超高層建筑防雷設(shè)計(jì)探討

尹嘯 / 張青 (中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100044)

摘要超高層建筑遭雷擊概率大,遭受雷擊損失嚴(yán)重，合理可靠的防雷措施對(duì)超高層建筑具有重要意義。依據(jù)建筑物防雷理論和規(guī)范要求及超高層建筑防雷設(shè)計(jì)的特殊性，結(jié)合工程項(xiàng)目案例，詳細(xì)介紹了超高層建筑防雷設(shè)計(jì)做法，對(duì)超高層建筑的防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和探討。

關(guān)鍵詞防雷 超高層建筑 等電位聯(lián)結(jié) 接閃器 引下線

AbstractSuper high-rise buildings are prone to suffer lighting strikes with a huge loss. Measures to protect lighting will be of great significance in the super high-rise building designing process. According to lightning protection theories and specification clause for buildings，design methods of protection against lightning for super high-rise buildings are introduced in detail in combination with practical engineering project on the base of complexity and particularity of high-rise building designs. the particularity in the lighting protection design of super high-rise buildings is analyzed，and the design points and experiences in lightning protection design of super high-rise buildings are summarized.

Keywordslighting protection, super high-rise buildings, equipotential bonding, air-termination system, down-conductor system

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，越來越多的超高層建筑涌現(xiàn)在大、中型城市。超高層建筑比一般建筑遭雷擊概率大很多，由于建筑物中裝有大量電子信息設(shè)備，一旦遭受雷擊，損失嚴(yán)重。所以，對(duì)超高層建筑采用合理可靠的防雷措施顯得尤為重要。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)超高層建筑防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)和探討。

1工程概況

本項(xiàng)目位于北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)域，西側(cè)緊臨東三環(huán)，南側(cè)緊臨景輝街，北側(cè)為光華路；總建筑面積約13.24萬m2，主要作為辦公、商業(yè)用樓。建筑主體高220m，裙房高36m，塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)工程性質(zhì)及《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057-2010)[1]和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB 50343-2012)[2]，本建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)0.6818次/a,防雷等級(jí)按二類防雷等級(jí)設(shè)防；防雷裝置攔截效率E=0.91，建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)按B級(jí)設(shè)防。

2防雷措施

雷電的破壞作用有兩種：一是直接擊在建筑物上產(chǎn)生熱效應(yīng)作用和電動(dòng)力作用；二是雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)作用、電磁感應(yīng)作用及雷電波侵入作用。對(duì)前者的防雷措施稱為建筑物外部防雷；對(duì)后者的防雷措施稱為建筑物內(nèi)部防雷。

2.1建筑物外部防雷措施

建筑物的外部防雷主要是指防直擊雷和防側(cè)擊雷，保護(hù)建筑物本身不遭受雷擊，外部防雷裝置主要由接閃器、引下線和接地裝置組成。

2.1.1接閃器

本工程塔冠主要由鋼結(jié)構(gòu)球體和四周幕墻組成(圖1)，最高層44層的上半個(gè)球體置于室外，最高點(diǎn)為幕墻頂端和球體頂端220m，球體和幕墻之間由室外平臺(tái)連接。沿球體龍骨、玻璃幕墻頂端及44層的室外平臺(tái)設(shè)置Φ10鍍鋅圓鋼作為防直擊雷的接閃帶、接閃網(wǎng)格，球體避雷網(wǎng)格及屋面的網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m，具體設(shè)計(jì)見圖2。在幕墻頂端設(shè)有航空障礙燈，選擇帶有避雷裝置的航空障礙燈并與接閃帶可靠連接。擦窗機(jī)導(dǎo)軌與幕墻處接閃帶可靠連接。

裙房長62m、寬37m、高36m，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057-2010)附錄D[1]計(jì)算，在36m高度，塔樓的保護(hù)半徑為0.91m，裙房不在塔樓保護(hù)范圍內(nèi)。因此，需要在裙房四合院的屋頂設(shè)置接閃帶，接閃帶采用沿屋脊明敷的方式。衛(wèi)星天線位于裙房屋頂，自帶避雷針保護(hù)。

圖1　塔頂剖面圖

圖2　防雷平面圖

2.1.2防側(cè)擊雷措施及均壓環(huán)

鑒于雷電有繞擊的可能性，超高層建筑做好屋頂防直擊雷的同時(shí)，還應(yīng)做好建筑物立面的側(cè)擊雷防護(hù)。

超高層建筑物玻璃幕墻對(duì)防雷裝置有屏蔽效應(yīng)，影響防側(cè)擊雷效果，并使雷電直接破壞玻璃幕墻。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》4.4.5條“幕墻的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50057-2010)的規(guī)定。幕墻的金屬框架應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的防雷裝置可靠連接，并保持導(dǎo)電通暢。”為此，本工程每兩層沿建筑物外墻設(shè)置均壓環(huán)，與防雷引下線可靠連接，并預(yù)留100×100×5(mm)鍍鋅鋼板，作為玻璃幕墻的防雷接地聯(lián)結(jié)預(yù)留接點(diǎn)。航空障礙燈與最近的均壓環(huán)做電氣聯(lián)結(jié)。當(dāng)玻璃幕墻遭受雷擊時(shí)，將獲得的巨大雷電能量迅速地泄放入大地，起到保護(hù)玻璃幕墻免受雷電破壞的作用。

2.1.3引下線

本建筑塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。中部核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從基底一直延伸至最高44層。核心筒外圍有16根鋼管混凝土柱，從基底直徑1.8m逐漸縮小至40層直徑1.2m；40層以上為塔冠部分，由塔架柱、桁架和球體組成。

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》條文解釋4.3.5條“電氣連貫性——在現(xiàn)場澆灌的鋼筋混凝土建筑物的鋼筋偶爾是焊接在一起，這提供了可定的電氣連貫性。通常更多地是，鋼筋在交叉點(diǎn)是用金屬線綁扎在一起。然而，雖然在此產(chǎn)生的自然金屬性連接有其偶然性，但是這類結(jié)構(gòu)的大量鋼筋和交叉點(diǎn)保證全部雷電流實(shí)質(zhì)上在并聯(lián)放電路徑上的多次分流。經(jīng)驗(yàn)表明，這類建筑物能夠容易地被利用作為防雷裝置的一部分?！盵1]因此，本工程以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的所有豎向鋼筋作為防雷引下線。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)僅位于建筑的中心，為了雷電的分流效果，需要將建筑外圍的16根鋼管混凝土柱也作為引下線；由于鋼管混凝土柱僅到40層，塔冠與鋼管混凝土柱通過塔架柱柱腳插入鋼管混凝土中來連結(jié)。因?yàn)檫@種連接方式不滿足電氣連通的要求，所以沿塔架柱設(shè)置16根40×4(mm)鍍鋅扁鋼，下端與40層鋼柱可靠焊接，上端與接閃器可靠焊接。

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.6條“當(dāng)利用混凝土內(nèi)鋼筋、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，但利用鋼筋作引下線時(shí)應(yīng)在室內(nèi)外的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)若干連接板?！盵1]由于本工程一層均為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，不適合設(shè)置接地測(cè)試連接板，所以在室內(nèi)靠近出口的混凝土柱處設(shè)置接地測(cè)試卡，便于接地電阻的測(cè)試。

2.1.4接地裝置

利用建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作為自然接地體，將建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層主筋中的兩根通長焊接，形成基礎(chǔ)接地網(wǎng)，并具備連接室外人工接地裝置的外接點(diǎn)。

2.2建筑物內(nèi)部防雷措施

建筑物內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)及防雷電波入侵。內(nèi)部防雷由共用接地裝置、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、電涌保護(hù)器等組成，用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。

2.2.1共用接地裝置

《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.4條第5款“電子系統(tǒng)不應(yīng)設(shè)獨(dú)立的接地裝置。”[1]因?yàn)楠?dú)立接地系統(tǒng)受到場地限制,其間距無法達(dá)到安全距離。當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，防雷接地的高電位會(huì)反擊到電子系統(tǒng)接地，使高電位引入到電子系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿而損壞設(shè)備。

所以本工程采用共同接地方式，將防雷接地、變壓器中性點(diǎn)接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地、電梯機(jī)房、消防控制室、電信機(jī)房、計(jì)算機(jī)房等的接地共用統(tǒng)一接地體，要求接地電阻不大于0.5Ω，實(shí)測(cè)不滿足要求時(shí)，利用外設(shè)點(diǎn)增設(shè)人工接地極。

2.2.2等電位聯(lián)結(jié)及屏蔽

等電位聯(lián)結(jié)的目的是減小或消除內(nèi)部防雷裝置各個(gè)部位上所產(chǎn)生的電位差，保證建筑物內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生反擊、接觸電壓及跨步電壓等危害。屏蔽的主要目的是使建筑物內(nèi)的通訊設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。工程中采用的具體做法如下：

1)消防控制室、通信機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、安防控制室、BA監(jiān)控室等設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)板，其聯(lián)接板在兩處不同的位置設(shè)獨(dú)立的接地引下線，引下線采用多股銅芯導(dǎo)線35mm2PC32，與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠連接；等電位連接板就近與樓板鋼筋網(wǎng)連接。

2)核心筒強(qiáng)、弱電配電間內(nèi)垂直敷設(shè)兩條和水平距地0.2m敷設(shè)一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，水平與垂直接地扁鋼間可靠焊接。配電間內(nèi)垂直扁鋼在每層與樓板鋼筋做等電位聯(lián)結(jié)，在其下端與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠聯(lián)結(jié)。

3)垂直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的底端及頂端應(yīng)就地與接地裝置聯(lián)結(jié)。正常情況下不帶電，當(dāng)絕緣破壞時(shí)有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設(shè)備金屬外殼均應(yīng)可靠接地，PE線不得采用串聯(lián)聯(lián)結(jié)。

4)電梯井道在底層預(yù)留接地扁鋼，且與豎向接地扁鋼牢固焊接，井道內(nèi)所有金屬構(gòu)件均與接地扁鋼作等電位聯(lián)結(jié)。

5)玻璃幕墻的豎向龍骨、橫向龍骨和建筑物防雷網(wǎng)做可靠聯(lián)結(jié)。

6)在地下三層車庫外墻距頂板梁0.3m處設(shè)置一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，作為局部等電位聯(lián)結(jié)干線。所有進(jìn)出建筑物的金屬管、金屬構(gòu)件與等電位聯(lián)結(jié)干線有效聯(lián)結(jié)。

7)金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導(dǎo)管必須可靠接地，且必須符合下列規(guī)定：

(1)金屬電纜橋架及其支架全長不少于2處與接地PE干線相聯(lián)結(jié)。

(2)鍍鋅電纜橋架間連接板的兩端不跨接地線，但連接板兩端應(yīng)有不少于2個(gè)有防松螺帽或防松墊圈的聯(lián)結(jié)固定螺栓。

通過采用以上措施，使建筑物所有垂直鋼筋、鋼柱，各層水平鋼筋，玻璃幕墻龍骨，金屬管道等建筑物內(nèi)的金屬構(gòu)架電氣貫通，使整個(gè)建筑物成為“法拉第籠”，具有良好的均壓和分流作用，既能防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等危害，又具有屏蔽效果。

2.2.3裝設(shè)電涌保護(hù)器

電涌保護(hù)器用于限制瞬態(tài)過電壓,快速泄放電涌電流，降低雷電危害。本建筑電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)按B級(jí)設(shè)防。依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》(GB 50343-2012)表5.4.3-3推薦值，電涌保護(hù)器設(shè)置如下。

在變電所低壓母線上裝I級(jí)實(shí)驗(yàn)電涌保護(hù)器(SPD)，10/350μs,沖擊電流大于等于15kA，耐沖擊電壓額定值不小于6kV；機(jī)房總配電箱、各層總配電箱、電梯配電箱內(nèi)裝II級(jí)實(shí)驗(yàn)電涌保護(hù)器(SPD)，標(biāo)稱放電電流值大于等于30kA，耐沖擊電壓額定值不小于2.5kV；末端配電箱內(nèi)裝電涌保護(hù)器，耐沖擊電壓額定值不小于1.5kV；屋頂室外風(fēng)機(jī)、室外照明配電箱內(nèi)裝II級(jí)實(shí)驗(yàn)電涌保護(hù)(SPD)，8/20μs,標(biāo)稱放電電流大于等于60kA，耐沖擊電壓額定值不小于4kV。

計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)引入端、衛(wèi)星接收天線引入端、電信引入端設(shè)信號(hào)線路電涌保護(hù)器，其穿金屬保護(hù)管在引入建筑物處與建筑物進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時(shí)，其引入的終端箱處安裝D1類高能量試驗(yàn)類型的電涌保護(hù)器，其每一保護(hù)模式?jīng)_擊電流值選用1.5kA。

3防雷設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1)為保證屋面防雷接閃器與建筑外觀的統(tǒng)一性，在進(jìn)行防雷接地設(shè)計(jì)期間，應(yīng)及時(shí)與建筑專業(yè)溝通，避免影響建筑立面美觀。

2)由于現(xiàn)代高層外墻采用大量玻璃幕墻，應(yīng)提前與玻璃幕墻深化設(shè)計(jì)進(jìn)行溝通，預(yù)留幕墻的防雷接地條件。

3)在全面了解建筑結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，盡量利用結(jié)構(gòu)柱鋼筋作為防雷引下線，利用基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作為接地極，既節(jié)約工程投資，又可達(dá)到良好的防雷效果。

4結(jié)束語

超高層建筑比一般建筑遭雷擊的概率大，一旦遭受雷擊將產(chǎn)生嚴(yán)重危害，所以安全可靠的防雷接地系統(tǒng)必不可少。雖然不同超高層建筑外形和結(jié)構(gòu)形式可能有所差異，但多數(shù)都會(huì)大量采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。所以在進(jìn)行超高層工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以將防雷措施和建筑結(jié)構(gòu)形式完美結(jié)合，既保障防雷接地系統(tǒng)安全可靠、建筑美觀，又節(jié)約了建設(shè)成本。

參考文獻(xiàn)

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[2]四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范(GB 50343-2012)[S].北京：中國建筑工業(yè)工業(yè)出版社，2012.

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