王林健
(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510010)
本次探究的主城堡是該主題樂園標(biāo)志性建筑物,入口城堡為該主題樂園的標(biāo)志性建筑物,同時(shí)兼顧主題樂園主入口、游客服務(wù)及重要交通樞紐的功能。項(xiàng)目為多層公共建筑。地上三層,局部四層。一層、二層為商業(yè)和主題樂園出入口通道,三層為演藝廳,局部四層為塔樓;地下為兩層車庫(kù)。
本次探究項(xiàng)目所在地每年都有雷電活動(dòng)發(fā)生,閃電密度較大、強(qiáng)度較高,大風(fēng)、暴雨等天氣現(xiàn)象也出現(xiàn)頻繁,這些災(zāi)害性天氣可導(dǎo)致建筑物和設(shè)備損壞,道路積水而影響交通和人員通行,供配電系統(tǒng)、通迅系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中斷,還可能造成項(xiàng)目中的建構(gòu)筑物游樂設(shè)施運(yùn)行中斷,甚至對(duì)在游樂設(shè)施上的游客帶來(lái)輕微電擊等傷害,威脅游客人身安全。鑒于論證項(xiàng)目包括了室外部分、室內(nèi)游玩區(qū)、排隊(duì)等候區(qū)等,尤其是室內(nèi)設(shè)備屬于特種設(shè)備,受雷電的影響非常大。
項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到設(shè)備硬件的高規(guī)格高標(biāo)準(zhǔn),使其成為世界上科技含量最高、多維互動(dòng)游樂設(shè)施最多的樂園;雖然建筑物的金屬框架結(jié)構(gòu)形成了籠式防雷系統(tǒng)主體,使得建筑物內(nèi)人員和設(shè)施免遭直接雷擊;但是這些游樂設(shè)施主要由金屬鋼結(jié)構(gòu)組成,通過(guò)電力或空壓驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備操控;眾所周知,當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí),雷電流將通過(guò)建筑物內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)和接地體泄入大地,在這一暫態(tài)過(guò)程中,建筑物內(nèi)將產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng),通過(guò)感應(yīng)和輻射對(duì)人員和電子電氣系統(tǒng)造成危害;在雷擊暫態(tài)過(guò)程中,無(wú)論是大型游樂設(shè)施誤動(dòng)作,供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中斷,還是人員在其中有“觸電感”,或是雷擊擊穿電介質(zhì)(空氣、土壤)放電造成火災(zāi)危險(xiǎn),都將引發(fā)恐慌危及公共安全。
為了有效防止雷電接閃泄流過(guò)程可能造成的電壓或電流的暫態(tài)響應(yīng)對(duì)人員的危害,以及對(duì)建(構(gòu))筑物內(nèi)的電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)及游樂設(shè)備的破壞和干擾,根據(jù)項(xiàng)目雷擊可能造成的危害,探究?jī)?nèi)容主要圍繞以下三個(gè)方面:
①項(xiàng)目區(qū)域可能存在的人員傷害風(fēng)險(xiǎn)(室內(nèi)和室外);
②雷擊接閃過(guò)程中,在項(xiàng)目周圍及各敏感位置,產(chǎn)生的暫態(tài)電磁場(chǎng)分布,各種判別物理量的建模計(jì)算,分析可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害;
③雷擊接閃過(guò)程產(chǎn)生的超過(guò)介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)額定值可能引起的火災(zāi)危害。
選取距離項(xiàng)目點(diǎn)最近的地面氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)資料,統(tǒng)計(jì)1981~2010年雷暴日數(shù)據(jù),可得知項(xiàng)目所在地30年年平均雷暴日為45.7d/年,屬于多雷區(qū)。根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙、地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)情況,為得到精確的檢測(cè)數(shù)據(jù),使用數(shù)字接地電阻測(cè)量?jī)x(KD2571BV型),對(duì)區(qū)域內(nèi)的西南、西北和北部三個(gè)方位進(jìn)行了土壤電阻率的測(cè)量并加以分析,最后得出了表1的檢測(cè)值(檢測(cè)值中季節(jié)修正系數(shù)為1.5)。為減少計(jì)算量,土壤模型取均勻土壤,阻值選用3個(gè)土地模型的平均值90Ω·m。
2.4.1 防雷類別判定
本次評(píng)估項(xiàng)目根據(jù)建筑物的重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和可能造成的后果,按防雷要求分為一、二、三類。
表1 各點(diǎn)土壤電阻率測(cè)量值(Ω·m)
式中:K——校正系數(shù),本評(píng)估項(xiàng)目?jī)?nèi)周邊均無(wú)特殊建筑物,但臨近水系,取1.5。
Ng——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/(km2·a)]。一年中項(xiàng)目所在地某一面積內(nèi)的閃電次數(shù),取2008~2017年地閃密度最大值2.55次/(km2·a)。
Ae——建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2)。根據(jù)GB50057-2010和項(xiàng)目方提供的初步設(shè)計(jì)說(shuō)明,主城堡有突出主體結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)筑物,不建議使用GB50057中等效面積計(jì)算的一般公式。因此,本報(bào)告的計(jì)算采用CAD偏移功能,在各建筑物的平面圖上,以D為單位按圓弧進(jìn)行偏移,最后得出各建筑物的等效面積。
得 Ae=0.191130m2,N1=0.731072(次/年)。
根據(jù)GB50057-2010中3.0.3條規(guī)定中的第9款:“預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.05次/a的部、省級(jí)辦公建筑物和其他重要或人員密集的公共建筑物以及火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所”,主城堡應(yīng)劃為第二類防雷建筑物。
(1)建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N1)
根據(jù)第2.4.1節(jié)計(jì)算結(jié)果,N1=0.731072(次/a)。
(2)入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N2)
式中:A′e1——電源線纜入戶設(shè)施的截收面積(km2),2×1000×92×10-6=0.184000;
A′e2——信號(hào)線纜入戶設(shè)施的截收面積(km2),2×1000×92×10-6=0.184000;
N2=0.368000(次/a)。
(3)建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N)N=N1+N2=1.099072(次/a)
(4)可接受的最大年平均雷擊次數(shù)(NC)
因直擊雷和雷電電磁脈沖引起電子信息系統(tǒng)設(shè)備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NC按下式確定:
NC=5.8×10-1.0/C
式中:C——各類因子,C=C1+C2+C3+C4+C5+C6。
C1——電氣電子信息系統(tǒng)所在建筑物材料結(jié)構(gòu)因子,取1.0。
C2——電氣電子信息系統(tǒng)重要程度因子,該值取3.0。
C3——電子信息系統(tǒng)設(shè)備耐沖擊類型和抗沖擊過(guò)電壓能力因子,該值取1.0。
C4——電子信息系統(tǒng)設(shè)備所在雷電防護(hù)區(qū)(LPZ)的因子,該值取1.0。
C5——為電子信息系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子,該值取2.0。
C6——表示區(qū)域雷暴等級(jí)因子,該值取1.2。
NC=5.8×10-1.0/C=5.8×10-1.0/(1.0+3.0+1.0+1.0+2+1.2)=0.06304(次/a)。
(5)攔截效率及信息系統(tǒng)分級(jí)
按照公式E=1-Nc/N計(jì)算防雷裝置的攔截效率E。
E=1-0.06304/1.099072≈0.94,0.90<E<0.98。
在接閃、引下、接地、等電位措施按照規(guī)范設(shè)計(jì)施工的情況下,主城堡內(nèi)的電氣電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)屬于B級(jí)。
(1)電勢(shì)控制:從設(shè)計(jì)角度,控制電勢(shì)可以增加引下線根數(shù),擴(kuò)大分流系數(shù):在施工過(guò)程中,盡可能做小接地電阻,順導(dǎo)雷電流;比如:在自控飛機(jī)最高導(dǎo)體連接第二層頂層平面處,使用圓鋼或扁鋼將所有立柱連接成一個(gè)整體。
(2)做好絕緣措施:在做好電勢(shì)控制,隔離危險(xiǎn)區(qū)的同時(shí),考慮到人體接觸點(diǎn)不同,可以細(xì)分防御接觸電壓和跨步電壓的措施。由于接觸電壓是用手接觸,在預(yù)防措施上,讓人體的手摸不到,在距地面2.7m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣材料隔離,或用至少3mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。在防跨步電壓方面:主要是做好均衡電位,使兩腳的電位基本相等。使引下線3m范圍內(nèi)地表層的電阻率不小于50kΩ·m,或敷設(shè)5cm瀝青層或15cm厚卵石層。
(3)對(duì)于安裝有精密設(shè)備的位置,采取二次屏蔽。在布設(shè)各類電子、電氣設(shè)備和游樂設(shè)施時(shí),要合理選擇位置,避免雷擊時(shí)電磁場(chǎng)超過(guò)安全值,必要時(shí)可通過(guò)建立更多的屏蔽分區(qū)來(lái)降低其風(fēng)險(xiǎn)。
(4)公共區(qū)域安全:項(xiàng)目室外公共區(qū)域人員活動(dòng)頻繁,存在一定的跨步電壓和接觸電壓風(fēng)險(xiǎn)。具體防范措施如下:
①合理設(shè)置警告牌,提醒游人加強(qiáng)自我防范;
②增設(shè)雷電避險(xiǎn)場(chǎng)所標(biāo)志,加強(qiáng)雷電預(yù)警,提醒游客在雷雨來(lái)臨前,立即停止戶外活動(dòng),及時(shí)躲入最近的避險(xiǎn)場(chǎng)所;
③利用公共區(qū)域的路燈桿作為接閃裝置,并做好接地;
④建議人行道鋪設(shè)絕緣材料,步行區(qū)域、維護(hù)通道、操動(dòng)機(jī)構(gòu)四周等區(qū)域,可鋪設(shè)5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層等高阻材料,或在局部增設(shè)1~2m網(wǎng)孔的水平均壓帶,降低大地表面電位梯度。
(5)本項(xiàng)目除了按照第二類防雷建筑物設(shè)防外,由于其外包裝構(gòu)造眾多且復(fù)雜,為防止直擊雷擊擊壞建筑物外表面造成脫落,建筑屋面層施工時(shí)預(yù)留接閃帶明敷壓接在女兒墻面等外表面,并且預(yù)留外包裝接地端子。建筑外表面構(gòu)件安裝時(shí)底部金屬必須與預(yù)留的接地裝置做金屬壓接。