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只考慮接閃部分的功能，應(yīng)根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部設(shè)計(jì)和建筑物防雷的相關(guān)因素及其規(guī)律，全面考慮防雷方式和應(yīng)采取的措施，以達(dá)到接閃后的功能效果。

2.2 分流影響

設(shè)置防雷引下線(xiàn)的數(shù)量，是關(guān)系到建筑物被雷擊后是否產(chǎn)生擴(kuò)大事故的重要因素。每根引下線(xiàn)所承受的電流愈小，則其反擊的機(jī)會(huì)和感應(yīng)范圍的影響就小，所以引下線(xiàn)的根數(shù)應(yīng)適當(dāng)多些，且其位置應(yīng)適當(dāng)。

2.3 屏蔽作用

對(duì)于建筑物的屏蔽，不僅使室內(nèi)的各種電子設(shè)備、精密儀器、計(jì)算機(jī)及通訊設(shè)備等受到可靠保護(hù)，而且是防護(hù)球雷和側(cè)擊雷的有效方式。在必要的建筑物上應(yīng)當(dāng)考慮屏蔽措施，以防止球雷、側(cè)擊雷及電子設(shè)備等產(chǎn)生誤動(dòng)作或被擊穿的可能。

2.4 均衡電位

為保證建筑物內(nèi)部不產(chǎn)生反擊，不產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，應(yīng)當(dāng)使建筑物內(nèi)部人員能接觸到的金屬設(shè)備及管線(xiàn)能達(dá)到同一個(gè)電位。這是保證人身安全和各種金屬設(shè)備不受反擊的重要條件之一。

2.5 接地效果

接地效果的好壞也是防雷安全的重要保證，對(duì)每個(gè)建筑物都要考慮采用哪些接地方式最好及電位分布的陡度最小;并應(yīng)盡可能達(dá)到均衡電位的條件，接地裝置要適用、耐久;同時(shí)必須達(dá)到規(guī)定接地電阻的要求，膜結(jié)構(gòu)建筑常采用基礎(chǔ)鋼筋作自然接地體，通常采用聯(lián)合接地方式，要求接地電阻＜1Ω。

2.6 合理布線(xiàn)

各種金屬管線(xiàn)和防雷系統(tǒng)有直接或間接的關(guān)系，因此必須考慮建筑物內(nèi)部的電力系統(tǒng)、電訊系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和各種金屬管線(xiàn)的布線(xiàn)位置、走向和防雷系統(tǒng)的距離之間的關(guān)系，重要建筑物內(nèi)各種電氣線(xiàn)路都必須穿金屬管或采用金屬屏蔽電纜，而膜結(jié)構(gòu)建筑各種豎向的管道、金屬支架等均宜在上下與防雷系統(tǒng)可靠連接。

3 膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計(jì)

3.1 膜結(jié)構(gòu)建筑體系

膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure)，也即張拉膜結(jié)構(gòu)(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜結(jié)構(gòu)建筑物由膜材、鋼索、支柱和基礎(chǔ)構(gòu)成，且膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲，其曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來(lái)保障，需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱(chēng)空間膜結(jié)構(gòu)［3］。

膜結(jié)構(gòu)建筑物基礎(chǔ)分為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)和鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，前者在地質(zhì)情況較好的場(chǎng)地使用，后者則應(yīng)用于地質(zhì)情況較差的場(chǎng)地。施工時(shí)需預(yù)埋地腳螺栓，加墊片后和鋼柱相連。

膜結(jié)構(gòu)建筑物采用預(yù)制構(gòu)件，不允許現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、焊接。主鋼架(梁、柱)為焊接型鋼或熱軋型鋼，以充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)性能。次構(gòu)件(檁條)為高強(qiáng)度的、經(jīng)防腐處理的冷彎薄壁C型鋼，和主鋼架采用螺栓連接。圍護(hù)系統(tǒng)(墻體、屋頂)采用膜材，大多采用自攻螺栓和檁條(屋面檁條或沿墻檁條)連接。

3.2 膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計(jì)

膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷應(yīng)根據(jù)建筑形體、建筑場(chǎng)地雷擊統(tǒng)計(jì)特征，采用避雷針或避雷帶，具體導(dǎo)電功率根據(jù)膜面覆蓋空間決定［2］。其防雷設(shè)施主要包括接閃器、引下線(xiàn)和接地體三部分，膜結(jié)構(gòu)防雷做法見(jiàn)圖1。

圖1 膜結(jié)構(gòu)防雷示意

3.2.1 接閃器

接閃器位于防雷系統(tǒng)的頂部，其作用是利用其高出被保護(hù)部位，把雷電引向自身，承接直擊雷放電。膜結(jié)構(gòu)建筑物利用鋼桅桿柱頂?shù)耐怀鼋饘贅?gòu)件作為防雷系統(tǒng)的接閃器。為了保證接閃器符合要求，在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工時(shí)，電氣專(zhuān)業(yè)人員應(yīng)向土建人員提供地腳螺栓和混凝土要求的資料。在澆筑基礎(chǔ)混凝土同時(shí)，將地腳螺栓預(yù)埋在支座內(nèi)，并與基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋焊接，待混凝土強(qiáng)度符合要求后，再安裝避雷針，連接引下線(xiàn)。避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)保護(hù)范圍計(jì)算有多種方法，一般采用“滾球”計(jì)算法，其具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057－94)。

3.2.2 引下線(xiàn)

當(dāng)支承膜面的鋼構(gòu)桅桿、柱采用油漆或鍍鋅防腐時(shí)，可將鋼構(gòu)桅桿、柱直接作為避雷線(xiàn)和垂直接地導(dǎo)電線(xiàn)?！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057－94)第4·2·3條已經(jīng)作了規(guī)定。規(guī)范對(duì)各類(lèi)防雷建筑物的引下線(xiàn)間距做了要求，在土建施工時(shí)，只要所有的鋼柱和接閃器、接地裝置做了可靠連接，那么它們都可作為引下線(xiàn)。針對(duì)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057－94)第4·2·5條的規(guī)定，即是否要對(duì)地上1·7 m至地下0·3 m一段作為引下線(xiàn)的鋼柱采取保護(hù)措施。筆者認(rèn)為沒(méi)必要。第一，不用擔(dān)心鋼柱容易受到機(jī)械損壞;第二，鋼柱本身做了防腐處理，含絕緣被覆層，也起到一定的防護(hù)作用。當(dāng)桅桿采用噴塑防腐，尚應(yīng)加避雷線(xiàn)，桅桿可作為地線(xiàn)，基礎(chǔ)混凝土電阻較大，一般不滿(mǎn)足避雷導(dǎo)電的要求，需在桅桿基座附加有效接地體。

3.2.3 接地體

膜結(jié)構(gòu)接地軸測(cè)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，其基礎(chǔ)處接地詳圖見(jiàn)圖3。膜結(jié)構(gòu)接地體應(yīng)符合以下要求。

(1)材料規(guī)格，接地體、埋地接地線(xiàn)必須采用鍍鋅件，一般常用L50×50×5的鍍鋅角鐵或管徑大于40 mm且壁厚大于3.5 mm的鍍鋅鋼管。

(2)埋設(shè)深度，接地體頂面埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.6 m，角鋼或鋼管應(yīng)垂直配置，為減少相鄰接地體的屏蔽作用，垂直接地體的間距不宜小于其長(zhǎng)度的兩倍，水平接地體的間距應(yīng)不小于5 m。

(3)跨線(xiàn)設(shè)置，利用膜結(jié)構(gòu)自身的各種金屬構(gòu)件作為接地線(xiàn)，應(yīng)保證完好的電氣通路。膜結(jié)構(gòu)自身的金屬構(gòu)件如為串聯(lián)時(shí)，應(yīng)在其串聯(lián)部位焊接金屬跨線(xiàn)連接。

(4)接地體、線(xiàn)連接，接地線(xiàn)連接采用焊接，對(duì)扁鋼的搭焊長(zhǎng)度應(yīng)為扁鋼寬度的兩倍且至少三邊焊接，圓鋼的搭焊長(zhǎng)度為直徑的6倍。

(5)接地體安裝，角鐵或鋼管打入地下的一端加工成一定的形狀，當(dāng)為一般松軟土壤時(shí)，切成斜面形狀，為避免打入時(shí)受力不均使鋼管歪斜，也可加工成扁尖形。當(dāng)土質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)，將尖端加工成錐形。

4 結(jié)束語(yǔ)

膜結(jié)構(gòu)建筑，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其防雷設(shè)計(jì)既有普遍性，又有獨(dú)特性。防雷設(shè)計(jì)作為膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，本文對(duì)此進(jìn)行了闡述和分析，可為膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

圖2 膜結(jié)構(gòu)接地軸測(cè)

圖3 膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處接地

［1］GB 50057－94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］陳務(wù)軍．膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

［3］何棟梁．圓錐形及雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)體形系數(shù)研究［J］．湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(4):12－15