高層建筑電氣施工中的防雷技術(shù)探討

朱帥令

(中鐵建設(shè)集團(tuán)中原建設(shè)有限公司)

0 引言

在大自然中, 雷電是一種常見(jiàn)的放電現(xiàn)象, 其產(chǎn)生的過(guò)電流電壓可能會(huì)威脅到建筑物及建筑物內(nèi)部居民安全。但當(dāng)下建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的普及, 在一定程度上增加了高層建筑結(jié)構(gòu)信息化設(shè)備。但多數(shù)信息化設(shè)備存在抗耐過(guò)電壓能力低的問(wèn)題, 如果受到雷擊影響, 就會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng), 并逐步破壞設(shè)備系統(tǒng), 威脅人身安全[1]?；诖? 為了進(jìn)一步保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 提高居民生命安全保障,針對(duì)高層建筑電氣施工進(jìn)行有效的防雷工作很有必要。在分析國(guó)內(nèi)眾多專家與學(xué)者的相關(guān)研究后, 本文基于雷電對(duì)高層建筑的危害入手, 分析討論建筑內(nèi)部防雷技術(shù)和建筑外部防雷技術(shù), 希望可以在明確具體的防雷要求后, 通過(guò)合理化的安排與設(shè)置, 減少雷電發(fā)生時(shí)對(duì)建筑及居民產(chǎn)生的影響, 盡可能有效避免雷電災(zāi)害。

1 雷電對(duì)高層建筑的危害

1.1 閃電感應(yīng)

如果發(fā)生閃電, 對(duì)于所有處在閃電周圍附近的導(dǎo)體, 都有可能會(huì)在閃電的影響下產(chǎn)生雷電靜電感應(yīng)、雷電電磁效應(yīng), 甚至還會(huì)影響建筑物金屬部件, 在金屬部件中形成電火花。如果此時(shí)建筑物內(nèi)部存在設(shè)備安裝不嚴(yán)格、金屬管線鋪設(shè)不合理等一系列問(wèn)題, 就會(huì)影響電位連接以及接地處理效果, 從而造成金屬管線以及設(shè)備在閃電感應(yīng)的影響下, 產(chǎn)生巨大電壓的情況。而這一情況, 不僅會(huì)影響設(shè)備, 造成設(shè)備的損壞, 甚至可能會(huì)對(duì)居民的生命安全產(chǎn)生一定的威脅。

1.2 直擊雷與側(cè)擊雷

將雷電分為直擊雷和側(cè)擊雷。其中, 直擊雷主要是指發(fā)生雷電時(shí), 雷電直接擊中地面物體; 側(cè)擊雷主要是指, 雷電沒(méi)有直接擊中地面物體, 而是擊中高聳物體的側(cè)面。以上兩種雷擊方式都會(huì)對(duì)高層建筑物產(chǎn)生較大的破壞力, 即如果在被雷電擊中后, 建筑物沒(méi)能第一時(shí)間泄放雷電流, 就會(huì)在不同程度上影響建筑物本身或建筑物內(nèi)部的相應(yīng)電氣設(shè)施。甚至在雷電擊中危害較大的情況下, 還會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生后續(xù)爆炸及火災(zāi)等事故問(wèn)題。

1.3 閃電電涌入侵

在發(fā)生雷電天氣問(wèn)題時(shí), 其所產(chǎn)生的雷電波可能會(huì)通過(guò)電纜線路、金屬管道以及架空線路, 逐步入侵到建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部, 繼而破壞建筑內(nèi)部控制系統(tǒng)及電子設(shè)備。當(dāng)前, 針對(duì)高層建筑進(jìn)行防雷設(shè)置, 具有明顯的復(fù)雜性和系統(tǒng)性特征。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是雷擊種類相對(duì)較多, 如果僅依靠簡(jiǎn)單的防雷設(shè)施, 必然難以有效減少建筑受雷擊的影響[2]。因此, 必須高度結(jié)合高層建筑現(xiàn)實(shí)情況, 在充分衡量雷擊狀況及影響的前提下, 掌握雷擊入侵途徑, 然后結(jié)合綜合防雷技術(shù), 從多個(gè)角度減少雷擊問(wèn)題發(fā)生后所產(chǎn)生的危害及影響。

總體來(lái)說(shuō), 當(dāng)前高層建筑主要遭受的雷擊問(wèn)題包含上述三種, 所以在制定具體房?jī)?nèi)要求以及選擇合適的防雷技術(shù)時(shí), 盡可能以上述三種雷擊情況為切入點(diǎn), 確保實(shí)現(xiàn)高效化的防雷操作。

2 高層建筑電氣施工中的防雷要求

通常來(lái)講, 高層建筑具有配套設(shè)備相對(duì)齊全、整體功能比較齊全、人員分布較為密集等一系列特點(diǎn),因此相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行電氣施工設(shè)計(jì)過(guò)程中, 還需要結(jié)合以下兩點(diǎn)要求進(jìn)行重點(diǎn)考慮。首先, 必要保證建筑物結(jié)構(gòu)在雷雨天氣條件的影響下能夠安然無(wú)恙。其次, 務(wù)必要保證整體電氣施工相對(duì)簡(jiǎn)單和便捷。其中, 針對(duì)前者來(lái)說(shuō), 在建設(shè)高層建筑的過(guò)程中, 一般需要花費(fèi)較大成本。再加上建筑內(nèi)部人員分布密集,如果遭受雷擊不僅會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的成本損失, 同時(shí)還會(huì)加重對(duì)人員健康及生命安全的威脅[3]。在這樣的前提下, 要求施工建設(shè)人員必須有規(guī)劃地進(jìn)行防雷裝置的安置工作, 從根本上保證整個(gè)建筑的可靠性和安全性。針對(duì)后者來(lái)說(shuō), 由于絕大多數(shù)高層建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土, 也有部分建筑直接使用鋼結(jié)構(gòu)。但無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)都可以將其建筑本身的金屬物體, 看作是天然的防雷裝置。此種選擇不僅能夠有效節(jié)約安裝防雷裝置的成本, 同時(shí)也能夠提高防雷裝置應(yīng)用的安全性和可靠性?？傮w來(lái)說(shuō), 這種設(shè)置方式是現(xiàn)階段,施工建設(shè)人員所能選擇的最為便捷的防雷裝置結(jié)構(gòu),能夠給予電氣施工作業(yè)較大的便利。

3 高層建筑電氣施工中的防雷技術(shù)

提高防雷技術(shù)與措施的科學(xué)性和有效性, 是避免高層建筑發(fā)生嚴(yán)重電氣火災(zāi)、減少發(fā)生居民人身安全問(wèn)題的重要保障。一般情況下, 高層建筑電氣施工綜合防雷系統(tǒng), 包括建筑內(nèi)部防雷及外部防雷。為進(jìn)一步增加研究的全面性, 本文將防雷技術(shù)分為內(nèi)部防雷技術(shù)及外部防雷技術(shù)兩方面進(jìn)行討論。

3.1 高層建筑內(nèi)部防雷技術(shù)

3.1.1 合理布線

合理布線在防雷技術(shù)中, 具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)下, 高層建筑在建設(shè)與施工階段, 其內(nèi)部多數(shù)電氣設(shè)備處于與管線緊密連接的狀態(tài)。因而, 在著重考量設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)的過(guò)程中, 需要合理化考慮管線布置情況。具體, 可以從以下三個(gè)層面進(jìn)行理解: 第一, 對(duì)于建筑物內(nèi)部的線路, 為盡可能保證線路的安全性,需要將其布置在金屬線槽或金屬管內(nèi), 然后將金屬管線兩端接地, 通過(guò)這樣的方式, 實(shí)現(xiàn)基本的屏蔽作用[4]。第二, 通常情況下, 建筑結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)弱電主干線, 會(huì)垂直布置在建筑內(nèi)部中心位置。而考慮到弱電系統(tǒng)注重光纖通信的基本要求, 為減少閃電電磁感應(yīng)影響, 一般會(huì)將系統(tǒng)機(jī)房設(shè)置在較低樓層。第三, 針對(duì)所有進(jìn)出建筑結(jié)構(gòu)的信號(hào)及電源線路, 都需要配合使用埋地的方式完成敷設(shè)作業(yè), 并以此為基礎(chǔ)加裝屏蔽層或金屬護(hù)套, 從而達(dá)到有效的防雷效果。

3.1.2 安裝浪涌保護(hù)器

一般情況下, 我們會(huì)將浪涌保護(hù)器稱作電涌保護(hù)器, 該裝置主要作用是泄放浪涌電流、限制瞬態(tài)過(guò)電壓。在高層建筑內(nèi)部電氣線路中, 安裝浪涌保護(hù)器能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備、電氣儀表、通信線路起到一定安全和防護(hù)的功效。如果建筑內(nèi)部通信線路或電器線路感應(yīng)到外部閃電, 就會(huì)形成浪涌電流或瞬態(tài)過(guò)電壓。此時(shí), 浪涌保護(hù)器能夠第一時(shí)間導(dǎo)通分流, 避免發(fā)生破壞線路設(shè)備的問(wèn)題。但需要注意的是, 高層建筑內(nèi)部需要安裝數(shù)量和種類較多的浪涌保護(hù)器, 為保證防雷效果, 在安裝設(shè)置浪涌保護(hù)器的過(guò)程中, 需要特別關(guān)注保護(hù)距離、被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓額定值、導(dǎo)線連接長(zhǎng)度等相關(guān)因素[5]。并且, 如果安裝過(guò)程中涉及不同類型浪涌保護(hù)器的連接, 還需要著重考慮線路長(zhǎng)度、浪涌能量配合、退耦裝置等一系列問(wèn)題, 盡最大可能保證方方面面的完整性。

3.1.3 屏蔽

屏蔽的作用是為了減少或消除在雷擊發(fā)生時(shí), 高層建筑物內(nèi)電子設(shè)備、通信設(shè)備及其他智能控制系統(tǒng)所遭受的損害。這是因?yàn)橐话愕碾娮釉O(shè)備通?？箟耗芰^差, 如果在建筑物附近發(fā)生接閃或雷擊, 就會(huì)在閃電電磁感應(yīng)的影響下, 出現(xiàn)設(shè)備損壞及誤動(dòng)作行為。對(duì)此, 在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí), 通常會(huì)選擇以鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主要結(jié)構(gòu), 并在結(jié)構(gòu)上構(gòu)建近似法拉第龍形狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 利用這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊電流的有效分流, 繼而達(dá)到屏蔽雷擊電流的作用。此外, 屏蔽不僅可以針對(duì)等電位問(wèn)題及分流問(wèn)題進(jìn)行解決, 同時(shí)還能夠減少或阻止雷擊導(dǎo)致的電磁感應(yīng), 因而, 能夠?qū)Ω邔咏ㄖ?nèi)部電子設(shè)備起到安全防護(hù)作用。

3.1.4 等電位連接

等電位連接是在高層建筑物內(nèi)部, 將金屬管線等電位端子板、電氣設(shè)備以及結(jié)構(gòu)鋼筋等有機(jī)整合成一個(gè)整體, 讓建筑內(nèi)部設(shè)備處在相同的電位上, 從而避免出現(xiàn)建筑內(nèi)部電位差現(xiàn)象, 借助這樣的形式減少產(chǎn)生跨步電壓。因而, 能夠有效避免建筑物內(nèi)部電氣設(shè)備以及居民由于受到雷擊, 而發(fā)生的一系列危害性行為。此外, 在進(jìn)行高層建筑電氣施工作業(yè)環(huán)節(jié), 需要做好以下幾點(diǎn)工作。其一, 通過(guò)套絲、焊接以及捆扎等系列手段, 連接建筑樓層鋼筋混凝土中的鋼筋, 為實(shí)現(xiàn)等電位提供基本保障[6]。其二, 連接建筑結(jié)構(gòu)圈梁鋼筋、柱筋、防雷裝置。最后, 進(jìn)一步連接上述裝置與金屬管線和等電位裝置, 打造完整的高層建筑等電位連接網(wǎng)絡(luò)。

3.2 高層建筑外部防雷技術(shù)

3.2.1 接地裝置

接地裝置就是通過(guò)接地裝置將建筑接閃時(shí)產(chǎn)生的雷電流, 泄放到大地, 從而避免發(fā)生建筑物損壞及設(shè)備損壞的問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō), 接地裝置組成部分包括接地線和接地體, 其中接地線具有連接作用, 接地體具有散流作用。而在安裝接地裝置時(shí), 由于高層建筑地基深、占地面積大等一系列優(yōu)勢(shì)特征, 可以選擇性地將樁基內(nèi)鋼筋、基礎(chǔ)地梁鋼筋看作是接地裝置中的接地體, 通過(guò)這樣的方式提高接地體運(yùn)行安全性, 并節(jié)約接地裝置的安裝成本。需要注意的是, 在高層建筑防雷系統(tǒng)中, 接地裝置是最重要的部分。一旦出現(xiàn)接地質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求, 就難以實(shí)現(xiàn)有效的建筑防雷[7]。對(duì)此, 本文認(rèn)為有必要做好防雷接地裝置的安裝工作, 并在安裝完成后實(shí)施嚴(yán)格的監(jiān)測(cè), 只有這樣才能夠最大限度保證接地裝置的安全性與質(zhì)量。

3.2.2 引下線

引下線具有從接閃器內(nèi)部將雷電流傳導(dǎo)至接地裝置中的作用。一般情況下, 針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),施工建設(shè)人員會(huì)選擇利用建筑主體結(jié)構(gòu)的剪力墻或柱主筋內(nèi)部鋼筋做整個(gè)結(jié)構(gòu)的引下線。而引下線的布置以及數(shù)量, 會(huì)對(duì)雷電流的分流效果起到一定影響。如果引下線數(shù)量較多, 并且線與線之間相互作用間距較小, 那么整個(gè)區(qū)域內(nèi)的雷電流分布會(huì)相對(duì)均勻, 引下線上所產(chǎn)生的壓降也會(huì)有所下降, 因而能夠起到降低反擊危險(xiǎn)的作用。對(duì)此, 筆者認(rèn)為高層建筑在施工建設(shè)過(guò)程中應(yīng)該著重增加引下線數(shù)量, 通過(guò)此種方式合理化減少引下線間距。例如, 在同一柱內(nèi)的柱主筋一般會(huì)≥2 根, 利用柱主筋實(shí)現(xiàn)螺紋套絲連接、電渣壓力焊的優(yōu)勢(shì), 能夠保證引力線實(shí)現(xiàn)良好的電氣連接。

3.2.3 接閃器

接閃器組成部分包括攔截閃擊的接閃桿、金屬屋面、接閃帶、金屬構(gòu)件、接閃網(wǎng)等, 通常是指專門(mén)用來(lái)直接接收雷擊的金屬物體。一般情況下, 高層建筑的接閃器需要在最容易遭受雷擊的部位完成鋪設(shè)作業(yè), 并且應(yīng)著重考慮組合應(yīng)用接閃網(wǎng)與接閃帶的方式, 有效攔截閃擊, 有效對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。而針對(duì)屋頂處比較突出的非金屬設(shè)備, 建議利用接閃現(xiàn)或接閃桿的方式, 實(shí)現(xiàn)就地保護(hù), 確保非金屬設(shè)備能夠處在接閃器的LPZ0B 中。除此之外, 還可以將建筑結(jié)構(gòu)屋頂上方的永久金屬物看作是有效的接閃器, 但要保證接閃器與其他各部件之間可靠連接, 還需要進(jìn)一步探討永久金屬物截面是否符合接閃器的規(guī)范性要求。最后, 針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō), 還需要針對(duì)性防護(hù)側(cè)擊雷[8]。如果高層建筑整體高度在30m 以上, 則有必要在超出高度的突出墻體上方安裝接閃器: 而如果整體建筑結(jié)構(gòu)高度超出60m, 則需要在建筑物表面墻角、尖物、設(shè)備以及邊緣等部位, 合理化安裝接閃器。盡可能按照接閃器規(guī)定要求, 將建筑外墻中符合要求的幕墻、金屬器件、金屬門(mén)框、金屬框架等一系列金屬物, 看作是可以有效防護(hù)側(cè)擊雷的接閃器。

總體來(lái)說(shuō), 在應(yīng)用建筑防雷技術(shù)的時(shí)候, 可以從建筑內(nèi)部防雷技術(shù)和建筑外部防雷技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮, 遵從具體的建筑情況以及雷擊情況, 同時(shí)選擇一種或多種防雷技術(shù), 利用技術(shù)之間的有效疊加, 形成技術(shù)應(yīng)用合力, 從而最大限度提高建筑結(jié)構(gòu)的防擊能力, 減少在發(fā)生雷擊問(wèn)題時(shí), 建筑結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部居民所受的傷害。除此之外, 在信息化技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步的前提下, 日后進(jìn)行防雷技術(shù)的研究, 還需要結(jié)合考慮提高技術(shù)應(yīng)用的信息化水平, 地球最大限度優(yōu)化防雷技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述, 高層建筑規(guī)模的不斷增加, 在一定程度上提高了電氣設(shè)備應(yīng)用的程度。而自然環(huán)境中雷雨天氣所產(chǎn)生的雷擊概率也逐年遞增。因此為了進(jìn)一步保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 避免電氣設(shè)備受到破壞, 避免發(fā)生人員傷亡等一系列事故, 需要有效結(jié)合恰當(dāng)?shù)姆览准夹g(shù), 配合引進(jìn)先進(jìn)的防雷設(shè)施, 在汲取國(guó)內(nèi)外成功的高層建筑防雷經(jīng)驗(yàn)后, 基于合理的高層建筑防雷要求, 制定具有較高可行性的防雷方案。并以此為抓手, 選擇恰當(dāng)?shù)姆览准夹g(shù), 確保高層建筑行業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)展。