年預(yù)計雷擊次數(shù)計算探討

任寶立

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，哈爾濱 150090)

1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

現(xiàn)有防雷規(guī)范及相關(guān)技術(shù)資料對于建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算，均基于規(guī)則的矩形單體建筑進行計算。 伴隨著社會發(fā)展，個性化、風(fēng)格明顯、多變的建筑形態(tài)越來越多。 復(fù)雜形態(tài)的建筑無法直接套用現(xiàn)有的防雷公式進行計算。 然而，年預(yù)計雷擊次數(shù)計算結(jié)果是確定建筑物雷電防護等級，對建筑物采取正確防雷措施的基礎(chǔ)，因此，不規(guī)則建筑的年預(yù)計雷擊次數(shù)計算是實際工程設(shè)計中必須解決的問題。 本文利用建筑總平面圖、CAD 制圖做為輔助手段，對不規(guī)則建筑年預(yù)計雷擊次數(shù)計算進行分析。

2 防雷計算分類

根據(jù)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》附錄A， 建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N＝K×Ng×Ae。 其中，N為建筑物年預(yù)計累計次數(shù)。K為校正系數(shù)，在一般情況下取1；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；金屬屋面沒有接地的磚木結(jié)構(gòu)建筑物取1.7；位于山頂上或曠野的孤立建筑物取2。Ng 為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/km2/a，可按Ng ＝0.1Td 計算，Td 為年平均雷暴日。Ae 為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2，是建筑實際面積向外擴大后的面積，其計算分為下文所述幾種情況。

2.1 建筑高度小于100m 的情況

每邊的擴大寬度

從式(2)可以看出，當(dāng)建筑輪廓方正時，可以直接輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)進行計算，本文給出以下計算表格(表1)。

計算表格 表1

(1)單一不規(guī)則建筑年預(yù)計雷擊次數(shù)計算

如果建筑形狀不規(guī)則，沒有明確的L、W 數(shù)值時怎么計算? 從式(1)可以看出，建筑輪廓擴大的寬度與建筑本身長度、寬度無關(guān)，只與建筑高度有關(guān)。不規(guī)則建筑如果靠輸入建筑數(shù)據(jù)信息進行計算很難實現(xiàn)，即使實現(xiàn)也會非常繁瑣。 如果利用建筑高度計算出建筑外輪廓擴大的寬度，利用建筑總平面圖中建筑不同高度部位的建筑輪廓，可在圖紙中將建筑輪廓擴大計算出的D 值后，在CAD 圖紙中測出Ae 值。

例如圓形建筑，建筑外輪廓為直徑30m 的圓形，建筑高度80m 的一棟建筑。

外輪廓擴大寬度為:建筑高度H ＝80.00m，200-H＝120.00m，H(200-H)＝9 600.00m，建筑每邊擴大寬度D＝Sqrt[H(200-H)]＝97.98m。

擴大后外輪廓面積通過CAD 軟件計算Ae ＝51 471.85m2＝0.05km2。 等 效 截 收 面 積 Ae ＝0.05km2，年平均雷暴日數(shù)Td ＝33.40，年平均雷暴密度Ng ＝0.1Td ＝3.34，修正系數(shù)K ＝1.00，年預(yù)計雷擊次數(shù)N＝K×Ng×Ae ＝0.17。 此處Td 為哈爾濱氣象部門提供年平均雷暴日數(shù)33.4 天。

(2)復(fù)雜不規(guī)則建筑年預(yù)計雷擊次數(shù)計算

建筑輪廓及建筑高度如圖1 所示。

圖1 建筑輪廓及建筑高度圖1

按式(1)計算出建筑不同高度部位的擴大寬度D 值。

1)建筑高度H ＝18.55m，200-H ＝181.45m，H(200-H)＝3 365.90m，建筑每邊擴大寬度D ＝Sqrt[H(200-H)]＝58.02m。

2)建筑高度H ＝23.10m，200-H ＝176.90m，H(200-H)＝4 086.39m，建筑每邊擴大寬度D ＝Sqrt[H(200-H)]＝63.92m。

在總平面圖中采用CAD 做圖方式將建筑輪廓外擴D 值后如圖2 所示。

圖2 建筑輪廓及建筑高度圖2

由擴大后圖可以看出，此時各直角部位外擴的距離大于D 值，此部位應(yīng)為以建筑直角點為圓心，D值為半徑的圓弧線，如圖3 所示。

圖3 建筑輪廓及建筑高度圖3

剪切掉圓弧外多余部分及內(nèi)部多余線，得到建筑擴大后等效截收外輪廓如圖4 所示。

圖4 建筑輪廓及建筑高度圖4

在CAD 圖紙中測量出等效截收面積Ae ＝42 906.3m2＝0.043km2，帶入式(2)計算出年預(yù)計雷擊次數(shù):等效截收面積Ae ＝0.04km2，年平均雷暴日數(shù)Td ＝33.40，年平均雷暴密度Ng ＝0.1Td ＝3.34，修正系數(shù)K＝1.00，年預(yù)計雷擊次數(shù)N ＝K×Ng×Ae ＝0.13。

2.2 建筑高度≥100m 的情況

每邊擴大寬度D ＝H 即擴大寬度等于建筑高度，則長方形建筑Ae ＝[LW＋2H(L＋W)＋3.14H2]×10－6，不規(guī)則建筑等效截收面積按照2.1 方法計算，最終得出年預(yù)計雷擊次數(shù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，年預(yù)計雷擊次數(shù)計算時，如果遇到不規(guī)則建筑，或建筑各部位建筑高度不同時，可以利用建筑總圖給出的建筑輪廓，及各部位高度分別計算出擴大寬度D 值后，再利用CAD 作圖法計算其等效截收面積，進而計算出年預(yù)計雷擊次數(shù)。 以上計算方法有效的填補了現(xiàn)有計算公式的計算空白。本文給出年預(yù)計雷擊次數(shù)計算模板(表1)，計算時輸入相應(yīng)數(shù)字即可。