《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估

張 雷，李麗平，涂慰云，施宗強，應凌云，李 霖

（1.南京信息工程大學，南京 210044；2.福建省南平市氣象局，南平 353000；3.福建省南平市延平區(qū)氣象局，南平 353000；4.福建省南靖縣氣象局，南靖 363600）

《印象大紅袍》是由張藝謀、王潮歌、樊躍共同組成的“印象鐵三角”領銜導演的繼《印象劉三姐》、《印象麗江》、《印象西湖》、《印象海南島》后創(chuàng)作的第五個印象作品，是全世界唯一一個展示中國茶文化的大型山水實景演出，其觀眾席采用全球首創(chuàng)的可360°旋轉的觀眾席，每5min就可完成一周的旋轉，舞臺視覺總長度達12 000km.據有關統計，全球每年大約發(fā)生1.0×1010次雷暴，平均每天發(fā)生8.00×106次，其中對人類危害最大的地閃每秒鐘就有30～100次發(fā)生，因雷電災害具有瞬時性、分散性、廣泛性以及頻繁性，其已經被聯合國列為“最嚴重的十種自然災害之一”［1］.雷電災害風險評估是根據項目所在地雷電活動時空分布特征及其災害特征，結合現場情況進行分析，對雷電可能導致的人員傷亡、財產損失程度與危害范圍等方面的綜合風險計算，從而為項目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別（等級）與防雷措施確定、雷災事故應急方案等提出建設性意見的一種評價方法［2］.本文根據《印象大紅袍》旋轉觀眾席的結構特性、地理位置等因素對其進行了雷電災害風險評估，計算出了《印象大紅袍》旋轉觀眾席因雷擊造成的人員生命損失風險以及經濟損失風險，并有針對性地提出了有助于降低人員生命損失風險及經濟損失風險的指導意見.

1 《印象大紅袍》旋轉觀眾席概況

《印象大紅袍》是福建省武夷山市傾力打造的重點文化旅游項目，觀眾席可360°旋轉，其直徑為46.6m，投影面積為1 705m2，高度為0.18～16m 左右，呈馬蹄形狀，全鋼結構.整個圓臺可承載觀眾2 000人同時旋轉，采用10臺液壓馬達并聯驅動，外緣線速度為0～0.5m／s，并可根據演出需要在任意位置停止旋轉，定位準確.設備電源采用三相五線制，電壓380V，電源采用TN－S系統，由低壓配電間引至機械旋轉觀眾席開關柜.其坐落在武夷山國家旅游度假區(qū)武夷茶博園西南角，崇陽溪東側河岸，背倚風光綺麗的武夷大王峰和九曲溪，從圖1（a）可看出《印象大紅袍》旋轉觀眾席處于水陸交接處，從圖1（b）可看出《印象大紅袍》旋轉觀眾席周邊無高大建筑物，從四周環(huán)境分析可知，《印象大紅袍》旋轉觀眾席所處區(qū)域非?？諘?，且屬于非常孤立建筑物，因此極易遭受雷擊.

2 《印象大紅袍》旋轉觀眾席的防雷裝置設計概況

圖1 《印象大紅袍》旋轉觀眾席周邊環(huán)境及建筑物情況Fig.1 The environment and buildings around the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

《印象大紅袍》旋轉觀眾席為露天觀眾席，按第二類防雷建筑物進行設計，采用避雷針作為接閃器；設備電源采用三相五線制，電壓380V，電源采用TN－S系統，由低壓配電間引至機械旋轉觀眾席開關柜；進出旋轉觀眾席上設備間的弱電信號均采用無線信號；利用建筑物基礎作為接地裝置，防雷接地、保護接地及弱電接地共用一接地體，接地電阻≤1Ω.

3 《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估

3.1 《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估標準的選擇

目前，國際通用的雷電災害風險評估標準有IEC61662、ITU－TK.39以及IEC62305等標準，國內通用的雷電災害風險評估標準有GB50057、GB50343以及GB／T 21714.2等標準，《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估標準選擇采用中華人民共和國氣象行業(yè)標準QX／T 85—2007.

3.2 《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電損害的成因分析

根據GB／T 21714雷電防護等標準對雷電災害損害與損失的分析，筆者認為雷電對《印象大紅袍》旋轉觀眾席的損害成因有以下5種：①直接雷電引起的著火、爆炸、機械效應及化學效應；②直接雷電下的接觸電壓和跨步電壓；③間接雷電下設備上的過電壓；④直接雷電下設備上的過電壓；⑤間接雷電引起的著火、爆炸、機械效應和化學效應［3－5］.

3.3 《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估的參數選定

經分析，人員生命損失和經濟價值損失可能會涉及到《印象大紅袍》旋轉觀眾席，因此本次評估只針對與其相對應的人員生命損失風險R1和經濟價值損失風險R4加以評估.雷電災害風險評估最大的難點是評估模型中各參數的選定［6］，因為每個參數選定的精確度將直接影響到最后的評估結果.表1～3列出了《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電災害風險評估模型中所有涉及的參數，現將其中比較難選定的部分參數選擇過程進行說明.

（1）因該項目與其他建筑物間的弱電信號均通過無線傳輸，即無外接引入信號線，所以本次評估不考慮雷擊該項目信號線路造成的人畜傷害以及建筑物物理損害的風險分量.

（2）觀眾席的高度（H）.觀眾席呈馬蹄形，高度從0.1～16.7m，考慮到觀眾席為露天，遭受雷擊的后果比較嚴重，所以高度取16.7m，詳見表1.

（3）直接雷擊致生物觸電概率（PA）.《印象大紅袍》旋轉觀眾席為全鋼結構，且整個觀眾席鋪設了絕緣材料，但考慮到打雷的天氣通常都有下雨的現象，一旦觀眾席遭受雷擊，人員觸電風險比較高，故PA值取1×10－2，詳見表1.

（4）外部防雷裝置LPS（PB）.按圖紙設計，《印象大紅袍》旋轉觀眾席的直擊雷防護采用三根不等高避雷針，如圖2所示，但經計算發(fā)現當1.8m 的觀眾站在舞臺中央（高度為4.6m）時《印象大紅袍》旋轉觀眾席的避雷針B、C不能對人進行有效的保護，如圖3所示，且避雷針A、B之間的部分弧形舞臺及未在避雷針保護范圍之內［7］，如圖4所示，避雷針A、C之間的部分弧形也未在接閃器保護范圍之內，計算方法同上，故PB取值為2×10－1，詳見表1.

圖2 《印象大紅袍》旋轉觀眾席避雷針位置Fig.2 The location of the lightning rod of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

圖3 《印象大紅袍》旋轉觀眾席避雷針B，C保護范圍示意圖Fig.3 The range of protection diagram of lightning rod B and C of the rotating auditoriumof the Show Impression of Da－Hong－Pao

圖4 《印象大紅袍》旋轉觀眾席避雷針A、B保護范圍示意圖Fig.4 The range of protection diagram of the lightning rod A and B of the rotating auditorium of the show impression of Da－Hong－Pao

（5）根據圖紙及現場勘查，配電房變壓器低壓側以及旋轉觀眾席電源控制柜未見有電源SPD 的設計與安裝，故PSPD取值為1，詳見表2.

表1 《印象大紅袍》旋轉觀眾席的特征參數表Tab.1 The characteristic parameter tableof the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表2 《印象大紅袍》旋轉觀眾席引入電力線路數據特征表Tab.2 The power line data feature table introducing the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表3 《印象大紅袍》旋轉觀眾席內部特征數據表Tab.3 The internal feature data table introducing the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

3.4 雷電災害風險值計算

參數選定后，根據規(guī)范QX／T 85—2007中給定的公式，先后計算出旋轉觀眾席及相關引入設施截收面積（表4）、預計年累計雷擊次數（表5）以及人員生命、經濟損失風險（表6）等值（表4～6中的方程引自本文參考文獻［3］）.

表4 《印象大紅袍》旋轉觀眾席及引入設施截收面積計算結果表Tab.4 The results table of the introducing facilities of intercept area of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表5 《印象大紅袍》旋轉觀眾席年雷擊次數Tab.5 The annual number of lightning strikes of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表6 《印象大紅袍》旋轉觀眾席人員生命、經濟損失風險計算結果表Tab.6 The results table of the loss of human lives and economic losses of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

3.5 雷電災害風險評估結論

QX／T 85—2007附錄G 規(guī)定當雷擊涉及人員生命損失時，風險容許值RT＝10－5，通過以上計算可知，《印象大紅袍》旋轉觀眾席由雷擊造成的人員生命損失風險R1＝4.2×10－5大于規(guī)范規(guī)定風險容許值RT；QX／T 85—2007等相關規(guī)范雖然沒有規(guī)定經濟損失風險的容許值，但通過以上計算可知，《印象大紅袍》旋轉觀眾席由雷擊造成的經濟損失風險R4＝9.53×10－4，相較于R1要高出很多，另外，該項目在燈光、舞臺等演出設備投資巨大，降低經濟損失的風險值將有效提高演出設備的安全性，因此，從雷電災害風險評估的角度認定《印象大紅袍》旋轉觀眾席的雷電防護措施是不完善的，為保證人員安全、減少經濟損失，應全面完善《印象大紅袍》旋轉觀眾席的雷電安全防護措施，進一步降低可承受風險值.

3.6 風險降低措施及分析

通過對表6的分析可知，造成人員生命損失風險過高的主要分量在于RB、RV，二者貢獻的風險分量占人員生命損失風險總量的99%以上，造成經濟損失風險過高的主要分量在于RV，其貢獻的風險分量占經濟損失風險總量的59%以上，因此《印象大紅袍》旋轉觀眾席的雷電防護措施只針對RB、RV這兩個參數進行以下改進：

1）完善消防系統［8］，采取固定的自動滅火裝置和自動報警裝置；

2）因觀眾席設計出口單一，且不可改變，只有完善應急疏散預案，平時加強應急疏散演練，才能降低特殊危害的等級，達到低度恐慌；

3）因《印象大紅袍》旋轉觀眾席的防直擊雷措施不完善，使得LPS（0.2）等級偏低，因此需加強直擊雷防護措施，使LPS 等級達到Ⅱ類［9］；

4）在配電房低壓側安裝第一級SPD，在旋轉觀眾席控制柜安裝第二級SPD，才能有效地減少雷電對電源線路的危害［10］；

5）電源線纜采用有屏蔽層的電纜，并且兩端要可靠接地.

實施上述措施后，下列評估參數發(fā)生了變化：

采取以上整改措施后，有效地將《印象大紅袍》旋轉觀眾席人員生命損失風險R1降低到QX／T 85—2007規(guī)定的容許值以下，并且大大降低了經濟損失風險R4的風險值.

4 對《印象大紅袍》旋轉觀眾席防雷措施的建議

采取本文3.6的改進措施后，從計算結果可以看出，《印象大紅袍》旋轉觀眾席的雷電災害風險降到了容許值以下，但從觀眾及工作人員的安全角度考慮，筆者認為《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電防護還應做好以下幾點：

（1）采取主動防御措施.《印象大紅袍》旋轉觀眾席位于水陸交界處，屬于露天演出場所，人員十分密集，且演出過程中觀眾處于金屬體之上，諸多因素決定了該區(qū)域較其他地區(qū)更易遭受雷擊.為預防和減少雷擊事件的發(fā)生，最好的方式就是在演出場地附近安裝閃電定位儀、大氣電場儀等雷電預警有關的設備并及時的了解時時天氣信息，如果預計演出時會有雷暴發(fā)生，主辦方就不要組織演出.

（2）改善直擊雷防護措施.通過本文的分析可知，現有的接閃裝置不能保護整個觀眾席及觀眾席上的人員，建議采取增加避雷針高度等措施改善《印象大紅袍》旋轉觀眾席的直擊雷防護效果.

（3）當《印象大紅袍》旋轉觀眾席上空電閃雷鳴時，如果觀眾不能及時撤離，應盡量降低重心和減少人體與地面的接觸面積，可蹲下或坐在座位上，雙腳并攏，手放膝上，身向前屈，臨時躲避，如能披上雨衣，防雷效果就更好.

本文針對雷擊《印象大紅袍》旋轉觀眾席的損害成因，根據《印象大紅袍》旋轉觀眾席的結構特性、地理位置等因素對其進行了雷電災害風險評估，計算出了《印象大紅袍》旋轉觀眾席因雷擊造成的人員生命損失風險以及經濟損失風險，并有針對性地提出了有助于降低人員生命損失風險以及經濟損失風險的指導意見，文中還從人員安全角度考慮對《印象大紅袍》旋轉觀眾席雷電防護措施提出來幾點建議.目前國內有許多露天的演出舞臺或觀眾席，本次評估為設計師以后設計這些場所的防雷工程方案時提供了參考價值.

［1］孫蔡亮，宋木泉，康國山.LNG 分輸站雷電風險評估論［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（7）：1－4.

［2］楊仲江，趙景昭.熱電廠雷電災害案例分析與防護對策［J］.災害學，2008，23（2）：80－82.

［3］中國氣象局.QX／T 85—2007雷電災害風險評估技術規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2008.

［4］GB／T 21714—2006.雷電防護［S］.

［5］ITU－TK.39.1996標準通信局站雷電損壞危險的評估［S］.

［6］馬民書.風險論［M］.北京：軍事出版社，2000：10－20.

［7］GB 50057—2010.建筑物防雷設計規(guī)范［S］.

［8］曾慶鋒，王振會.小型加油站雷擊風險評估的災害分析及防護對策［J］.氣象與環(huán)境科學，2010，33（1）：89－93.

［9］張永剛，肖穩(wěn)安，李 虹，等.氣象信息系統雷電防護常見問題的解決方法［J］.氣象與環(huán)境科學，2007，30（2）：83－85.

［10］楊仲江.防雷工程檢測審核與驗收［M］.北京：氣象出版社，2005.