摘 要:工業(yè)化建造可降低碳排放,節(jié)約建材,實(shí)現(xiàn)綠色建造,裝配化建造迎來快速發(fā)展。以某項(xiàng)目為例,分析了屋面接閃器,防雷引下線,接地體,防側(cè)擊設(shè)計(jì)和等電位設(shè)置等方面的防雷措施,可有效降低雷擊對新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的損壞,對于新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防雷體系的設(shè)計(jì)和施工具有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:防雷; 裝配式鋼結(jié)構(gòu); 鋼框架引下線; 電磁感應(yīng)脈沖
中圖分類號: TU856文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號: 1674-8417(2024)09-0041-05
DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.008
0 引 言
《建造4.0》(由英國專家學(xué)者牽頭,國際上60多名高校、研究院、協(xié)會(huì)、企業(yè)的專家,共同編制而成,于2020年出版)提出以工業(yè)4.0為藍(lán)本,融合數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng),助力傳統(tǒng)建筑粗放的建造模式向工業(yè)化的建造方式轉(zhuǎn)變。我國“十四五”發(fā)展規(guī)劃旨在:深化落地高質(zhì)量發(fā)展,持續(xù)推動(dòng)綠色建造、智能建造、新型建筑工業(yè)化深度融合,從多方面促進(jìn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?!笆奈濉睍r(shí)期建筑業(yè)將實(shí)現(xiàn)“3-3-3”轉(zhuǎn)變,其中一個(gè)3就是3類升級:生產(chǎn)方式表現(xiàn)為“智能建造、綠色建造、新型建筑工業(yè)化深度融合”,生產(chǎn)要素表現(xiàn)為“建筑垃圾循環(huán)再利用”和“部品部件生產(chǎn)質(zhì)量可追溯”,生產(chǎn)者表現(xiàn)為“由勞務(wù)工人轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)工人”?;谵D(zhuǎn)型需要,“十四五”工業(yè)化主線應(yīng)運(yùn)而生:大力發(fā)展裝配式建筑,裝配式建筑目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)形成了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)(預(yù)制PC)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式木結(jié)構(gòu)三大類別,以及裝配式裝修(含裝配式硬裝、裝配式軟裝)這一專業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前裝配式建筑行業(yè)呈現(xiàn)高景氣發(fā)展,就上海市來說,裝配式建筑已逐步覆蓋全市各區(qū)100%的新建項(xiàng)目。從結(jié)構(gòu)上看,2019年新開工裝配式混凝土結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)分別占比65%/30%,裝配式鋼結(jié)構(gòu)占比已近1/3,并且呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。鋼結(jié)構(gòu)本身具有裝配式建造的天然優(yōu)勢,所用到的各種鋼結(jié)構(gòu)材料及輕型板材均是在工廠加工預(yù)制,然后再運(yùn)到施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配,省時(shí)省力、效率高,是發(fā)展裝配式建筑國家戰(zhàn)略的重要方向之一。當(dāng)前我國建筑業(yè)正進(jìn)入轉(zhuǎn)型階段,國家大力推廣裝配式建筑,模式上推動(dòng)工程總承包轉(zhuǎn)型。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有綠色環(huán)保、構(gòu)件可回收、加工預(yù)制的建筑構(gòu)件縮短建造周期、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等天然優(yōu)勢。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防雷體系相比傳統(tǒng)混凝土建筑、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)(預(yù)制PC)和裝配式木結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別,特別是自身特有的鋼框架體系和鋼結(jié)構(gòu)屋面,在接閃器和引下線設(shè)置方面區(qū)別較大。鋼結(jié)構(gòu)建筑由鋼型柱、鋼型梁、柱間鋼支撐、金屬屋面板等各類鋼構(gòu)件組成,通過錨接、焊接、搭接等方式相互連接組成了整個(gè)房屋建筑的骨架,形成了法拉第籠。相比傳統(tǒng)混凝土建筑而言,可形成等電位連接,有效保護(hù)建筑物內(nèi)設(shè)備免受或降低受到雷電和電磁波的損害程度,確保用電安全。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑屋面金屬板可作為接閃器,替代傳統(tǒng)混凝土建筑設(shè)置高大沉重避雷針的做法,鋼架、次構(gòu)件、圍護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過可靠連接,形成了持久的電氣通路。不管是鋼柱與鋼梁,還是鋼梁相互之間的連接均可形成良好的電氣通路,鋼柱作為引下線在考量截面尺寸、泄放雷電流能力、建筑物內(nèi)等電位效果、施工難度方面相比傳統(tǒng)混凝土建筑的明敷、暗敷或利用鋼筋作為引下線等防雷措施具有天然優(yōu)勢,同時(shí)鋼柱外覆25 mm厚度防火涂料,再進(jìn)行抹灰和石膏找平以及批刮膩?zhàn)雍推渌b飾施工,厚度足可以滿足雷電流通過鋼柱泄放時(shí)對附件金屬設(shè)備或者人體的反擊保護(hù)要求,屏蔽能力較強(qiáng)。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.6條規(guī)定,當(dāng)利用鋼柱作為自然引下線并同時(shí)采用基礎(chǔ)接地體時(shí),可不設(shè)斷接卡,相比利用混凝土內(nèi)的鋼筋作為引下線需設(shè)置連接板,在造價(jià)和施工難度方面具有天然優(yōu)勢。預(yù)埋的地腳螺栓通過鋼筋或圓鋼焊接連通基礎(chǔ)鋼筋形成電氣通路,就可以利用建筑物基礎(chǔ)鋼筋做自然接地體,具有接地電阻小的特點(diǎn),相比傳統(tǒng)混凝土建筑而言無須再設(shè)置人工接地體,在工期、成本和防雷效果方面具有天然優(yōu)勢。
1 工程概況
魚臺(tái)縣馨怡佳苑公共租賃住房EPC項(xiàng)目1#、2#、3#、5#工程,建筑高度53 m,項(xiàng)目采用高層鋼結(jié)構(gòu)-隱式鋼框架支撐體系:由矩形扁管柱內(nèi)灌混凝土、窄翼緣H型鋼梁、矩形柱間支撐體系、樓承板為裝配式的鋼筋桁架板、裝配式鋼樓梯、裝配式輕質(zhì)墻板、裝飾一體保溫板、裝配式裝修、裝配式金屬屋面組成,工程鋼結(jié)構(gòu)重量約2 600 t。本項(xiàng)目入選了山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳2023年度山東省新型建筑工業(yè)化示范項(xiàng)目,在裝配式建造行業(yè)具有引領(lǐng)作用。年雷擊計(jì)算表如表1所示。經(jīng)計(jì)算,本工程的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.091 7,依據(jù) 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.2.4第5條規(guī)定,作為普通的住宅建筑,劃為第三類防雷建筑。
2 屋面接閃器
裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑工程防雷裝置由屋面接閃器、引下線和接地體組成,據(jù)此可針對性設(shè)置的防雷措施有:屋面接閃器、引下線、接地體、均壓環(huán)及金屬導(dǎo)體等電位聯(lián)結(jié)等[1]。傳統(tǒng)混凝土建筑、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)(預(yù)制PC)和裝配式木結(jié)構(gòu)的防護(hù)直擊雷措施是用屋面接閃器將雷電流泄入大地,而接閃器安裝在建筑物最高處,可以單獨(dú)設(shè)置避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)格或組合設(shè)置,大多為金屬材質(zhì)。但避雷針、沿女兒墻壓頂設(shè)置的避雷帶等接閃裝置,在增加建筑材料和人工成本的同時(shí),影響美觀度并且容易造成女兒墻壓頂?shù)谋貙訚B水,若外墻保溫為巖棉板,極容易吸水膨脹造成大面積脫落,而巖棉板吸水后自重增加數(shù)倍,會(huì)造成嚴(yán)重物體打擊事故,危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑金屬屋面可解決以上問題,也可用作接閃裝置。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.7條針對金屬屋面做為接閃器(第一類防雷建筑物除外)有明確規(guī)定。其中除金屬板之間搭接在100 mm以上和金屬板無絕緣被覆層外,對于厚度作了重點(diǎn)要求。金屬板下無易燃材料時(shí),鉛板厚度不小于2 mm,不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦和銅板厚度不小于0.5 mm,鋁板厚度不小于0.65 mm,鋅板厚度不小于0.7 mm。目前建筑采用的保溫芯材:硬質(zhì)聚氨脂為B1難燃屬性,聚苯乙烯為阻燃自熄屬性,巖棉和玻璃絲綿為A級不燃屬性,所以保溫芯材均非易燃材料,裝配式屋面金屬厚度滿足以上數(shù)據(jù)完全可以達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,此舉可以節(jié)省鋼材費(fèi)用,在保證防雷效果的同時(shí),降低了工程造價(jià),節(jié)省了各項(xiàng)材料和人工的成本,縮短了施工周期,避免了女兒墻壓頂設(shè)置避雷帶導(dǎo)致的滲漏隱患。
3 防雷引下線
防雷引下線將接閃器的電流引入接地體,在防雷系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。因長期處于室外的環(huán)境,且呈豎直安裝狀態(tài),因此必須具有一定的機(jī)械抗拉強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕能力。引下線根據(jù)安裝方式共分為兩類:人工敷設(shè)和天然設(shè)置(無須敷設(shè))。人工敷設(shè)是在建筑物外表面等距離設(shè)置引下線,上部與接閃器焊接牢固,下部與接地體連接可靠。天然引下線是直接利用建筑物內(nèi)的結(jié)構(gòu)作為引下線,傳統(tǒng)建筑通常利用鋼筋連接接閃器、接地體形成引下線,但因鋼筋的連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)較多,很難保證整體的貫通連接,防雷效果較差,因此目前傳統(tǒng)建筑的防雷引下線大多明敷或者暗敷。新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼框架包括框架柱、鋼梁和鋼筋桁架板,全部為焊接或者螺栓連接,解決了作為引下線上下不貫通的問題,形成了能夠貫通的電氣通路,只要接地裝置設(shè)置可靠,并且建筑結(jié)構(gòu)許可就能將鋼柱作為防雷引下線,此項(xiàng)已在《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.5條作了明確規(guī)定,相比傳統(tǒng)建筑明敷或暗敷設(shè)置,降低了工程造價(jià)的同時(shí),無須額外考慮機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性問題,提高了防雷系統(tǒng)的耐久性。
4 接地體
接地體的作用是將引下線的雷電流泄入大地,因雷電流的瞬時(shí)電壓極大,通過接地母線與接地體連接形成的接地網(wǎng)在設(shè)置時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制尺寸和形狀,否則容易形成跨步電壓(或者過電壓),對人體造成電氣傷害?,F(xiàn)代建筑中通常將各類接地通過接地母線連接共用一張接地網(wǎng),可有效避免跨步電壓的危害。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑自然接地體采用基礎(chǔ)鋼筋,通過鍍鋅扁鋼連通,整體設(shè)計(jì)為總等電位聯(lián)結(jié),具有接地電阻小的優(yōu)勢,可滿足防雷設(shè)計(jì)要求。施工中普遍在室外預(yù)留接地連接板,若接地電阻值超過規(guī)范要求,可用于連接人工接地體和測試接地電阻值[2]。但需注意地腳螺栓無法直接連接基礎(chǔ)鋼筋,需用φ10以上鋼筋或者圓鋼焊接形成電氣通路,才能在鋼柱與基礎(chǔ)鋼筋之間形成電氣通路。如果未能有效連接地腳螺栓與基礎(chǔ)鋼筋,可通過40 mm×4 mm規(guī)格鍍鋅扁鋼設(shè)置等電位環(huán)網(wǎng),在此鍍鋅扁鋼具有接地極以及接地線兩種作用。由于本工程采用樁筏基,故可利用其基礎(chǔ)作為接地裝置,并將底板鋼筋與樁基鋼筋焊接實(shí)現(xiàn)電氣連通。若經(jīng)測試達(dá)不到接地電阻要求時(shí),可采用補(bǔ)打人工接地極的方法補(bǔ)救。當(dāng)需補(bǔ)打人工接地極時(shí),采用垂直接地極。垂直接地極為直徑14 mm表面鍍銅圓鋼,長2.5 m,間距5 m,距建筑物不小于1 m,打入地下后頂端距室外地面0.8 m。垂直接地極之間連接線采用截面積為50 mm2外表面鍍銅圓鋼。
5 防側(cè)擊設(shè)計(jì)
規(guī)范要求對于住宅建筑,當(dāng)總高度超過60 m時(shí),圈梁中的鋼筋每3層形成閉合回路連接引下線,保護(hù)建筑物免受雷電側(cè)擊損害。所有引下線、建筑物的金屬結(jié)構(gòu)和金屬設(shè)備均應(yīng)連到均壓環(huán)上[3](作用:可以保護(hù)室內(nèi)人員和設(shè)備安全,縮短等電位聯(lián)結(jié)線的長度,從而降低了工程造價(jià))。裝配式鋼結(jié)構(gòu)鋼梁連接體系如圖1所示。由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁均是鋼性連接,每層均形成了均壓環(huán),無須另行設(shè)置均壓環(huán),節(jié)省了造價(jià)。
除一類防雷建筑外,只需將超過規(guī)范高度要求的金屬欄桿、金屬門窗等金屬屬性物品與本層鋼梁等構(gòu)件連接,垂直金屬管道以及金屬物體的上下兩端與防雷裝置連接就可以滿足防側(cè)擊雷要求。
6 等電位設(shè)置
位于地下室或者室外地面的金屬物體、裝置或者進(jìn)出管線等,均需與防雷裝置進(jìn)行等電位連接。等電位連接方法主要有3種:對于自然等電位進(jìn)行連接無法貫通時(shí)需用等電位連接導(dǎo)體解決,當(dāng)?shù)入娢贿B接導(dǎo)體無法滿足要求時(shí),可采用電涌保護(hù)器(SPD)代替或者隔離放電間隙(ISG)進(jìn)行連接。本工程設(shè)備保護(hù)接地、配電間和強(qiáng)弱電豎井的接地、局部等電位聯(lián)結(jié)、輔助等電位聯(lián)結(jié)、總等電位聯(lián)結(jié)等與防雷接地構(gòu)成聯(lián)合接地系統(tǒng),采用小電阻接地系統(tǒng),聯(lián)合接地電阻阻值不大于1.0 Ω。實(shí)測不滿足要求時(shí)可補(bǔ)打人工接地極來補(bǔ)救。
7 電子設(shè)備的保護(hù)
7.1 屏蔽措施
雷電流終將通過防雷系統(tǒng)引入大地,但通過引下線引入大地的過程中或者室外電纜遭受雷電影響易形成電磁感應(yīng)波。當(dāng)今智能家居的普及和人工智能電子設(shè)備的應(yīng)用已深入到千家萬戶,此類電子設(shè)備對于電磁波感應(yīng)十分敏感,電磁脈沖很容易影響設(shè)備產(chǎn)生過電壓,輕則造成系統(tǒng)的紊亂,重則損毀設(shè)備。屏蔽措施可有效保護(hù)電子設(shè)備和電氣系統(tǒng),將電磁波帶來的影響控制在設(shè)備可承受范圍內(nèi)。電子設(shè)備可利用設(shè)備金屬外殼進(jìn)行屏蔽接地,降低電磁感應(yīng)的磁通量以及變化率。對于信號線或電源線而言,可通過優(yōu)化安裝路徑和穿管保護(hù)進(jìn)行屏蔽,例如在墻內(nèi)敷設(shè)避免橋架敷設(shè)電源線,線路穿管避免采用金屬材質(zhì)保護(hù)套管等措施。雷擊電脈沖防護(hù)等級如表2所示。綜合考慮環(huán)境因素、設(shè)備重要性及發(fā)生雷擊事故后果的嚴(yán)重程度,將電子設(shè)備電磁脈沖的防護(hù)等級劃分為A、B、C、D四級,可按公式(1)確定或按表(2)選擇:
E=1-Nc/N (1)
式中: E——防雷裝置的攔截效率;
Nc——直擊雷和雷擊電磁脈沖引起信息系統(tǒng)設(shè)備損壞的可接受的年平均雷擊次數(shù)(次/a);
N——建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a)[4]。
當(dāng)E>0.98 時(shí),為A級。當(dāng)0.95<E≤0.98時(shí),為B級。當(dāng)0.8<E≤0.95時(shí),為C級。當(dāng)E≤0.8時(shí),為D級。
為避免建筑物電子信息系統(tǒng)設(shè)備因雷擊電磁脈沖而引起損壞,宜在低壓配電系統(tǒng)及信息系統(tǒng)信號傳輸線路中采用電涌保護(hù)器(SPD)。
7.2 接 地
建筑物內(nèi)電子設(shè)備和電氣系統(tǒng)的接地保護(hù)是將設(shè)備通過接地線與地電位相連,可有效防止設(shè)備受到損害。保護(hù)接地:為防止設(shè)備的金屬外殼漏電造成人身傷害,通過導(dǎo)體將設(shè)備外殼與地面接地體連接起到保護(hù)人員安全的作用。工作接地:為保障電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行設(shè)置。例如在小區(qū)內(nèi)的變電站或者箱變內(nèi)的設(shè)備,均需
要設(shè)置工作接地。屏蔽接地:屏蔽接地用于防止雷電波產(chǎn)生的過電壓對電子設(shè)備或者電氣系統(tǒng)造成損壞?,F(xiàn)代智能家居防雷的重點(diǎn)已由過去防止直擊雷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉乐闺姶琶}沖波對微型電子設(shè)備和弱電系統(tǒng)的損壞,因?yàn)槲⑿碗娮釉O(shè)備和弱電系統(tǒng)承受過電壓的能力較弱。主要措施有屏蔽、均壓接地和電涌保護(hù),這些保護(hù)措施需綜合使用。
8 結(jié) 語
隨著我國工業(yè)化建造的推廣,裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑快速發(fā)展。預(yù)計(jì)到2035年,我國鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平,鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到每年2.0億噸以上,占粗鋼產(chǎn)量25%以上,裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑將是未來建筑的發(fā)展趨勢。通過研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑防雷體系,可為將來大量的工程建造提供技術(shù)借鑒。
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[3] 王騰.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)住宅防雷接地設(shè)計(jì)[J].建筑電氣,2015,34(10):58-61.
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收稿日期: 20240506
Analysis of New Lightning Protection Technology for Prefabricated
Steel Structures in Building Industrialization
LI Xiufeng
(Shandong Ningda Construction Group Co., Ltd., Jining 272000, China)
Abstract:Industrialized construction can reduce carbon emissions,save building materials,achieve green construction,and promote rapid development of prefabricated construction.A large amount of research and engineering practice have been conducted on how to utilize the advantages of prefabricated steel frame systems to do a good job in building lightning protection.Taking a certain project as an example,this paper analyzes the lightning protection measures in terms of roof lightning arrester,lightning protection down conductor,grounding body,anti side impact design,and equipotential setting,which can effectively reduce the damage of lightning strikes to new prefabricated steel structure buildings.This has certain reference significance for the design and construction of lightning protection systems for new prefabricated steel structure buildings.Key words:
lightning protection; prefabricated steel structures; steel frame down lead; electromagnetic induction pulse