不同標(biāo)準(zhǔn)建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)計算方法研究

賀姍 樂輝 邳瑩

摘要：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-2：2010中給出的建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算方法，分別對校正系數(shù)/位置因子、建筑物所處地雷擊大地的年平均密度、建筑物截收面積3個分量進(jìn)行了對比分析，并研究了不同條件下兩個標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)比值與建筑物長、寬、高等的關(guān)系?？偨Y(jié)了兩個標(biāo)準(zhǔn)年預(yù)計雷擊次數(shù)計算方法的局限性與合理性，以期為雷電防護(hù)設(shè)計和雷擊風(fēng)險評估等工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雷擊大地密度;位置因子;等效截收面積

中圖分類號：S761.5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）09-0043-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.010? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： According to the calculation method of the number of lightning per annum in buildings given in national standard GB 50057-2010 and international standard IEC 62305-2：2010， the three components of the correction/location factor， the lightning ground flash density where the building located and the equivalent area of buildings were compared and analyzed respectively. The relationship between the ratio of the annual number of lightning in two standards and the length， width and height of the building was studied under different conditions. The limitations and rationality of the calculating methods of the annual number of lightning in two standards were summarized in order to provide a basis for the design of lightning protection and lightning risk assessment.

Key words： lightning ground flash density; location factor; equivalent area

在一般的雷電防護(hù)設(shè)計中，需對建筑物進(jìn)行防雷等級分類，而建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)是進(jìn)行防雷等級分類所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);在一個項目的雷擊風(fēng)險評估中，需要對大氣雷電環(huán)境進(jìn)行評價，而年預(yù)計雷擊次數(shù)就是其中一個基礎(chǔ)方面。故無論是進(jìn)行防雷工程的設(shè)計還是雷擊風(fēng)險的評估，都需要先計算出被保護(hù)建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)[1]。建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)是指在一年內(nèi)某建筑物在單位面積內(nèi)可能遭受到的雷電襲擊次數(shù)。中國學(xué)者對建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)進(jìn)行了大量研究，謝杰[2]、王芳春[3]分析研究了年預(yù)計雷擊次數(shù)的精確、簡化計算方法，馮鶴等[4]探討了架空線路的年預(yù)計雷擊次數(shù)。

對于建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算，中國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010[5]和國際電工委員會發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-2：2010[6]都給出了各自的計算方法，雖然兩個規(guī)范中給出的公式形式相似，但其分量的計算卻各有不同。劉興元[7]提出應(yīng)增加GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)計算公式相關(guān)參數(shù)的修正系數(shù)的建議;高磊等[8]探討了等效截收面積計算的若干問題;任艷等[9]根據(jù)雷電數(shù)學(xué)模型及雷電流幅值的概率分布特征等對兩種標(biāo)準(zhǔn)中等效截收面積計算方法和雷擊大地密度的合理性進(jìn)行了分析研究;史雅靜等[10]、李鑫等[11]分析了位置因子特征，并提出了雷擊風(fēng)險評估精細(xì)化計算模型。這些學(xué)者對年預(yù)計雷擊次數(shù)的各種分量做了研究，但少見對兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中年預(yù)計雷擊次數(shù)進(jìn)行比較分析。本研究分別從年預(yù)計雷擊次數(shù)的3個分量，即校正系數(shù)/位置因子、建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度、建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積著手，進(jìn)行了對比分析，旨在研究兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中年預(yù)計雷擊次數(shù)各自的局限性以及合理性，以期為雷電防護(hù)設(shè)計和雷擊風(fēng)險評估工作提供依據(jù)。

1? 兩個標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算方法分析

在中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010中規(guī)定，建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)（N）按式（1）計算。

式中，k為校正系數(shù)，Ng為建筑物所在地區(qū)雷擊大地的年平均密度，Ae為建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積。

而在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-2：2010（下文簡稱“IEC標(biāo)準(zhǔn)”）中建筑物的危險時間次數(shù)計算公式如式2所示。

式中，Nd為雷擊大地密度，Ad為建筑物截收面積，Cd為建筑物的位置因子。

兩個標(biāo)準(zhǔn)中所給出的公式形式是相似的，k與Cd相對應(yīng)，均為修正因子;而Ng相同，均為雷擊大地密度;Ae與Ad均表示建筑物的等效截收面積，但是這些分量各自對應(yīng)的計算公式卻有差別，導(dǎo)致最終按兩個標(biāo)準(zhǔn)計算出來的年預(yù)計雷擊次數(shù)相差較大。

2? 兩個標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)各分量的對比分析

2.1? 修正因子k與Cd

在兩個標(biāo)準(zhǔn)中校正系數(shù)（k）與位置因子（Cd）取值詳情見表1，可知k在一般情況下和Cd在為孤立建筑物時都取1，在山頂上的孤立建筑物k和Cd均取2。在這兩種情況下，兩個標(biāo)準(zhǔn)中的取值相同，考慮的條件也相同，即主要考慮孤立建筑物的相對位置。

對于剩下不同的兩組系數(shù)，在中國國家標(biāo)準(zhǔn)中，主要考慮了被評估建筑物所處地的土壤電阻率、建筑物結(jié)構(gòu)類型，沒有考慮周圍物體對被評估建筑物的影響;而IEC標(biāo)準(zhǔn)中反映了周圍物體對被評估建筑物的影響，卻忽視了建筑物所處地的地質(zhì)環(huán)境等對建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的影響。但是在國家標(biāo)準(zhǔn)中，計算建筑物的等效截收面積時，考慮了周邊建筑物高度對評估建筑物的影響，這樣最終所得的年預(yù)計雷擊次數(shù)較全面、更符合實際情況，而IEC標(biāo)準(zhǔn)中僅考慮了建筑物周邊環(huán)境的影響，忽略了其他因素。

2.2? 雷擊大地密度的分析

雷擊大地密度是指每年每平方千米雷擊大地的次數(shù)，無論在國家標(biāo)準(zhǔn)中還是在國際標(biāo)準(zhǔn)中，它們采取相同的計算公式，即Ng=0.1×Td，其中Td為年平均雷暴日，GB 50057-2010中指出這一數(shù)值根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_、氣象站資料確定;而IEC標(biāo)準(zhǔn)中說明Ng可由閃電定位系統(tǒng)提供，若沒有閃電定位系統(tǒng)，在溫帶地區(qū)則可用公式來計算。

根據(jù)規(guī)定，在一天內(nèi)只要觀測站聽到雷聲（不管幾次）則記為一個雷暴日[12]。一般情況下，可以聽到距離觀測站一定范圍以內(nèi)的雷聲，超出此范圍的雷聲則不能夠被聽到;且雷暴日本身不能反映雷暴持續(xù)的時間，這些都表明雷暴日的使用存在一定局限性。通過閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)，可以較精確地得到某一具體地方單位面積的年閃電密度[13]。但是，通過分析對比，閃電定位系統(tǒng)所得的雷暴日普遍高于人工觀測記錄的結(jié)果，且在雷電高發(fā)月份，雷暴日數(shù)相差較大[14]，這會使最后得到的雷擊大地密度存在巨大的差異，故需要提出一種更科學(xué)合理的計算方法來計算雷擊大地密度?，F(xiàn)在較多省份（自治區(qū)）都根據(jù)閃電定位系統(tǒng)得出的閃電次數(shù)，通過網(wǎng)格法來計算出雷擊大地密度，這較符合各個地區(qū)的特征，也更為合理。

2.3? 等效截收面積計算方法

在IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的截收面積是指從建筑物上各點高度的3倍全方位向地面投影所構(gòu)成的面積。孤立建筑物可由相關(guān)公式求得，而對于形狀較復(fù)雜的建筑物，可用作圖法來求解。

3? 兩個標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)計算方法的比較

分析平坦大地上長、寬、高分別為L、W、H的某建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)，主要分兩種情況來考慮，即當(dāng)建筑物高度H<100 m和≥100 m時，在這兩種情況下分別比較兩個標(biāo)準(zhǔn)中所得的建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的差別。因兩個標(biāo)準(zhǔn)中雷擊大地密度相同，所以考慮的是平坦大地上的建筑物，則k=1，由式（1）、式（2）可得GB 50057-2010和IEC標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值如式（3）所示，即只需根據(jù)實際的相對位置考慮兩種標(biāo)準(zhǔn)中等效截收面積的關(guān)系即可。

選取建筑物長度L分別為30、75、120 m;W分別為10、20、30 m時，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值（N2/Nd）隨高度H的變化如圖1所示。

由圖1可知，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值隨著建筑物高度的增加而減少，且比值減少趨勢隨著高度增加而減緩。當(dāng)建筑物長度L一定時，比較圖中曲線①、②、③可知，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值隨著建筑物寬度的增加而增加，即寬度越大，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值越大;寬度越小，年預(yù)計雷擊次數(shù)在建筑物越低的高度達(dá)到1。當(dāng)建筑物寬度W一定時，由圖中曲線③、④、⑤可知，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值隨著建筑物長度的增加而增加，即長度越大，比值越大;長度越小，比值在建筑物越低的高度達(dá)到1。

由上述分析可知，兩標(biāo)準(zhǔn)中建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值隨著建筑物的長、寬的增加而增加，建筑物的長、寬數(shù)值越大，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值越大，且隨著高度的增加而減小。當(dāng)建筑物高度較小時，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值變化較大;而達(dá)到一定高度時，年預(yù)計雷擊次數(shù)的比值變化減小，比值的變化率趨于平緩。即在較低的高度，GB 50057-2010中年預(yù)計雷擊次數(shù)大于IEC標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)，而隨著高度的增加，兩者間的差距逐漸減小，直至GB 50057-2010中年預(yù)計雷擊次數(shù)小于IEC標(biāo)準(zhǔn)中年預(yù)計雷擊次數(shù)。

3.1.3? 建筑物四周在2D范圍內(nèi)都有比它高的其他建筑物? 當(dāng)建筑物四周在2D范圍內(nèi)都有比它高的其他建筑物，Cd=0.25，GB 50057-2010中等效截收面積計算公式為Ae3=LW，Ad公式不變，則將上述各種關(guān)系式帶入式（3）可得：

3.2? 當(dāng)建筑物的高度等于或大于100 m時

在GB 50057-2010中，當(dāng)H>100 m時，建筑物每邊的擴(kuò)大寬度D=H。①在一般情況下GB 50057-2010中等效截收面積計算公式為Ae1′=LW+2（L+W）H+πH2，而在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，Ad′=LW+6H（L+W）+9πH2，則有Ad′-Ae1′=4H（L+W）+8πH2>0，可見IEC標(biāo)準(zhǔn)中等效截收面積一直大于GB 50057-2010中的等效截收面積，即年預(yù)計雷擊次數(shù)按IEC標(biāo)準(zhǔn)計算的一定大于按照GB 50057-2010計算的。②當(dāng)建筑物四周在2D范圍內(nèi)都有等高或比它低的其他建筑物時，GB 50057-2010中Ae2′=LW+（L+W）H+■πH2，Ad′公式不變，Cd=0.50，則Ad′-Ae2′=2H（L+W）+4.25 πH2-LW，由此可以看出，只要2H≥W，則Ad′-Ae2′>0，即根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)計算的年預(yù)計雷擊次數(shù)一定大于根據(jù)GB 50057-2010計算的。③當(dāng)建筑物四周在2D范圍內(nèi)都有比它高的其他建筑物時，與“3.1.3”中情況相同。

3.3? 當(dāng)建筑物各部分的高度不同時

對于此種情況，兩種規(guī)范中的規(guī)定相似，沿著建筑物周邊各點算出最大擴(kuò)大寬度，然后連接最大擴(kuò)大寬度外端的連接線，所得的面積即為等效截收面積。每部分按公式計算比較復(fù)雜時，可以利用作圖法來直接求出等效截收面積，再根據(jù)年預(yù)計雷擊次數(shù)的公式求解。

4? 結(jié)論

1）在GB 50057-2010和IEC標(biāo)準(zhǔn)中，校正系數(shù)的選取各有偏重點，若將國際標(biāo)準(zhǔn)中的位置因子納入到截收面積環(huán)境的考慮中時，IEC標(biāo)準(zhǔn)即等同于無校正系數(shù)，而GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)卻給出了當(dāng)土壤電阻率較低和金屬屋面無接地的磚木結(jié)構(gòu)等情況下的校正系數(shù)。兩種規(guī)范中提及的雷擊大地密度的算法存在一定的誤差，如果條件允許，可以利用閃電定位系統(tǒng)推導(dǎo)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式。

2）建筑物處于平坦大地上，當(dāng)高度小于100 m時，在高度較低的建筑物中，按GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)計算出的年預(yù)計雷擊次數(shù)高于按IEC標(biāo)準(zhǔn)計算的，但隨著高度的增加，兩者的差距逐漸減小，最終按GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)計算出的年預(yù)計雷擊次數(shù)會遠(yuǎn)低于按IEC標(biāo)準(zhǔn)計算的。當(dāng)建筑物的高度大于100 m時，按GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)計算出的年預(yù)計雷擊次數(shù)通常低于按IEC標(biāo)準(zhǔn)計算的。因為在GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)大寬度是按照滾球半徑為100 m時，建筑物能截收的最小雷電流累積計算而得來的，研究表明，在100 m以內(nèi)，建筑物的擴(kuò)大寬度D與H的比值隨著高度的增加在不斷減小，當(dāng)建筑物等于或高于100 m時，建筑物的擴(kuò)大寬度為H，即不論建筑物的高度為多少全部按照高度計算，這種取值方法會使高層建筑的年預(yù)計雷擊次數(shù)產(chǎn)生較大誤差，而IEC標(biāo)準(zhǔn)中，建筑物的擴(kuò)大寬度始終為建筑物高度的3倍，這樣擴(kuò)大寬度所得到的等效截收面積的覆蓋范圍會較廣，如此得來的年預(yù)計雷擊次數(shù)會使雷擊風(fēng)險評估更合理。

3）而在低層建筑物中，GB 50057-2010標(biāo)準(zhǔn)中考慮的情況比較全面，根據(jù)實際情況可分為多類，還考慮到了土壤電阻率等的影響，這會使最終計算得出的建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)較準(zhǔn)確。所以在運用時，可以根據(jù)實際情況來選擇建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的兩種方法，綜合進(jìn)行分析計算，以期望得出更合理的建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)，從而使得在防雷工程的設(shè)計或者雷擊風(fēng)險的評估更為準(zhǔn)確合理。

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收稿日期：2018-09-14

基金項目：湖北省防雷中心自立課題項目（FL-Y-2016004）

作者簡介：賀? 姍（1987-），女，湖北天門人，工程師，主要從事雷電災(zāi)害評估與防護(hù)技術(shù)研究，（電話）13554491593（電子信箱）1256650699@qq.com。