江西上饒某精準醫療中心項目防雷問題的探討

黃兆睿，曹宇

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071）

1 引言

雷電是大氣中帶電云塊間或帶點云層與地面之間所發生的一種強烈的自然放電現象，主要分為4種形式：直擊雷、感應雷、雷電波和球形雷。近年來，建筑防雷越來越受到人們的重視，當建筑物受到直接雷擊或感應雷擊時，放電電壓可達數百萬伏甚至數千萬伏，放電電流可達幾十至幾百千安，由此引起的電磁能量若不及時泄入大地，會造成人員傷亡，建筑物炸毀、設備損壞等重大事故。

而大型高層公共建筑以其人員密集、智能通信設備多、儀器精密程度高、更易遭到雷擊等特點，迅速成為眾多建筑中防雷保護的重要對象之一。本文以江西上饒某精準醫療中心工程項目設計為例，對防雷措施等進行分析和探討，研究高層智能建筑防雷設計中存在的問題和改進方案。

2 工程概況

本工程地上共9層，建筑高度40.5 m，地上建筑面積139 324.43 m2，為一類高層公共建筑，屋頂為平屋面，結構形式為框架剪力墻結構。其中，1～3層及裙房為展覽廳、報告廳、會議、辦公區等，4～9層均為辦公區。地下共2層，地下總建筑面積56 829.9 m2，主要為汽車庫及設備用房。為保證不受雷電干擾，需對本建筑物進行有效的防雷保護措施設計。

根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的規定，民用建筑應劃分為第二類和第三類防雷建筑物，需計算建筑物年預計雷擊次數N，公式為：

式中，k為校正系數（詳規范要求）；Ng為建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度，次/（km2·a）；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積，km2；Td為年平均雷暴日數，根據當地氣象臺（站）確定，d/a。

結合本工程實際，計算得到的年預計雷擊次數0.319次/a，根據國標確定本建筑為第二類防雷建筑。但二類防雷是否能滿足該建筑物的實際情況，還需具體分析。

3 防雷環境分析

3.1 雷電多發區域

本項目位于江西省上饒市，年平均雷暴日為65 d。江西省是雷電災害多發區、重災區，在2005—2011年，全省因雷擊死亡人數達387人，其中，2006—2007年連續兩年因雷擊傷亡人數居全國第一，2010—2014年因雷擊死亡人員占因災害死亡人員的48.9%，并且所占比例逐年遞增。由此可見，雷擊是江西省造成人員傷亡的主要自然災害因素之一。

3.2 系統復雜

本項目屬于一類高層公共建筑，研發及商務辦公中心內設計有大量智能化系統及專業設備，包括公共安全系統、信息設施系統、消防報警系統、音視頻會議系統、精密醫療設備、建筑設備管理系統、智能化集成管理系統等一系列智能系統。僅按照規范進行普通防雷布置不足以保證智能系統的安全穩定運行。一旦發生雷電災害，感應雷通過電源與雙絞線所形成的極高瞬態電流，能快速破壞用電設備和各種智能系統。因此，需要注意智能設備的防雷防護問題。

3.3 建筑結構不規則

本項目中建筑物外形不規則，每個樓層的結構都不相同，露天平臺較多，存在大量突出部位，與一般情況下只需在頂層設置接閃帶的情況完全不同。

由上述分析可知，該項目防雷環境十分復雜，在充分考慮該項目防雷系統的實施和設計時，需要結合現代防雷綜合性和有效性等特點，全面分析被保護建筑的結構、設備、氣候等因素，綜合布置，建立一個可靠的綜合防雷體系。

4 防雷布置方式探討

目前的防雷措施包括外部防雷措施：接閃器、引下線、屏蔽、接地裝置和接地系統。內部防雷措施：浪涌保護器、合理布線、屏蔽、等電位連接和公用接地系統等。

4.1 接閃器分析

一般情況下，接閃器可由獨立的避雷針、架空避雷線或架空避雷網和直接裝設在建筑物上的避雷針、避雷帶或避雷網等組成。

本項目屬于第二類防雷建筑物，可直接裝設避雷帶（網）即可達到防直擊雷的要求。即在高層屋頂、裙房屋頂沿女兒墻、屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位用φ10 mm熱鍍鋅圓鋼敷設避雷帶或利用建筑物金屬構件作為防雷接閃器，凡突出屋面的金屬構件、金屬通風管、金屬屋架、屋面上可導電體（消防水箱、水泵等）均與接閃器可靠連接。在屋面接閃器保護范圍之外的非金屬物體應裝接閃器，并應和屋面防雷裝置相連。屋面避雷帶連接網格不大于12 m×8 m或10 m×10 m。裙房屋面接閃器應與主樓各引下線內柱內鋼筋可靠連接。連接露臺防雷布置如圖1所示。

圖1 連接露臺防雷布置圖

4.2 引下線分析

引下線是連接接閃器與接地裝置的金屬導體，其作用是將雷電流引入接地裝置，應滿足機械強度、耐腐蝕和熱穩定性的要求。按照敷設方式分為明敷設、暗敷設和用鋼筋混凝土中鋼筋作為引下線3種。

本項目以結構柱內鋼筋為引下線，采用φ16 mm以上鋼筋2根一組或φ10～φ16 mm鋼筋4根一組，下與基礎接地裝置連接，上與避雷帶連接，同時利用所有框架柱或剪力墻內構件鋼筋作為防雷引下線，引下線間距不大于18 m。

4.3 接地裝置的分析

接地是讓流入防雷系統的閃電電流成功流入大地，不破壞防雷系統中被保護的物體，所以，良好的接地才能有效地將雷電流引入大地，降低引下線電壓，防止雷電流反擊。

以往的規范為防止電網中雜散電流干擾設備正常工作，要求電子設備單獨接地，現如今防雷設計已不提倡單獨接地，而是更多地將電子設備與防雷接地系統接入同一個接地裝置，但要求更為嚴苛，接地電阻由原來的4Ω減少至1Ω，如果電子設備接地裝置采用專用的接地系統，則與建筑防雷接地系統的距離宜大于20 m。

接地裝置應優先利用建筑物內鋼筋混凝土基礎內的鋼筋，本項目接地極為建筑物基礎底梁的上下兩層鋼筋中的兩根主筋通長焊接形成的基礎接地網，也可采用若干水平鋼帶和若干垂直鋼管連接在一起的接地網。接地電阻要求為1Ω。

4.4 建筑物內部防雷裝置分析

構筑和作用于建筑物內部的防雷工程稱之為內部防雷工程，是保護智能建筑的重要一環，其涉及面較廣，主要預防的是包括感應雷、傳導雷和線路浪涌高電壓所造成的電網波動等危害，其中，威脅最大的就是高電壓的引入。

在設置內部防雷裝置時，應考慮高電壓帶來的危險，將建筑物外露部分與防雷接地系統內鋼筋相連接，具體做法：（1）在建筑物的地下室或地面層處，將建筑物的金屬體、金屬裝置、建筑物內系統、進出建筑物的各類金屬管線與防雷裝置做防雷等電位連接。（2）外部防雷裝置與建筑物金屬體、金屬裝置、建筑物內系統之間，滿足間隔距離（電氣絕緣）的要求。（3）在每棟樓總進線箱內設浪涌保護器，并作總等電位聯結，各弱電進線箱內設信號線路浪涌保護器，進出建筑物的各種金屬管道，電纜鋼管等均于入戶處與總等電位聯結端子板連接。（4）電梯軌道上下均與總等電位端子板連接。主要弱電機房及設備間需設置等電位連接。（5）合理布線，避免發熱等干擾，在重要設備和抗干擾能力差的設備旁增設屏蔽層[1]。

5 防雷布置改進策略探討

建筑物防雷的整體性是現代防雷設計和安裝的重點之一，常規的防雷接地系統只是對建筑物的基本要求，由于現在建筑智能化程度越來越高，對智能建筑防雷的設計不能僅僅著眼于滿足規范，而要根據具體情況進行具體分析。例如，本項目中建筑物形狀不規則，每層結構都不相同，露天平臺較多，上人后會成為制高點，雷云會優先對人體放電，造成人員傷亡。再加上智能設備較多，處于高雷暴地區等特點，在設計上有一定的特殊要求，需要綜合考慮整個范圍內的設施布局，同時對接地裝置也要綜合統一考慮。本文在詳細了解了相似建筑防雷規范的同時，提出以下幾點改進做法，對今后類似復雜建筑物的防雷提供參考。

5.1 防雷保護措施

首先，本項目露臺較多，高層處許多突出部位眾多，兩建筑物的連接露臺部分和突出部位應著重考慮建筑物防雷電感應、平臺處雷擊及防側擊雷措施。

其次，頂層平臺存在空調管井、送風風井等排風井，以及各種設備和機房等，除了在設備房外屋頂突出部分設置避雷線外，還應考慮設備內部的防雷措施，如圖2所示。

圖2 屋頂空調設備防雷布置圖

從總體上來看，本項目的防雷改進措施有以下幾點：

1）執行GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》中二類防雷建筑物的防雷措施的同時，所有進出建筑物的線纜、金屬管道、構架等金屬物應就近做等電位連接，室內接地干線與接地裝置的連接盡量多。

2）建筑物鋼構架和混凝土、梁、板、柱內的鋼筋應相互連接，在此基礎上，形成電氣通路，利用柱內鋼筋做引下線，并且在易受雷擊的部分可適當增設引下線的數量。

3）外部金屬物，下面無易燃物品且滿足（鉛板的厚度不應小于2 mm，不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦和銅板的厚度不應小于0.5 mm，鋁板的厚度不應小于0.65 mm，鋅板的厚度不應小于0.7 mm）以上要求時，可利用其作為接閃器，還可利用布置在建筑物垂直邊緣處的外部引下線作為接閃器。特別是在露臺面，除增設避雷網外，還可利用外部金屬物減少雷擊危險。

4）外墻內、外豎直敷設的金屬管道及金屬物的頂端和底端，與防雷裝置等電位連接。

這樣不僅可以減小直擊雷造成的損傷，同時可以對側擊雷進行有效的預防。

5.2 智能設備保護措施

本項目建筑物內電子設備較多，屬于智能建筑，應增加對電磁脈沖等弱電領域的防雷措施：

1）在建筑物內、外的變壓器高壓側，與低壓側裝設避雷裝置；

2）進入建筑的架空和直接埋地的各種金屬管道在進出建筑時與防雷接地體連接，并且滿足接地電阻阻值；

3）在建筑物內的線纜管道，盡量采用埋地接入的方式，入戶端將電纜金屬外皮、鋼管道與接地體連接；

4）加裝通信保護裝置，對于重要的電子系統，在一條下路中增設幾臺浪涌保護器，防止在發生雷電流入侵時，雷電過電壓對電子設備的損壞；

5）在重要的電子設備間周圍增設屏蔽網，有效隔絕雷電電磁場對建筑物內，電氣設備的破壞；

6）引入帶有防雷保護功能的弱電設備，在用電末端進行防護[2]。

5.3 接地保護措施

本項目地下室設有弱電機房、消防控制室、風機房、配電間等重要設備用房，應在采用基礎接地作法的同時，充分考慮設備房的接地和整體接地阻值大小：

1）利用全部或大多數柱子基礎的鋼筋作為接地體；柱子基礎的鋼筋網通過鋼柱、鋼屋架、鋼筋混凝土柱子（剪力墻）、屋架、屋面板等構件的鋼筋或防雷裝置互相連成整體。構件之間必須連接成電氣通路。

2）各種接地引下線的下端應與基礎接地網可靠焊接。

3）外部防雷裝置的接地應和防閃電感應、內部防雷裝置、電氣和電子系統等接地共用接地裝置，并應與引入的金屬管線做等電位連接。

4）由于內部重要設備較多，要求接地電阻值不大于1Ω。實測不滿足要求時，須增設人工接地體，直至達到要求為止。

6 結語

綜上所述，建筑物防雷保護是一項復雜，細致的內容，盡管雷擊是小概率事件，但可能會造成重大的經濟損失和人員傷亡，對建筑物的安全使用，以及各類設備的正常運行，有至關重要的作用。隨著智能建筑的推廣，使原有的防雷手段已經無法滿足建筑的實際要求。本文選取江西上饒某精準醫療中心項目的設計為例，針對該建筑處于雷擊多發區域、智能系統設備眾多、建筑結構不規則的問題進行防雷保護分析，希望能對今后類似重要建筑物和未來智能建筑的防雷設計提供一些思路。