高層建筑電氣設(shè)計(jì)中的防雷研究

摘要：隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，高層建筑已經(jīng)成為城市建筑的主體。高層建筑在發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也存在不可忽視的問(wèn)題，即容易遭受雷擊，因此，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)防雷方案具有重要意義。文章首先探討了雷擊對(duì)高層建筑的破壞作用，重點(diǎn)探討了高層建筑中電氣設(shè)計(jì)的防雷方案，旨在為設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)計(jì)；防雷技術(shù)；高層建筑；城市建筑；防雷方案 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TU208 文章編號(hào)：1009-2374（2015）15-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.005

隨著我國(guó)城市人口的不斷增多，日益緊張的城市土地資源要求設(shè)計(jì)更多的高層建筑，高層建筑也因此成為城市建筑的主體。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，一項(xiàng)重要的內(nèi)容是防雷設(shè)計(jì)，由于其樓層多、高度高，容易遭受雷擊，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，進(jìn)行科學(xué)合理并且深入的高層建筑電氣防雷設(shè)計(jì)十分必要，本文即是對(duì)此展開(kāi)的論述。

1 雷擊的危害

作為一種自然放電現(xiàn)象，雷擊的威力巨大，為了避免雷擊對(duì)地面上的建筑物造成傷害，高層建筑物需要進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。雷擊的破壞主要通過(guò)以下四種方式表現(xiàn)出來(lái)：首先是直擊雷，直擊雷發(fā)生在帶電云層與高層建筑物之間，是一種直接的放電現(xiàn)象，會(huì)在極為短暫的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流；此時(shí)，如果建筑物進(jìn)行了有效的防雷設(shè)計(jì)，直擊雷造成的破壞會(huì)大大減小，否則將會(huì)引起整座建筑物的摧毀或毀滅性的火災(zāi)。其次是雷電波的入侵，通過(guò)電纜線、天線等，雷電可以傳導(dǎo)出來(lái)從而發(fā)生放電現(xiàn)象，它也會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，從而對(duì)流過(guò)的地方造成破壞。再次是感應(yīng)過(guò)電壓，雷電發(fā)生以后，有些顯露在外的線纜、金屬管道等會(huì)感應(yīng)到該雷電壓，形成一定強(qiáng)度的感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)電子設(shè)備的正常工作造成影響，如電子資料和數(shù)據(jù)的破壞、電子系統(tǒng)的損壞等。最后是地電位反擊，當(dāng)雷電作用在避雷裝置上后，接地網(wǎng)在較短的時(shí)間內(nèi)需要承受較高的電壓，該過(guò)程會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成危害。

2 高層建筑對(duì)防雷的要求

高層建筑作為一種特殊且重要的建筑物，具有以下四個(gè)特點(diǎn)：首先是功能多，大部分高層建筑集居住、娛樂(lè)、商業(yè)及辦公于一體；其次是配套設(shè)施較多，由于高層建筑的功能多，相應(yīng)的配套設(shè)置也多，為了保證高標(biāo)準(zhǔn)和舒適的生活空間，常常要配備空調(diào)機(jī)房、制冷機(jī)房、生活及消防水泵房等設(shè)施；再次是人員密度高，高層建筑中居住著大量人員，在文化娛樂(lè)場(chǎng)所更甚；最后是保安要求高，由于高層建筑居住著大量的人員，擁有較多的貴重設(shè)備，因此要保證高度安全。以上這些特點(diǎn)決定了高層建筑防雷需要滿足兩方面的要求：首先是建筑物自身的安全可靠。在進(jìn)行高層建筑防雷設(shè)計(jì)時(shí)，要做到安全可靠，保證防雷設(shè)備能夠充分發(fā)揮作用；其次是防雷裝置要盡可能的簡(jiǎn)單，以利于施工。通常情況下，高層建筑采用的是鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分利用，將其作為防雷裝置的一部分，做到既安全又經(jīng)濟(jì)。

3 直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 直擊雷防護(hù)

表1

防雷等級(jí) 避雷帶尺寸 引下線間距 滾球計(jì)算半徑

一 ≤10×10m ≤18m 30m

二 ≤15×15m ≤20m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

表2

防雷類(lèi)別 避雷帶尺寸 引下線間距 滾球計(jì)算半徑

一 ≤5×5m ≤12m 30m

二 ≤10×10m ≤18m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

一般情況下，針對(duì)高層建筑的直擊雷防護(hù)，采用的是避雷帶（網(wǎng)）作為接閃器，也即是：依據(jù)防護(hù)等級(jí)，將尺寸合適的避雷帶（網(wǎng)）安裝在建筑物頂部四周容易遭受到雷擊的地方。在實(shí)際操作中，由于建筑物上存在一些非金屬設(shè)備，如用電器、冷卻塔和空調(diào)散熱器等，這些設(shè)備不在保護(hù)范圍之內(nèi)，需要另外安裝避雷針進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。在進(jìn)行避雷針高度設(shè)計(jì)時(shí)，受限于屋面范圍，不能單一地將屋面看成是滾球支撐面，此時(shí)可以采用作圖法進(jìn)行計(jì)算。表1給出了高層建筑直擊雷防護(hù)裝置和滾球計(jì)算半徑；表2給出了直擊雷防護(hù)設(shè)置及滾球計(jì)算半徑。可以看出，相同類(lèi)別和級(jí)別的避雷帶尺寸、引下線間距、滾球計(jì)算半徑是不同的，不能將兩者混為一談。

3.2 側(cè)擊雷防護(hù)

一級(jí)高層建筑和二級(jí)高層建筑的高度已經(jīng)不適宜采用滾球計(jì)算半徑，其側(cè)面容易受到雷擊，所以對(duì)于這兩類(lèi)建筑物的防雷設(shè)計(jì)要重點(diǎn)關(guān)注側(cè)擊雷的防護(hù)。上文已經(jīng)指出，高層建筑一般采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用這些鋼筋作為引下線是合理的選擇。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，需要每間隔三層樓，將相對(duì)應(yīng)的金屬管道和鋼筋柱子作為引下線進(jìn)行等電位連接。對(duì)于30m以上的部位，鋼構(gòu)架、金屬門(mén)窗和欄桿等要與引下線作等電位連接。

4 防雷接地合理設(shè)計(jì)

4.1 接閃帶及接閃網(wǎng)

在敷設(shè)接閃帶和接閃網(wǎng)時(shí)，要沿著屋頂?shù)奈萁?、屋脊等容易遭受到雷擊的部位進(jìn)行敷設(shè)。通常情況下，進(jìn)行高層建筑物的屋頂直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可以沿著屋頂周邊外墻的外表面或者是屋檐邊垂直面上敷設(shè)接閃帶，將接閃網(wǎng)設(shè)置在屋頂?shù)闹虚g，另外，在經(jīng)過(guò)伸縮時(shí)，應(yīng)該安裝相應(yīng)的補(bǔ)償連接裝置。在屋面接閃器網(wǎng)格尺寸的設(shè)計(jì)上，要嚴(yán)格按照建筑物的防雷等級(jí)設(shè)置。如果采用暗敷，要控制好埋設(shè)的深度；依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)定為天面水平層下30～50mm；要做在防水層上保溫層下。如果埋設(shè)的過(guò)深，將無(wú)法取到良好的接閃效果。如果高層住宅的屋頂采用的是斜屋面瓦蓋，布置接閃器時(shí)要注意屋檐、屋角等地方的接閃器不能采用暗敷。通常情況下，在高層建筑中，接閃器不能利用屋頂周邊混凝土內(nèi)的鋼筋。

4.2 接閃桿

在新設(shè)計(jì)規(guī)范中，在高層建筑屋頂上安裝接閃桿時(shí)，應(yīng)該采用熱鍍鋅圓鋼或鋼管，將接閃端制作成半球狀，其彎曲半徑在4.8～12.7mm之間。高層建筑時(shí)刻遭受自然界的空氣、雨雪、太陽(yáng)輻射等危害，因此，在設(shè)計(jì)接閃桿時(shí)要充分考慮這些因素對(duì)其荷載的影響，采用防腐蝕、抗氧化、高物理強(qiáng)度和耐高能量的材料，保證構(gòu)件的牢固連接，減少損耗。此外，還要定期對(duì)接閃桿的安全可靠性進(jìn)行檢查，保證其有效性。高層建筑物上的接閃桿在引雷防護(hù)的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)；如：產(chǎn)生感應(yīng)雷、增加遭受雷擊的概率、出現(xiàn)地電位反擊等，將會(huì)導(dǎo)致附近的電子設(shè)備受到破壞。因此，高層建筑物上要盡可能的少安裝接閃桿。

4.3 金屬屋面

在現(xiàn)代高層建筑中，為了實(shí)現(xiàn)美觀的效果，很多外墻采用了玻璃幕墻或是金屬。幕墻上的封口位于墻外側(cè)，是屋頂周邊的范疇，容易遭受到雷擊。此外，幕墻與墻外側(cè)之間的封頂金屬板都是導(dǎo)體，具有較大的面積，可以將其作為接閃器加以利用。高層建筑要充分利用屋頂?shù)慕饘侔遄鳛榻娱W器，此時(shí)應(yīng)該滿足：板之間連接要保證長(zhǎng)久的電氣貫通，金屬板無(wú)絕緣被覆層。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高層建筑頂作為接閃器的鋁板厚度應(yīng)以2.5～3mm比較適宜。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)的高層建筑數(shù)量在急劇增加，這顯然會(huì)增加建筑物遭受雷擊的概率，防雷設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。此外，高層建筑中的電氣設(shè)備越來(lái)越多，在防雷設(shè)計(jì)中也要充分考慮到這一點(diǎn)。本文探討了雷擊對(duì)高層建筑的破壞作用，重點(diǎn)探討了高層建筑中電氣設(shè)計(jì)的防雷方案。總之，加強(qiáng)高層建筑電氣設(shè)備中的防雷設(shè)計(jì)十分有必要，電氣設(shè)備人員應(yīng)該積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高設(shè)計(jì)的安全可靠性和科學(xué)合理性。

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作者簡(jiǎn)介：范玉山（1983-），男，河南南陽(yáng)人，供職于重慶市設(shè)計(jì)院，研究方向：電氣。

（責(zé)任編輯：周 瓊）