楊 春 霞

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

論某高層建筑物的防雷接地

楊 春 霞

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

采用滾球法計算高層建筑防雷時應(yīng)考慮周邊建筑，如果能保護(hù)到，則不需要重復(fù)做防雷措施，防雷接地要結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式，充分利用建筑物自身特點(diǎn)，不能千篇一律，照本宣科。

直擊雷，滾球法，接地，基礎(chǔ)形式

0 引言

該建筑位于華北地區(qū)，建筑類別為一類建筑，建筑高度為66.6 m，地下1層，地上15層；建筑功能：地下室為地下車庫、金庫(二類)、設(shè)備用房和丙類庫房，設(shè)有變配電室和弱電室。1層～15層為辦公，頂層為設(shè)備用房及水箱間。

該建筑分為A區(qū)和B區(qū)，地下車庫相連通。地上A區(qū)15層，建筑高度為66.6 m，長50.4 m，寬17 m；B區(qū)為2層，建筑高度為8.4 m。AB兩區(qū)相鄰兩邊間距15.5 m。

1 防雷

首先看A區(qū)建筑，查資料得當(dāng)?shù)氐钠骄妆┤諡?3.7 d/年。根據(jù)GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《防雷規(guī)范》)附錄A，建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)按下式計算：

N=k×Ng×Ae

(1)

Ng=0.1×Td

(2)

(3)

代入數(shù)據(jù)算得等效面積Ae=0.041 5 km2，Ng=3.37 d/年，k取1，代入式(1)算得雷擊次數(shù)Na=0.139 8次/年。根據(jù)《防雷規(guī)范》第3.0.3條，第二類防雷建筑物的劃分，該建筑為人員密集場所，并且雷擊次數(shù)大于0.05次/年，所以為二類防雷建筑，應(yīng)采用第二類防雷建筑的防雷措施。

再看B區(qū)建筑，有的設(shè)計人員認(rèn)為像這樣的高低類的建筑僅需計算高的建筑防雷次數(shù)并采取相應(yīng)的防雷措施即可，低的建筑尤其是這種高差比較懸殊的一般都按經(jīng)驗(yàn)不考慮防雷設(shè)計，按經(jīng)驗(yàn)值B區(qū)建筑肯定達(dá)不到三類防雷。B區(qū)建筑的長寬高為，50.4 m，12.3 m，8.4 m。代入式(1)算得B區(qū)建筑雷擊次數(shù)為Nb=0.034次/年。根據(jù)《防雷規(guī)范》第3.0.4條第二款，人員密集場所，雷擊次數(shù)大于0.01次/年，小于0.05次/年劃為第三類防雷建筑。

通過計算我們發(fā)現(xiàn)B建筑達(dá)到了三類防雷，并且A建筑的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了總面積的30%，那么就可以按規(guī)范要求將本建筑定性為二類防雷建筑。那么B建筑是否一定要按三類采取防雷措施,也不一定。下面用滾球法來驗(yàn)算。

根據(jù)GB 50057—2010附錄D中用滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍，A建筑為二類防雷滾球半徑hr=45 m，建筑高度66.6 m大于滾球半徑，將h=45 m代入。按比例大小所畫示意圖如圖1所示。

由圖1，在B建筑物高度hx=8.4 m處的保護(hù)半徑rx和地面保護(hù)半徑r0的計算公式如下:

(4)

(5)

算出rx=18.82 m，r0=45 m?？梢娪肁建筑屋頂?shù)慕娱W器利用滾球法算出的直擊雷保護(hù)半徑不能完全保護(hù)到B建筑。在周圍沒有高層建筑的前提下，B建筑仍需要按三類防雷進(jìn)行防直擊雷的保護(hù)措施。

但是如果周圍有高層建筑，好多設(shè)計人員做單體建筑的防雷設(shè)計的時候，根本不考慮周邊的建筑情況，每個建筑物不論高低全部都做防雷，造成不必要的浪費(fèi)。以本建筑為例，計算周圍多遠(yuǎn)距離有多高建筑就可以不需要做防雷。

如果要將B建筑完全保護(hù)到，則滾球保護(hù)范圍最低點(diǎn)要高于B建筑的頂點(diǎn)。即h>8.4 m。根據(jù)式(4)，式(5)，兩支等高接閃器的保護(hù)范圍的計算公式：

(6)

示意圖如圖2所示。

如果想要B建筑被完全保護(hù)，最近的接閃桿，使兩等高接閃桿最低點(diǎn)處于B建筑物屋頂?shù)闹行狞c(diǎn)處。以最低點(diǎn)x=0時h0為接閃桿的高度，然后再按單支接閃桿方法計算在hx=8.4 m高度的保護(hù)半徑能將B建筑完全覆蓋。然后將公式反向推導(dǎo)出距離D。

B建筑寬為12.3 m。即rx=12.3/2=6.15 m。代入式(4)：

(7)

由式(7)得h=13.7 m。兩支等高接閃桿間距D=2×(15.5+12.3/2)=43.3 m。

再討論D的最大值，最遠(yuǎn)多遠(yuǎn)距離且高度超過45 m的二類防雷建筑能夠保護(hù)到B建筑，設(shè)B的外側(cè)距離兩等高接閃桿保護(hù)范圍邊線上的最低點(diǎn)“O”點(diǎn)的距離為x，D=2(27.8+x)保護(hù)邊線最低處“O”處的假想的接閃桿高度h0=17.2-x,此接閃桿在高度hx=8.4 m的保護(hù)半徑rx=12.3+x，如圖3所示。

根據(jù)式(4)和式(6)有以下式子成立：

(8)

算出x=-1.8 m，D=52 m。如果超過這個距離，B將不再受到保護(hù)。同理按照上述方法，如果A建筑是三類防雷，周邊也是三類防雷建筑(建筑高度大于60 m)，最大距離為68.4 m。

2 接地

建筑物內(nèi)常見的接地系統(tǒng)有電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、電子信息設(shè)備信號電路接地、防雷接地等。通常設(shè)計中，采用聯(lián)合接地，就是將電氣/信息設(shè)備的功能性接地、保護(hù)接地以及電磁兼容性接地與建筑物防雷接地采用共用的接地系統(tǒng)，并實(shí)施等電位聯(lián)結(jié)措施。此次主要討論防雷接地，防雷接地優(yōu)先考慮利用建筑物內(nèi)基礎(chǔ)鋼筋作為接地裝置。為考慮人身安全，共用接地裝置的接地電阻應(yīng)盡可能小，并根據(jù)規(guī)范對沖擊接地電阻阻值有一定的要求。

本工程基底面積為57.9 m×53.9 m，A建筑主體基礎(chǔ)下面為CFG樁，車庫和B建筑部分無樁。接地體利用基礎(chǔ)外圍水平鋼筋焊接成圈。并在地下0.8 m處地庫四角用40×4鍍鋅扁鋼引出散水外1 m，在出防水層時用石膏做防水處理。室外地坪上0.5 m處做暗裝接地電阻測試卡。如接地電阻不滿足要求，接人工接地體。

本工程為二類防雷，利用柱內(nèi)對角兩根Φ16鋼筋捆綁焊接作防雷引下線，下端與接地網(wǎng)可靠焊接。利用建筑物本身的鋼筋作為防雷引下線時，沒有根數(shù)和間距要求，為防接觸電壓和跨步電壓，采用10根柱子組成的自然引下線。

好多設(shè)計人員做防雷接地的時候，做的非常粗糙，甚至不明白接地體的具體做法。下面來分析一下，不同基礎(chǔ)形式下的接地體的做法和連接方式：

1)砌體結(jié)構(gòu)的混凝土或灰土剛性條形基礎(chǔ)；框架結(jié)構(gòu)的單獨(dú)

柱基或條形基礎(chǔ)筏板基礎(chǔ)，柱下條形基礎(chǔ)；剪力墻結(jié)構(gòu)的筏形基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)，墻下條形基礎(chǔ)，以上基礎(chǔ)如有地下室，均無防水要求,可直接利用埋入土壤的基礎(chǔ)混凝土和其鋼筋作為天然的接地體，將殘留的雷電流泄入大地。根據(jù)《防雷規(guī)范》第4.3.6條，第5款，工程的電阻率為1 000 Ω·m，根據(jù)式(9):

(9)

算出面積為254.34 m2。而本工程的基底面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此面積，可不補(bǔ)加接地體。利用基礎(chǔ)承臺外圍一圈4根Φ10以上水平鋼筋焊接即可滿足接地要求。

2)框架結(jié)構(gòu)的單獨(dú)柱基條形基礎(chǔ)筏板基礎(chǔ)，柱下條形基礎(chǔ)；剪力墻結(jié)構(gòu)的筏形基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)，墻下條形基礎(chǔ)，以上基礎(chǔ)如有地下室，且有防水要求時，不能直接利用基礎(chǔ)作為接地極，需將基礎(chǔ)和承臺鋼筋焊接，并在地下埋深不小于0.8 m處焊接鍍鋅扁鋼穿透防水層引出土壤，如果接地電阻不滿足要求，再增加人工接地極。

3)軟弱地基或液化地基等在建筑結(jié)構(gòu)需要承受水平荷載或者彎矩，一般采用樁基礎(chǔ)。采用樁基礎(chǔ)的建筑，如果無防水要求，直接利用基礎(chǔ)承臺水平鋼筋和樁基縱向鋼筋焊接作為接地體，如果面積滿足要求，不需要增設(shè)人工接地體。

4)如果建筑采用灌注樁基礎(chǔ)，有地下室并要求做防水防腐處理，此時基礎(chǔ)承臺不能與大地直接接觸，不能作為天然的接地體，由于防水防腐層僅在樁基上門承臺敷設(shè)，且柱內(nèi)主筋和樁臺板鋼筋、樁內(nèi)主筋焊接。基礎(chǔ)樁的埋深足以滿足接地極的要求。此時也不需要增設(shè)人工接地極。防雷接地利用基礎(chǔ)承臺梁中下部縱向主筋(4根)及承臺梁下管樁(間隔選取)之豎向主鋼筋；基礎(chǔ)地梁中主筋應(yīng)互焊(引上、下處)且縱向搭接處焊接；管樁豎向主鋼筋互焊后采用2根主鋼筋與承臺梁接地極連為一體。

5)采用灰土樁或CFG等非灌注樁時，因?yàn)闃秲?nèi)無鋼筋，無法和基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋焊接成通路，不能將電流泄入大地。如果無防水要求，可與無樁基一樣，利用基礎(chǔ)做天然接地體，如果有地下室且需做防水處理時，需在地下0.8 m處破壞防水層，焊接鋼筋或扁鐵引出接人工接地極。

3 結(jié)語

通過以上防雷和接地的分析，呼吁廣大電氣設(shè)計人員在具體項(xiàng)目當(dāng)中應(yīng)結(jié)合周邊建筑考慮防雷設(shè)計(主要是直擊雷防護(hù))，以免造成不必要的浪費(fèi)。在防雷接地中應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的形式，不要千篇一律的采用一種接地形式，在基礎(chǔ)地梁或承臺中盲目焊接水平鋼筋也是一種浪費(fèi)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況和結(jié)構(gòu)形式采用合適的經(jīng)濟(jì)的接地方式。

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

[2] 任元會，卞鎧生，姚家祎.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京:中國電力出版社,2016.

Research of high-rise building lightning protection and grounding

Yang Chunxia

(TaiyuanUrbanPlanningandDesignResearchInstitute,Taiyuan030002,China)

The surrounding buildings should be considered, when calculating the lightning protection of high-rise buildings by rolling ball method. If they can be protected, there is no need to do duplication lightning protection measures. Lightning proof grounding should combine with specific structure of foundation forms. It should make full use of building features, and avoid of following the same pattern of the books.

direct lightning flash, rolling ball method, earth, foundation form

1009-6825(2017)21-0108-02

2017-05-17

楊春霞(1984- )，女，工程師

TU976.55

A