某工程屋面防雷設(shè)計(jì)的難點(diǎn)討論

李曉彬

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

某工程屋面防雷設(shè)計(jì)的難點(diǎn)討論

李曉彬

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

結(jié)合某新建工程實(shí)例，對其屋面在防雷設(shè)計(jì)中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行分析。主要包括接閃器的選擇及其組合設(shè)置、驗(yàn)證滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍、上人屋面防雷裝置的安裝做法等。通過總結(jié)為日后相關(guān)的屋面防雷設(shè)計(jì)提供參考。

防雷 接閃器 滾球法 上人屋面

0 引言

當(dāng)前建筑造型日趨多樣化，集中體現(xiàn)在建筑立面形式的不規(guī)則，即使主體是四四方方的建筑，其立面造型仍有可能局部突出并脫離于主體。因此，在原有建筑物上敷設(shè)一圈接閃帶或者設(shè)置幾根接閃桿的防雷設(shè)計(jì)方式是否仍能對整個(gè)建筑物起到保護(hù)作用，就需要通過滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍來加以驗(yàn)證，從而判斷是否需要增設(shè)接閃器，以及采用何種材質(zhì)結(jié)構(gòu)的接閃器。

除此之外，隨著建筑屋面被逐漸開發(fā)利用，屋面的功能也不再局限于檢修設(shè)備，增加了屋面種植、休閑娛樂、活動健身等越來越多的功能，使得上人屋面成為建筑設(shè)計(jì)的主流。為此，在保證建筑功能的前提下，為上人屋面選擇合適的外部防雷措施是一個(gè)值得探討的問題，同時(shí)對日后工程設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。

1 建筑防雷分類

建筑防雷分類是做防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)建筑物的防雷類別可確定相關(guān)的防雷方案及措施。實(shí)際工程中建筑物的防雷類別由建筑自身的重要性、使用性質(zhì)、預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)等因素決定。建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)可按公式(1)～(3)確定。

(1)

(2)

(3)

式中，k為校正系數(shù)，本工程取1；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度；Ae為與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積，即其實(shí)際面積向外擴(kuò)大后的面積，當(dāng)建筑物的高度<100m時(shí)，Ae的計(jì)算公式如式(3)；Td為建筑物所在地區(qū)年平均雷暴日；L、W、H分別為建筑物的長、寬、高。

本工程建筑為某大學(xué)教學(xué)及學(xué)生活動講堂，其L、W、H分別為75.2m、77.6m、17.7m，年平均雷暴日為36.3d/a，代入上述公式可得建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.12。根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)第3章可知，本工程屬于人員密集的公共建筑物，且年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)>0.05，故此建筑應(yīng)劃為第二類防雷建筑。

2 接閃器的選擇及組合布置

2.1 屋頂接閃器的選擇

本建筑屋頂為坡度≤1/10的平屋面，根據(jù)規(guī)范對第二類防雷建筑外部防雷措施的常規(guī)做法，于所有屋頂部分的屋檐檐口、檐角等易受雷擊的部位明敷接閃帶，接閃帶采用φ10熱鍍鋅圓鋼，具體做法參見圖1。

圖1 接閃帶在屋頂檐口上明裝

2.2 入口門廊接閃器的選擇

在屋頂設(shè)置接閃帶后，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證(見下文)，尚有一建筑主入口門廊區(qū)域未在屋頂接閃帶保護(hù)范圍內(nèi)，此門廊位于建筑西側(cè)講堂主入口，門廊選用仿古建筑裝飾風(fēng)格，在建筑主體范圍之外局部突出了一處由仿古門頭、門頭挑檐及石材裝飾立柱等組成的外裝飾廊，其平面及剖面參見圖2～3。

圖2 仿古外裝飾廊平面圖

圖3 仿古外裝飾廊剖面圖

結(jié)合圖2，通過滾球法判斷可知屋頂檐口處設(shè)置的接閃帶無法保護(hù)所有突出建筑主體的外裝飾廊，尤其是對立柱、挑檐等位置基本無保護(hù)作用，需在上述部位補(bǔ)充設(shè)置接閃器，為此本工程于門廊各裝飾石材立柱上設(shè)置400mm高避雷短針，其通過端子板與裝飾柱內(nèi)鋼筋引下線連接，具體做法參見圖4。

圖4 避雷短針于裝飾柱內(nèi)安裝做法

選擇避雷短針，一是因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算驗(yàn)證了短針可滿足對入口門廊的保護(hù)(見下文)，二是從施工角度考慮，做短針比做接閃帶方便。若采用接閃帶方式，需按照古建防雷裝置做法，在仿古門頭挑檐檐口及裝飾立柱處設(shè)置上下交錯(cuò)的接閃帶，同時(shí)還需要與屋頂檐口處的接閃帶連接以保證電氣通路的形成。此做法施工難度大，建筑美觀度也不夠，故本工程選用避雷短針及屋頂接閃帶的組合形式作為入口門廊的接閃器。

2.3 上人屋面接閃器的選擇

本工程屋面設(shè)計(jì)為可上人的平屋面，屋面除平時(shí)放置風(fēng)機(jī)、水泵、冷卻塔等動力設(shè)備之外，還辟出了兩塊標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)球場地，并對屋面進(jìn)行了簡單綠化(種植了地被植物)，形成可上人的種植屋面。既考慮了原有設(shè)備的檢修功能，又兼顧了鳥瞰效果、游憩觀賞以及由建筑內(nèi)部向室外觀賞的效果，成為在校師生休閑、娛樂、健身的理想場所。

由此可見，對于此類屋面不能簡單在整個(gè)屋面明敷接閃網(wǎng)組成≤10m×10m或12m×8m的網(wǎng)格。應(yīng)首先從建筑功能角度出發(fā)，例如網(wǎng)球場地、屋面步行道等人員活動的場所無法明敷接閃器；其次從美觀角度考慮，在種植屋面的種植層上敷設(shè)接閃器不但影響觀賞效果，還會影響到植被后期的維護(hù)管理。故本工程屋面的接閃器選擇接閃帶、接閃網(wǎng)及接閃桿的組合方式，具體設(shè)計(jì)方案如下。

1)對于本工程屋面的非網(wǎng)球場地，選用40×4的熱鍍鋅扁鋼作為接閃帶，綠化種植區(qū)域接閃帶暗敷于種植屋面內(nèi)(具體敷設(shè)位置見下文)；同時(shí)在非種植區(qū)域的屋面人行步道的基本構(gòu)造層內(nèi)暗敷接閃帶，非種植區(qū)域的設(shè)備檢修區(qū)可利用金屬圍網(wǎng)作為接閃器，若接閃網(wǎng)格大小不滿足要求，需在圍網(wǎng)內(nèi)補(bǔ)打接閃帶。整條接閃帶在跨越種植屋面、人行步道及設(shè)備檢修區(qū)時(shí)通過焊接保持貫通，在屋面組成≤10m×10m或12m×8m的網(wǎng)格以滿足規(guī)范要求。

2)對于屋面上的網(wǎng)球場地，利用場地圍網(wǎng)未能對場地提供全覆蓋的保護(hù)，故為了避免雷擊時(shí)破壞塑膠場地，暗敷接閃帶和金屬圍網(wǎng)不適合代替接閃器，最終本設(shè)計(jì)利用場地金屬燈桿作為接閃器，經(jīng)計(jì)算(見下文)，多根燈桿的保護(hù)范圍可完全覆蓋到整個(gè)場地。

3 屋面接閃器的固定安裝做法

1)對于種植屋面，需要根據(jù)其建筑構(gòu)造確定接閃器的裝設(shè)位置，本工程種植屋面由上到下的基本構(gòu)造層依次為：植被種植層、排(蓄)水層、保護(hù)隔離層、防水層、保溫隔熱層以及屋面的基本構(gòu)造層。由于種植屋面的構(gòu)造要求不破壞防水層，所有水、電管線等應(yīng)鋪設(shè)在防水層之上，故本工程于復(fù)合防水層上的水泥砂漿保護(hù)層內(nèi)敷設(shè)接閃帶，具體構(gòu)造做法參見圖5。

圖5 接閃器在種植屋面內(nèi)的構(gòu)造做法

2)對于非種植區(qū)域的屋面，人行步道與種植屋面類似，要求在屋面防水層上方結(jié)構(gòu)墊層內(nèi)暗裝；而在設(shè)備檢修區(qū)明敷接閃帶時(shí)，本工程未采用混凝土支座固定接閃帶的做法，而是選用貼裝的做法，將接閃帶用螺釘卡固于結(jié)構(gòu)屋面板上。

4 滾球法在工程中的實(shí)際應(yīng)用

4.1 驗(yàn)證接閃器對入口門廊的保護(hù)

上文2.2節(jié)中提到本工程入口門廊處的接閃器需選用接閃帶和避雷短針相互組合的保護(hù)方案，根據(jù)規(guī)范采用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍，首先確定屋頂檐口最高處(17.7m)設(shè)置的接閃線的保護(hù)范圍，此根接閃線的保護(hù)對象是高度為12.81m的外裝飾廊，具體詳見圖6。

圖6 屋頂檐口單根接閃線的保護(hù)范圍

單根接閃線在hx高度的xx′平面上的保護(hù)寬度計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中，h為接閃線的高度，為17.8m，本工程接閃帶支持卡子高100mm；hr為滾球半徑，因本工程為二類防雷建筑物，hr為45m；hx為被保護(hù)物的高度，本工程為12.81m。

代入公式計(jì)算得出接閃線在標(biāo)高為12.81m外裝飾廊平面上的保護(hù)寬度bx為4.4m。

值得一提的是，本工程通過繪圖軟件建模也得出了此根接閃線的保護(hù)范圍。眾所周知，單根接閃線的保護(hù)范圍近似于三角形，本工程亦是如此(如圖7中點(diǎn)劃線所示)。之后將保護(hù)范圍輪廓線插入到建筑底圖中，這樣就可以清晰地判斷被保護(hù)對象是否在接閃器的保護(hù)范圍之內(nèi)。而且，在圖紙中通過尺寸測量發(fā)現(xiàn)，接閃線到保護(hù)范圍輪廓線之間(云線標(biāo)注內(nèi))的距離bx也為4.4m，與公式計(jì)算結(jié)果一致，由此證明通過建模得出的接閃器保護(hù)范圍是正確的。

綜上所述，通過公式計(jì)算和通過計(jì)算機(jī)建模的結(jié)果一致，但通過圖7可以看出本建筑屋頂檐口處的接閃線并不能完全保護(hù)到入口門廊，部分石材裝飾立柱及仿古門頭挑檐并不在接閃帶的保護(hù)范圍內(nèi)，而此處是遭受雷擊概率較大的區(qū)域，學(xué)校建筑主入口又是人員停留路過較多的場所，為此本工程于門廊各裝飾石材立柱上設(shè)置400mm高的避雷短針，專門負(fù)責(zé)立柱及挑檐的防雷保護(hù)。

通過單根接閃桿在hx高度的xx'平面上的保護(hù)半徑公式(同上文公式(4))計(jì)算和建模分析，得出400mm高避雷短針在標(biāo)高為13.56m挑檐平面上的保護(hù)范圍如圖7節(jié)點(diǎn)②中點(diǎn)劃線所示。可以看出，對于本工程入口門廊的防雷保護(hù)，若僅選用一種接閃器顯然是不能滿足要求的，需通過接閃帶及接閃桿的組合來實(shí)現(xiàn)全方位的保護(hù)。

圖7 入口門廊接閃器組合的保護(hù)范圍

4.2 驗(yàn)證接閃器對網(wǎng)球場地的保護(hù)

圖8 四支等高接閃桿的保護(hù)范圍

如上所述，本工程屋面有兩塊相連的網(wǎng)球場地，分別于場地兩側(cè)布置3根8m高的燈桿、于兩塊場地之間布置3根燈桿，合計(jì)采用9根燈桿，可以組成4組符合規(guī)范的矩形布置的四支等高接閃桿，具體布置如圖9所示。圖中2#、4#接閃桿之間的距離7#、8#，5#、6#、8#、9#接閃桿同樣可以實(shí)現(xiàn)，這樣1#～9#接閃桿可形成一個(gè)整體，按照聯(lián)合保護(hù)作用確定接閃桿的保護(hù)范圍(如圖9)，通過建模驗(yàn)證了場地照明燈桿作為接閃桿可以滿足本工程對屋頂兩塊網(wǎng)球場地的防雷保護(hù)。

從圖9中可見，1#、2#、4#、5#這4支接閃桿可以生成共同聯(lián)合防護(hù)區(qū)域，同理2#、3#、5#、6#，4#、5#、

5 結(jié)束語

對于建筑上人屋面，現(xiàn)行防雷設(shè)計(jì)規(guī)范中還未有相關(guān)的條文對其進(jìn)行說明，設(shè)計(jì)圖集也未明確此處的防雷保護(hù)做法，未來隨著建筑屋面功能的多樣性發(fā)展，屋頂花園、運(yùn)動場地、游泳池等多功能的屋頂建筑形式會日漸增多，屋面多種防雷接閃器的聯(lián)合防護(hù)會成為常態(tài)，望日后能頒布相關(guān)的設(shè)計(jì)依據(jù)來指導(dǎo)、規(guī)范其防雷設(shè)計(jì)與施工。本文以一實(shí)際防雷工程案例中所遇到的難點(diǎn)作分析論述，其中部分觀點(diǎn)和結(jié)論不一定完全正確且有待論證，僅起到拋磚引玉的作用，望各位同行和前輩提出寶貴意見并給予指正。

圖9 燈桿作為接閃桿對網(wǎng)球場地的聯(lián)合保護(hù)

[1] GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.建筑電氣專業(yè)技術(shù)措施(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

Discussion on the Difficulties of Lightning Protection Design for a Certain Project

Li Xiaobin

Combined with the actual case of a new project, the difficulties encountered in the design of the roof in lightning protection are analyzed, including air-termination system selection and combination of set, verify the rolling ball method to determine the lightning protection range, accessible roof lightning protection device installation practices. The reference is provided for the design of roof lightning protection.

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