游樂場建筑防雷設計的探究

王林健

（廣東省建筑設計研究院 廣東廣州 510010）

1 項目概況

本次探究的主城堡是該主題樂園標志性建筑物，入口城堡為該主題樂園的標志性建筑物，同時兼顧主題樂園主入口、游客服務及重要交通樞紐的功能。項目為多層公共建筑。地上三層，局部四層。一層、二層為商業和主題樂園出入口通道，三層為演藝廳，局部四層為塔樓；地下為兩層車庫。

2 氣象災害影響分析

本次探究項目所在地每年都有雷電活動發生，閃電密度較大、強度較高，大風、暴雨等天氣現象也出現頻繁，這些災害性天氣可導致建筑物和設備損壞，道路積水而影響交通和人員通行，供配電系統、通迅系統、計算機信息系統中斷，還可能造成項目中的建構筑物游樂設施運行中斷，甚至對在游樂設施上的游客帶來輕微電擊等傷害，威脅游客人身安全。鑒于論證項目包括了室外部分、室內游玩區、排隊等候區等，尤其是室內設備屬于特種設備，受雷電的影響非常大。

2.1 項目存在的雷電災害風險分析

項目從設計到設備硬件的高規格高標準，使其成為世界上科技含量最高、多維互動游樂設施最多的樂園；雖然建筑物的金屬框架結構形成了籠式防雷系統主體，使得建筑物內人員和設施免遭直接雷擊；但是這些游樂設施主要由金屬鋼結構組成，通過電力或空壓驅動、計算機等精密電子設備操控；眾所周知，當建筑物遭受雷擊時，雷電流將通過建筑物內的鋼筋結構和接地體泄入大地，在這一暫態過程中，建筑物內將產生強大的交變電磁場，通過感應和輻射對人員和電子電氣系統造成危害；在雷擊暫態過程中，無論是大型游樂設施誤動作，供配電系統、通信系統、計算機信息系統中斷，還是人員在其中有“觸電感”，或是雷擊擊穿電介質（空氣、土壤）放電造成火災危險，都將引發恐慌危及公共安全。

2.2 探究內容

為了有效防止雷電接閃泄流過程可能造成的電壓或電流的暫態響應對人員的危害，以及對建（構）筑物內的電氣系統、控制系統、弱電系統及游樂設備的破壞和干擾，根據項目雷擊可能造成的危害，探究內容主要圍繞以下三個方面：

①項目區域可能存在的人員傷害風險（室內和室外）；

②雷擊接閃過程中，在項目周圍及各敏感位置，產生的暫態電磁場分布，各種判別物理量的建模計算，分析可能對設備產生的危害；

③雷擊接閃過程產生的超過介質擊穿場強額定值可能引起的火災危害。

2.3 項目現場勘察雷電數據分析

選取距離項目點最近的地面氣象觀測站數據資料，統計1981～2010年雷暴日數據，可得知項目所在地30年年平均雷暴日為45.7d/年，屬于多雷區。根據本項目的設計圖紙、地勘報告及現場情況，為得到精確的檢測數據，使用數字接地電阻測量儀（KD2571BV型），對區域內的西南、西北和北部三個方位進行了土壤電阻率的測量并加以分析，最后得出了表1的檢測值（檢測值中季節修正系數為1.5）。為減少計算量，土壤模型取均勻土壤，阻值選用3個土地模型的平均值90Ω·m。

2.4 防雷設計參數分析

2.4.1 防雷類別判定

本次評估項目根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和可能造成的后果，按防雷要求分為一、二、三類。

表1 各點土壤電阻率測量值（Ω·m）

式中：K——校正系數，本評估項目內周邊均無特殊建筑物，但臨近水系，取1.5。

Ng——建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]。一年中項目所在地某一面積內的閃電次數，取2008～2017年地閃密度最大值2.55次/（km2·a）。

Ae——建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2）。根據GB50057-2010和項目方提供的初步設計說明，主城堡有突出主體結構的附屬構筑物，不建議使用GB50057中等效面積計算的一般公式。因此，本報告的計算采用CAD偏移功能，在各建筑物的平面圖上，以D為單位按圓弧進行偏移，最后得出各建筑物的等效面積。

得 Ae=0.191130m2，N1=0.731072（次/年）。

根據GB50057-2010中3.0.3條規定中的第9款：“預計雷擊次數大于0.05次/a的部、省級辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物以及火災危險場所”，主城堡應劃為第二類防雷建筑物。

2.4 .2電氣電子系統電涌防護等級計算

（1）建筑物年預計雷擊次數（N1）

根據第2.4.1節計算結果，N1=0.731072（次/a）。

（2）入戶設施年預計雷擊次數（N2）

式中：A′e1——電源線纜入戶設施的截收面積（km2），2×1000×92×10-6=0.184000；

A′e2——信號線纜入戶設施的截收面積（km2），2×1000×92×10-6=0.184000；

N2=0.368000（次/a）。

（3）建筑物及入戶設施年預計雷擊次數（N）N=N1+N2=1.099072（次/a）

（4）可接受的最大年平均雷擊次數（NC）

因直擊雷和雷電電磁脈沖引起電子信息系統設備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數NC按下式確定：

NC=5.8×10-1.0/C

式中：C——各類因子，C=C1+C2+C3+C4+C5+C6。

C1——電氣電子信息系統所在建筑物材料結構因子，取1.0。

C2——電氣電子信息系統重要程度因子，該值取3.0。

C3——電子信息系統設備耐沖擊類型和抗沖擊過電壓能力因子，該值取1.0。

C4——電子信息系統設備所在雷電防護區（LPZ）的因子，該值取1.0。

C5——為電子信息系統發生雷擊事故的后果因子，該值取2.0。

C6——表示區域雷暴等級因子，該值取1.2。

NC=5.8×10-1.0/C=5.8×10-1.0/（1.0+3.0+1.0+1.0+2+1.2）=0.06304（次/a）。

（5）攔截效率及信息系統分級

按照公式E=1-Nc/N計算防雷裝置的攔截效率E。

E=1-0.06304/1.099072≈0.94，0.90＜E＜0.98。

在接閃、引下、接地、等電位措施按照規范設計施工的情況下，主城堡內的電氣電子信息系統雷電防護等級屬于B級。

2.5 防雷施工設計和要求

（1）電勢控制：從設計角度，控制電勢可以增加引下線根數，擴大分流系數：在施工過程中，盡可能做小接地電阻，順導雷電流；比如：在自控飛機最高導體連接第二層頂層平面處，使用圓鋼或扁鋼將所有立柱連接成一個整體。

（2）做好絕緣措施：在做好電勢控制，隔離危險區的同時，考慮到人體接觸點不同，可以細分防御接觸電壓和跨步電壓的措施。由于接觸電壓是用手接觸，在預防措施上，讓人體的手摸不到，在距地面2.7m以下的導體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣材料隔離，或用至少3mm厚的交聯聚乙烯層隔離。在防跨步電壓方面：主要是做好均衡電位，使兩腳的電位基本相等。使引下線3m范圍內地表層的電阻率不小于50kΩ·m，或敷設5cm瀝青層或15cm厚卵石層。

（3）對于安裝有精密設備的位置，采取二次屏蔽。在布設各類電子、電氣設備和游樂設施時，要合理選擇位置，避免雷擊時電磁場超過安全值，必要時可通過建立更多的屏蔽分區來降低其風險。

（4）公共區域安全：項目室外公共區域人員活動頻繁，存在一定的跨步電壓和接觸電壓風險。具體防范措施如下：

①合理設置警告牌，提醒游人加強自我防范；

②增設雷電避險場所標志，加強雷電預警，提醒游客在雷雨來臨前，立即停止戶外活動，及時躲入最近的避險場所；

③利用公共區域的路燈桿作為接閃裝置，并做好接地；

④建議人行道鋪設絕緣材料，步行區域、維護通道、操動機構四周等區域，可鋪設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層等高阻材料，或在局部增設1～2m網孔的水平均壓帶，降低大地表面電位梯度。

（5）本項目除了按照第二類防雷建筑物設防外，由于其外包裝構造眾多且復雜，為防止直擊雷擊擊壞建筑物外表面造成脫落，建筑屋面層施工時預留接閃帶明敷壓接在女兒墻面等外表面，并且預留外包裝接地端子。建筑外表面構件安裝時底部金屬必須與預留的接地裝置做金屬壓接。