江西上饒某精準(zhǔn)醫(yī)療中心項(xiàng)目防雷問題的探討

黃兆睿，曹宇

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

1 引言

雷電是大氣中帶電云塊間或帶點(diǎn)云層與地面之間所發(fā)生的一種強(qiáng)烈的自然放電現(xiàn)象，主要分為4種形式：直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波和球形雷。近年來，建筑防雷越來越受到人們的重視，當(dāng)建筑物受到直接雷擊或感應(yīng)雷擊時(shí)，放電電壓可達(dá)數(shù)百萬伏甚至數(shù)千萬伏，放電電流可達(dá)幾十至幾百千安，由此引起的電磁能量若不及時(shí)泄入大地，會(huì)造成人員傷亡，建筑物炸毀、設(shè)備損壞等重大事故。

而大型高層公共建筑以其人員密集、智能通信設(shè)備多、儀器精密程度高、更易遭到雷擊等特點(diǎn)，迅速成為眾多建筑中防雷保護(hù)的重要對(duì)象之一。本文以江西上饒某精準(zhǔn)醫(yī)療中心工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，對(duì)防雷措施等進(jìn)行分析和探討，研究高層智能建筑防雷設(shè)計(jì)中存在的問題和改進(jìn)方案。

2 工程概況

本工程地上共9層，建筑高度40.5 m，地上建筑面積139 324.43 m2，為一類高層公共建筑，屋頂為平屋面，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。其中，1～3層及裙房為展覽廳、報(bào)告廳、會(huì)議、辦公區(qū)等，4～9層均為辦公區(qū)。地下共2層，地下總建筑面積56 829.9 m2，主要為汽車庫(kù)及設(shè)備用房。為保證不受雷電干擾，需對(duì)本建筑物進(jìn)行有效的防雷保護(hù)措施設(shè)計(jì)。

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，民用建筑應(yīng)劃分為第二類和第三類防雷建筑物，需計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N，公式為：

式中，k為校正系數(shù)（詳規(guī)范要求）；Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a）；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2；Td為年平均雷暴日數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)（站）確定，d/a。

結(jié)合本工程實(shí)際，計(jì)算得到的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)0.319次/a，根據(jù)國(guó)標(biāo)確定本建筑為第二類防雷建筑。但二類防雷是否能滿足該建筑物的實(shí)際情況，還需具體分析。

3 防雷環(huán)境分析

3.1 雷電多發(fā)區(qū)域

本項(xiàng)目位于江西省上饒市，年平均雷暴日為65 d。江西省是雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)、重災(zāi)區(qū)，在2005—2011年，全省因雷擊死亡人數(shù)達(dá)387人，其中，2006—2007年連續(xù)兩年因雷擊傷亡人數(shù)居全國(guó)第一，2010—2014年因雷擊死亡人員占因?yàn)?zāi)害死亡人員的48.9%，并且所占比例逐年遞增。由此可見，雷擊是江西省造成人員傷亡的主要自然災(zāi)害因素之一。

3.2 系統(tǒng)復(fù)雜

本項(xiàng)目屬于一類高層公共建筑，研發(fā)及商務(wù)辦公中心內(nèi)設(shè)計(jì)有大量智能化系統(tǒng)及專業(yè)設(shè)備，包括公共安全系統(tǒng)、信息設(shè)施系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、音視頻會(huì)議系統(tǒng)、精密醫(yī)療設(shè)備、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、智能化集成管理系統(tǒng)等一系列智能系統(tǒng)。僅按照規(guī)范進(jìn)行普通防雷布置不足以保證智能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。一旦發(fā)生雷電災(zāi)害，感應(yīng)雷通過電源與雙絞線所形成的極高瞬態(tài)電流，能快速破壞用電設(shè)備和各種智能系統(tǒng)。因此，需要注意智能設(shè)備的防雷防護(hù)問題。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則

本項(xiàng)目中建筑物外形不規(guī)則，每個(gè)樓層的結(jié)構(gòu)都不相同，露天平臺(tái)較多，存在大量突出部位，與一般情況下只需在頂層設(shè)置接閃帶的情況完全不同。

由上述分析可知，該項(xiàng)目防雷環(huán)境十分復(fù)雜，在充分考慮該項(xiàng)目防雷系統(tǒng)的實(shí)施和設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)代防雷綜合性和有效性等特點(diǎn)，全面分析被保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、氣候等因素，綜合布置，建立一個(gè)可靠的綜合防雷體系。

4 防雷布置方式探討

目前的防雷措施包括外部防雷措施：接閃器、引下線、屏蔽、接地裝置和接地系統(tǒng)。內(nèi)部防雷措施：浪涌保護(hù)器、合理布線、屏蔽、等電位連接和公用接地系統(tǒng)等。

4.1 接閃器分析

一般情況下，接閃器可由獨(dú)立的避雷針、架空避雷線或架空避雷網(wǎng)和直接裝設(shè)在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)等組成。

本項(xiàng)目屬于第二類防雷建筑物，可直接裝設(shè)避雷帶（網(wǎng)）即可達(dá)到防直擊雷的要求。即在高層屋頂、裙房屋頂沿女兒墻、屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位用φ10 mm熱鍍鋅圓鋼敷設(shè)避雷帶或利用建筑物金屬構(gòu)件作為防雷接閃器，凡突出屋面的金屬構(gòu)件、金屬通風(fēng)管、金屬屋架、屋面上可導(dǎo)電體（消防水箱、水泵等）均與接閃器可靠連接。在屋面接閃器保護(hù)范圍之外的非金屬物體應(yīng)裝接閃器，并應(yīng)和屋面防雷裝置相連。屋面避雷帶連接網(wǎng)格不大于12 m×8 m或10 m×10 m。裙房屋面接閃器應(yīng)與主樓各引下線內(nèi)柱內(nèi)鋼筋可靠連接。連接露臺(tái)防雷布置如圖1所示。

圖1 連接露臺(tái)防雷布置圖

4.2 引下線分析

引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體，其作用是將雷電流引入接地裝置，應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕和熱穩(wěn)定性的要求。按照敷設(shè)方式分為明敷設(shè)、暗敷設(shè)和用鋼筋混凝土中鋼筋作為引下線3種。

本項(xiàng)目以結(jié)構(gòu)柱內(nèi)鋼筋為引下線，采用φ16 mm以上鋼筋2根一組或φ10～φ16 mm鋼筋4根一組，下與基礎(chǔ)接地裝置連接，上與避雷帶連接，同時(shí)利用所有框架柱或剪力墻內(nèi)構(gòu)件鋼筋作為防雷引下線，引下線間距不大于18 m。

4.3 接地裝置的分析

接地是讓流入防雷系統(tǒng)的閃電電流成功流入大地，不破壞防雷系統(tǒng)中被保護(hù)的物體，所以，良好的接地才能有效地將雷電流引入大地，降低引下線電壓，防止雷電流反擊。

以往的規(guī)范為防止電網(wǎng)中雜散電流干擾設(shè)備正常工作，要求電子設(shè)備單獨(dú)接地，現(xiàn)如今防雷設(shè)計(jì)已不提倡單獨(dú)接地，而是更多地將電子設(shè)備與防雷接地系統(tǒng)接入同一個(gè)接地裝置，但要求更為嚴(yán)苛，接地電阻由原來的4Ω減少至1Ω，如果電子設(shè)備接地裝置采用專用的接地系統(tǒng)，則與建筑防雷接地系統(tǒng)的距離宜大于20 m。

接地裝置應(yīng)優(yōu)先利用建筑物內(nèi)鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋，本項(xiàng)目接地極為建筑物基礎(chǔ)底梁的上下兩層鋼筋中的兩根主筋通長(zhǎng)焊接形成的基礎(chǔ)接地網(wǎng)，也可采用若干水平鋼帶和若干垂直鋼管連接在一起的接地網(wǎng)。接地電阻要求為1Ω。

4.4 建筑物內(nèi)部防雷裝置分析

構(gòu)筑和作用于建筑物內(nèi)部的防雷工程稱之為內(nèi)部防雷工程，是保護(hù)智能建筑的重要一環(huán)，其涉及面較廣，主要預(yù)防的是包括感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷和線路浪涌高電壓所造成的電網(wǎng)波動(dòng)等危害，其中，威脅最大的就是高電壓的引入。

在設(shè)置內(nèi)部防雷裝置時(shí)，應(yīng)考慮高電壓帶來的危險(xiǎn)，將建筑物外露部分與防雷接地系統(tǒng)內(nèi)鋼筋相連接，具體做法：（1）在建筑物的地下室或地面層處，將建筑物的金屬體、金屬裝置、建筑物內(nèi)系統(tǒng)、進(jìn)出建筑物的各類金屬管線與防雷裝置做防雷等電位連接。（2）外部防雷裝置與建筑物金屬體、金屬裝置、建筑物內(nèi)系統(tǒng)之間，滿足間隔距離（電氣絕緣）的要求。（3）在每棟樓總進(jìn)線箱內(nèi)設(shè)浪涌保護(hù)器，并作總等電位聯(lián)結(jié)，各弱電進(jìn)線箱內(nèi)設(shè)信號(hào)線路浪涌保護(hù)器，進(jìn)出建筑物的各種金屬管道，電纜鋼管等均于入戶處與總等電位聯(lián)結(jié)端子板連接。（4）電梯軌道上下均與總等電位端子板連接。主要弱電機(jī)房及設(shè)備間需設(shè)置等電位連接。（5）合理布線，避免發(fā)熱等干擾，在重要設(shè)備和抗干擾能力差的設(shè)備旁增設(shè)屏蔽層[1]。

5 防雷布置改進(jìn)策略探討

建筑物防雷的整體性是現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)和安裝的重點(diǎn)之一，常規(guī)的防雷接地系統(tǒng)只是對(duì)建筑物的基本要求，由于現(xiàn)在建筑智能化程度越來越高，對(duì)智能建筑防雷的設(shè)計(jì)不能僅僅著眼于滿足規(guī)范，而要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。例如，本項(xiàng)目中建筑物形狀不規(guī)則，每層結(jié)構(gòu)都不相同，露天平臺(tái)較多，上人后會(huì)成為制高點(diǎn)，雷云會(huì)優(yōu)先對(duì)人體放電，造成人員傷亡。再加上智能設(shè)備較多，處于高雷暴地區(qū)等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上有一定的特殊要求，需要綜合考慮整個(gè)范圍內(nèi)的設(shè)施布局，同時(shí)對(duì)接地裝置也要綜合統(tǒng)一考慮。本文在詳細(xì)了解了相似建筑防雷規(guī)范的同時(shí)，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)做法，對(duì)今后類似復(fù)雜建筑物的防雷提供參考。

5.1 防雷保護(hù)措施

首先，本項(xiàng)目露臺(tái)較多，高層處許多突出部位眾多，兩建筑物的連接露臺(tái)部分和突出部位應(yīng)著重考慮建筑物防雷電感應(yīng)、平臺(tái)處雷擊及防側(cè)擊雷措施。

其次，頂層平臺(tái)存在空調(diào)管井、送風(fēng)風(fēng)井等排風(fēng)井，以及各種設(shè)備和機(jī)房等，除了在設(shè)備房外屋頂突出部分設(shè)置避雷線外，還應(yīng)考慮設(shè)備內(nèi)部的防雷措施，如圖2所示。

圖2 屋頂空調(diào)設(shè)備防雷布置圖

從總體上來看，本項(xiàng)目的防雷改進(jìn)措施有以下幾點(diǎn)：

1）執(zhí)行GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中二類防雷建筑物的防雷措施的同時(shí)，所有進(jìn)出建筑物的線纜、金屬管道、構(gòu)架等金屬物應(yīng)就近做等電位連接，室內(nèi)接地干線與接地裝置的連接盡量多。

2）建筑物鋼構(gòu)架和混凝土、梁、板、柱內(nèi)的鋼筋應(yīng)相互連接，在此基礎(chǔ)上，形成電氣通路，利用柱內(nèi)鋼筋做引下線，并且在易受雷擊的部分可適當(dāng)增設(shè)引下線的數(shù)量。

3）外部金屬物，下面無易燃物品且滿足（鉛板的厚度不應(yīng)小于2 mm，不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦和銅板的厚度不應(yīng)小于0.5 mm，鋁板的厚度不應(yīng)小于0.65 mm，鋅板的厚度不應(yīng)小于0.7 mm）以上要求時(shí)，可利用其作為接閃器，還可利用布置在建筑物垂直邊緣處的外部引下線作為接閃器。特別是在露臺(tái)面，除增設(shè)避雷網(wǎng)外，還可利用外部金屬物減少雷擊危險(xiǎn)。

4）外墻內(nèi)、外豎直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂端和底端，與防雷裝置等電位連接。

這樣不僅可以減小直擊雷造成的損傷，同時(shí)可以對(duì)側(cè)擊雷進(jìn)行有效的預(yù)防。

5.2 智能設(shè)備保護(hù)措施

本項(xiàng)目建筑物內(nèi)電子設(shè)備較多，屬于智能建筑，應(yīng)增加對(duì)電磁脈沖等弱電領(lǐng)域的防雷措施：

1）在建筑物內(nèi)、外的變壓器高壓側(cè)，與低壓側(cè)裝設(shè)避雷裝置；

2）進(jìn)入建筑的架空和直接埋地的各種金屬管道在進(jìn)出建筑時(shí)與防雷接地體連接，并且滿足接地電阻阻值；

3）在建筑物內(nèi)的線纜管道，盡量采用埋地接入的方式，入戶端將電纜金屬外皮、鋼管道與接地體連接；

4）加裝通信保護(hù)裝置，對(duì)于重要的電子系統(tǒng)，在一條下路中增設(shè)幾臺(tái)浪涌保護(hù)器，防止在發(fā)生雷電流入侵時(shí)，雷電過電壓對(duì)電子設(shè)備的損壞；

5）在重要的電子設(shè)備間周圍增設(shè)屏蔽網(wǎng)，有效隔絕雷電電磁場(chǎng)對(duì)建筑物內(nèi)，電氣設(shè)備的破壞；

6）引入帶有防雷保護(hù)功能的弱電設(shè)備，在用電末端進(jìn)行防護(hù)[2]。

5.3 接地保護(hù)措施

本項(xiàng)目地下室設(shè)有弱電機(jī)房、消防控制室、風(fēng)機(jī)房、配電間等重要設(shè)備用房，應(yīng)在采用基礎(chǔ)接地作法的同時(shí)，充分考慮設(shè)備房的接地和整體接地阻值大小：

1）利用全部或大多數(shù)柱子基礎(chǔ)的鋼筋作為接地體；柱子基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)通過鋼柱、鋼屋架、鋼筋混凝土柱子（剪力墻）、屋架、屋面板等構(gòu)件的鋼筋或防雷裝置互相連成整體。構(gòu)件之間必須連接成電氣通路。

2）各種接地引下線的下端應(yīng)與基礎(chǔ)接地網(wǎng)可靠焊接。

3）外部防雷裝置的接地應(yīng)和防閃電感應(yīng)、內(nèi)部防雷裝置、電氣和電子系統(tǒng)等接地共用接地裝置，并應(yīng)與引入的金屬管線做等電位連接。

4）由于內(nèi)部重要設(shè)備較多，要求接地電阻值不大于1Ω。實(shí)測(cè)不滿足要求時(shí)，須增設(shè)人工接地體，直至達(dá)到要求為止。

6 結(jié)語

綜上所述，建筑物防雷保護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜，細(xì)致的內(nèi)容，盡管雷擊是小概率事件，但可能會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，對(duì)建筑物的安全使用，以及各類設(shè)備的正常運(yùn)行，有至關(guān)重要的作用。隨著智能建筑的推廣，使原有的防雷手段已經(jīng)無法滿足建筑的實(shí)際要求。本文選取江西上饒某精準(zhǔn)醫(yī)療中心項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為例，針對(duì)該建筑處于雷擊多發(fā)區(qū)域、智能系統(tǒng)設(shè)備眾多、建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的問題進(jìn)行防雷保護(hù)分析，希望能對(duì)今后類似重要建筑物和未來智能建筑的防雷設(shè)計(jì)提供一些思路。