建筑物屋面防雷設計常見問題的探討

劉冬冬 吳 彬 徐子穎

(宜興市氣象局，江蘇 宜興 214200)

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建筑物屋面防雷設計常見問題的探討

劉冬冬 吳 彬 徐子穎

(宜興市氣象局，江蘇 宜興 214200)

依據GB 50057—2010建筑物防雷設計規范要求，結合多年來的建筑物防雷設計審核經驗，對設計審核中常見的幾點屋面防雷設計問題進行了分析探討，以避免建筑物屋面防雷設計中出現不合理、不準確的現象。

屋面防雷設計，防雷類別，暗敷設計，突出物

0 引言

一直以來，建筑物的防雷設計在整個建筑設計中所占的比重很小。新建建筑物防雷設計往往由設計院電氣專業設計人員統一完成，各設計院對建筑物防雷設計的重視程度或設計人員對設計規范的理解程度不同，導致建筑物屋面防雷設計中出現一些不準確、不合理或不符合設計規范的情況，甚至給后期施工帶來不必要的麻煩。

1 判斷建筑物防雷類別所使用的數據不準確

依據GB 50057—2010第3.0.3條第9款～10款、第3.0.4條第2款～4款的規定，部、省級辦公建筑物、一般性民用建筑物(住宅、辦公樓等)或一般性工業建筑物、煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物及火災危險場所需要計算預計雷擊次數來確定建筑物的防雷類別。

GB 50057—2010附錄A中，建筑物年預計雷擊次數應按下式計算：

N=k×Ng×Ae。

其中，N為建筑物年預計雷擊次數，次/年；k為校正系數，在一般情況下取1，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、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5，金屬屋面沒有接地的磚木結構建筑物取1.7，位于山頂上或曠野的孤立建筑物取2；Ng為建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度，次/(km2·年)；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積，km2。

公式簡單，但實際設計中，設計人員數據運用并不準確。1.1 與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積Ae值的確定

與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積應為其實際面積向外擴大后的面積。其計算方法以最常見的建筑物高度小于100 m為例，其每邊的擴大寬度和等效面積應按下列公式計算：

其中，D為建筑物每邊的擴大寬度；L，W，H分別為建筑物的長、寬、高，m。

根據Ae的計算公式可知，Ae值取決于D，L，W，H。而由圖1可知，D為以建筑物外圍每邊為界向建筑物外的擴大寬度，即計算參數D所使用的高度值H應為建筑物外圍的高度(如建筑物外圍女兒墻高度或坡屋面的屋檐高度)，而非建筑物的最高高度，也不應是局部突出屋面部分的高度。在設計圖審中常碰到部分設計人員錯將建筑物的最高高度或局部突出物的高度代入公式中計算年預計雷擊次數，有可能錯將三類防雷建筑物判為二類防雷建筑物，從而導致設計不夠經濟合理。現代建筑藝術要求越來越高，建筑造型復雜多樣，要想準確的得出Ae的取值，一些不規則的復雜造型建筑還需按GB50057—2010附錄A考慮不同情況做出更精確的計算，本文暫不作探討。

1.2 校正系數k取值的確定

在設計圖審中，常常碰到校正系數k的取值問題被設計人員忽略或欠考慮。設計人員在設計過程中有時并未考慮建筑物的周邊環境，例如水庫等大型水域邊的建筑，山地或空曠地域的建筑等，而直接取k=1,則有可能將二類防雷建筑物誤判為三類防雷建筑物，從而導致設計不符合規范要求，可能無法達到保護效果。

1.3 雷擊大地的年平均密度Ng取值的確定

雷擊大地的年平均密度Ng一般由建筑物所在地年平均雷暴日Td計算得出。近幾年，隨著氣象事業的發展，很多氣象數據已經逐漸細化，更加準確。以筆者所在地江蘇宜興為例，早些年，對于建筑物防雷類別的判定所使用的年平均雷暴日Td=41.1，該值為無錫地區統一使用的數據，而近幾年當地氣象部門公開的數據已經更新為宜興地區Td=36.0，設計人員常常仍然使用41.1，則有可能將三類防雷建筑物誤判為二類，從而導致設計不夠經濟合理。

2 建筑物屋面接閃器暗敷設計需謹慎

建筑物屋面接閃器明敷為接閃器最常見也是相對最安全的敷設方式，而在設計圖審中，接閃器能否暗敷也是最常見的爭議問題。

暗敷接閃器和明敷接閃器在其相對應的滾球半徑范圍內對建筑物整體的保護效果并無十分明顯的差別。但就建筑物屋面及易受雷擊部位的保護，暗敷接閃器則存在一些安全隱患。由于雷電具有機械效應和熱效應，暗敷接閃器一旦接閃，則有可能因機械效應或熱效應的瞬間升溫膨脹，使覆蓋其表面的混凝土層或磚瓦炸裂墜落，對建筑物周邊的行人、設施或車輛造成損傷。

2.1 多層建筑接閃器的暗敷設計

設計規范GB50057—2010中第4.3.5條及第4.4.5條中明確規定：“本規范第 3.0.3條2款～4款、第9款、第10款的建筑物，當其女兒墻以內的屋頂鋼筋網以上的防水和混凝土層允許不保護時，宜利用屋頂鋼筋網作為接閃器；本規范第3.0.3條2款～4款、第9款、第10款的建筑物為多層建筑，且周圍很少有人停留時，宜利用女兒墻壓頂板內或檐口內的鋼筋作為接閃器”，如此，對于暗敷接閃器附加了條件。

部分設計人員對多層建筑物接閃器的暗敷設計并未考慮建筑物周圍環境或規范上所要求的附加條件，尤其是一些繁華地帶的建筑、商業街、景區建筑等，不應采用暗敷的方式。同時需要注意的是，暗敷接閃器埋設在混凝土或磚瓦下，倘若埋設過深，則有可能使雷電流無法快速找到泄流通道泄放入地，從而影響保護效果。因此對于建筑物的暗敷設計需要謹慎，采用暗敷設計時，設計人員應對暗敷接閃器的埋設深度提出要求。同時，筆者認為對于校正系數k取值中所列舉出的如土壤電阻率較小處、水域邊、山谷風口處等相對易遭受雷擊的多層建筑物，在不能確定其是否滿足附加條件時，不應采用暗敷的方式。

2.2 高層建筑接閃器的暗敷設計

高層建筑接閃器的敷設，相關設計規范并未明確不允許暗敷，但考慮到高空墜物動量隨高度增加，造成的損害也隨之增大，故不應暗敷。當平屋面的高層建筑外圍女兒墻較高，且屋頂防水和混凝土層允許不保護時，可將屋面接閃網格暗敷。坡屋面的高層建筑，應禁止暗敷。同時可依據設計規范按照建筑物高度情況進行更合理的設計。

中國GB50352—2005民用建筑設計通則中建筑高度的計算：

1)當為坡屋面時，應為建筑物室外設計地面到其檐口的高度。筆者認為，當坡屋面建筑物屋脊高度超過高層建筑所定義的高度時，因從防雷角度考慮屋脊屋角部位為易受雷擊部位，應將接閃器明敷。

2)當同一座建筑物有多種屋面形式時，建筑高度應按上述方法分別計算后取其中最大值。局部突出屋頂的瞭望塔、冷卻塔、水箱間、微波天線間或設施、電梯機房、排風和排煙機房以及樓梯出口小間等，可不計入建筑高度內。筆者認為，當同一座建筑物有多種屋面形式時，或高層建筑有低層(多層)裙樓時，可將超過高層建筑定義高度的屋面接閃器明敷，低于高層建筑定義高度的屋面在滿足GB50057—2010暗敷附加條件時可暗敷，以達到經濟合理的設計目的。

3 屋面突出物的防雷設計太籠統

屋面突出物包括突出屋面的金屬物體和非金屬物體。設計人員在防雷設計時往往考慮不全面或設計過于含糊籠統，給后期施工帶來困惑或不能有效保護。

3.1 屋面突出的非金屬物體的防雷設計

設計規范GB50057—2010第4.5.7條第2款規定：“不處在接閃器保護范圍內的非導電性屋面物體，當它沒有突出由接閃器形成的平面0.5m以上時，可不要求附加增設接閃器的保護措施。”此條款為設計規范2010年版修訂后新增的內容，可理解為：

1)處在接閃器保護范圍內的非導電性屋面物體可以不增設接閃器保護措施。例如屋面有突出高聳的金屬物體可作為接閃器時，計算得出其保護范圍內的非導電性屋面物體可不設保護措施；

2)不處在接閃器保護范圍內且高出接閃器形成的平面0.5m以上，需增設接閃器。例如屋面突出的混凝土或PVC管排氣孔在此情況時應增設接閃器。

在設計圖審中，設計人員往往對突出屋面的截面面積相對較大的非金屬物全部設計敷設接閃器，對于屋面截面面積較小的柱狀突出物不做防雷保護設計，導致施工材料浪費或保護不到位。同時需要注意的一種情況是，設計院在設計圖紙的時候，各個專業設計人員的溝通協調不及時或不到位，建筑結構圖中屋面的一些突出物在屋面防雷平面圖上沒有反映，因而沒有設計防雷保護措施，或者電氣設計人員未將建筑物藝術造型需求所增加的屋面突出物考慮在內，而導致屋面突出物的防雷設計的疏漏。

3.2 屋面突出的金屬物體的防雷設計

設計人員對于屋面突出的金屬物體的防雷設計比較籠統，往往只在設計說明中寫一句“屋面金屬物體應就近與避雷帶連接”或在屋面防雷平面圖中以畫圖的方式將金屬物體與避雷帶連接起來。但并非所有金屬物體都可以僅與接閃帶連接就能達到保護效果。

3.2.1 屋面金屬物體在接閃器保護范圍以內

當屋面金屬物體在接閃器保護范圍內，為防止雷擊時發生反擊或雷擊時長金屬導體上產生感應電荷而需接地泄流，應將其與接閃器就近連接。

3.2.2 屋面金屬物體不在接閃器保護范圍以內

建筑物防雷設計中，屋面很多金屬物體往往是高于接閃器，不在接閃器保護范圍內的，如金屬欄桿，消防水箱，風機，金屬爬梯，廣告牌、太陽能熱水器等。而高于接閃器的金屬物體可分為兩類：

1)金屬物體的規格滿足作為接閃器使用的要求。如消防水箱、風機、金屬爬梯、廣告牌等其本身材質規格符合GB 50057—2010第5.2.1的規定，其規格可以代替接閃器接閃，則可以僅就近與接閃器連接。

2)金屬物體的規格不能滿足作為接閃器使用的要求。建筑物設計中屋面設計為美觀需求或使用需求，經常在屋面設計金屬護欄或其他金屬構件，其往往高于接閃帶并且緊靠接閃帶，部分設計人員在屋面防雷設計中將其與接閃帶就近連接，卻未考慮或未標注其規格。當其規格不能滿足作為接閃器的使用要求時，金屬護欄或金屬構件先于接閃帶接閃，若雷電直接擊中將其熔斷，雷電流無法或不能及時泄流入地，屋面接閃器將形同虛設。此種情況若出現在高層建筑，則可能帶來很大的安全隱患。

太陽能熱水器大部分是由金屬材質制成，如不銹鋼、鋁合金、加厚鋼板噴塑等，且經常安裝于屋面或屋脊較高處，但其使用的金屬材質的規格卻并不一定滿足作為接閃器的使用要求，當太陽能熱水器被雷擊時，雷電流還有可能沿水管或金屬導線引入室內，造成人身傷亡。故僅僅將太陽能與接閃帶連接的防雷設計并不合理，在不能確定其材質規格符合作為接閃器使用要求的情況下，應該設計接閃桿或接閃帶作為保護措施。

3.3 屋面存放物體的防雷設計

部分建筑物在設計時，屋面會有使用需求，如一些廠房屋面存放物品，汽車4S店、大型商場屋面作為存放車輛使用等情況，部分設計人員在設計時并未考慮屋面的用途或溝通不到位，而未對屋面存放物品設計防雷保護措施。

設計規范GB 50057—2010第4.5.7條第1款規定“沒有得到接閃器保護的屋頂孤立金屬物的尺寸不超過以下數值時，可不要求附加的保護措施：1)高出屋頂平面不超過0.3 m。2)上層表面總面積不超過1.0 m2。3)上層表面的長度不超過2.0 m。”需注意的是，即使屋面金屬物體滿足此款條件，可不要求附加的保護措施，但考慮雷擊時反擊或雷電感應等因素，仍需就近與接閃器連接。

4 結語

隨著經濟的發展，建筑物復雜多樣，建筑物防雷也逐漸成為一個復雜的系統工程。設計人員應當重視建筑物防雷在經濟生活中的重要作用，在建筑物防雷設計中，應當充分理解和正確運用規范相關條款，而不應僅僅只是套用規范，應考慮各方面客觀因素及細節，使防雷設計真正做到安全可靠、經濟合理。

[1] GB 50057—2010，建筑物防雷設計規范[S].

[2] 梅衛群，江燕如.建筑防雷工程與設計[M].北京：氣象出版社，2004.

[3] 林維勇.高層建筑物防雷[J].建筑電氣，1997(4)：10-17.

[4] 王 榮.利用屋頂建筑構件內鋼筋作接閃器的探討[J].建筑電氣，2010(3)：42-44.

On common problems in roof lightning protection of buildings

Liu Dongdong Wu Bin Xu Ziying

(Yixing Meteorological Bureau, Yixing 214200, China)

Referring to GB 50057—2010BuildingLightningDesignPlanningandDemands, the paper explores the roof lightning design problems in the design checking by combining with the checking experience for the lightning design of buildings, so as to avoid the unreasonable and inaccurate defects in the roof lightning design of buildings.

roof lightning proof design, lightning types, concealed laying, protrusion

1009-6825(2016)30-0040-03

2016-08-15

劉冬冬(1986- )，男，助理工程師； 吳 彬(1982- )，男，助理工程師； 徐子穎(1980- )，男，助理工程師

TU895

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