超高層建筑防雷設計若干技術(shù)問題分析與討論

摘要：分析了超高層建筑在防雷設計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。依據(jù)現(xiàn)行國家標準的規(guī)定要求，從安全可靠、經(jīng)濟合理、切實可行的角度出發(fā)，通過總結(jié)長期以來從事的建設項目的機電顧問、建筑防雷施工圖設計和防雷技術(shù)審查工作中的實踐經(jīng)驗，提出了超高層建筑防雷設計中關(guān)于地閃密度值取值、等效面積計算、防側(cè)擊與均壓環(huán)設計、接地干線與接地端子位置選擇等問題處理的技術(shù)意見，對超高層建筑的防雷接地設計有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：超高層建筑;防雷;地閃密度;等效面積

中圖分類號：TU895

文獻標志碼：A文章編號：1674-8417（2024）06-0054-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.06.010

0引言

建科〔2021〕76號文《住房和城鄉(xiāng)建設部應急管理部關(guān)于加強超高層建筑規(guī)劃建設管理的通知》指出［1］：“各地要嚴格控制新建超高層建筑。一般不得新建超高層住宅。城區(qū)常住人口300萬人口以下城市嚴格限制新建150m以上超高層建筑，不得新建250m以上超高層建筑。城區(qū)常住人口300萬以上城市嚴格限制新建250m以上超高層建筑，不得新建500m以上超高層建筑。各地相關(guān)部門審批80m以上住宅建筑、100m以上公共建筑建設項目時，應征求同級消防救援機構(gòu)意見，以確保與當?shù)叵谰仍芰ο嗥ヅ洹３菂^(qū)常住人口300萬以下城市確需新建150m以上超高層建筑的，應報省級住房和城鄉(xiāng)建設主管部門審查，并報住房和城鄉(xiāng)建設部備案。城區(qū)常住人口300萬以上城市確需新建250m以上超高層建筑的，省級住房和城鄉(xiāng)建設主管部門應結(jié)合抗震、消防等專題嚴格論證審查，并報住房和城鄉(xiāng)建設部備案復核。”

GB55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》（以下簡稱GB55024）規(guī)定了高度超過250m的超高層建筑的防直擊雷設計，其接閃網(wǎng)格尺寸、滾球半徑取值、引下線間距等，均按第一類防雷建筑物要求［2］。

可見，無論是行政管理要求，還是技術(shù)規(guī)范規(guī)定，對于新建超高層建筑的要求都是非常嚴格的。超高層建筑一旦發(fā)生火災等重大事故，救援非常困難。而雷擊也是引發(fā)火災的重要原因之一。

本文就超高層建筑防雷設計中有別于一般性建筑的主要技術(shù)問題進行分析與討論，其他一般性問題如接閃器、引下線和接地裝置的設計、電涌保護器選型等不在文中贅述。

1地閃密度值

地閃密度Ng又稱雷擊大地密度或雷擊大地的年平均密度，為某一區(qū)域每年每平方公里面積上的平均地閃次數(shù)，單位為次/（km2·a）。

地閃密度值是計算建筑物年預計雷擊次數(shù)，從而確定建筑物防雷分類的基礎數(shù)據(jù)。按GB50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》［3］（以下簡稱GB50057）附錄A.0.2要求，雷擊大地的年平均密度，首先應按氣象臺、站所提供的資料確定。

上海市氣象部門已通過DB31/T1329—2021《基于雷電定位系統(tǒng)的地閃密度應用要求》［4］發(fā)布上海市各區(qū)域的年平均地閃密度。據(jù)悉，各地氣象部門可以提供地閃密度、峰值電流等雷電環(huán)境探測資料。

以上海市某新建超高層項目為例，摘自上海市氣象部門提供的雷電環(huán)境分析報告：項目基地3km半徑范圍、2009～2021年歷年閃電密度的平均值為5.34次/（km2·a）。以500m×500m為網(wǎng)格計算基地周邊3km的閃電密度分布，可以看出基地周邊各網(wǎng)格內(nèi)閃電密度分布不均，部分網(wǎng)格的閃電密度最高可達9.85次/（km2·a）。

這兩個數(shù)據(jù)可以理解為：5.34次/km²·a是歷年平均值，9.85次/（km²·a）是歷年最高值。

計算建筑物年預計雷擊次數(shù)時，依據(jù)GB50057附錄A.0.1，Ng=5.34。但是，當計算對象為超高層建筑時，Ng如何取值才更為合理？此時取Ng=9.85更合理。理由如下：地閃是雷暴云與大地之間的放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象往往發(fā)生在雷暴云與地面的突出物之間。超高層建筑對于所在區(qū)域來講，明顯突出于周邊其他物體，因此超高層建筑成為所在區(qū)域地閃發(fā)生的首選對象，成為該區(qū)域地閃密度最高的點位。而這個現(xiàn)象與雷電探測結(jié)果是一致的。所以，超高層建筑計算其年預計雷擊次數(shù)時，地閃密度值可選擇歷年最高值。

依據(jù)GB50057公式A.0.3-5，超高層建筑的等效面積計算，如下式所示：

A_e=［LW+2（L+W）+πH²］×10^-6 （1）

式中：A_e——與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積;

L——建筑物的長度;

W——建筑物的寬度;

H——建筑物的高度。

不考慮周邊影響時，建筑物年預計雷擊次數(shù)按GB50057公式A.0.1計算，如下式所示：

N=k×N_g×A_e （2）

式中：k——校正系數(shù)，在一般情況下取1;

Ng——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度。

一般性民用建筑采用Ng年平均值和年最高值計算結(jié)果分析如表1所示。

由表1可知，采用Ng平均值和最高值計算結(jié)果差異比較明顯，對防雷施工圖設計影響很大。

首先，按GB50057的防雷分類規(guī)定，N＞0.25時為第二類防雷建筑物，N≤0.25時為第三類防雷建筑物。而GB55024第7.1.1條規(guī)定，高度超過100m的建筑物為第二類防雷建筑物。

其次，按GB55024第7.1.4條規(guī)定，N＞0.42時，建筑物的接閃器、引下線設計要求均等同于第一類防雷建筑物。

綜上，本案例中的3棟超高層建筑，均應為第二類防雷建筑物，但其接閃器、引下線的設計要求均應等同于第一類防雷建筑物。

2等效面積

與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積應為其實際面積向外擴大后的面積，其計算方法應符合GB50057附錄A.0.3的規(guī)定。

超高層建筑的高度超過100m，其每邊的擴大寬度應按等于建筑物的高H計算，建筑物的等效面積應按GB50057公式A.0.3-5進行計算。需要注意的是，多數(shù)情況下，超高層建筑其周邊在2H范圍內(nèi)有其他建筑物，計算等效面積時，應考慮周邊建筑物的影響因子，應符合GB50057附錄A.0.3第5、6款的規(guī)定。

計算等效面積時，有一種需要特別注意的情況：在工程實踐中，有相當比例的建筑，其屋面并不是規(guī)整的矩形，且屋面各部位高度不同。此時的等效面積應采用作圖法求得。

按GB50057附錄A.0.3第7款規(guī)定，當建筑物各部位的高不同時，應按建筑物周邊逐點算出最大擴大寬度，其等效面積應按每點最大擴大寬度外端的連接線所包圍的面積計算。超高層建筑此時的擴大寬度應等于建筑物的高H。

同時查閱了其他相關(guān)標準，在GB/T21714.2—2015《雷電防護第2部分：風險管理》［5］（以下簡稱GB/T21714.2）中：孤立建筑的截收面積AD是從建筑物上各點，特別是上部各點以斜率為1/3的直線全方位向地面投射，在地面上由所有投射點構(gòu)成的面積。詳見GB/T21714.2附錄A.2.1。該標準適用于建筑物的雷擊風險評估，給出了計算風險的流程。城市中的建筑物通常不屬于孤立建筑。

綜合上述兩部規(guī)范的規(guī)定要求，在防雷施工圖設計中，采用作圖法計算建筑物等效面積時，城市中的超高層建筑物的擴大寬度按該建筑物高度計算。

為便于對比等效截收面積的差異，典型超高層建筑物等效截收面積比較分析如圖1所示。

以上海市某新建超高層塔樓為例，此塔樓為非規(guī)整矩形建筑，建筑物總高度為480m，在450m和430m的高度均有不同高度的造型，按GB50057要求，用作圖法計算其等效面積。不規(guī)則建筑物等效面積如圖2所示。

3防側(cè)擊與均壓環(huán)

超高層建筑的高度超過了100m，防側(cè)擊是設計中繞不開的話題，而現(xiàn)行國家標準對此規(guī)定卻不完全一致。查閱了GB50057和GB55024等國標，梳理出超高層建筑防側(cè)擊技術(shù)要求具體如下。

（1）建筑物外墻內(nèi)側(cè)和外側(cè)垂直敷設的金屬管道及類似金屬物應在頂端、底端、高度100m處附近、高度100～250m區(qū)域內(nèi)每間隔不超過50m、高度250m以上區(qū)域內(nèi)每間隔不超過20m，分別與防雷裝置連接。

（2）建筑物地下1層或地面層、頂層的結(jié)構(gòu)圈梁應連成閉合環(huán)路，中間層應在每間隔不超過20m的樓層連成閉合環(huán)路，在高度250m及以上區(qū)域應每層連成閉合環(huán)路。閉合環(huán)路應與本樓層結(jié)構(gòu)鋼筋和所有專用引下線連接。

（3）應將高度45m（高度超過250m的超高層建筑，高度30m）及以上外墻上的欄桿、門窗等較大金屬物直接或通過預埋件與防雷裝置連接。

（4）高度45m（高度超過250m的超高層建筑，高度30m）及以上水平突出的墻體應設置接閃器并與防雷裝置連接。

需要注意的是，按GB55024的規(guī)定，這些技術(shù)要求均為強制性條文，應嚴格執(zhí)行。

此外，將外墻上的欄桿和門窗等較大金屬物直接或通過預埋件與防雷裝置連接時，其比較理想的做法是與均壓環(huán)（即上述閉合環(huán)路）連接，不但便于施工，且等電位連接效果也比較好。因此，建議超高層建筑可以在45m（或30m）高度以上，每層都設計均壓環(huán)。

4接地干線與接地端子

接地干線和接地端子的設計，在GB55024、GB50057、GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》［6］（以下簡稱GB50343）等標準中，均做了不同程度的規(guī)定，技術(shù)要求又不盡相同。經(jīng)梳理后，就幾個突出問題提出如下建議。

（1）結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，充分利用樓層鋼板或鋼筋網(wǎng)。

按一般性建筑的常規(guī)做法，通常是從總等電位排（MEB）或者基礎接地網(wǎng)中，分別引出各個子系統(tǒng)的接地干線，沿不同路徑敷設，到達各自的局部等電位接地端子（LEB）處。對于超高層建筑來講，尤其是數(shù)百米高的超高層，這樣敷設接地干線顯然是不合適的，導線阻抗本身就是個大問題。

GB50343第5.3.2條規(guī)定，電子信息設備機房的等電位連接網(wǎng)絡可直接利用機房內(nèi)墻結(jié)構(gòu)柱的主鋼筋引出的預留接地端子接地［6］。

因此，一個局部等電位網(wǎng)絡的接地端子（LEB），完全可以利用所在樓層的結(jié)構(gòu)鋼筋或鋼板。技術(shù)上可行又經(jīng)濟合理的做法是，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，充分利用樓層鋼板或鋼筋網(wǎng)，直接從所在樓層的結(jié)構(gòu)鋼板或鋼筋網(wǎng)中引出接地干線、設置局部等電位接地端子。只是在利用和處理這個局部等電位網(wǎng)格時，需要重點關(guān)注一下網(wǎng)格尺寸、施工工藝等。

（2）接地平面圖中，接地干線的引出點位之間的安全間隔距離。

超高層建筑各電氣子系統(tǒng)的重要性、對雷電電磁脈沖的抗擾度是不盡相同的，一些敏感設備對于電磁干擾可能是有嚴格要求的。因此，在接地平面圖中，各子系統(tǒng)的接地干線引出點必須保持一定的安全間隔距離，避免接地點、接地干線之間的相互干擾。

（3）禁止利用已用作或可能用作防雷引下線的建筑外墻結(jié)構(gòu)柱。

超高層建筑極易遭受雷擊，雷擊發(fā)生時，用作防雷引下線的建筑外墻結(jié)構(gòu)柱內(nèi)，必然有雷擊電流流過。電氣電子系統(tǒng)的接地干線，如果利用了該結(jié)構(gòu)柱內(nèi)鋼筋，或者從該結(jié)構(gòu)柱引出接地干線，輕則受電磁干擾，重則遭反擊。

5結(jié)語

超高層建筑的防雷施工圖設計，首先應滿足現(xiàn)行國家標準的規(guī)定要求，但必須認識到，國標的規(guī)定只是最低要求。在做設計時，應當充分考慮項目基地的地理環(huán)境狀況尤其是雷電環(huán)境條件，不拘泥于常規(guī)的設計思路，可以結(jié)合建筑功能、建筑材料、結(jié)構(gòu)特點和設備設施要求等，提出安全可靠、經(jīng)濟合理、切實可行的設計與施工方案。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.應急管理部關(guān)于加強超高層建筑規(guī)劃建設管理的通知［Z］.2021.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑電氣與智能化通用規(guī)范：GB55024—2022［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2022.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物防雷設計規(guī)范：GB50057—2010［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

［4］上海市市場監(jiān)督管理局.基于雷電定位系統(tǒng)的地閃密度應用要求：DB31/T1329—2021［S］.北京：中國標準出版社，2021.

［5］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.雷電防護第2部分：風險管理：GB/T21714.2—2015［S］.北京：中國標準出版社，2016.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑物電子信息系統(tǒng)電子信息防雷規(guī)范：GB50343—2012［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

收稿日期：20240126

AnalysisandDiscussionofSeveralTechnicalIssuesintheLightning

ProtectionDesignofSuperHigh-RiseBuildings

YUGuoqing

（EastChinaArchitecturalDesignamp;ResearchInstituteCo.，Ltd.，Shanghai200011，China）

Abstract：Thisarticleanalyzesthekeytechnicalissuesoflightningprotectiondesigninsuperhigh-risebuildings.Basedontherequirementsofcurrentnationalstandards，startingfromtheperspectivesofsafety，reliability，economicrationality，andpracticalfeasibility，andbysummarizingthepracticalexperienceinconsultingforconstructionprojects，lightningprotectiondesign，andlightningprotectiontechnicalreviewoverthelongterm，technicalissuessuchastheselectionofgroundflashdensityvalues，calculationofequivalentareas，designoflateralprotectionandequipotentialrings，andtheselectionofgroundingmainlinesandgroundingterminalsinlightningprotectiondesignforsuperhigh-risebuildingsareproposed.Theaimistoprovidecertainguidingsignificanceforthelightningprotectionandgroundingdesignofsuperhigh-risebuildings.

Keywords：superhigh-risebuilding;lightningprotection;groundflashdensity;equivalentareas