鋼架結構庫房防雷設計

摘要： 由金屬屋面、金屬外皮夾心層圍護材料的鋼架結構建筑，對雷電臨近閃擊而言，是一個自然的人工電磁屏蔽體;但當雷電閃擊這類建筑物時，支撐建筑的鋼架結構金屬體內即有直擊雷電流通過并入地泄流，可能導致建筑內部二次雷電感應雷擊事故。在建筑外表添加安裝與其金屬體絕緣防直擊雷裝置，攔截直擊雷擊電流并將攔截到的雷電流分流屏蔽入地，完全能避免雷電擊在建筑物本體上，有效地避免二次雷電感應危害。關鍵詞： 金屬屋面; 防雷裝置; 絕緣防雷; 電磁屏蔽

中圖分類號： TU855文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）07-0048-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.07.010

0引言

自從GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》正式實施后，幾乎所有的新建建筑物均采用鋼筋混凝土磚混結構。建筑物屋面設置明敷接閃帶、接閃針作為建筑物接閃裝置，利用建筑框架結構柱筋作為建筑物直擊雷防雷引下線，大型高層建筑物還在建筑物中間位置設置供交流電源線路敷設的強電井和敷設電信、閉路電視信號的線路弱電井。這種設計施工方式有效地保護了建筑物內設施設備的防雷安全和室內人員的生命安全。然而，框架結構鋼筋混凝土建筑設計時間和建設周期比較長，申請建設、圖紙審批手續比較煩瑣，即使企業建設倉庫庫房也是如此。因此，近年來越來越多的企業采用金屬屋面、鋼架結構的建筑作為倉庫庫房，這類倉庫庫房設計簡單（對設計單位資質要求也不高）、審批手續簡便、建筑材料采購方便、無須開挖地面建造大型建筑基礎、對施工單位資質要求不高、施工建設周期短。鋼架結構的庫房得到企業的廣泛采用，特別是中轉商品貨物的物流園，多是使用鋼架結構建筑作為庫房存儲貨物。

通常情況下，鋼架結構金屬屋面庫房多是采用工型鋼、口型鋼或槽鋼作為庫房的結構材料，這種建筑物完全符合國家防雷技術標準［1］的要求，無須單獨再設計防雷裝置，特別是防直擊雷裝置;然而，時有投入使用的鋼架結構金屬屋面庫房內火災報警系統溫感和煙感探頭、視頻監控系統攝像頭被雷擊損壞的情況發生［2］。經多次現場勘察、事故原因分析后發現：當雷電閃擊庫房金屬屋面時，庫房鋼架結構桁樑、金屬立柱上即有直擊雷電流通過并泄流入地，這些雷電流在泄流入地過程中，對固附在金屬構件上的、難以全程屏蔽的系統信號線產生雷電感應，造成設備損壞甚至系統工作不正常［3］。為此，在為某酒廠酒庫進行防雷設計指導時，采用了直擊雷絕緣防護措施，并投入實際應用，效果良好供相關技術人員參考應用。

1基本情況

酒廠占地面積2公頃，建有辦公樓、科研樓、后勤中心、職工宿舍、酒庫5棟建筑;其中酒庫建筑體量為長200 m、寬30 m、高9 m（人字形金屬屋架最高點，夾心層圍護欄墻高8 m），屋面為厚度1 mm的熱鍍鋅金屬鐵皮，屋頂桁架為50 mm×50 mm、壁厚5 mm的口型鋼;庫房圍護材料（墻面）為金屬表面夾芯板，屋頂兩邊口型鋼支撐立柱高8 m，材型為100 mm×100 mm、壁厚10 mm，柱間間隔5 m，共82根;庫房中間金屬立柱高8 m，材型100 mm×100 mm、壁厚10 mm，柱間間隔10 m;庫房所在地土壤電阻率為480～490 Ω·m，酒廠所在地年平均雷暴日數為50.4 d/a。庫房建筑結構如圖1所示。

庫房酒品庫存量為1萬t，存酒容器采用陶罐口缸，酒庫建成后，安裝的弱電系統有火警報警系統、視頻監控系統;電源線路，弱電系統信號線路分別穿金屬管埋地進入庫房。

2庫房雷擊風險分析

2.1直擊雷擊

庫房體量取長200 m、寬30 m、高9 m，根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》，庫房的雷電等效截收面積Ae為

A_e=［LW+2（L+W）H（200-H）+

πH（200-H）］×10^-6≈0.03 （km²）

酒廠所在地年平均雷暴日數為50.4 d/a，屬于多雷暴區域，當地雷擊大地的年平均密度為

N_g=0.1×50.4=5.04（次/a·km²）

酒庫屬于一般性工業建筑，取校正系數k=1，庫房年預計雷擊次數為

N=k×N_g×A_e≈0.15（次/a）

即，該庫房每十年預計可能遭受約2次直擊雷擊。

2.2感應雷擊

進入建筑物的弱電系統線路穿金屬管埋地敷設，酒庫庫房為金屬結構建筑物，相當于1個閉合的接地金屬屏蔽體，當建筑物附近出現雷電臨近（一般距離建筑物50 m外［4］）閃擊時，雷電電磁感應脈沖對酒庫內的弱電系統沒有任何危害;但當雷電直擊庫房時，由于雷電的趨膚效應，建筑物金屬屋面、屋頂金屬桁架、金屬立柱將有直擊雷電流通過并入地，此時，固附在金屬構件上的弱電信號線路會感應雷電過電流脈沖，損壞傳感器、攝像頭等弱電器件，甚至可能危及主機房信號接口板。

酒庫庫房為一般性工業建筑物，年預計雷擊次數為0.15次/a，小于0.25次/a，酒庫庫房屬于第三類防雷建筑物;按照GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》，首次雷擊電流取100 kA，該庫房建筑物的82根金屬立柱每根立柱通過的雷電流幅值約為1.2 kA。

庫房金屬立柱附近的電磁場強度為

E=I/2πS （1）

式中： I——通過立柱的電流;

S——離開立柱的距離。

100 kA的首次雷擊電流閃擊庫房時，在距離金屬立柱1 m位置的電磁場強度為

E=I/2πS≈191.08（m/A）

對于由微電子元器件組成的設備（如火災報警系統的溫感器、煙感器），當其所在位置磁通達到0.03 Gs，（換算成磁場強度為2.39 A/m）時，設備就可能引起誤動作;當磁感應強度超過2.4 Gs，（換算成磁場強度為191 A/m）時，微電子設備就可能產生永久性損壞。可見，幅值強度1.2 kA的雷電流產生的電磁場，足以導致庫房金屬立柱1 m范圍內的火災報警系統的傳感器、視頻監控系統攝像頭內電子器件損壞，所以須采取措施避免雷電直擊庫房本體。

3庫房防雷裝置設計

3.1直擊雷防護裝置

通常情況下，按照GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》第5.2.7條第二款規定，建筑物金屬屋面金屬鐵皮厚度大于0.5 mm時，無須再安裝附加的接閃裝置，因此，幾乎所有金屬屋面建筑物都不加裝避雷帶（網）或獨立避雷針進行直擊雷附加防護。然而，當建筑物內有火警報警系統、視頻監控系統（如物流倉庫、酒庫）時，該建筑物遭受直擊雷擊情況下，存在二次感應雷擊風險隱患，本酒庫建筑項目亦是如此。

排除金屬屋面建筑物感應雷擊事故隱患的關鍵是避免雷電直接擊在建筑物上。直接在酒庫金屬屋面上空安裝獨立的架空避雷帶（網），建設成本高、技術也不先進;架設獨立避雷線，因庫房長度過長，必須要設置較高的金屬塔，也應采取附加措施提高獨立避雷線抗風能力;設計安裝獨立避雷針，則庫房周邊即是兩排避雷針，不經濟適用;可見，兩種防雷技術方法均不符合GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》提倡的技術先進、經濟合理原則。

經過技術人員多次會商研究，參考電工電氣絕緣原理，利用雷電趨膚效應特點，設計實施絕緣防雷技術，即在建筑物屋面設計安裝相對于建筑物內金屬機構件絕緣的獨立避雷網，即可避免雷電直接擊在建筑物的金屬屋面，消除庫房內雷電二次感應危害。

酒庫為第三類防雷建筑物，兼顧酒庫寬度為30 m，采用直徑12 mm的熱鍍鋅圓鋼在屋面安裝20 m×15 m避雷網格（GB 50057—2010規定為網格尺寸不大于20 m×20 m），直徑12 mm的熱鍍鋅圓鋼作防直擊雷引下線，并遵循GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的規定對稱布置，引下線間距20 m，共22根;水平接地體用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體為50 mm×5 mm標準角鋼，相互間隔距離5 m［5］;接地裝置型式設計為直線型，距離酒庫建筑基礎鋼筋3 m，且不與建筑基礎鋼筋連接，保證避雷網是獨立相對架空的避雷網，避雷網每根引下線接地電阻小于4 Ω，酒庫防雷接地平面示意圖（局部）如圖2所示。

3.2避雷網支撐件

按照國家防雷裝置標準圖集［6-7］，避雷帶（網）屋面支撐件宜采用水泥墩預制件。避雷帶（網）支撐件水泥預制件如圖3所示。然而酒庫屋面金屬鐵皮僅1 mm厚，且庫房建筑面積大，需要的水泥墩預制件數量較大，可能影響整體房屋結構，因此，采用輸電線路常用的、耐壓不小于2萬V的膠木絕緣子作支撐件。絕緣子支撐件做法如圖4所示。

高壓絕緣子高210 mm，制成的整體支撐件高300 mm，屋面各支撐件水平間距1.5 m;金屬屋面固定絕緣子支撐件時不能采用螺栓連接方式，采用能粘貼金屬的鑄工膠，將高壓絕緣子底部牢固粘貼于金屬屋面，這樣既保證了屋面避雷帶（網）與金屬屋面的絕緣架空特性，又保持避雷帶（網）的牢固固定，且也不會因安裝避雷網造成庫房漏雨，一舉三得。采用高壓絕緣子做避雷帶（網）支撐件，極大地減小了酒庫屋面避雷網的整體重量，不至于造成酒庫金屬構件變形。

3.3引下線敷設

為保證絕緣架空避雷網的絕緣架空特性，酒庫庫房防直擊雷引下線不能采用常規的鉆孔、螺栓與庫房夾芯板固定或焊接方式固定;同時，還必須采取防接觸電壓措施，預防防直擊雷引下線在泄流過程中，對夾心層圍護墻面擊穿空氣對夾心層金屬表面放電;此外，也應預防企業員工雷雨天路過引下線附近時，引下線雷電接觸電壓危害員工生命安全。

酒庫為第三類防雷建筑物，設計引下線數量共22根，100 kA直擊雷電流閃擊屋面避雷網時，每根引下線通過的雷電流幅值約為4.55 kA。

根據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》，引下線地面以上至頂端任一點的接觸電壓為

U=IR+LHdi／dt（2）

式中： L——引下線單位長度電感，取1.67 μH/m;

H——接地匯接點到接地體長度;

di／dt——首次雷擊電路陡度;第三類防雷建筑物di／dt=10（kA/μs）;

I——引下線雷電流幅值;

R——接地裝置工頻接地電阻值。

設避雷網引下線接地電阻為4 Ω，代入式（2）可得4.55 kA的直擊雷電流在距地面1.5 m位置的雷電電壓為43.25 kV。

該電壓足以對路過引下線附近的企業員工造成生命安全威脅，也可能擊穿空氣對建筑物金屬墻面放電，因此，必須采取技術措施消除該事故隱患。

防直擊雷引下線常見的防接觸電壓措施是引下線穿金屬管、采用角鋼將引下線貼墻敷設，對金屬結構庫房而言不是最佳方案。結合工程實踐經驗及酒庫建筑結構特點，確保酒庫直擊雷防護裝置與建筑金屬本體絕緣，采用引下線全程套電工PVC管（也稱鋁塑管）方法，簡單、實用、施工方便。引下線全程套電工PVC管示意圖如圖5所示。

固定全程套電工PVC管的引下線采用常見的自來水管塑料固定件，固定件之間垂直間隔距離2 m，其底部用鑄工膠與庫房夾芯層墻面金屬粘貼牢固。

3.4防跨步電壓措施

按照GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》規定，庫房直擊雷防雷裝置接地裝置水平接地體埋設深度不小于0.6 m，垂直接地體頂端與水平接地體焊接連接，接地裝置施工完成后用水泥混凝土硬化地面，消除直擊雷電流由接地裝置在地面產生的跨步電壓危害。

4防感應雷擊

酒庫庫房儲存酒水容器為陶罐口缸，無須設計考慮其感應雷擊防護;庫內除火警報警系統傳感器、視頻監控系統攝像頭及其附屬信號線路外，沒有任何其他弱電設施設備;進出庫房的220 V電源、信號線路均是穿金屬管埋地敷設;金屬屋面、金屬夾芯層圍擋墻面自然地使酒庫建筑物成為1個電磁屏蔽體，這些措施完全能阻止雷電臨近閃擊的電磁脈沖危害。在建筑物外設計安裝的直擊雷絕緣避雷網，能有效地將閃擊酒庫建筑物屋面的直擊雷電流全部攔截，并通過絕緣屏蔽的引下線全部泄流入地，避免酒庫的金屬結構構件出現雷電流。綜合可見，設置了絕緣直擊雷防雷裝置、金屬結構的酒庫庫房，無須再行考慮其他防感應雷擊措施。

5結語

利用建筑物結構內的鋼筋作為防雷裝置是GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》推薦的設計路線，框架磚混結構的建筑物，都是利用建筑物內金屬柱筋作為接閃器的防雷引下線，由于雷電的趨膚效應，使得建筑物所有外墻柱筋都有等額的雷電流入地，外墻柱筋越多，各柱筋內電流幅值就越小，室內弱電設備線路遭受感應雷擊的可能性越小。這也是高層建筑都在建筑物中部設置強、弱電井供電源線路、信號線路分別布放的原因。

金屬屋面、鋼架結構、以夾芯板為圍護材料的建筑物常見于物流園中轉物資庫房，以及企業產品存儲庫房，其特點是結構簡單、建房時間短，屬于經濟環保型建筑。從雷電防護角度，其自身的結構鋼筋材料、金屬屋面完全符合GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》直擊雷防雷技術要求，金屬表面的夾芯板圍護材料、加之金屬屋面，使建筑物成為1個自然的電磁感應屏蔽體;當建筑物附近出現臨近雷電閃擊時，雷電電磁脈沖對建筑物內的電源線路、信號線路、弱電設備沒有任何危害。但雷電直接擊在建筑物屋面時，建筑物金屬屋面、結構鋼架、金屬立柱將有雷電流通過，會導致固附在鋼梁、金屬立柱上的線路、傳感器、視頻攝像頭感應雷電過電流，進而損壞設備，這就是鋼架結構金屬屋面庫房內火警報警系統、視頻監控系統遭受雷擊事故的主要原因。類似庫房采用絕緣防直擊雷裝置，完全能防止直擊雷電閃擊建筑物本體，有效地避免感應雷擊事故的發生。

［1］中國機械工業聯合會.建筑物防雷設計規范：GB 50057—2010［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［2］劉佼，肖穩安，徐彬彬，等.近年來我國重大雷電災害分析［C］∥中國氣象學會.創新驅動發展 提高氣象災害防御能力——S11第十一屆防雷減災論壇.南京市氣象局;南京信息工程大學，氣象災害省部共建教育部重點實驗室，2013：9.

［3］貴州省防雷減災中心.雙龍寶灣華業物流園微型消防站雷擊事故調查報告［Z］.2022.

［4］段建東，張保會，郝治國，等.超高壓線路暫態保護中雷電干擾與短路故障的識別［J］.電力系統自動化，2004（18）：30-35.

［5］中國電力企業聯合會.電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范：GB 50169—2016［S］.北京：中國計劃出版社，2017.

［6］中國建筑標準設計研究院.建筑物防雷設施安裝：15D501［S］.北京：中國計劃出版社，2016.

［7］中國建筑標準設計研究院.利用建筑物金屬體做防雷接地裝置：15D503［S］.北京：中國計劃出版社，2016.

收稿日期： 20240129

Lightning Protection Design of Steel Frame Structure Warehouse

GAN Xiaoming LIU Yuan ZHOU Wenyu ZHOU Daogang

（1.Huaxi District Meteorological Bureau of Guiyang City， Guiyang 550025， China;

2.Beijing Yixian Liantian Lightning Protection Testing Co.， Ltd.， Guizhou Branch， Guiyang 550009， China;

3.Guizhou Provincial Meteorological Observatory， Guiyang 550002， China）

Abstract： A steel frame structure building made of metal roof and metal sandwich layer enclosure material is a natural artificial electromagnetic shielding body for lightning near lightning strikes; But when lightning strikes such buildings，there is a direct lightning current flowing through the metal body of the steel frame structure supporting the building，which may lead to secondary lightning induced lightning accidents inside the building.Adding insulation devices to the exterior of buildings to prevent direct lightning strikes，intercepting direct lightning current and diverting and shielding the intercepted lightning current to the ground，can completely prevent lightning strikes on the building body and effectively avoid secondary lightning induction hazards.

Key words： metal roof; lightning protection device; insulation lightning protection; electromagnetic shielding