超高層建筑防雷設(shè)計探討

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工程概況本項目位于北京市朝陽區(qū)CBD核心區(qū)域，西側(cè)緊臨東三環(huán)，南側(cè)緊臨景輝街，北側(cè)為光華路；總建筑面積約13.24萬m2，主要作為辦公、商業(yè)用樓。建筑主體高220m，裙房高36m，塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)工程性質(zhì)及《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2012），本建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)0.6818次/a,防雷等級按二類防雷等級設(shè)防；防雷裝置攔截效率E=0.91，建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護等級按B級設(shè)防。2

防雷措施雷電的破壞作用有兩種：一是直接擊在建筑物上產(chǎn)生熱效應(yīng)作用和電動力作用；二是雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)作用、電磁感應(yīng)作用及雷電波侵入作用。對前者的防雷措施稱為建筑物外部防雷；對后者的防雷措施稱為建筑物內(nèi)部防雷。2.1

建筑物外部防雷措施建筑物的外部防雷主要是指防直擊雷和防側(cè)擊雷，保護建筑物本身不遭受雷擊，外部防雷裝置主要由接閃器、引下線和接地裝置組成。2.1.1

接閃器本工程塔冠主要由鋼結(jié)構(gòu)球體和四周幕墻組成（圖1），最高層44層的上半個球體置于室外，最高點為幕墻頂端和球體頂端220m，球體和幕墻之間由室外平臺連接。沿球體龍骨、玻璃幕墻頂端及44層的室外平臺設(shè)置Φ10鍍鋅圓鋼作為防直擊雷的接閃帶、接閃網(wǎng)格，球體避雷網(wǎng)格及屋面的網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m，具體設(shè)計見圖2。在幕墻頂端設(shè)有航空障礙燈，選擇帶有避雷裝置的航空障礙燈并與接閃帶可靠連接。擦窗機導(dǎo)軌與幕墻處接閃帶可靠連接。裙房長62m、寬37m、高36m，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）計算，在36m高度，塔樓的保護半徑為0.91m，裙房不在塔樓保護范圍內(nèi)。因此，需要在裙房四合院的屋頂設(shè)置接閃帶，接閃帶采用沿屋脊明敷的方式。衛(wèi)星天線位于裙房屋頂，自帶避雷針保護。

圖1塔頂剖面圖圖2防雷平面圖2.1.2

防側(cè)擊雷措施及均壓環(huán)鑒于雷電有繞擊的可能性，超高層建筑做好屋頂防直擊雷的同時，還應(yīng)做好建筑物立面的側(cè)擊雷防護。超高層建筑物玻璃幕墻對防雷裝置有屏蔽效應(yīng)，影響防側(cè)擊雷效果，并使雷電直接破壞玻璃幕墻。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》4.4.5條“幕墻的防雷設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）的規(guī)定。幕墻的金屬框架應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的防雷裝置可靠連接，并保持導(dǎo)電通暢?！睘榇?，本工程每兩層沿建筑物外墻設(shè)置均壓環(huán)，與防雷引下線可靠連接，并預(yù)留100×100×5（mm）鍍鋅鋼板，作為玻璃幕墻的防雷接地聯(lián)結(jié)預(yù)留接點。航空障礙燈與最近的均壓環(huán)做電氣聯(lián)結(jié)。當玻璃幕墻遭受雷擊時，將獲得的巨大雷電能量迅速地泄放入大地，起到保護玻璃幕墻免受雷電破壞的作用。2.1.3

引下線本建筑塔樓采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。中部核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從基底一直延伸至最高44層。核心筒外圍有16根鋼管混凝土柱，從基底直徑1.8m逐漸縮小至40層直徑1.2m；40層以上為塔冠部分，由塔架柱、桁架和球體組成。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》條文解釋4.3.5條,本工程以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的所有豎向鋼筋作為防雷引下線。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)僅位于建筑的中心，為了雷電的分流效果，需要將建筑外圍的16根鋼管混凝土柱也作為引下線；由于鋼管混凝土柱僅到40層，塔冠與鋼管混凝土柱通過塔架柱柱腳插入鋼管混凝土中來連結(jié)。因為這種連接方式不滿足電氣連通的要求，所以沿塔架柱設(shè)置16根40×4（mm）鍍鋅扁鋼，下端與40層鋼柱可靠焊接，上端與接閃器可靠焊接。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》5.3.6條由于本工程一層均為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，不適合設(shè)置接地測試連接板，所以在室內(nèi)靠近出口的混凝土柱處設(shè)置接地測試卡，便于接地電阻的測試。2.1.4

接地裝置利用建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作為自然接地體，將建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層主筋中的兩根通長焊接，形成基礎(chǔ)接地網(wǎng)，并具備連接室外人工接地裝置的外接點。2.2

建筑物內(nèi)部防雷措施建筑物內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)及防雷電波入侵。內(nèi)部防雷由共用接地裝置、等電位連接、屏蔽、電涌保護器等組成，用于減小和防止雷電流在需防護空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。2.2.1

共用接地裝置《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》6.3.4條第5款“電子系統(tǒng)不應(yīng)設(shè)獨立的接地裝置?！币驗楠毩⒔拥叵到y(tǒng)受到場地限制,其間距無法達到安全距離。當建筑物遭受雷擊時，防雷接地的高電位會反擊到電子系統(tǒng)接地，使高電位引入到電子系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿而損壞設(shè)備。所以本工程采用共同接地方式，將防雷接地、變壓器中性點接地、電氣設(shè)備的保護接地、電梯機房、消防控制室、電信機房、計算機房等的接地共用統(tǒng)一接地體，要求接地電阻不大于0.5Ω，實測不滿足要求時，利用外設(shè)點增設(shè)人工接地極。2.2.2

等電位聯(lián)結(jié)及屏蔽等電位聯(lián)結(jié)的目的是減小或消除內(nèi)部防雷裝置各個部位上所產(chǎn)生的電位差，保證建筑物內(nèi)不會產(chǎn)生反擊、接觸電壓及跨步電壓等危害。屏蔽的主要目的是使建筑物內(nèi)的通訊設(shè)備、電子計算機以及自動控制系統(tǒng)免遭雷電電磁脈沖的危害。工程中采用的具體做法如下：1）消防控制室、通信機房、網(wǎng)絡(luò)機房、安防控制室、BA監(jiān)控室等設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)板，其聯(lián)結(jié)板在兩處不同的位置設(shè)獨立的接地引下線，引下線采用多股銅芯導(dǎo)線35mm2

PC32，與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠聯(lián)結(jié)；等電位連接板就近與樓板鋼筋網(wǎng)連接。2）核心筒強、弱電配電間內(nèi)垂直敷設(shè)兩條和水平距地0.2m敷設(shè)一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，水平與垂直接地扁鋼間可靠焊接。配電間內(nèi)垂直扁鋼在每層與樓板鋼筋做等電位聯(lián)結(jié)，在其下端與總等電位接地裝置及接地網(wǎng)可靠聯(lián)結(jié)。3）垂直敷設(shè)的金屬管道及金屬物的底端及頂端應(yīng)就地與接地裝置聯(lián)結(jié)。正常情況下不帶電，當絕緣破壞時有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設(shè)備金屬外殼均應(yīng)可靠接地，PE線不得采用串聯(lián)聯(lián)結(jié)。4）電梯井道在底層預(yù)留接地扁鋼，且與豎向接地扁鋼牢固焊接，井道內(nèi)所有金屬構(gòu)件均與接地扁鋼作等電位聯(lián)結(jié)。5）玻璃幕墻的豎向龍骨、橫向龍骨和建筑物防雷網(wǎng)做可靠聯(lián)結(jié)。6）在地下三層車庫外墻距頂板梁0.3m處設(shè)置一圈40×4mm熱鍍鋅扁鋼，作為局部等電位聯(lián)結(jié)干線。所有進出建筑物的金屬管、金屬構(gòu)件與等電位聯(lián)結(jié)干線有效聯(lián)結(jié)。7）金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導(dǎo)管必須可靠接地，且必須符合下列規(guī)定：（1）金屬電纜橋架及其支架全長不少于2處與接地PE干線相聯(lián)結(jié)。（2）鍍鋅電纜橋架間連接板的兩端不跨接地線，但連接板兩端應(yīng)有不少于2個有防松螺帽或防松墊圈的聯(lián)結(jié)固定螺栓。通過采用以上措施，使建筑物所有垂直鋼筋、鋼柱，各層水平鋼筋，玻璃幕墻龍骨，金屬管道等建筑物內(nèi)的金屬構(gòu)架電氣貫通，使整個建筑物成為“法拉第籠”，具有良好的均壓和分流作用，既能防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等危害，又具有屏蔽效果。2.2.3

裝設(shè)電涌保護器電涌保護器用于限制瞬態(tài)過電壓,快速泄放電涌電流，降低雷電危害。本建筑電子信息系統(tǒng)雷電防護等級按B級設(shè)防。依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB50343-2012）表5.4.3-3推薦值，電涌保護器設(shè)置如下。在變電所低壓母線上裝I級實驗電涌保護器（SPD），10/350μs,沖擊電流大于等于15kA，耐沖擊電壓額定值不小于6kV；機房總配電箱、各層總配電箱、電梯配電箱內(nèi)裝II級實驗電涌保護器（SPD），標稱放電電流值大于等于30kA，耐沖擊電壓額定值不小于2.5kV；末端配電箱內(nèi)裝電涌保護器，耐沖擊電壓額定值不小于1.5kV；屋頂室外風機、室外照明配電箱內(nèi)裝II級實驗電涌保護（SPD），8/20μs,標稱放電電流大于等于60kA，耐沖擊電壓額定值不小于4kV。計算機電源系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)引入端、衛(wèi)星接收天線引入端、電信引入端設(shè)信號線路電涌保護器，其穿金屬保護管在引入建筑物處與建筑物進行等電位聯(lián)結(jié)。當電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時，其引入的終端箱處安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器，其每一保護模式?jīng)_擊電流值選用1.5kA。3

防雷設(shè)計注意事