膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計探析

何棟梁，成彥惠，王波

(1．湖南城市學(xué)院，湖南益陽413000;2．上海億拓膜結(jié)構(gòu)工程有限公司，上海201406)

近10余年，膜結(jié)構(gòu)在我國取得了迅速發(fā)展，這種非傳統(tǒng)的全新結(jié)構(gòu)因其造型美觀大方，色彩多樣，耐大氣腐蝕，隔熱隔聲阻燃，節(jié)能，空間利用率高，建設(shè)周期短，工程造價相對較低等優(yōu)點而在工程中得到廣泛的應(yīng)用，如各類工業(yè)廠房、超市、倉庫、展覽館、體育館、飛機庫、機場、別墅、園林小品建筑等。由于膜結(jié)構(gòu)建筑物獨特的建筑體系，使得此類建筑與普通磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)建筑物的防雷工程設(shè)計和施工有較大的差異。筆者通過工程設(shè)計、現(xiàn)場驗收的實際經(jīng)驗總結(jié)，對膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計的相關(guān)問題作一些粗淺的探析。

1 防雷規(guī)范要求及防雷類別的確定

1.1 防雷規(guī)范要求

GB 50057－1994(2000)(建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“防雷規(guī)范”)對建筑物的防雷設(shè)計做出了明確規(guī)定，表1將防雷設(shè)計做了簡單的歸納［1］。

從表1可知，防雷設(shè)計最終將通過防雷裝置來實現(xiàn)。“防雷規(guī)范”中對防雷裝置材料的選用做了規(guī)定，主要是利用建筑物自身結(jié)構(gòu)中的鋼材料作為防雷裝置。如利用屋頂上的永久金屬物和屋面內(nèi)混凝土構(gòu)件中的鋼筋作為接閃器，利用建筑物構(gòu)件中的鋼柱、鋼筋等作為引下線以及利用建筑物基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為自然接地裝置等。

?

1.2 防雷類別的確定

按常規(guī)設(shè)計方法根據(jù)膜結(jié)構(gòu)建筑物的重要性，使用性質(zhì)，發(fā)生雷擊事故的可能性和后果分類，其中建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N為:

上式中，當(dāng)h＜100 m時，

式中: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_、站資料確定(d/a)。

L、W、h為分別為建筑物長、寬、高(m)。

k為矯正系數(shù)，在一般情況下取1，在下列情況下取相應(yīng)的數(shù)值:位于曠野孤立的建筑物取1.7;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;

N＞0.06次/a的部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物和N＞0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物應(yīng)劃為第二類防雷建筑物。

0.012次/a≤N≤0.06次/a的部、省級辦公建筑物及其它重要或人員密集的公共建筑物和0.06次/a≤N≤0.3次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物應(yīng)劃為第三類防雷建筑物。

2 防雷設(shè)計主要應(yīng)考慮的因素

2.1 接閃功能

在防雷設(shè)計時，不應(yīng)只考慮接閃部分的功能，應(yīng)根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部設(shè)計和建筑物防雷的相關(guān)因素及其規(guī)律，全面考慮防雷方式和應(yīng)采取的措施，以達到接閃后的功能效果。

2.2 分流影響

設(shè)置防雷引下線的數(shù)量，是關(guān)系到建筑物被雷擊后是否產(chǎn)生擴大事故的重要因素。每根引下線所承受的電流愈小，則其反擊的機會和感應(yīng)范圍的影響就小，所以引下線的根數(shù)應(yīng)適當(dāng)多些，且其位置應(yīng)適當(dāng)。

2.3 屏蔽作用

對于建筑物的屏蔽，不僅使室內(nèi)的各種電子設(shè)備、精密儀器、計算機及通訊設(shè)備等受到可靠保護，而且是防護球雷和側(cè)擊雷的有效方式。在必要的建筑物上應(yīng)當(dāng)考慮屏蔽措施，以防止球雷、側(cè)擊雷及電子設(shè)備等產(chǎn)生誤動作或被擊穿的可能。

2.4 均衡電位

為保證建筑物內(nèi)部不產(chǎn)生反擊，不產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，應(yīng)當(dāng)使建筑物內(nèi)部人員能接觸到的金屬設(shè)備及管線能達到同一個電位。這是保證人身安全和各種金屬設(shè)備不受反擊的重要條件之一。

2.5 接地效果

接地效果的好壞也是防雷安全的重要保證，對每個建筑物都要考慮采用哪些接地方式最好及電位分布的陡度最小;并應(yīng)盡可能達到均衡電位的條件，接地裝置要適用、耐久;同時必須達到規(guī)定接地電阻的要求，膜結(jié)構(gòu)建筑常采用基礎(chǔ)鋼筋作自然接地體，通常采用聯(lián)合接地方式，要求接地電阻＜1Ω。

2.6 合理布線

各種金屬管線和防雷系統(tǒng)有直接或間接的關(guān)系，因此必須考慮建筑物內(nèi)部的電力系統(tǒng)、電訊系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和各種金屬管線的布線位置、走向和防雷系統(tǒng)的距離之間的關(guān)系，重要建筑物內(nèi)各種電氣線路都必須穿金屬管或采用金屬屏蔽電纜，而膜結(jié)構(gòu)建筑各種豎向的管道、金屬支架等均宜在上下與防雷系統(tǒng)可靠連接。

3 膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計

3.1 膜結(jié)構(gòu)建筑體系

膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure)，也即張拉膜結(jié)構(gòu)(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜結(jié)構(gòu)建筑物由膜材、鋼索、支柱和基礎(chǔ)構(gòu)成，且膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲，其曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來保障，需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱空間膜結(jié)構(gòu)［3］。

膜結(jié)構(gòu)建筑物基礎(chǔ)分為鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)和鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，前者在地質(zhì)情況較好的場地使用，后者則應(yīng)用于地質(zhì)情況較差的場地。施工時需預(yù)埋地腳螺栓，加墊片后和鋼柱相連。

膜結(jié)構(gòu)建筑物采用預(yù)制構(gòu)件，不允許現(xiàn)場鉆孔、焊接。主鋼架(梁、柱)為焊接型鋼或熱軋型鋼，以充分發(fā)揮高強度鋼材的力學(xué)性能。次構(gòu)件(檁條)為高強度的、經(jīng)防腐處理的冷彎薄壁C型鋼，和主鋼架采用螺栓連接。圍護系統(tǒng)(墻體、屋頂)采用膜材，大多采用自攻螺栓和檁條(屋面檁條或沿墻檁條)連接。

3.2 膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)建筑物防雷應(yīng)根據(jù)建筑形體、建筑場地雷擊統(tǒng)計特征，采用避雷針或避雷帶，具體導(dǎo)電功率根據(jù)膜面覆蓋空間決定［2］。其防雷設(shè)施主要包括接閃器、引下線和接地體三部分，膜結(jié)構(gòu)防雷做法見圖1。

圖1 膜結(jié)構(gòu)防雷示意

3.2.1 接閃器

接閃器位于防雷系統(tǒng)的頂部，其作用是利用其高出被保護部位，把雷電引向自身，承接直擊雷放電。膜結(jié)構(gòu)建筑物利用鋼桅桿柱頂?shù)耐怀鼋饘贅?gòu)件作為防雷系統(tǒng)的接閃器。為了保證接閃器符合要求，在進行膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工時，電氣專業(yè)人員應(yīng)向土建人員提供地腳螺栓和混凝土要求的資料。在澆筑基礎(chǔ)混凝土同時，將地腳螺栓預(yù)埋在支座內(nèi)，并與基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋焊接，待混凝土強度符合要求后，再安裝避雷針，連接引下線。避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)保護范圍計算有多種方法，一般采用“滾球”計算法，其具體計算過程參見《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057－94)。

3.2.2 引下線

當(dāng)支承膜面的鋼構(gòu)桅桿、柱采用油漆或鍍鋅防腐時，可將鋼構(gòu)桅桿、柱直接作為避雷線和垂直接地導(dǎo)電線。《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057－94)第4·2·3條已經(jīng)作了規(guī)定。規(guī)范對各類防雷建筑物的引下線間距做了要求，在土建施工時，只要所有的鋼柱和接閃器、接地裝置做了可靠連接，那么它們都可作為引下線。針對《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB 50057－94)第4·2·5條的規(guī)定，即是否要對地上1·7 m至地下0·3 m一段作為引下線的鋼柱采取保護措施。筆者認為沒必要。第一，不用擔(dān)心鋼柱容易受到機械損壞;第二，鋼柱本身做了防腐處理，含絕緣被覆層，也起到一定的防護作用。當(dāng)桅桿采用噴塑防腐，尚應(yīng)加避雷線，桅桿可作為地線，基礎(chǔ)混凝土電阻較大，一般不滿足避雷導(dǎo)電的要求，需在桅桿基座附加有效接地體。

3.2.3 接地體

膜結(jié)構(gòu)接地軸測設(shè)計見圖2，其基礎(chǔ)處接地詳圖見圖3。膜結(jié)構(gòu)接地體應(yīng)符合以下要求。

(1)材料規(guī)格，接地體、埋地接地線必須采用鍍鋅件，一般常用L50×50×5的鍍鋅角鐵或管徑大于40 mm且壁厚大于3.5 mm的鍍鋅鋼管。

(2)埋設(shè)深度，接地體頂面埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.6 m，角鋼或鋼管應(yīng)垂直配置，為減少相鄰接地體的屏蔽作用，垂直接地體的間距不宜小于其長度的兩倍，水平接地體的間距應(yīng)不小于5 m。

(3)跨線設(shè)置，利用膜結(jié)構(gòu)自身的各種金屬構(gòu)件作為接地線，應(yīng)保證完好的電氣通路。膜結(jié)構(gòu)自身的金屬構(gòu)件如為串聯(lián)時，應(yīng)在其串聯(lián)部位焊接金屬跨線連接。

(4)接地體、線連接，接地線連接采用焊接，對扁鋼的搭焊長度應(yīng)為扁鋼寬度的兩倍且至少三邊焊接，圓鋼的搭焊長度為直徑的6倍。

(5)接地體安裝，角鐵或鋼管打入地下的一端加工成一定的形狀，當(dāng)為一般松軟土壤時，切成斜面形狀，為避免打入時受力不均使鋼管歪斜，也可加工成扁尖形。當(dāng)土質(zhì)堅硬時，將尖端加工成錐形。

4 結(jié)束語

膜結(jié)構(gòu)建筑，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其防雷設(shè)計既有普遍性，又有獨特性。防雷設(shè)計作為膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的一個重要部分，本文對此進行了闡述和分析，可為膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供一定參考。

圖2 膜結(jié)構(gòu)接地軸測

圖3 膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處接地

［1］GB 50057－94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］

［2］陳務(wù)軍．膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004

［3］何棟梁．圓錐形及雙曲拋物面形膜結(jié)構(gòu)體形系數(shù)研究［J］．湖南城市學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(4):12－15