高層建筑防側(cè)擊雷技術(shù)探討

陳超 鐘鳴峻 譚永池

肇慶市氣象局 廣東 肇慶 526000

1 雷擊與滾球法模型

高層建筑是現(xiàn)代建筑的主要發(fā)展趨勢，由于層數(shù)較高，體積較大，更容易遭受雷擊，常見的高層建筑雷擊有兩種形式，一種是建筑物天面直接遭受雷擊，這種叫作直擊雷，一種是從建筑物側(cè)面遭受雷擊，被稱為側(cè)擊雷。滾球法是根據(jù)雷電的閃擊距離來對雷擊的部位進(jìn)行定位的一種方法，可以用來確定防護裝置包括避雷針以及避雷網(wǎng)的安裝位置。當(dāng)雷電先導(dǎo)到閃擊位置之前，并不知道閃擊位置，但是可以基本確定雷電產(chǎn)生影響的范圍。建筑物上的接閃器會形成若干上行先導(dǎo)，然后在最容易擊穿的路徑上放電，雷電閃擊的距離和先導(dǎo)頭部的電荷量之間有一定關(guān)系，雷電的先導(dǎo)頭部電荷量是星辰放電電流的主要決定因素，通常來講，雷電閃擊的距離與雷電幅值之間的關(guān)系可以使用下面的公式表示：

（其中R 為雷電閃擊時的距離，單位為米，I是雷電電流值，單位為A）：

滾球法的實質(zhì)就是設(shè)置一個半徑為h的滾球，讓該球沿著可能遭受到雷擊的部位進(jìn)行滾動，當(dāng)球體在滾動的過程中接觸到閃接器或者是與閃接器具有同等功能的金屬物，或者是只接觸閃接器或者是地面，但是在此過程中，建筑物所需要保護的部位并沒有與滾球進(jìn)行接觸，就能獲得較好的保護效果，如圖1所示在建筑物中的D、C、A三處設(shè)置有接閃器保護裝置，通過接閃器的單獨布置或者組合布置就能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物防來自于側(cè)面的雷擊[1]。

圖1 滾球法確定建筑易受雷擊部位

2 高層建筑防雷擊措施

2.1 外墻裝飾防雷擊措施

（1）保溫外墻。建筑外墻是防止雷電側(cè)擊的重要部分，根據(jù)上述原理可知，在建筑外墻設(shè)計過程中應(yīng)該要注意兩點：第一，要對《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行了解，對于高層建筑而言，從30m起，在間隔不大于6m的位置，應(yīng)該要沿著建筑物的四周裝設(shè)水平接閃器，并且要采用可靠的連接方式與引下線進(jìn)行連接。由于高層建筑的層數(shù)很高，所以在30m及以上部分的外墻欄桿、門窗以及金屬物件的設(shè)計過程中，要盡量與防雷裝置連接起來。為了提高抗雷擊水平，每隔六米要設(shè)置一個均壓環(huán)，均壓環(huán)可以利用房屋圈梁內(nèi)的兩條主筋焊接而成，注意要形成閉合圈，而且閉合圈要與引下線進(jìn)行連接。水平接閃器要和同一個高度內(nèi)的均壓環(huán)進(jìn)行連接，對于設(shè)置了外墻保溫設(shè)施的高層建筑，尤其是沒有窗戶的整體保溫墻面，應(yīng)該要盡量減小水平接閃器與均壓環(huán)之間的平行距離。由此可見，在對均壓環(huán)進(jìn)行設(shè)置的時候應(yīng)該要盡量接近墻面位置。

圖2 高層建筑防側(cè)擊雷方法

（2）玻璃外墻裝飾。由于很多新型建筑技術(shù)的應(yīng)用，使得建筑物類型越來越豐富，比如有的建筑物外墻采用部分或者全玻璃裝飾，這類建筑物的防雷措施應(yīng)該重點在玻璃幕墻的金屬構(gòu)架上。由于建筑物的外墻為大面積玻璃幕墻，為了保證玻璃的安全性，金屬構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在安裝金屬構(gòu)件的時候，構(gòu)架與構(gòu)架之間必須要設(shè)置金屬片跨接，才能形成更好的電氣連接效果，使得整個外墻的金屬構(gòu)架形成一個完整的、統(tǒng)一的、相互導(dǎo)通的電氣整體。對于這類建筑墻面，可以將防雷設(shè)施的預(yù)埋件和玻璃幕墻上的金屬構(gòu)架連接起來，確保兩者之間有良好的接觸面和足夠多的螺栓固定點，螺栓固定點不能少于2個。在建筑物主體工程施工過程中必須要確保預(yù)埋件與均壓環(huán)焊接牢固，防止脫落，焊接的長度要符合防雷規(guī)范要求，并且與引下線進(jìn)行連接。對金屬構(gòu)架的預(yù)埋件進(jìn)行連接的時候必須要對絕緣層進(jìn)行處理，使用金屬墊片對螺栓進(jìn)行固定。

（3）金屬外墻裝飾。復(fù)合鋁板是一種新型建筑外墻材料，質(zhì)量低，防水、保溫效果較好，如果建筑物的外墻采用復(fù)合鋁板，其防雷設(shè)計重點在支架上，因為鋁板的支架都是金屬結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行支架安裝的時候要確保金屬支架形成一個統(tǒng)一的整體，然后通過每一層的外墻面的預(yù)埋件和均壓環(huán)以及引下線焊接起來，形成良好的電氣導(dǎo)通路徑，當(dāng)發(fā)生側(cè)擊雷的時候，雷電流可以從墻面被擊中的部位通過引下線導(dǎo)入到大地，減小對墻面的損壞。

（4）非金屬外墻裝飾。當(dāng)前很多建筑物采用瓷磚、涂料等非金屬材質(zhì)進(jìn)行裝飾，這些材料一般很少引起雷擊，最容易遭受側(cè)擊雷損害的部位是陽臺的金屬欄桿、金屬門窗等。因此對于這類裝飾墻面，主要是對金屬部分進(jìn)行處理，可以參照金屬門窗防雷措施進(jìn)行設(shè)計。

2.2 高層建筑外墻及附屬設(shè)施防雷擊措施

（1）空調(diào)。對于外墻空調(diào)安裝部分的防雷擊措施，一種思路是當(dāng)高層建筑物外墻空調(diào)安裝時，要事先設(shè)計對空調(diào)室外機做好接地螺栓對設(shè)計，必須使用專門的接地螺栓，對室外機進(jìn)行安裝連接，使得在建筑外墻上設(shè)置的空調(diào)支架和室外機連接起來。另一種防護的方法是讓鋼筋混凝土平臺中的防雷接地系統(tǒng)與室外機連接起來，并不是只利用室外機外殼固定孔進(jìn)行連接固定。在空調(diào)安裝平臺的設(shè)計過程中要對接地螺栓進(jìn)行實事先設(shè)計，根據(jù)實際情況確定螺栓的位置；最后是高層建筑空調(diào)安裝施工中，必須要對安裝工藝進(jìn)行規(guī)范，最好有具體的施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核監(jiān)督。

（2）金屬門窗與合金防護窗。金屬門窗、金屬衣架等都是很容易遭受雷電側(cè)擊危害的部位，對于這些設(shè)施，必須要連接到建筑物主體的防雷系統(tǒng)內(nèi)的均壓環(huán)，進(jìn)行等電位處理，以達(dá)到防側(cè)擊雷的效果。對建筑物主體的金屬部位的防護思路，具體為下列做法：在建筑主體施工時就在外墻金屬框窗的位置事先埋好接地埋件，接地埋件的一端要焊接到均壓環(huán)上，同時焊接施工要有嚴(yán)格的要求，必須符合現(xiàn)行的防雷規(guī)范要求。當(dāng)進(jìn)行金屬門窗框架的安裝時，接地埋件的另一端通過鉚釘和金屬門窗框架的鍍鋅扁鋼緊固，并且需要先做好金屬門窗、扁鋼等接觸面部分的絕緣處理，然后再做鉚釘?shù)募庸烫幚恚恳幻嬷辽侔?個以上的鉚釘），接地處理方式為兩點接地，使得金屬門窗成為接閃器，防止雷電側(cè)擊危害。最后要對施工過程進(jìn)行管理，確保連接過程穩(wěn)定、可靠。

（3）塑鋼門窗。塑鋼門窗也是當(dāng)前建筑物中門窗使用的主要材質(zhì)，其成本比金屬低，但是塑鋼門窗本身不具備作為防雷電側(cè)擊的接閃器的條件，因此在對塑鋼門窗進(jìn)行設(shè)計的時候，為了提高防雷效果，要事先做好防止雷電側(cè)擊的接閃器設(shè)置。在建筑外墻中，30m以上的地方和陽角位最接近建筑物的地方可以設(shè)置F線，然后設(shè)計接閃器，將接閃器牢牢固定在高度相同的均壓環(huán)預(yù)埋件上，形成接閃點陣，對雷電側(cè)擊危害進(jìn)行預(yù)防[2]。

3 結(jié)束語

綜述，對高層建筑物進(jìn)行防雷施工，必須要遵循建筑防雷的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對不同的外墻部分做好相應(yīng)的防雷擊措施，布置接閃器、屏蔽、接地等，都需要可靠的防雷措施，保障防雷效果。

[1] 周國軍,梁忠武,尹娟,等.基于GB50057的側(cè)擊雷電流特征分析[J].氣象科技,2017,45(04):761-764.

[2] 趙杰.高層建筑金屬門窗雷電側(cè)擊防護的探討[C].浙江省氣象學(xué)會、江蘇省氣象學(xué)會、上海市氣象學(xué)會.第八屆長三角氣象科技發(fā)展論壇論文集.上海:浙江省氣象學(xué)會、江蘇省氣象學(xué)會、上海市氣象學(xué)會,2011:3.