劉冬冬 吳 彬 徐子穎

(宜興市氣象局，江蘇 宜興 214200)

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建筑物屋面防雷設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題的探討

劉冬冬 吳 彬 徐子穎

(宜興市氣象局，江蘇 宜興 214200)

依據(jù)GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)合多年來(lái)的建筑物防雷設(shè)計(jì)審核經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)審核中常見(jiàn)的幾點(diǎn)屋面防雷設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了分析探討，以避免建筑物屋面防雷設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不合理、不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。

屋面防雷設(shè)計(jì)，防雷類(lèi)別，暗敷設(shè)計(jì)，突出物

0 引言

一直以來(lái)，建筑物的防雷設(shè)計(jì)在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中所占的比重很小。新建建筑物防雷設(shè)計(jì)往往由設(shè)計(jì)院電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員統(tǒng)一完成，各設(shè)計(jì)院對(duì)建筑物防雷設(shè)計(jì)的重視程度或設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的理解程度不同，導(dǎo)致建筑物屋面防雷設(shè)計(jì)中出現(xiàn)一些不準(zhǔn)確、不合理或不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的情況，甚至給后期施工帶來(lái)不必要的麻煩。

1 判斷建筑物防雷類(lèi)別所使用的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確

依據(jù)GB 50057—2010第3.0.3條第9款～10款、第3.0.4條第2款～4款的規(guī)定，部、省級(jí)辦公建筑物、一般性民用建筑物(住宅、辦公樓等)或一般性工業(yè)建筑物、煙囪、水塔等孤立的高聳建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物及火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所需要計(jì)算預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)來(lái)確定建筑物的防雷類(lèi)別。

GB 50057—2010附錄A中，建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

N=k×Ng×Ae。

其中，N為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，次/年；k為校正系數(shù)，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(fēng)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(méi)有接地的磚木結(jié)構(gòu)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(qū)雷擊大地的年平均密度，次/(km2·年)；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

公式簡(jiǎn)單，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員數(shù)據(jù)運(yùn)用并不準(zhǔn)確。1.1 與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積Ae值的確定

與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積應(yīng)為其實(shí)際面積向外擴(kuò)大后的面積。其計(jì)算方法以最常見(jiàn)的建筑物高度小于100 m為例，其每邊的擴(kuò)大寬度和等效面積應(yīng)按下列公式計(jì)算：

其中，D為建筑物每邊的擴(kuò)大寬度；L，W，H分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高，m。

根據(jù)Ae的計(jì)算公式可知，Ae值取決于D，L，W，H。而由圖1可知，D為以建筑物外圍每邊為界向建筑物外的擴(kuò)大寬度，即計(jì)算參數(shù)D所使用的高度值H應(yīng)為建筑物外圍的高度(如建筑物外圍女兒墻高度或坡屋面的屋檐高度)，而非建筑物的最高高度，也不應(yīng)是局部突出屋面部分的高度。在設(shè)計(jì)圖審中常碰到部分設(shè)計(jì)人員錯(cuò)將建筑物的最高高度或局部突出物的高度代入公式中計(jì)算年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，有可能錯(cuò)將三類(lèi)防雷建筑物判為二類(lèi)防雷建筑物，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)合理?，F(xiàn)代建筑藝術(shù)要求越來(lái)越高，建筑造型復(fù)雜多樣，要想準(zhǔn)確的得出Ae的取值，一些不規(guī)則的復(fù)雜造型建筑還需按GB50057—2010附錄A考慮不同情況做出更精確的計(jì)算，本文暫不作探討。

1.2 校正系數(shù)k取值的確定

在設(shè)計(jì)圖審中，常常碰到校正系數(shù)k的取值問(wèn)題被設(shè)計(jì)人員忽略或欠考慮。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中有時(shí)并未考慮建筑物的周邊環(huán)境，例如水庫(kù)等大型水域邊的建筑，山地或空曠地域的建筑等，而直接取k=1,則有可能將二類(lèi)防雷建筑物誤判為三類(lèi)防雷建筑物，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求，可能無(wú)法達(dá)到保護(hù)效果。

1.3 雷擊大地的年平均密度Ng取值的確定

雷擊大地的年平均密度Ng一般由建筑物所在地年平均雷暴日Td計(jì)算得出。近幾年，隨著氣象事業(yè)的發(fā)展，很多氣象數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸細(xì)化，更加準(zhǔn)確。以筆者所在地江蘇宜興為例，早些年，對(duì)于建筑物防雷類(lèi)別的判定所使用的年平均雷暴日Td=41.1，該值為無(wú)錫地區(qū)統(tǒng)一使用的數(shù)據(jù)，而近幾年當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)公開(kāi)的數(shù)據(jù)已經(jīng)更新為宜興地區(qū)Td=36.0，設(shè)計(jì)人員常常仍然使用41.1，則有可能將三類(lèi)防雷建筑物誤判為二類(lèi)，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)合理。

2 建筑物屋面接閃器暗敷設(shè)計(jì)需謹(jǐn)慎

建筑物屋面接閃器明敷為接閃器最常見(jiàn)也是相對(duì)最安全的敷設(shè)方式，而在設(shè)計(jì)圖審中，接閃器能否暗敷也是最常見(jiàn)的爭(zhēng)議問(wèn)題。

暗敷接閃器和明敷接閃器在其相對(duì)應(yīng)的滾球半徑范圍內(nèi)對(duì)建筑物整體的保護(hù)效果并無(wú)十分明顯的差別。但就建筑物屋面及易受雷擊部位的保護(hù)，暗敷接閃器則存在一些安全隱患。由于雷電具有機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，暗敷接閃器一旦接閃，則有可能因機(jī)械效應(yīng)或熱效應(yīng)的瞬間升溫膨脹，使覆蓋其表面的混凝土層或磚瓦炸裂墜落，對(duì)建筑物周邊的行人、設(shè)施或車(chē)輛造成損傷。

2.1 多層建筑接閃器的暗敷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057—2010中第4.3.5條及第4.4.5條中明確規(guī)定：“本規(guī)范第 3.0.3條2款～4款、第9款、第10款的建筑物，當(dāng)其女兒墻以內(nèi)的屋頂鋼筋網(wǎng)以上的防水和混凝土層允許不保護(hù)時(shí)，宜利用屋頂鋼筋網(wǎng)作為接閃器；本規(guī)范第3.0.3條2款～4款、第9款、第10款的建筑物為多層建筑，且周?chē)苌儆腥送Ａ魰r(shí)，宜利用女兒墻壓頂板內(nèi)或檐口內(nèi)的鋼筋作為接閃器”，如此，對(duì)于暗敷接閃器附加了條件。

部分設(shè)計(jì)人員對(duì)多層建筑物接閃器的暗敷設(shè)計(jì)并未考慮建筑物周?chē)h(huán)境或規(guī)范上所要求的附加條件，尤其是一些繁華地帶的建筑、商業(yè)街、景區(qū)建筑等，不應(yīng)采用暗敷的方式。同時(shí)需要注意的是，暗敷接閃器埋設(shè)在混凝土或磚瓦下，倘若埋設(shè)過(guò)深，則有可能使雷電流無(wú)法快速找到泄流通道泄放入地，從而影響保護(hù)效果。因此對(duì)于建筑物的暗敷設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎，采用暗敷設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)暗敷接閃器的埋設(shè)深度提出要求。同時(shí)，筆者認(rèn)為對(duì)于校正系數(shù)k取值中所列舉出的如土壤電阻率較小處、水域邊、山谷風(fēng)口處等相對(duì)易遭受雷擊的多層建筑物，在不能確定其是否滿足附加條件時(shí)，不應(yīng)采用暗敷的方式。

2.2 高層建筑接閃器的暗敷設(shè)計(jì)

高層建筑接閃器的敷設(shè)，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范并未明確不允許暗敷，但考慮到高空墜物動(dòng)量隨高度增加，造成的損害也隨之增大，故不應(yīng)暗敷。當(dāng)平屋面的高層建筑外圍女兒墻較高，且屋頂防水和混凝土層允許不保護(hù)時(shí)，可將屋面接閃網(wǎng)格暗敷。坡屋面的高層建筑，應(yīng)禁止暗敷。同時(shí)可依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范按照建筑物高度情況進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)。

中國(guó)GB50352—2005民用建筑設(shè)計(jì)通則中建筑高度的計(jì)算：

1)當(dāng)為坡屋面時(shí)，應(yīng)為建筑物室外設(shè)計(jì)地面到其檐口的高度。筆者認(rèn)為，當(dāng)坡屋面建筑物屋脊高度超過(guò)高層建筑所定義的高度時(shí)，因從防雷角度考慮屋脊屋角部位為易受雷擊部位，應(yīng)將接閃器明敷。

2)當(dāng)同一座建筑物有多種屋面形式時(shí)，建筑高度應(yīng)按上述方法分別計(jì)算后取其中最大值。局部突出屋頂?shù)牟t望塔、冷卻塔、水箱間、微波天線間或設(shè)施、電梯機(jī)房、排風(fēng)和排煙機(jī)房以及樓梯出口小間等，可不計(jì)入建筑高度內(nèi)。筆者認(rèn)為，當(dāng)同一座建筑物有多種屋面形式時(shí)，或高層建筑有低層(多層)裙樓時(shí)，可將超過(guò)高層建筑定義高度的屋面接閃器明敷，低于高層建筑定義高度的屋面在滿足GB50057—2010暗敷附加條件時(shí)可暗敷，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)目的。

3 屋面突出物的防雷設(shè)計(jì)太籠統(tǒng)

屋面突出物包括突出屋面的金屬物體和非金屬物體。設(shè)計(jì)人員在防雷設(shè)計(jì)時(shí)往往考慮不全面或設(shè)計(jì)過(guò)于含糊籠統(tǒng)，給后期施工帶來(lái)困惑或不能有效保護(hù)。

3.1 屋面突出的非金屬物體的防雷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057—2010第4.5.7條第2款規(guī)定：“不處在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的非導(dǎo)電性屋面物體，當(dāng)它沒(méi)有突出由接閃器形成的平面0.5m以上時(shí)，可不要求附加增設(shè)接閃器的保護(hù)措施?！贝藯l款為設(shè)計(jì)規(guī)范2010年版修訂后新增的內(nèi)容，可理解為：

1)處在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的非導(dǎo)電性屋面物體可以不增設(shè)接閃器保護(hù)措施。例如屋面有突出高聳的金屬物體可作為接閃器時(shí)，計(jì)算得出其保護(hù)范圍內(nèi)的非導(dǎo)電性屋面物體可不設(shè)保護(hù)措施；

2)不處在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)且高出接閃器形成的平面0.5m以上，需增設(shè)接閃器。例如屋面突出的混凝土或PVC管排氣孔在此情況時(shí)應(yīng)增設(shè)接閃器。

在設(shè)計(jì)圖審中，設(shè)計(jì)人員往往對(duì)突出屋面的截面面積相對(duì)較大的非金屬物全部設(shè)計(jì)敷設(shè)接閃器，對(duì)于屋面截面面積較小的柱狀突出物不做防雷保護(hù)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致施工材料浪費(fèi)或保護(hù)不到位。同時(shí)需要注意的一種情況是，設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)圖紙的時(shí)候，各個(gè)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員的溝通協(xié)調(diào)不及時(shí)或不到位，建筑結(jié)構(gòu)圖中屋面的一些突出物在屋面防雷平面圖上沒(méi)有反映，因而沒(méi)有設(shè)計(jì)防雷保護(hù)措施，或者電氣設(shè)計(jì)人員未將建筑物藝術(shù)造型需求所增加的屋面突出物考慮在內(nèi)，而導(dǎo)致屋面突出物的防雷設(shè)計(jì)的疏漏。

3.2 屋面突出的金屬物體的防雷設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員對(duì)于屋面突出的金屬物體的防雷設(shè)計(jì)比較籠統(tǒng)，往往只在設(shè)計(jì)說(shuō)明中寫(xiě)一句“屋面金屬物體應(yīng)就近與避雷帶連接”或在屋面防雷平面圖中以畫(huà)圖的方式將金屬物體與避雷帶連接起來(lái)。但并非所有金屬物體都可以僅與接閃帶連接就能達(dá)到保護(hù)效果。

3.2.1 屋面金屬物體在接閃器保護(hù)范圍以內(nèi)

當(dāng)屋面金屬物體在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)，為防止雷擊時(shí)發(fā)生反擊或雷擊時(shí)長(zhǎng)金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷而需接地泄流，應(yīng)將其與接閃器就近連接。

3.2.2 屋面金屬物體不在接閃器保護(hù)范圍以內(nèi)

建筑物防雷設(shè)計(jì)中，屋面很多金屬物體往往是高于接閃器，不在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的，如金屬欄桿，消防水箱，風(fēng)機(jī)，金屬爬梯，廣告牌、太陽(yáng)能熱水器等。而高于接閃器的金屬物體可分為兩類(lèi)：

1)金屬物體的規(guī)格滿足作為接閃器使用的要求。如消防水箱、風(fēng)機(jī)、金屬爬梯、廣告牌等其本身材質(zhì)規(guī)格符合GB 50057—2010第5.2.1的規(guī)定，其規(guī)格可以代替接閃器接閃，則可以僅就近與接閃器連接。

2)金屬物體的規(guī)格不能滿足作為接閃器使用的要求。建筑物設(shè)計(jì)中屋面設(shè)計(jì)為美觀需求或使用需求，經(jīng)常在屋面設(shè)計(jì)金屬護(hù)欄或其他金屬構(gòu)件，其往往高于接閃帶并且緊靠接閃帶，部分設(shè)計(jì)人員在屋面防雷設(shè)計(jì)中將其與接閃帶就近連接，卻未考慮或未標(biāo)注其規(guī)格。當(dāng)其規(guī)格不能滿足作為接閃器的使用要求時(shí)，金屬護(hù)欄或金屬構(gòu)件先于接閃帶接閃，若雷電直接擊中將其熔斷，雷電流無(wú)法或不能及時(shí)泄流入地，屋面接閃器將形同虛設(shè)。此種情況若出現(xiàn)在高層建筑，則可能帶來(lái)很大的安全隱患。

太陽(yáng)能熱水器大部分是由金屬材質(zhì)制成，如不銹鋼、鋁合金、加厚鋼板噴塑等，且經(jīng)常安裝于屋面或屋脊較高處，但其使用的金屬材質(zhì)的規(guī)格卻并不一定滿足作為接閃器的使用要求，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器被雷擊時(shí)，雷電流還有可能沿水管或金屬導(dǎo)線引入室內(nèi)，造成人身傷亡。故僅僅將太陽(yáng)能與接閃帶連接的防雷設(shè)計(jì)并不合理，在不能確定其材質(zhì)規(guī)格符合作為接閃器使用要求的情況下，應(yīng)該設(shè)計(jì)接閃桿或接閃帶作為保護(hù)措施。

3.3 屋面存放物體的防雷設(shè)計(jì)

部分建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)，屋面會(huì)有使用需求，如一些廠房屋面存放物品，汽車(chē)4S店、大型商場(chǎng)屋面作為存放車(chē)輛使用等情況，部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮屋面的用途或溝通不到位，而未對(duì)屋面存放物品設(shè)計(jì)防雷保護(hù)措施。

設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057—2010第4.5.7條第1款規(guī)定“沒(méi)有得到接閃器保護(hù)的屋頂孤立金屬物的尺寸不超過(guò)以下數(shù)值時(shí)，可不要求附加的保護(hù)措施：1)高出屋頂平面不超過(guò)0.3 m。2)上層表面總面積不超過(guò)1.0 m2。3)上層表面的長(zhǎng)度不超過(guò)2.0 m。”需注意的是，即使屋面金屬物體滿足此款條件，可不要求附加的保護(hù)措施，但考慮雷擊時(shí)反擊或雷電感應(yīng)等因素，仍需就近與接閃器連接。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物復(fù)雜多樣，建筑物防雷也逐漸成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)重視建筑物防雷在經(jīng)濟(jì)生活中的重要作用，在建筑物防雷設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)充分理解和正確運(yùn)用規(guī)范相關(guān)條款，而不應(yīng)僅僅只是套用規(guī)范，應(yīng)考慮各方面客觀因素及細(xì)節(jié)，使防雷設(shè)計(jì)真正做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] GB 50057—2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 梅衛(wèi)群，江燕如.建筑防雷工程與設(shè)計(jì)[M].北京：氣象出版社，2004.

[3] 林維勇.高層建筑物防雷[J].建筑電氣，1997(4)：10-17.

[4] 王 榮.利用屋頂建筑構(gòu)件內(nèi)鋼筋作接閃器的探討[J].建筑電氣，2010(3)：42-44.

On common problems in roof lightning protection of buildings

Liu Dongdong Wu Bin Xu Ziying

(Yixing Meteorological Bureau, Yixing 214200, China)

Referring to GB 50057—2010BuildingLightningDesignPlanningandDemands, the paper explores the roof lightning design problems in the design checking by combining with the checking experience for the lightning design of buildings, so as to avoid the unreasonable and inaccurate defects in the roof lightning design of buildings.

roof lightning proof design, lightning types, concealed laying, protrusion

1009-6825(2016)30-0040-03

2016-08-15

劉冬冬(1986- )，男，助理工程師； 吳 彬(1982- )，男，助理工程師； 徐子穎(1980- )，男，助理工程師

TU895

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