高層建筑電氣設計中的防雷研究

摘要：隨著城市化進程的不斷加快，高層建筑已經成為城市建筑的主體。高層建筑在發揮其優勢的同時也存在不可忽視的問題，即容易遭受雷擊，因此，科學合理地設計防雷方案具有重要意義。文章首先探討了雷擊對高層建筑的破壞作用，重點探討了高層建筑中電氣設計的防雷方案，旨在為設計人員提供參考。

關鍵詞：電氣設計；防雷技術；高層建筑；城市建筑；防雷方案 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU208 文章編號：1009-2374（2015）15-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.005

隨著我國城市人口的不斷增多，日益緊張的城市土地資源要求設計更多的高層建筑，高層建筑也因此成為城市建筑的主體。在高層建筑的設計中，一項重要的內容是防雷設計，由于其樓層多、高度高，容易遭受雷擊，給人們的生命財產安全構成威脅，進行科學合理并且深入的高層建筑電氣防雷設計十分必要，本文即是對此展開的論述。

1 雷擊的危害

作為一種自然放電現象，雷擊的威力巨大，為了避免雷擊對地面上的建筑物造成傷害，高層建筑物需要進行防雷設計。雷擊的破壞主要通過以下四種方式表現出來：首先是直擊雷，直擊雷發生在帶電云層與高層建筑物之間，是一種直接的放電現象，會在極為短暫的時間內產生強大的電流；此時，如果建筑物進行了有效的防雷設計，直擊雷造成的破壞會大大減小，否則將會引起整座建筑物的摧毀或毀滅性的火災。其次是雷電波的入侵，通過電纜線、天線等，雷電可以傳導出來從而發生放電現象，它也會在較短的時間內產生強大的電流，從而對流過的地方造成破壞。再次是感應過電壓，雷電發生以后，有些顯露在外的線纜、金屬管道等會感應到該雷電壓，形成一定強度的感應磁場，對電子設備的正常工作造成影響，如電子資料和數據的破壞、電子系統的損壞等。最后是地電位反擊，當雷電作用在避雷裝置上后，接地網在較短的時間內需要承受較高的電壓，該過程會對電氣設備造成危害。

2 高層建筑對防雷的要求

高層建筑作為一種特殊且重要的建筑物，具有以下四個特點：首先是功能多，大部分高層建筑集居住、娛樂、商業及辦公于一體；其次是配套設施較多，由于高層建筑的功能多，相應的配套設置也多，為了保證高標準和舒適的生活空間，常常要配備空調機房、制冷機房、生活及消防水泵房等設施；再次是人員密度高，高層建筑中居住著大量人員，在文化娛樂場所更甚；最后是保安要求高，由于高層建筑居住著大量的人員，擁有較多的貴重設備，因此要保證高度安全。以上這些特點決定了高層建筑防雷需要滿足兩方面的要求：首先是建筑物自身的安全可靠。在進行高層建筑防雷設計時，要做到安全可靠，保證防雷設備能夠充分發揮作用；其次是防雷裝置要盡可能的簡單，以利于施工。通常情況下，高層建筑采用的是鋼筋混凝土或鋼結構，可以對這些結構進行充分利用，將其作為防雷裝置的一部分，做到既安全又經濟。

3 直擊雷防護設計

3.1 直擊雷防護

表1

防雷等級 避雷帶尺寸 引下線間距 滾球計算半徑

一 ≤10×10m ≤18m 30m

二 ≤15×15m ≤20m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

表2

防雷類別 避雷帶尺寸 引下線間距 滾球計算半徑

一 ≤5×5m ≤12m 30m

二 ≤10×10m ≤18m 45m

三 ≤20×20m ≤25m 60m

一般情況下，針對高層建筑的直擊雷防護，采用的是避雷帶（網）作為接閃器，也即是：依據防護等級，將尺寸合適的避雷帶（網）安裝在建筑物頂部四周容易遭受到雷擊的地方。在實際操作中，由于建筑物上存在一些非金屬設備，如用電器、冷卻塔和空調散熱器等，這些設備不在保護范圍之內，需要另外安裝避雷針進行相應的保護。在進行避雷針高度設計時，受限于屋面范圍，不能單一地將屋面看成是滾球支撐面，此時可以采用作圖法進行計算。表1給出了高層建筑直擊雷防護裝置和滾球計算半徑；表2給出了直擊雷防護設置及滾球計算半徑。可以看出，相同類別和級別的避雷帶尺寸、引下線間距、滾球計算半徑是不同的，不能將兩者混為一談。

3.2 側擊雷防護

一級高層建筑和二級高層建筑的高度已經不適宜采用滾球計算半徑，其側面容易受到雷擊，所以對于這兩類建筑物的防雷設計要重點關注側擊雷的防護。上文已經指出，高層建筑一般采用的是鋼筋混凝土結構，利用這些鋼筋作為引下線是合理的選擇。根據規范的規定，需要每間隔三層樓，將相對應的金屬管道和鋼筋柱子作為引下線進行等電位連接。對于30m以上的部位，鋼構架、金屬門窗和欄桿等要與引下線作等電位連接。

4 防雷接地合理設計

4.1 接閃帶及接閃網

在敷設接閃帶和接閃網時，要沿著屋頂的屋角、屋脊等容易遭受到雷擊的部位進行敷設。通常情況下，進行高層建筑物的屋頂直擊雷防護設計時，可以沿著屋頂周邊外墻的外表面或者是屋檐邊垂直面上敷設接閃帶，將接閃網設置在屋頂的中間，另外，在經過伸縮時，應該安裝相應的補償連接裝置。在屋面接閃器網格尺寸的設計上，要嚴格按照建筑物的防雷等級設置。如果采用暗敷，要控制好埋設的深度；依據設計經驗，通常設定為天面水平層下30～50mm；要做在防水層上保溫層下。如果埋設的過深，將無法取到良好的接閃效果。如果高層住宅的屋頂采用的是斜屋面瓦蓋，布置接閃器時要注意屋檐、屋角等地方的接閃器不能采用暗敷。通常情況下，在高層建筑中，接閃器不能利用屋頂周邊混凝土內的鋼筋。

4.2 接閃桿

在新設計規范中，在高層建筑屋頂上安裝接閃桿時，應該采用熱鍍鋅圓鋼或鋼管，將接閃端制作成半球狀，其彎曲半徑在4.8～12.7mm之間。高層建筑時刻遭受自然界的空氣、雨雪、太陽輻射等危害，因此，在設計接閃桿時要充分考慮這些因素對其荷載的影響，采用防腐蝕、抗氧化、高物理強度和耐高能量的材料，保證構件的牢固連接，減少損耗。此外，還要定期對接閃桿的安全可靠性進行檢查，保證其有效性。高層建筑物上的接閃桿在引雷防護的同時還會產生一些負面效應；如：產生感應雷、增加遭受雷擊的概率、出現地電位反擊等，將會導致附近的電子設備受到破壞。因此，高層建筑物上要盡可能的少安裝接閃桿。

4.3 金屬屋面

在現代高層建筑中，為了實現美觀的效果，很多外墻采用了玻璃幕墻或是金屬。幕墻上的封口位于墻外側，是屋頂周邊的范疇，容易遭受到雷擊。此外，幕墻與墻外側之間的封頂金屬板都是導體，具有較大的面積，可以將其作為接閃器加以利用。高層建筑要充分利用屋頂的金屬板作為接閃器，此時應該滿足：板之間連接要保證長久的電氣貫通，金屬板無絕緣被覆層。參考相關標準，高層建筑頂作為接閃器的鋁板厚度應以2.5～3mm比較適宜。

5 結語

當下，隨著城市化進程的不斷加快，我國的高層建筑數量在急劇增加，這顯然會增加建筑物遭受雷擊的概率，防雷設計已經成為高層建筑設計的重要內容。此外，高層建筑中的電氣設備越來越多，在防雷設計中也要充分考慮到這一點。本文探討了雷擊對高層建筑的破壞作用，重點探討了高層建筑中電氣設計的防雷方案。總之，加強高層建筑電氣設備中的防雷設計十分有必要，電氣設備人員應該積極學習國內外的設計經驗，不斷提高設計的安全可靠性和科學合理性。

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作者簡介：范玉山（1983-），男，河南南陽人，供職于重慶市設計院，研究方向：電氣。

（責任編輯：周 瓊）