中式別墅防雷設(shè)計(jì)

曹 方 瑩

(上海弘城國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司, 上海 200080)

0 引 言

雷電災(zāi)害是一種比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害,威力巨大且不可控。雷擊會(huì)對(duì)建筑物本身、電氣設(shè)備的正常運(yùn)行及電子信息系統(tǒng)等造成嚴(yán)重的影響,甚至威脅人身安全。但是只要采取適當(dāng)?shù)姆览状胧?接地系統(tǒng)以及雷擊電磁脈沖裝置就可以有效預(yù)防和降低雷電災(zāi)害所帶來的損失。

隨著藝術(shù)的進(jìn)步,建筑與藝術(shù)日趨緊密地結(jié)合在一起,對(duì)建筑外觀的美觀性和藝術(shù)性要求越來越高,當(dāng)美觀性與安全性產(chǎn)生沖突時(shí),需要找到兩者的最佳融合點(diǎn),讓建筑既滿足美觀性的要求,又不失安全性。

1 總 則

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]附錄B,坡度大于1/10且小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角、屋檐應(yīng)為其易受雷擊的部位;坡度不小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角應(yīng)為其易受雷擊的部位。

從理論上講,雷云對(duì)地的閃擊會(huì)受到地面影響。GB 50057—2010條文說明附錄F中指出“對(duì)平原和低建筑”是典型的向下閃擊;條文說明4.3.9中指出,小雷擊電流擊到高度低于60 m建筑物垂直側(cè)面的概率足夠低,所以不需要考慮這種側(cè)擊。屋頂和水平突出物應(yīng)按IEC 62305-2風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算確定的防雷裝置(LPS)級(jí)別加以保護(hù)。且中式別墅屋面構(gòu)造復(fù)雜,其中正脊、戧脊上的戧角以及外側(cè)屋檐為易受雷擊部位。中式別墅名詞術(shù)語及滾球剖面圖如圖1所示。

圖1 中式別墅名詞術(shù)語及滾球剖面圖

2 中式別墅防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中式別墅中存在大量的屋檐、垂檐、飛檐、翼角、挑檐,均為易受雷擊部位。中式別墅的防雷設(shè)計(jì)如按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(直接采用熱鍍鋅扁鋼明敷組成的避雷網(wǎng)格作為防雷接閃器),則接閃帶極不協(xié)調(diào),非常影響建筑外立面美觀,但若暗敷接閃帶,則起不到應(yīng)有的接閃效果。暗敷接閃帶從保護(hù)范圍來看并不能保護(hù)到屋角、屋檐,眾多的雷擊實(shí)例也說明雷電都是擊在屋面上而不是直接擊在暗敷接閃帶上,裝設(shè)暗敷接閃帶的作用只是減輕雷擊造成的屋面崩塌危險(xiǎn)。另外,中式別墅屋面采用瓦片覆蓋,當(dāng)遭受雷擊時(shí)容易擊碎而掉落,有一定危險(xiǎn)性。

國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集15D505《古建筑防雷設(shè)計(jì)與安裝》[2]第6.3.9條中也提供在古建筑屋頂設(shè)多根接閃桿,采用滾球法確定接閃桿不同間距時(shí),多根接閃桿的最低高度選擇表。如按表中接閃桿高度設(shè)計(jì),由于聯(lián)排別墅屋面高低搭接,垂檐斗拱錯(cuò)落有致,屋面復(fù)雜,大多無法滿足中式別墅屋面的防雷保護(hù)要求。

3 中式別墅的防雷設(shè)計(jì)

以別墅群中的別墅單體為例,每棟單體均由大小不一、形態(tài)不一、數(shù)量不一的單棟別墅拼接而成。以每個(gè)單體作為一個(gè)整體建筑進(jìn)行防雷等級(jí)考慮,單體建筑年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)均達(dá)到第三類防雷要求,故按三類防雷建筑設(shè)防。第三類防雷建筑物的滾球半徑為60 m,為保證其屋面的完整性和美觀性,采用接閃短桿和暗敷接閃帶組成的避雷網(wǎng)格作為防雷接閃器。中式別墅中的亭臺(tái)樓閣、飛檐斗拱錯(cuò)落有致,所以按每條正脊為基礎(chǔ)進(jìn)行防雷接閃桿的設(shè)置。

3.1 別墅屋檐的保護(hù)

別墅建筑群各單體高度相差不大,取其平均的正脊標(biāo)高,根據(jù)滾球法確定單支接閃桿的保護(hù)范圍,確保大部分1/2通擴(kuò)面對(duì)應(yīng)的屋檐在其保護(hù)范圍內(nèi)。此做法避免屋檐落入地面,而被靠近屋檐邊的滾球擊中,而1/2通擴(kuò)面處為單根接閃桿保護(hù)的最遠(yuǎn)端。根據(jù)綜合計(jì)算,該項(xiàng)目中取650 mm高的φ12 mm熱鍍鋅圓鋼作為接閃桿(根據(jù)GB 51017—2014《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》[3]第4.5.2.5條第2款,60 mm<桿高≤100 mm時(shí),熱鍍鋅圓鋼、圓銅直徑不應(yīng)小于12 mm)。

單支接閃桿的保護(hù)范圍剖面如圖2所示。

圖2 單支接閃桿的保護(hù)范圍剖面圖

正脊上接閃桿對(duì)屋檐的保護(hù)半徑平面圖如圖3所示。

圖3 正脊上接閃桿對(duì)屋檐的保護(hù)半徑平面圖

圖2、圖3中,正脊AB(建筑標(biāo)高為8.765 m,結(jié)構(gòu)標(biāo)高為8.295 m),正脊CD、EF(建筑標(biāo)高為8.030 m,結(jié)構(gòu)標(biāo)高為7.560 m)在其兩端各設(shè)一根接閃桿A、B、C、D、E、F,其中接閃桿A和B針對(duì)最外沿屋檐(建筑標(biāo)高為6.68 m)的保護(hù)半徑為4.757 m,接閃桿C、D、E、F針對(duì)最外沿屋檐(建筑標(biāo)高為6.68 m)的保護(hù)半徑為3.575 m,在A、B兩點(diǎn)處做保護(hù)半徑4.757 m的圓,可以發(fā)現(xiàn)大部分的屋檐均可保護(hù)到,其中C1、D1屋檐由接閃桿C、D保護(hù),E1、F1屋檐由接閃桿E、F保護(hù)。圖3中云線處為無法保護(hù)范圍,可以利用接閃桿C保護(hù)。

此外,在正脊上架設(shè)接閃桿除保護(hù)范圍大外,也易于固定安裝,同時(shí)可以方便與暗敷在混凝土內(nèi)的暗敷接閃帶和引下線焊接連通。屋檐處盡量避免裝設(shè)接閃桿,除影響美觀外,中式別墅的屋檐多為挑檐,不利于受力安裝,也不利于與暗敷接閃帶和引下線焊接連通。若建筑為木質(zhì)結(jié)構(gòu)(屬于易燃材料),不應(yīng)在其上直接裝設(shè)接閃器,接閃器的支撐架應(yīng)采用隔熱層,與易燃材料隔離。

3.2 別墅屋脊的保護(hù)

3.3 別墅戧脊和戧角的保護(hù)

正脊接閃桿對(duì)戧脊、戧角的保護(hù)剖面圖如圖4所示。

圖4 正脊接閃桿對(duì)戧脊、戧角的保護(hù)剖面圖

按滾球法確定單根接閃桿的保護(hù)范圍,可以發(fā)現(xiàn)戧脊和戧角是否在正脊接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi),是以屋面的坡度、戧脊和戧角的角度以及挑起的高度決定的,這存在有些戧角不在保護(hù)范圍內(nèi)的情況(圖4右邊戧角無法受到保護(hù)),如果存在此種情況,可以由如下幾種方案解決:

(1) 加高正脊上接閃桿的高度,以保證戧角在接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi),此種做法對(duì)接閃桿高度增加幅度不大時(shí)非常直接有效;但如果接閃桿高度過高時(shí)需要附加接閃桿的支撐件,并增大接閃桿的截面,以確保接閃桿的固定。

(2) 在戧角最高點(diǎn)加設(shè)接閃短桿,保證戧角的保護(hù)范圍,此種做法會(huì)影響建筑整體的視覺效果。

(3) 利用扁鐵、扁銅、銅帶等金屬材料作接閃器,直接鋪設(shè)在保護(hù)范圍外的戧脊和戧角上,其好處是如果噴上和屋脊瓦當(dāng)一樣的顏色,便可以隱蔽其存在;或是利用“異型”接閃器,如戧角上有類似于正吻、垂獸等裝飾物,可利用其做成金屬構(gòu)件作為接閃器,美觀又安全、可靠。但此類做法會(huì)增加投資成本。

因此,中式別墅因造型多樣性,防雷設(shè)計(jì)時(shí)一定要綜合考慮,才能安全、可靠[4]。

4 中式別墅防雷設(shè)施效果

該項(xiàng)目中采用650 mm高的φ12 mm熱鍍鋅圓鋼的接閃桿和暗敷接閃帶組成的避雷網(wǎng)格作為防雷接閃器。別墅屋頂?shù)姆览自O(shè)計(jì)實(shí)際效果如圖5所示。圖5(a)中,正脊邊上裝設(shè)接閃桿;圖5(b)中,不在正脊接閃桿保護(hù)范圍內(nèi)的戧角采用鋁合金包裹,并噴上與屋檐一樣的顏色,從視覺效果上可以隱蔽其存在。

5 結(jié) 語

不管是中式別墅還是其他各種類型的建筑,人們都希望建筑風(fēng)格能夠豐富多彩,因?yàn)榻ㄖ休d人們對(duì)美觀和藝術(shù)的追求。中式別墅防雷設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把防雷裝置融入建筑風(fēng)格,使得建筑從整體上達(dá)到安全、美觀、和諧和統(tǒng)一。

圖5 別墅屋頂?shù)姆览自O(shè)計(jì)實(shí)際效果