超高層建筑防雷設計探討

尹嘯 / 張青 (中國建筑設計院有限公司， 北京 100044)

摘要超高層建筑遭雷擊概率大,遭受雷擊損失嚴重，合理可靠的防雷措施對超高層建筑具有重要意義。依據(jù)建筑物防雷理論和規(guī)范要求及超高層建筑防雷設計的特殊性，結合工程項目案例，詳細介紹了超高層建筑防雷設計做法，對超高層建筑的防雷設計要點進行總結和探討。

關鍵詞防雷 超高層建筑 等電位聯(lián)結 接閃器 引下線

AbstractSuper high-rise buildings are prone to suffer lighting strikes with a huge loss. Measures to protect lighting will be of great significance in the super high-rise building designing process. According to lightning protection theories and specification clause for buildings，design methods of protection against lightning for super high-rise buildings are introduced in detail in combination with practical engineering project on the base of complexity and particularity of high-rise building designs. the particularity in the lighting protection design of super high-rise buildings is analyzed，and the design points and experiences in lightning protection design of super high-rise buildings are summarized.

Keywordslighting protection, super high-rise buildings, equipotential bonding, air-termination system, down-conductor system

0引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市發(fā)展進程的不斷加快，越來越多的超高層建筑涌現(xiàn)在大、中型城市。超高層建筑比一般建筑遭雷擊概率大很多，由于建筑物中裝有大量電子信息設備，一旦遭受雷擊，損失嚴重。所以，對超高層建筑采用合理可靠的防雷措施顯得尤為重要。本文結合工程實例，對超高層建筑防雷設計進行詳細總結和探討。

1工程概況

本項目位于北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)域，西側緊臨東三環(huán)，南側緊臨景輝街，北側為光華路；總建筑面積約13.24萬m2，主要作為辦公、商業(yè)用樓。建筑主體高220m，裙房高36m，塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。

根據(jù)工程性質及《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)[1]和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB 50343-2012)[2]，本建筑物年預計雷擊次數(shù)0.6818次/a,防雷等級按二類防雷等級設防；防雷裝置攔截效率E=0.91，建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護等級按B級設防。

2防雷措施

雷電的破壞作用有兩種：一是直接擊在建筑物上產(chǎn)生熱效應作用和電動力作用；二是雷電流產(chǎn)生的靜電感應作用、電磁感應作用及雷電波侵入作用。對前者的防雷措施稱為建筑物外部防雷；對后者的防雷措施稱為建筑物內(nèi)部防雷。

2.1建筑物外部防雷措施

建筑物的外部防雷主要是指防直擊雷和防側擊雷，保護建筑物本身不遭受雷擊，外部防雷裝置主要由接閃器、引下線和接地裝置組成。

2.1.1接閃器

本工程塔冠主要由鋼結構球體和四周幕墻組成(圖1)，最高層44層的上半個球體置于室外，最高點為幕墻頂端和球體頂端220m，球體和幕墻之間由室外平臺連接。沿球體龍骨、玻璃幕墻頂端及44層的室外平臺設置Φ10鍍鋅圓鋼作為防直擊雷的接閃帶、接閃網(wǎng)格，球體避雷網(wǎng)格及屋面的網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m，具體設計見圖2。在幕墻頂端設有航空障礙燈，選擇帶有避雷裝置的航空障礙燈并與接閃帶可靠連接。擦窗機導軌與幕墻處接閃帶可靠連接。

裙房長62m、寬37m、高36m，根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)附錄D[1]計算，在36m高度，塔樓的保護半徑為0.91m，裙房不在塔樓保護范圍內(nèi)。因此，需要在裙房四合院的屋頂設置接閃帶，接閃帶采用沿屋脊明敷的方式。衛(wèi)星天線位于裙房屋頂，自帶避雷針保護。

圖1　塔頂剖面圖

圖2　防雷平面圖

2.1.2防側擊雷措施及均壓環(huán)

鑒于雷電有繞擊的可能性，超高層建筑做好屋頂防直擊雷的同時，還應做好建筑物立面的側擊雷防護。

超高層建筑物玻璃幕墻對防雷裝置有屏蔽效應，影響防側擊雷效果，并使雷電直接破壞玻璃幕墻。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》4.4.5條“幕墻的防雷設計應符合現(xiàn)行國家標準《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB 50057-2010)的規(guī)定。幕墻的金屬框架應與主體結構的防雷裝置可靠連接，并保持導電通暢?！睘榇?，本工程每兩層沿建筑物外墻設置均壓環(huán)，與防雷引下線可靠連接，并預留100×100×5(mm)鍍鋅鋼板，作為玻璃幕墻的防雷接地聯(lián)結預留接點。航空障礙燈與最近的均壓環(huán)做電氣聯(lián)結。當玻璃幕墻遭受雷擊時，將獲得的巨大雷電能量迅速地泄放入大地，起到保護玻璃幕墻免受雷電破壞的作用。

2.1.3引下線

本建筑塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。中部核心筒為鋼筋混凝土結構，從基底一直延伸至最高44層。核心筒外圍有16根鋼管混凝土柱，從基底直徑1.8m逐漸縮小至40層直徑1.2m；40層以上為塔冠部分，由塔架柱、桁架和球體組成。

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》條文解釋4.3.5條“電氣連貫性——在現(xiàn)場澆灌的鋼筋混凝土建筑物的鋼筋偶爾是焊接在一起，這提供了可定的電氣連貫性。通常更多地是，鋼筋在交叉點是用金屬線綁扎在一起。然而，雖然在此產(chǎn)生的自然金屬性連接有其偶然性，但是這類結構的大量鋼筋和交叉點保證全部雷電流實質上在并聯(lián)放電路徑上的多次分流。經(jīng)驗表明，這類建筑物能夠容易地被利用作為防雷裝置的一部分?！盵1]因此，本工程以鋼筋混凝土結構中的所有豎向鋼筋作為防雷引下線。鋼筋混凝土結構僅位于建筑的中心，為了雷電的分流效果，需要將建筑外圍的16根鋼管混凝土柱也作為引下線；由于鋼管混凝土柱僅到40層，塔冠與鋼管混凝土柱通過塔架柱柱腳插入鋼管混凝土中來連結。因為這種連接方式不滿足電氣連通的要求，所以沿塔架柱設置16根40×4(mm)鍍鋅扁鋼，下端與40層鋼柱可靠焊接，上端與接閃器可靠焊接。

根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》5.3.6條“當利用混凝土內(nèi)鋼筋、鋼柱作為自然引下線并同時采用基礎接地體時，可不設斷接卡，但利用鋼筋作引下線時應在室內(nèi)外的適當?shù)攸c設若干連接板?！盵1]由于本工程一層均為玻璃幕墻結構，不適合設置接地測試連接板，所以在室內(nèi)靠近出口的混凝土柱處設置接地測試卡，便于接地電阻的測試。

2.1.4接地裝置

利用建筑物結構基礎作為自然接地體，將建筑物結構基礎底板軸線上的上下兩層主筋中的兩根通長焊接，形成基礎接地網(wǎng)，并具備連接室外人工接地裝置的外接點。

2.2建筑物內(nèi)部防雷措施

建筑物內(nèi)部防雷包括防雷電感應及防雷電波入侵。內(nèi)部防雷由共用接地裝置、等電位聯(lián)結、屏蔽、電涌保護器等組成，用于減小和防止雷電流在需防護空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應。

2.2.1共用接地裝置

《建筑物防雷設計規(guī)范》6.3.4條第5款“電子系統(tǒng)不應設獨立的接地裝置?！盵1]因為獨立接地系統(tǒng)受到場地限制,其間距無法達到安全距離。當建筑物遭受雷擊時，防雷接地的高電位會反擊到電子系統(tǒng)接地，使高電位引入到電子系統(tǒng)，導致設備的絕緣擊穿而損壞設備。

所以本工程采用共同接地方式，將防雷接地、變壓器中性點接地、電氣設備的保護接地、電梯機房、消防控制室、電信機房、計算機房等的接地共用統(tǒng)一接地體，要求接地電阻不大于0.5Ω，實測不滿足要求時，利用外設點增設人工接地極。

2.2.2等電位聯(lián)結及屏蔽

等電位聯(lián)結的目的是減小或消除內(nèi)部防雷裝置各個部位上所產(chǎn)生的電位差，保證建筑物內(nèi)不會產(chǎn)生反擊、接觸電壓及跨步電壓等危害。屏蔽的主要目的是使建筑物內(nèi)的通訊設備、電子計算機以及自動控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。工程中采用的具體做法如下：

1)消防控制室、通信機房、網(wǎng)絡機房、安防控制室、BA監(jiān)控室等設置等電位聯(lián)結板，其聯(lián)接板在兩處不同的位置設獨立的接地引下線，引下線采用多股銅芯導線35mm2PC32，與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠連接；等電位連接板就近與樓板鋼筋網(wǎng)連接。

2)核心筒強、弱電配電間內(nèi)垂直敷設兩條和水平距地0.2m敷設一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，水平與垂直接地扁鋼間可靠焊接。配電間內(nèi)垂直扁鋼在每層與樓板鋼筋做等電位聯(lián)結，在其下端與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠聯(lián)結。

3)垂直敷設的金屬管道及金屬物的底端及頂端應就地與接地裝置聯(lián)結。正常情況下不帶電，當絕緣破壞時有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設備金屬外殼均應可靠接地，PE線不得采用串聯(lián)聯(lián)結。

4)電梯井道在底層預留接地扁鋼，且與豎向接地扁鋼牢固焊接，井道內(nèi)所有金屬構件均與接地扁鋼作等電位聯(lián)結。

5)玻璃幕墻的豎向龍骨、橫向龍骨和建筑物防雷網(wǎng)做可靠聯(lián)結。

6)在地下三層車庫外墻距頂板梁0.3m處設置一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，作為局部等電位聯(lián)結干線。所有進出建筑物的金屬管、金屬構件與等電位聯(lián)結干線有效聯(lián)結。

7)金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導管必須可靠接地，且必須符合下列規(guī)定：

(1)金屬電纜橋架及其支架全長不少于2處與接地PE干線相聯(lián)結。

(2)鍍鋅電纜橋架間連接板的兩端不跨接地線，但連接板兩端應有不少于2個有防松螺帽或防松墊圈的聯(lián)結固定螺栓。

通過采用以上措施，使建筑物所有垂直鋼筋、鋼柱，各層水平鋼筋，玻璃幕墻龍骨，金屬管道等建筑物內(nèi)的金屬構架電氣貫通，使整個建筑物成為“法拉第籠”，具有良好的均壓和分流作用，既能防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等危害，又具有屏蔽效果。

2.2.3裝設電涌保護器

電涌保護器用于限制瞬態(tài)過電壓,快速泄放電涌電流，降低雷電危害。本建筑電子信息系統(tǒng)雷電防護等級按B級設防。依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》(GB 50343-2012)表5.4.3-3推薦值，電涌保護器設置如下。

在變電所低壓母線上裝I級實驗電涌保護器(SPD)，10/350μs,沖擊電流大于等于15kA，耐沖擊電壓額定值不小于6kV；機房總配電箱、各層總配電箱、電梯配電箱內(nèi)裝II級實驗電涌保護器(SPD)，標稱放電電流值大于等于30kA，耐沖擊電壓額定值不小于2.5kV；末端配電箱內(nèi)裝電涌保護器，耐沖擊電壓額定值不小于1.5kV；屋頂室外風機、室外照明配電箱內(nèi)裝II級實驗電涌保護(SPD)，8/20μs,標稱放電電流大于等于60kA，耐沖擊電壓額定值不小于4kV。

計算機電源系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)引入端、衛(wèi)星接收天線引入端、電信引入端設信號線路電涌保護器，其穿金屬保護管在引入建筑物處與建筑物進行等電位聯(lián)結。當電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時，其引入的終端箱處安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器，其每一保護模式?jīng)_擊電流值選用1.5kA。

3防雷設計注意事項

1)為保證屋面防雷接閃器與建筑外觀的統(tǒng)一性，在進行防雷接地設計期間，應及時與建筑專業(yè)溝通，避免影響建筑立面美觀。

2)由于現(xiàn)代高層外墻采用大量玻璃幕墻，應提前與玻璃幕墻深化設計進行溝通，預留幕墻的防雷接地條件。

3)在全面了解建筑結構形式的基礎上，盡量利用結構柱鋼筋作為防雷引下線，利用基礎內(nèi)鋼筋作為接地極，既節(jié)約工程投資，又可達到良好的防雷效果。

4結束語

超高層建筑比一般建筑遭雷擊的概率大，一旦遭受雷擊將產(chǎn)生嚴重危害，所以安全可靠的防雷接地系統(tǒng)必不可少。雖然不同超高層建筑外形和結構形式可能有所差異，但多數(shù)都會大量采用鋼結構和鋼筋混凝土結構。所以在進行超高層工程設計時，可以將防雷措施和建筑結構形式完美結合，既保障防雷接地系統(tǒng)安全可靠、建筑美觀，又節(jié)約了建設成本。

參考文獻

[1]中國機械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設計規(guī)范(GB 50057-2010)[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[2]四川省住房和城鄉(xiāng)建設廳.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范(GB 50343-2012)[S].北京：中國建筑工業(yè)工業(yè)出版社，2012.

Discussion on Series and Selectivity of High and Low Voltage Power Distribution

Tao Yunfei / Lian Kanglong

Introduction to the Grounded System of Power Supply in Electric Network in the City of Malabo, Equatorial Guinea

Cui Jiawei / Li Zhe