仿古建筑物防雷設計及施工

摘要：在建筑施工現(xiàn)場，建設單位和施工單位都十分重視的安全問題，主要是針對高空墜落、高空墜物、塔吊、提升機、臨時用電等方面。而建筑施工現(xiàn)場防雷擊是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)。本文就環(huán)翠樓改造工程簡單介紹如何安裝防雷擊裝置做好防雷擊工作，減少雷擊帶來的損害。另外建筑物由金屬材料作為屋面的建筑物，由于其屋面板具有與避雷網(wǎng)同等的接閃效果，故其防雷設計在接閃等方面與一般混凝土屋面的建筑物有所不同，針對金屬屋面的特殊性來探討其防雷設計。關鍵詞：防雷擊；接閃器；建筑施工；金屬屋面;降阻劑；1概述雷是一種大氣放電現(xiàn)象。如果雷云較低，周圍又沒有帶異性電荷的雷云，就會在地面凸出物上感應出異性電荷，兩者空隙間產(chǎn)生了巨大電場，當電場達到一定強度，空隙間的空氣劇烈游離，造成雷云與地面凸出物之間放電，這就是通常所說的雷擊。雷擊可產(chǎn)生數(shù)百萬伏的沖擊電壓，數(shù)十萬安培的沖擊電流，且放電時間極短。能對施工現(xiàn)場的建筑物或者構(gòu)筑物、建筑材料、機械設備、電氣和腳手架等造成損壞及人身造成嚴重的傷害，同時也會對建筑物本身造成毀壞。威海市屬雷擊高發(fā)區(qū)，尤其是沿海山區(qū)，如果麻痹大意，往往會造成施工中不必要的損失和事故。另外我們所做的工程建筑物主體采用銅裝飾，這類金屬屋面建筑物的防雷工程設計在接閃等方面與一般混凝土屋面的建筑物有所不同。我們對環(huán)翠樓工程的整個施工過程進行了風險分析和風險評估，提出了兩個問題：問題一：鋼結(jié)構(gòu)在裸露的山頂施工遇到雷雨天有遭雷擊的風險；問題二：主樓整體采用銅裝飾且建筑基礎為風化巖聯(lián)合接地阻值有達不到設計值≤1Ω的風險；針對上述兩項問題，我們在理論上進行了分析論證：原有的施工方法存在隱患，必須編排新的施工方案，研究新的施工做法，才能從根本上消除隱患。具體闡述如下：2施工現(xiàn)場防雷擊2.1防雷擊裝置施工現(xiàn)場的防雷擊裝置一般由接閃器（避雷針），接地線和接地體組成。接閃器應安裝在高出建筑物或者構(gòu)筑物的塔吊，外用電梯，物料提升機，鋼腳手架等頂端。接閃器的長度應為1~2m。接地線可用截面積不小于16mm2的鋁導線，截面積不小于12mm2的銅導線，或者直徑不小于8mm的圓鋼，20mm×20mm的扁鋼，也可以利用建筑物或者構(gòu)筑物的金屬結(jié)構(gòu)體，但要確保良好的電氣連接。施工現(xiàn)場一般都選用圓鋼和扁鋼。接地體有放射式和帶式兩種。放射式接地體是采用多根長度1.5m，直徑50mm的鋼管或者50×50mm的角鋼，將其一端垂直打入地下，其頂端離地面不小于50mm，用40×40mm的扁鋼呈放射狀連接。帶式接地體是將多根長度1.5m，直徑50mm的鋼管或者50mm×50mm的角鋼，將其一端垂直打入地下，其頂端離地面不小于50mm，用40mm×40mm的扁鋼呈水平連接。防雷擊裝置的接閃器，接地線和接地體之間的連接必須雙面焊接，焊縫為圓鋼直徑的6倍或者扁鋼厚度的2倍以上。施工現(xiàn)場的防雷擊裝置的沖擊接地電阻值不得大于30Ω；施工現(xiàn)場設有變電所、配電所的，其防雷擊裝置的沖擊接地電阻不得大于10Ω?，F(xiàn)場澆制的或由預制構(gòu)件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋應綁扎或焊接成閉合回路，并應每隔18~24m采用引下線接地一次。防雷擊感應的接地裝置應和電氣設備接地裝置共用，其接地電阻不應大于10Ω。2.2防雷擊部位建筑施工現(xiàn)場主要是防直擊雷。建筑施工現(xiàn)場需要考慮防直擊雷的部位主要是塔式起重機、物料提升機、外用電梯等高大機械設備及鋼腳手架、在建工程金屬機構(gòu)等高架設施；防感應雷的部位則是現(xiàn)場變電所，配電室的進、出線處。在考慮防直擊雷的部位時，首先應考察和通過計算確認，施工現(xiàn)場是否在鄰近建筑物或構(gòu)筑物的防直擊雷裝置的防雷保護范圍以內(nèi)。如果在保護范圍以內(nèi)，則可不另設防直擊雷裝置；如果在保護范圍以外，則應按當?shù)乩纂娀顒右?guī)律綜合確定安裝防雷裝置。在鋼結(jié)構(gòu)施工的過程中，每一根直立起來的鋼柱都是一根接閃器，如果其基礎未作接地連接，那是很危險的（安裝接地圖指標出的引下線只是針對具體的幾個柱子）。特別是在工程施工過程中鋼柱之間未進行結(jié)構(gòu)焊接，如果遭到雷擊其后果嚴重。2.3防雷擊保護范圍防雷保護范圍是指接閃器對直擊雷的保護范圍。接閃器防直擊雷的保護范圍是按“滾球法”確定的。所謂滾球法是指選擇一個其半徑hr（由防雷類別確定）的一個可以滾動的球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物），或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物），而不觸及需要保護的部位時，則該未被觸及部分就得到接閃器的保護。在施工現(xiàn)場年平均雷暴日數(shù)大于15天／年的地區(qū)，設備和金屬架構(gòu)高度為15米及以上時；或年平均雷暴日數(shù)15天／年及以下地區(qū)，設備和金屬架構(gòu)高度為20米及以上時，防雷等級可按第三類防雷類別對待。相應地確定接閃器防雷保護范圍地滾球半徑即為60米。2.4施工現(xiàn)場常用防雷擊措施做好防雷擊工作，認真辨別建筑施工現(xiàn)場是否要安裝防雷擊裝置。千萬不要馬虎從事，尚須指出的是：當施工現(xiàn)場最高機械設備上接閃器的保護范圍能覆蓋其他設備，且又最后退出現(xiàn)場，則其他設備可不設防雷裝置；施工單位要對施工人員進行安全教育，對雷擊的基本常識有一定的了解，特別是跨步電壓；雷雨天氣時，不得進行任何露天作業(yè)；對防雷擊裝置進行定期檢查，對沖擊接地電阻值進行定期檢測，確保在有效值范圍；確保消防設施設備到位并有效；制定防雷擊的安全措施和緊急預案，定期組織演習；辦公，生活區(qū)要與施工區(qū)分開設置，確保施工道路的暢通。2.5環(huán)翠樓建設施工現(xiàn)場防雷擊措施在通常的建筑施工往往安裝與土建是兩個相對獨立的項目，安裝工序的安排沒有考慮到自己的工序安排應對其它工種提供安全保障?，F(xiàn)在應該合理安排工序，修改施工方案，給鋼結(jié)構(gòu)的施工提供安全保障。針對目標要求，工程小組成員總結(jié)以往經(jīng)驗，多方論證，圍繞實現(xiàn)確保鋼結(jié)構(gòu)施工人員不受雷擊的活動目標，提出多種技術更新想法，決定采用在主樓四角增加接地極，引出接地扁鋼與接地網(wǎng)連接，每一根鋼柱根部都要與接地網(wǎng)進行連接。（在阻值達不到要求時，在適當?shù)难a打接地極）圖1主樓四角增加接地極通過比較，最后確定“采用多打接地極引扁鐵與接地網(wǎng)連接”為實施方案，如上圖采用φ50L2500鍍鋅鋼管找腐殖土較厚處向水平或斜下方打接地極6根增大接地面積，引出接地扁鋼與棋盤式接地網(wǎng)連接，使之達到防雷接地阻值≤4Ω。（下圖為接地扁鋼所處的位置）具體實施方案如下：在鋼結(jié)構(gòu)施工前，首先查詢防雷技術標準規(guī)范匯編的各項參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇樁基礎開挖的比較深的、間距不超過20米位置設置接地點，繪制接地點的位置。其次選擇長度2.5m合格鋼管，間距3米成排打6根接地極，要求位置準確，有基礎梁的焊跡要飽滿?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)測試，測試用的電線連接結(jié)實可靠，探棒要插在沒有經(jīng)過開挖的土中（因為回填土的密度過大，不能反映出真實的接地電阻）。如果阻值達不到，就需要向外圍敷設均壓環(huán)增設接地極。直至符合要求。接地點與鋼結(jié)構(gòu)基礎網(wǎng)格連接，焊跡飽滿，搭接倍數(shù)為2倍扁鋼寬度。阻值達到要求后，與鋼結(jié)構(gòu)公司進行工序交接。每月對接地系統(tǒng)進行1次測試，隨時監(jiān)控接地電阻的變化。3金屬屋面的防雷設計隨著科技技術的發(fā)展，各式各樣的現(xiàn)代建筑物如百花爭艷地展現(xiàn)在人們的眼前如玻璃墻體、金屬體包裝等，現(xiàn)在又有許多新型的建筑物采用彩鋼壓型板和彩鋼夾芯板。由于這種建筑材料具有使用靈活、安裝方便、造價低廉、美觀實用等優(yōu)點，因而被廣泛地運用于各類工業(yè)廠房、倉庫、體育場、展覽館等建筑工程的屋面建設中。而這類金屬屋面建筑物的防雷工程設計在接閃等方面與一般混凝土屋面的建筑物有所不同。3.1接閃器《建筑物防雷設計規(guī)范》的第條有專門對金屬屋面作接閃器的情況提出要求：第一類防雷建筑除外；《民用建筑電氣設計規(guī)范》JGJ16-2008第11.6.5條對于利用彩鋼板，銅板，鋁板等做屋面的建筑物，當符合下列要求時，宜利用其屋面作為接閃器：①金屬板之間具有持久的貫通連接；②當金屬板需要防雷擊穿孔時，鋼板厚度不應小于4mm，銅板厚度不應小于5mm，鋁板厚度不應小于7mm；③當金屬板不需要防雷擊穿孔和金屬板下面無易燃物品時，鋼板厚度不應小于0.5mm，銅板厚度不應小于0.5mm，鋁板厚度不應小于0.65mm，鋅板厚度不應小于0.7mm；④金屬板應無絕緣被覆蓋。壓型鋼板是以彩色涂層鋼板或鍍鋅鋼板為基材，經(jīng)輥壓冷彎成型的建筑用圍護板材，其保溫及隔熱層為離心超細玻璃絲棉卷氈。此種板材現(xiàn)場制作，有利于解決大范圍內(nèi)面板搭接易于出現(xiàn)的接縫不嚴的情況，現(xiàn)場復合使整個大面積的屋面成為一個整體，更加堅固、易排水、防漏、保溫，而且建筑外形更加統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、美觀。而夾芯板是將彩色涂層鋼板面板及底板與保溫芯材通過粘接劑（或發(fā)泡）復合而成的保溫復合圍護板材，按保溫芯材的不同可分為硬質(zhì)聚氨脂夾芯板、聚苯乙烯夾芯板、巖棉夾芯板，夾芯板一般為工廠預制。圍護系統(tǒng)連接方式一般為咬合連接或者搭接連接。根據(jù)它的特性滿足金屬板之間具有持久的貫通連接的要求。同時規(guī)范要求接閃器應熱鍍鋅，焊接處應涂防腐漆，在腐蝕性較強的場所，還應加大其截面或采取其他防腐措施。3.2引下線采用彩鋼板做屋面的工程為輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物的主鋼架、次構(gòu)件、圍護系統(tǒng)在施工中已經(jīng)作了可靠的連接，形成了持久的電氣通路。因此，只要設置了可靠的接地裝置，就可以按跨度將鋼柱作為引下線。這一點，《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-94，2000版）第條已經(jīng)作了規(guī)定。當然，規(guī)范對各類防雷建筑物的引下線間距做了要求，不過在土建施工時，只要所有的鋼柱和接閃器、接地裝置做了可靠連接，那么它們都是引下線，實際效果超過了規(guī)范的標準。另外，此條規(guī)定的條文說明指出它適合設斷接卡子的情況，而根據(jù)規(guī)范第4.2.4條，當利用鋼柱做引下線同時采用基礎接地體時是可以不設斷接卡的。鋼柱本身做了防腐處理，含絕緣被覆層，也起到一定的防護作用。另外，此條規(guī)定的條文說明指出它適合設斷接卡子的情況，而根據(jù)規(guī)范第4.2.4條，當利用鋼柱做引下線同時采用基礎接地體時是可以不設斷接卡的。3.3接地裝置在現(xiàn)行設計中，一般將基礎鋼筋作為自然接地體，用40×4的鍍鋅扁鋼將其連通，并施行總等電位聯(lián)結(jié)。這樣進行處理，接地電阻很小，一般容易達到設計要求。在設計中應當注意，應在室外合適位置預留接地連接板，做法可以參考國家標準圖集《接地裝置安裝》(03D501-4)。這樣，當接地電阻值達不到要求時，施工單位可以方便地連接人工接地體和測試接地電阻值，這一點應當在設計圖紙中有所體現(xiàn)。另外，在設計圖紙中，不能泛泛而談“利用建筑物基礎鋼筋做自然接地體”。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物在基礎施工時需預埋地腳螺栓，加墊片后才能和鋼柱相連。須知：預埋的接地螺栓本身和基礎鋼筋是沒有電氣連接的。所以土建施工時可用不小于φ10鋼筋或圓鋼將基礎鋼筋和接地螺栓可靠焊接，具體做法參見國家標準圖集《利用建筑物金屬體做防雷及接地裝置安裝》（03D501-3）的17頁。這樣，從接閃器到引下線，再到接地裝置，雷電流才具備完整的泄放通道。這樣做還不夠，還應該用短鋼筋和基礎鋼筋可靠焊接，并引出基礎外，供聯(lián)結(jié)接地環(huán)網(wǎng)，方有利于降低自然接地體的接地電阻值和實施有效的等電位聯(lián)結(jié)。這一點對于設置獨立基礎的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑尤其重要，所以有必要在設計圖紙中交待清楚。如果忽視了輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物接地裝置的特殊性，即基礎鋼筋和接地螺栓本身并沒有電氣連接這一事實，造成的后果則是整個建筑物沒有可靠的接地網(wǎng)。采取的補救措施是用40X4的鍍鋅扁鋼做等電位環(huán)網(wǎng)，鍍鋅扁鋼過鋼柱時應和柱底腳板下側(cè)可靠焊接，這樣，鍍鋅扁鋼充當了接地極和接地線的雙重角色。等電位接地環(huán)網(wǎng)沿建筑物外圍敷設一周，這樣的接地環(huán)尺寸較大，室內(nèi)地電位分布可能陡峭，還應該加敷均壓接地網(wǎng)。以此來減小接觸電壓和跨步電壓。3.4環(huán)翠樓樓體防雷設計新建環(huán)翠樓工程“主樓整體采用銅裝飾且建筑基礎為風化巖聯(lián)合接地阻值有達不到設計值≤1Ω的風險”，聯(lián)合接地的電阻達到設計值必須≤1Ω。本工程銅材的厚度實測均大于2.5mm，銅裝飾下無可然材料。其難點在于保證暗敷于銅裝飾下的扁鐵與接閃的銅構(gòu)之間的焊接飽滿，搭接倍數(shù)符合要求，連接隱蔽美觀。避雷系統(tǒng)與銅裝飾的配合施工我們以前沒做過，上?！皷|方明珠”遭雷擊燒毀避雷器，又使我們對半導體避雷器的使用，不敢信任。為保證避雷效果，決定采用“換土保守方式”，雖然工程量大，只要土建回填時，采用腐殖土，達到設計值是有保障的。但在施工過程中，決定熱熔焊接進行扁鋼與銅件的焊接，采用哪種焊接方式是解決的關鍵問題。最后我們經(jīng)過現(xiàn)場試驗比對決定采用氬弧焊對扁鋼與銅件的焊接。其優(yōu)點在于①在于銅結(jié)構(gòu)焊接過程中對銅結(jié)構(gòu)造成的變形小。②施工方便。③焊跡飽滿可靠。④產(chǎn)生的明火小，利于防火。施工過程中，首先繪制需要焊接的暗敷避雷帶。根據(jù)圖紙設計明敷避雷帶的位置，把-40×4鍍鋅扁鋼暗敷于銅瓦下；屋面挑檐在混凝土內(nèi)和銅瓦下都暗敷扁鋼構(gòu)成雙層保障，主樓寶塔與四根-40×4接地扁鋼可靠焊接，寶頂與鋼構(gòu)可靠焊接。在可靠焊接的同時，還要求材料的厚度不能小于2mm。其次對于暗敷避雷帶的焊接，要求焊跡飽滿，搭接倍數(shù)2倍扁鋼寬度，要與鋼結(jié)構(gòu)柱焊接在一起。要求銅結(jié)構(gòu)之間、銅結(jié)構(gòu)與暗敷避雷帶的焊接合格，根據(jù)技術交底精確定位，對于易遭受雷擊部位銅與銅、銅與鐵之間進行可靠焊接。在實施過程中要進行準確測量，從屋頂引出測試點進行檢測，保證焊接貫通性。4結(jié)束語經(jīng)過1年多的工程項目實施活動，完成了防雷設計的課題，通過現(xiàn)場檢查和監(jiān)控，“仿古建筑防雷做法”達到了預期的目標，確保了鋼結(jié)構(gòu)施工人員不受雷擊。項目部對工程