年預計雷擊次數計算探討

任寶立

(哈爾濱工業大學建筑設計研究院，哈爾濱 150090)

1 現狀及發展趨勢

現有防雷規范及相關技術資料對于建筑物年預計雷擊次數的計算，均基于規則的矩形單體建筑進行計算。 伴隨著社會發展，個性化、風格明顯、多變的建筑形態越來越多。 復雜形態的建筑無法直接套用現有的防雷公式進行計算。 然而，年預計雷擊次數計算結果是確定建筑物雷電防護等級，對建筑物采取正確防雷措施的基礎，因此，不規則建筑的年預計雷擊次數計算是實際工程設計中必須解決的問題。 本文利用建筑總平面圖、CAD 制圖做為輔助手段，對不規則建筑年預計雷擊次數計算進行分析。

2 防雷計算分類

根據GB 50057－2010《建筑物防雷設計規范》附錄A， 建筑物年預計雷擊次數N＝K×Ng×Ae。 其中，N為建筑物年預計累計次數。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/a，可按Ng ＝0.1Td 計算，Td 為年平均雷暴日。Ae 為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積，km2，是建筑實際面積向外擴大后的面積，其計算分為下文所述幾種情況。

2.1 建筑高度小于100m 的情況

每邊的擴大寬度

從式(2)可以看出，當建筑輪廓方正時，可以直接輸入相應數據進行計算，本文給出以下計算表格(表1)。

計算表格 表1

(1)單一不規則建筑年預計雷擊次數計算

如果建筑形狀不規則，沒有明確的L、W 數值時怎么計算? 從式(1)可以看出，建筑輪廓擴大的寬度與建筑本身長度、寬度無關，只與建筑高度有關。不規則建筑如果靠輸入建筑數據信息進行計算很難實現，即使實現也會非常繁瑣。 如果利用建筑高度計算出建筑外輪廓擴大的寬度，利用建筑總平面圖中建筑不同高度部位的建筑輪廓，可在圖紙中將建筑輪廓擴大計算出的D 值后，在CAD 圖紙中測出Ae 值。

例如圓形建筑，建筑外輪廓為直徑30m 的圓形，建筑高度80m 的一棟建筑。

外輪廓擴大寬度為:建筑高度H ＝80.00m，200-H＝120.00m，H(200-H)＝9 600.00m，建筑每邊擴大寬度D＝Sqrt[H(200-H)]＝97.98m。

擴大后外輪廓面積通過CAD 軟件計算Ae ＝51 471.85m2＝0.05km2。 等 效 截 收 面 積 Ae ＝0.05km2，年平均雷暴日數Td ＝33.40，年平均雷暴密度Ng ＝0.1Td ＝3.34，修正系數K ＝1.00，年預計雷擊次數N＝K×Ng×Ae ＝0.17。 此處Td 為哈爾濱氣象部門提供年平均雷暴日數33.4 天。

(2)復雜不規則建筑年預計雷擊次數計算

建筑輪廓及建筑高度如圖1 所示。

圖1 建筑輪廓及建筑高度圖1

按式(1)計算出建筑不同高度部位的擴大寬度D 值。

1)建筑高度H ＝18.55m，200-H ＝181.45m，H(200-H)＝3 365.90m，建筑每邊擴大寬度D ＝Sqrt[H(200-H)]＝58.02m。

2)建筑高度H ＝23.10m，200-H ＝176.90m，H(200-H)＝4 086.39m，建筑每邊擴大寬度D ＝Sqrt[H(200-H)]＝63.92m。

在總平面圖中采用CAD 做圖方式將建筑輪廓外擴D 值后如圖2 所示。

圖2 建筑輪廓及建筑高度圖2

由擴大后圖可以看出，此時各直角部位外擴的距離大于D 值，此部位應為以建筑直角點為圓心，D值為半徑的圓弧線，如圖3 所示。

圖3 建筑輪廓及建筑高度圖3

剪切掉圓弧外多余部分及內部多余線，得到建筑擴大后等效截收外輪廓如圖4 所示。

圖4 建筑輪廓及建筑高度圖4

在CAD 圖紙中測量出等效截收面積Ae ＝42 906.3m2＝0.043km2，帶入式(2)計算出年預計雷擊次數:等效截收面積Ae ＝0.04km2，年平均雷暴日數Td ＝33.40，年平均雷暴密度Ng ＝0.1Td ＝3.34，修正系數K＝1.00，年預計雷擊次數N ＝K×Ng×Ae ＝0.13。

2.2 建筑高度≥100m 的情況

每邊擴大寬度D ＝H 即擴大寬度等于建筑高度，則長方形建筑Ae ＝[LW＋2H(L＋W)＋3.14H2]×10－6，不規則建筑等效截收面積按照2.1 方法計算，最終得出年預計雷擊次數。

3 結束語

綜上所述，年預計雷擊次數計算時，如果遇到不規則建筑，或建筑各部位建筑高度不同時，可以利用建筑總圖給出的建筑輪廓，及各部位高度分別計算出擴大寬度D 值后，再利用CAD 作圖法計算其等效截收面積，進而計算出年預計雷擊次數。 以上計算方法有效的填補了現有計算公式的計算空白。本文給出年預計雷擊次數計算模板(表1)，計算時輸入相應數字即可。