陳 飛

(中冶南方工程技術(shù)有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展,國內(nèi)建筑行業(yè)有突飛猛進(jìn)的變化,各種新技術(shù)、新材料得到積極推廣應(yīng)用,尤其是在各種工業(yè)廠房、倉庫、火車站、體育場等建筑工程中,屋面廣泛采用重量輕、承載力大、布局靈活、施工方便、跨度大等特點的彩鋼夾芯板和金屬壓型板。這類金屬屋面建筑的防雷保護在接閃器設(shè)計等方面與常見的混凝土屋面建筑不同。

本文對小鎮(zhèn)客廳大跨度金屬屋面工程的防雷設(shè)計進(jìn)行分析,以期對類似金屬屋面的防雷設(shè)計提供參考。

1 雷電機理

雷電是大氣中帶電云塊或帶電云層與地面之間發(fā)生的一種劇烈自然放電現(xiàn)象。雷電是雷云引起的,是帶電的云層;雷云能使地面物體感應(yīng)出與之相仿的電荷,當(dāng)累計的電壓達(dá)到一定數(shù)值時,地面上的物體尤其是高聳突出物會出現(xiàn)明顯的尖端放電,少數(shù)的帶電云離子向地面靠攏,使地面與云層間形成間隔階躍的電離導(dǎo)通,同時形成雷電荷的電離通道,該過程被稱為“先驅(qū)放電”;隨著雷云與大地間聚集電荷的增多,達(dá)到地面的距離為“擊距”時,開始進(jìn)入“主放電”階段,期間發(fā)生猛烈的電荷中和與能量釋放,并會出現(xiàn)強烈的閃電和轟鳴,被雷擊中處也會產(chǎn)生峰值電壓非常高的大電流,其幅值可達(dá)幾十乃至數(shù)百千安培;隨后進(jìn)入雷電流迅速下降的“余光階段”。

雷電對地面物體尤其是建筑物會造成較大的損害,因此防雷保護成為對各種建筑物保護的應(yīng)有之策。

2 防雷保護系統(tǒng)

防雷保護系統(tǒng)通過采取相應(yīng)的保護措施,使得可能危害建筑物的雷擊電流被先導(dǎo)接入,并通過可靠的引下和接地裝置迅速放散雷電流,從而使保護范圍內(nèi)的建筑物免遭雷擊破壞。

通常建筑物的防雷保護裝置由接閃器、引下線、接地裝置3部分組成。當(dāng)有雷電發(fā)生并有雷擊中建筑物防雷接閃器上時,接閃器先導(dǎo)接入雷電流,并通過引下線將其引入系統(tǒng)的接地裝置,然后流散到大地中。

3 金屬屋面的防雷設(shè)計

3.1 接閃器

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[1]第5.2.7條及JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[2]第11.6.5條對采用金屬屋面作接閃器的情況提出要求(第一類防雷建筑除外):對于利用彩鋼板、銅板、鋁板等做屋面的建筑物,當(dāng)符合下列要求時,宜利用其屋面作為接閃器。

(1) 金屬板之間具有持久的電氣貫通連接。

(2) 當(dāng)金屬板下無易燃物品時,鉛板厚度不應(yīng)小于2 mm,不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦和銅板厚度不應(yīng)小于0.5 mm,鋁板厚度不應(yīng)小于0.65 mm,鋅板厚度不應(yīng)小于0.7 mm。

(3) 當(dāng)金屬板有易燃物品時,不銹鋼、熱鍍鋅鋼、鈦板厚度不應(yīng)小于4 mm,銅板厚度不應(yīng)小于5 mm,鋁板厚度不應(yīng)小于7 mm。

(4) 金屬板應(yīng)無絕緣被覆蓋。

在設(shè)置有金屬屋面的防雷設(shè)計中,經(jīng)常利用建筑物的金屬屋面板作為接閃器的情況:

(1) 對于屋面下沒有易燃物的金屬屋面建筑物(如常見的丁戊類廠房倉庫),只要熱鍍鋅鋼板的厚度≥0.5 mm,就直接可以把金屬屋面作為接閃器,利用混凝土柱子主筋或鋼柱作為引下線就能滿足要求。

(2) 對于屋面下有可燃物的金屬屋面建筑物(如丙類廠房倉庫),按照規(guī)范GB 50057—2010(利用金屬屋面作為接閃器,鍍鋅鋼板的厚度不應(yīng)小于4 mm),實際施工選材中土建專業(yè)經(jīng)常采用0.5～0.6 mm 壓型鋼板作為金屬屋面,顯然不能滿足厚度不應(yīng)小于4 mm的規(guī)定。根據(jù)GB 50057—2010,可以采用非易燃物保溫層的雙金屬板做成的復(fù)合屋面板,上層金屬板采用厚度0.5 mm的熱鍍鋅鋼板就能保證安全。

因雷擊只可能將上層金屬板熔化穿孔,不會擊到下層金屬板,且上層金屬板的熔化物受夾層和下層金屬板的阻擋,不會滴落到下層金屬板上,因此這種防雷做法安全、可行。在實際施工圖設(shè)計中,建筑電氣專業(yè)在防雷設(shè)計中還會碰到選擇夾層物質(zhì)的問題[3-4]。金屬復(fù)合板采用的夾層物質(zhì)特點如表1所示。

表1 金屬復(fù)合板采用的夾層物質(zhì)特點

根據(jù)表1,建議土建專業(yè)采用防火巖棉和玻璃絲棉作為保溫層(保溫芯材所用粘膠劑也是阻燃型)。

3.2 引下線

建筑物金屬屋面接閃器感應(yīng)大量電荷和電流,需要及時有效泄放,而引下線的作用就是將接閃器中截獲的雷電流引入接地裝置中進(jìn)行泄放,要根據(jù)GB 50057—2010 第5.2.3～5.2.6條規(guī)定設(shè)置:通常利用建筑物鋼柱、鋼筋混凝土柱子或剪力墻拐角內(nèi)2根φ16 mm以上主筋通長(綁扎、螺絲、對焊或搭焊)作為防雷引下線(外墻上作為引下線的鋼筋盡量靠外墻選取),引下線上端與接閃器焊接,下端與建筑物基礎(chǔ)底梁及基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層鋼筋內(nèi)的2根主筋焊接。

3.3 接地裝置

用于承接引下線雷電流并將其泄放入大地的裝置(如接地線和接地體)稱為接地裝置。接地體分為自然接地體和人工接地體。自然接地體是指建筑物的鋼結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)底梁鋼筋網(wǎng),如建筑物基礎(chǔ)底梁及基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層鋼筋內(nèi)的2根主筋通長(綁扎、焊接)形成的基礎(chǔ)接地網(wǎng)。

當(dāng)金屬屋面建筑物中以鋼筋混凝土作為地基時,需要利用基礎(chǔ)樁和水平圈梁作為接地體;若是獨立樁基時,應(yīng)采用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼將樁基鋼筋連接在一起做周圈式接地帶,接地環(huán)周較大時還應(yīng)加敷均壓接地網(wǎng),網(wǎng)格尺寸不大于其相應(yīng)設(shè)防等級的避雷網(wǎng)格尺寸,以減小接觸電壓和跨步電壓。

若建筑物沒有用來做接地裝置的設(shè)施時,應(yīng)在建筑物四周設(shè)置人工接地裝置,通常人工接地極的間距為其長度的2倍,埋設(shè)深度≥0.8 m,這樣降阻效果好,并進(jìn)行總等電位聯(lián)結(jié),易達(dá)到需要的接地電阻值要求。在室外合適位置應(yīng)預(yù)留接地連接板,當(dāng)接地電阻值達(dá)不到要求時,可方便地連接人工接地體和測試接地電阻值。其做法可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)圖集14D504《接地裝置安裝》。

4 實際設(shè)計案例分析

浙江省某特色小鎮(zhèn)中心位置為小鎮(zhèn)客廳,總建筑面積為16 122 m2,局部為地下1層,地上2層,建筑總高度為23.78 m。-1F為車庫及設(shè)備輔助用房;1F為接待中心、展廳、藝術(shù)品銷售、產(chǎn)品體驗中心、多功能廳等;2F為咖啡廳、水晶主題樂園、水晶工作坊等。該建筑屬于多層公共建筑。

根據(jù)當(dāng)?shù)乩妆┤?計算該建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)為0.11次/a。該項目屬于人員密集場所,根據(jù)規(guī)范定為第二類防雷建筑?？紤]晶體造型和幕墻裝修要求,土建所選的金屬屋面板材及供貨商提供的材料技術(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)間溝通確定,電氣防雷設(shè)計如下:

(1) 金屬屋瓦作接閃器。在結(jié)構(gòu)檁條(檁距2 m)上鋪設(shè)φ1.5 mm不銹鋼絲網(wǎng)一層和150 mm厚(帶隔汽保溫層)玻璃棉保溫層;采用0.8 mm厚V125壓型鋼板(氟碳漆)和1.5 mm厚鍍鋅鋼板(與壓型板拉鉚釘連接)作底板;干鋪4 mm厚SBS改性瀝青防水卷材;外層鋪裝0.7 mm厚鎖扣式鱗片狀亞光鍍鋅金屬屋面板,形成電氣貫通。

(2) 引下線。利用建筑物的鋼柱及結(jié)構(gòu)柱內(nèi)對角主鋼筋(大于φ16 mm)作為防雷引下線,引下線間距≤18 m,上與金屬屋頂接閃網(wǎng)焊接,下與接地裝置連接,距室外地面上0.5m處設(shè)測試板。作為引下線的鋼柱子為避免可能引發(fā)的接觸電壓的危險,應(yīng)在鋼柱上涂上絕緣防腐漆層或用裝飾板包起來。

(3) 接地裝置。利用建筑物基礎(chǔ)做接地裝置,將基礎(chǔ)底板上下兩層主筋沿建筑物外圈焊接成環(huán)形,并將主軸線上的基礎(chǔ)梁及結(jié)構(gòu)底板上下兩層主筋相互焊接成網(wǎng)狀接地體,網(wǎng)格尺寸不大于設(shè)防等級的避雷網(wǎng)尺寸,并采取總等電位聯(lián)結(jié)。該項目建筑物基礎(chǔ)接地電阻已達(dá)到要求,故沒有增設(shè)人工接地體,可保證小鎮(zhèn)客廳的防雷安全。

設(shè)計效果圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計效果圖

5 結(jié) 語

金屬板屋面作接閃器不同于常規(guī)建筑物的防雷設(shè)計,接閃器的正確恰當(dāng)設(shè)置是確保建筑物防雷安全的重要環(huán)節(jié),因此應(yīng)更加關(guān)注防雷安全的設(shè)計和應(yīng)用。