高層建筑防側(cè)擊雷技術(shù)探討

陳超 鐘鳴峻 譚永池

肇慶市氣象局 廣東 肇慶 526000

1 雷擊與滾球法模型

高層建筑是現(xiàn)代建筑的主要發(fā)展趨勢，由于層數(shù)較高，體積較大，更容易遭受雷擊，常見的高層建筑雷擊有兩種形式，一種是建筑物天面直接遭受雷擊，這種叫作直擊雷，一種是從建筑物側(cè)面遭受雷擊，被稱為側(cè)擊雷。滾球法是根據(jù)雷電的閃擊距離來對(duì)雷擊的部位進(jìn)行定位的一種方法，可以用來確定防護(hù)裝置包括避雷針以及避雷網(wǎng)的安裝位置。當(dāng)雷電先導(dǎo)到閃擊位置之前，并不知道閃擊位置，但是可以基本確定雷電產(chǎn)生影響的范圍。建筑物上的接閃器會(huì)形成若干上行先導(dǎo)，然后在最容易擊穿的路徑上放電，雷電閃擊的距離和先導(dǎo)頭部的電荷量之間有一定關(guān)系，雷電的先導(dǎo)頭部電荷量是星辰放電電流的主要決定因素，通常來講，雷電閃擊的距離與雷電幅值之間的關(guān)系可以使用下面的公式表示：

（其中R 為雷電閃擊時(shí)的距離，單位為米，I是雷電電流值，單位為A）：

滾球法的實(shí)質(zhì)就是設(shè)置一個(gè)半徑為h的滾球，讓該球沿著可能遭受到雷擊的部位進(jìn)行滾動(dòng)，當(dāng)球體在滾動(dòng)的過程中接觸到閃接器或者是與閃接器具有同等功能的金屬物，或者是只接觸閃接器或者是地面，但是在此過程中，建筑物所需要保護(hù)的部位并沒有與滾球進(jìn)行接觸，就能獲得較好的保護(hù)效果，如圖1所示在建筑物中的D、C、A三處設(shè)置有接閃器保護(hù)裝置，通過接閃器的單獨(dú)布置或者組合布置就能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物防來自于側(cè)面的雷擊[1]。

圖1 滾球法確定建筑易受雷擊部位

2 高層建筑防雷擊措施

2.1 外墻裝飾防雷擊措施

（1）保溫外墻。建筑外墻是防止雷電側(cè)擊的重要部分，根據(jù)上述原理可知，在建筑外墻設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該要注意兩點(diǎn)：第一，要對(duì)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了解，對(duì)于高層建筑而言，從30m起，在間隔不大于6m的位置，應(yīng)該要沿著建筑物的四周裝設(shè)水平接閃器，并且要采用可靠的連接方式與引下線進(jìn)行連接。由于高層建筑的層數(shù)很高，所以在30m及以上部分的外墻欄桿、門窗以及金屬物件的設(shè)計(jì)過程中，要盡量與防雷裝置連接起來。為了提高抗雷擊水平，每隔六米要設(shè)置一個(gè)均壓環(huán)，均壓環(huán)可以利用房屋圈梁內(nèi)的兩條主筋焊接而成，注意要形成閉合圈，而且閉合圈要與引下線進(jìn)行連接。水平接閃器要和同一個(gè)高度內(nèi)的均壓環(huán)進(jìn)行連接，對(duì)于設(shè)置了外墻保溫設(shè)施的高層建筑，尤其是沒有窗戶的整體保溫墻面，應(yīng)該要盡量減小水平接閃器與均壓環(huán)之間的平行距離。由此可見，在對(duì)均壓環(huán)進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候應(yīng)該要盡量接近墻面位置。

圖2 高層建筑防側(cè)擊雷方法

（2）玻璃外墻裝飾。由于很多新型建筑技術(shù)的應(yīng)用，使得建筑物類型越來越豐富，比如有的建筑物外墻采用部分或者全玻璃裝飾，這類建筑物的防雷措施應(yīng)該重點(diǎn)在玻璃幕墻的金屬構(gòu)架上。由于建筑物的外墻為大面積玻璃幕墻，為了保證玻璃的安全性，金屬構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在安裝金屬構(gòu)件的時(shí)候，構(gòu)架與構(gòu)架之間必須要設(shè)置金屬片跨接，才能形成更好的電氣連接效果，使得整個(gè)外墻的金屬構(gòu)架形成一個(gè)完整的、統(tǒng)一的、相互導(dǎo)通的電氣整體。對(duì)于這類建筑墻面，可以將防雷設(shè)施的預(yù)埋件和玻璃幕墻上的金屬構(gòu)架連接起來，確保兩者之間有良好的接觸面和足夠多的螺栓固定點(diǎn)，螺栓固定點(diǎn)不能少于2個(gè)。在建筑物主體工程施工過程中必須要確保預(yù)埋件與均壓環(huán)焊接牢固，防止脫落，焊接的長度要符合防雷規(guī)范要求，并且與引下線進(jìn)行連接。對(duì)金屬構(gòu)架的預(yù)埋件進(jìn)行連接的時(shí)候必須要對(duì)絕緣層進(jìn)行處理，使用金屬墊片對(duì)螺栓進(jìn)行固定。

（3）金屬外墻裝飾。復(fù)合鋁板是一種新型建筑外墻材料，質(zhì)量低，防水、保溫效果較好，如果建筑物的外墻采用復(fù)合鋁板，其防雷設(shè)計(jì)重點(diǎn)在支架上，因?yàn)殇X板的支架都是金屬結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行支架安裝的時(shí)候要確保金屬支架形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，然后通過每一層的外墻面的預(yù)埋件和均壓環(huán)以及引下線焊接起來，形成良好的電氣導(dǎo)通路徑，當(dāng)發(fā)生側(cè)擊雷的時(shí)候，雷電流可以從墻面被擊中的部位通過引下線導(dǎo)入到大地，減小對(duì)墻面的損壞。

（4）非金屬外墻裝飾。當(dāng)前很多建筑物采用瓷磚、涂料等非金屬材質(zhì)進(jìn)行裝飾，這些材料一般很少引起雷擊，最容易遭受側(cè)擊雷損害的部位是陽臺(tái)的金屬欄桿、金屬門窗等。因此對(duì)于這類裝飾墻面，主要是對(duì)金屬部分進(jìn)行處理，可以參照金屬門窗防雷措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 高層建筑外墻及附屬設(shè)施防雷擊措施

（1）空調(diào)。對(duì)于外墻空調(diào)安裝部分的防雷擊措施，一種思路是當(dāng)高層建筑物外墻空調(diào)安裝時(shí)，要事先設(shè)計(jì)對(duì)空調(diào)室外機(jī)做好接地螺栓對(duì)設(shè)計(jì)，必須使用專門的接地螺栓，對(duì)室外機(jī)進(jìn)行安裝連接，使得在建筑外墻上設(shè)置的空調(diào)支架和室外機(jī)連接起來。另一種防護(hù)的方法是讓鋼筋混凝土平臺(tái)中的防雷接地系統(tǒng)與室外機(jī)連接起來，并不是只利用室外機(jī)外殼固定孔進(jìn)行連接固定。在空調(diào)安裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中要對(duì)接地螺栓進(jìn)行實(shí)事先設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況確定螺栓的位置；最后是高層建筑空調(diào)安裝施工中，必須要對(duì)安裝工藝進(jìn)行規(guī)范，最好有具體的施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核監(jiān)督。

（2）金屬門窗與合金防護(hù)窗。金屬門窗、金屬衣架等都是很容易遭受雷電側(cè)擊危害的部位，對(duì)于這些設(shè)施，必須要連接到建筑物主體的防雷系統(tǒng)內(nèi)的均壓環(huán)，進(jìn)行等電位處理，以達(dá)到防側(cè)擊雷的效果。對(duì)建筑物主體的金屬部位的防護(hù)思路，具體為下列做法：在建筑主體施工時(shí)就在外墻金屬框窗的位置事先埋好接地埋件，接地埋件的一端要焊接到均壓環(huán)上，同時(shí)焊接施工要有嚴(yán)格的要求，必須符合現(xiàn)行的防雷規(guī)范要求。當(dāng)進(jìn)行金屬門窗框架的安裝時(shí)，接地埋件的另一端通過鉚釘和金屬門窗框架的鍍鋅扁鋼緊固，并且需要先做好金屬門窗、扁鋼等接觸面部分的絕緣處理，然后再做鉚釘?shù)募庸烫幚恚恳幻嬷辽侔?個(gè)以上的鉚釘），接地處理方式為兩點(diǎn)接地，使得金屬門窗成為接閃器，防止雷電側(cè)擊危害。最后要對(duì)施工過程進(jìn)行管理，確保連接過程穩(wěn)定、可靠。

（3）塑鋼門窗。塑鋼門窗也是當(dāng)前建筑物中門窗使用的主要材質(zhì)，其成本比金屬低，但是塑鋼門窗本身不具備作為防雷電側(cè)擊的接閃器的條件，因此在對(duì)塑鋼門窗進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了提高防雷效果，要事先做好防止雷電側(cè)擊的接閃器設(shè)置。在建筑外墻中，30m以上的地方和陽角位最接近建筑物的地方可以設(shè)置F線，然后設(shè)計(jì)接閃器，將接閃器牢牢固定在高度相同的均壓環(huán)預(yù)埋件上，形成接閃點(diǎn)陣，對(duì)雷電側(cè)擊危害進(jìn)行預(yù)防[2]。

3 結(jié)束語

綜述，對(duì)高層建筑物進(jìn)行防雷施工，必須要遵循建筑防雷的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的外墻部分做好相應(yīng)的防雷擊措施，布置接閃器、屏蔽、接地等，都需要可靠的防雷措施，保障防雷效果。

[1] 周國軍,梁忠武,尹娟,等.基于GB50057的側(cè)擊雷電流特征分析[J].氣象科技,2017,45(04):761-764.

[2] 趙杰.高層建筑金屬門窗雷電側(cè)擊防護(hù)的探討[C].浙江省氣象學(xué)會(huì)、江蘇省氣象學(xué)會(huì)、上海市氣象學(xué)會(huì).第八屆長三角氣象科技發(fā)展論壇論文集.上海:浙江省氣象學(xué)會(huì)、江蘇省氣象學(xué)會(huì)、上海市氣象學(xué)會(huì),2011:3.