超高層建筑防雷設計探討

超高層建筑防雷設計探討

尹嘯 / 張青 (中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

摘要超高層建筑遭雷擊概率大,遭受雷擊損失嚴重，合理可靠的防雷措施對超高層建筑具有重要意義。依據建筑物防雷理論和規(guī)范要求及超高層建筑防雷設計的特殊性，結合工程項目案例，詳細介紹了超高層建筑防雷設計做法，對超高層建筑的防雷設計要點進行總結和探討。

關鍵詞防雷 超高層建筑 等電位聯(lián)結 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

隨著經濟的不斷發(fā)展，城市發(fā)展進程的不斷加快，越來越多的超高層建筑涌現在大、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備，一旦遭受雷擊，損失嚴重。所以，對超高層建筑采用合理可靠的防雷措施顯得尤為重要。本文結合工程實例，對超高層建筑防雷設計進行詳細總結和探討。

1工程概況

本項目位于北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)域，西側緊臨東三環(huán)，南側緊臨景輝街，北側為光華路；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構體系。

根據工程性質及《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)[1]和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB 50343-2012)[2]，本建筑物年預計雷擊次數0.6818次/a,防雷等級按二類防雷等級設防；防雷裝置攔截效率E=0.91，建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護等級按B級設防。

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生熱效應作用和電動力作用；二是雷電流產生的靜電感應作用、電磁感應作用及雷電波侵入作用。對前者的防雷措施稱為建筑物外部防雷；對后者的防雷措施稱為建筑物內部防雷。

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擊雷，保護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構球體和四周幕墻組成(圖1)，最高層44層的上半個球體置于室外，最高點為幕墻頂端和球體頂端220m，球體和幕墻之間由室外平臺連接。沿球體龍骨、玻璃幕墻頂端及44層的室外平臺設置Φ10鍍鋅圓鋼作為防直擊雷的接閃帶、接閃網格，球體避雷網格及屋面的網格不大于10m×10m或12m×8m，具體設計見圖2。在幕墻頂端設有航空障礙燈，選擇帶有避雷裝置的航空障礙燈并與接閃帶可靠連接。擦窗機導軌與幕墻處接閃帶可靠連接。

裙房長62m、寬37m、高36m，根據《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)附錄D[1]計算，在36m高度，塔樓的保護半徑為0.91m，裙房不在塔樓保護范圍內。因此，需要在裙房四合院的屋頂設置接閃帶，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。

圖1　塔頂剖面圖

圖2　防雷平面圖

2.1.2防側擊雷措施及均壓環(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，還應做好建筑物立面的側擊雷防護。

超高層建筑物玻璃幕墻對防雷裝置有屏蔽效應，影響防側擊雷效果，并使雷電直接破壞玻璃幕墻。根據《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》4.4.5條“幕墻的防雷設計應符合現行國家標準《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)的規(guī)定。幕墻的金屬框架應與主體結構的防雷裝置可靠連接，并保持導電通暢。”為此，本工程每兩層沿建筑物外墻設置均壓環(huán)，與防雷引下線可靠連接，并預留100×100×5(mm)鍍鋅鋼板，作為玻璃幕墻的防雷接地聯(lián)結預留接點。航空障礙燈與最近的均壓環(huán)做電氣聯(lián)結。當玻璃幕墻遭受雷擊時，將獲得的巨大雷電能量迅速地泄放入大地，起到保護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構體系。中部核心筒為鋼筋混凝土結構，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《建筑物防雷設計規(guī)范》條文解釋4.3.5條“電氣連貫性——在現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，鋼筋在交叉點是用金屬線綁扎在一起。然而，雖然在此產生的自然金屬性連接有其偶然性，但是這類結構的大量鋼筋和交叉點保證全部雷電流實質上在并聯(lián)放電路徑上的多次分流。經驗表明，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構中的所有豎向鋼筋作為防雷引下線。鋼筋混凝土結構僅位于建筑的中心，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。因為這種連接方式不滿足電氣連通的要求，所以沿塔架柱設置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《建筑物防雷設計規(guī)范》5.3.6條“當利用混凝土內鋼筋、鋼柱作為自然引下線并同時采用基礎接地體時，可不設斷接卡，但利用鋼筋作引下線時應在室內外的適當地點設若干連接板。”[1]由于本工程一層均為玻璃幕墻結構，不適合設置接地測試連接板，所以在室內靠近出口的混凝土柱處設置接地測試卡，便于接地電阻的測試。

2.1.4接地裝置

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

2.2建筑物內部防雷措施

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

2.2.1共用接地裝置

《建筑物防雷設計規(guī)范》6.3.4條第5款“電子系統(tǒng)不應設獨立的接地裝置?！盵1]因為獨立接地系統(tǒng)受到場地限制,其間距無法達到安全距離。當建筑物遭受雷擊時，防雷接地的高電位會反擊到電子系統(tǒng)接地，使高電位引入到電子系統(tǒng)，導致設備的絕緣擊穿而損壞設備。

所以本工程采用共同接地方式，將防雷接地、變壓器中性點接地、電氣設備的保護接地、電梯機房、消防控制室、電信機房、計算機房等的接地共用統(tǒng)一接地體，要求接地電阻不大于0.5Ω，實測不滿足要求時，利用外設點增設人工接地極。

2.2.2等電位聯(lián)結及屏蔽

等電位聯(lián)結的目的是減小或消除內部防雷裝置各個部位上所產生的電位差，保證建筑物內不會產生反擊、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的通訊設備、電子計算機以及自動控制系統(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、通信機房、網絡機房、安防控制室、BA監(jiān)控室等設置等電位聯(lián)結板，其聯(lián)接板在兩處不同的位置設獨立的接地引下線，引下線采用多股銅芯導線35mm2PC32，與總等電位接地裝置及接地網可靠連接；等電位連接板就近與樓板鋼筋網連接。

2)核心筒強、弱電配電間內垂直敷設兩條和水平距地0.2m敷設一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，水平與垂直接地扁鋼間可靠焊接。配電間內垂直扁鋼在每層與樓板鋼筋做等電位聯(lián)結，在其下端與總等電位接地裝置及接地網可靠聯(lián)結。

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

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

5)玻璃幕墻的豎向龍骨、橫向龍骨和建筑物防雷網做可靠聯(lián)結。

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

7)金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導管必須可靠接地，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。

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

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的金屬構架電氣貫通，使整個建筑物成為“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裝設電涌保護器

電涌保護器用于限制瞬態(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)雷電防護等級按B級設防。依據《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB 50343-2012)表5.4.3-3推薦值，電涌保護器設置如下。

在變電所低壓母線上裝I級實驗電涌保護器(SPD)，10/350μs,沖擊電流大于等于15kA，耐沖擊電壓額定值不小于6kV；機房總配電箱、各層總配電箱、電梯配電箱內裝II級實驗電涌保護器(SPD)，標稱放電電流值大于等于30kA，耐沖擊電壓額定值不小于2.5kV；末端配電箱內裝電涌保護器，耐沖擊電壓額定值不小于1.5kV；屋頂室外風機、室外照明配電箱內裝II級實驗電涌保護(SPD)，8/20μs,標稱放電電流大于等于60kA，耐沖擊電壓額定值不小于4kV。

計算機電源系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)引入端、衛(wèi)星接收天線引入端、電信引入端設信號線路電涌保護器，其穿金屬保護管在引入建筑物處與建筑物進行等電位聯(lián)結。當電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時，其引入的終端箱處安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器，其每一保護模式沖擊電流值選用1.5kA。

3防雷設計注意事項

1)為保證屋面防雷接閃器與建筑外觀的統(tǒng)一性，在進行防雷接地設計期間，應及時與建筑專業(yè)溝通，避免影響建筑立面美觀。

2)由于現代高層外墻采用大量玻璃幕墻，應提前與玻璃幕墻深化設計進行溝通，預留幕墻的防雷接地條件。

3)在全面了解建筑結構形式的基礎上，盡量利用結構柱鋼筋作為防雷引下線，利用基礎內鋼筋作為接地極，既節(jié)約工程投資，又可達到良好的防雷效果。

4結束語

超高層建筑比一般建筑遭雷擊的概率大，一旦遭受雷擊將產生嚴重危害，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構形式可能有所差異，但多數都會大量采用鋼結構和鋼筋混凝土結構。所以在進行超高層工程設計時，可以將防雷措施和建筑結構形式完美結合，既保障防雷接地系統(tǒng)安全可靠、建筑美觀，又節(jié)約了建設成本。

參考文獻

[1]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設計規(guī)范(GB 50057-2010)[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[2]四川省住房和城鄉(xiāng)建設廳.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(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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