超高层建筑防雷设计探讨

超高层建筑防雷设计探讨

尹啸 / 张青 (中国建筑设计院有限公司， 北京 100044)

摘要超高层建筑遭雷击概率大,遭受雷击损失严重，合理可靠的防雷措施对超高层建筑具有重要意义。依据建筑物防雷理论和规范要求及超高层建筑防雷设计的特殊性，结合工程项目案例，详细介绍了超高层建筑防雷设计做法，对超高层建筑的防雷设计要点进行总结和探讨。

关键词防雷 超高层建筑 等电位联结 接闪器 引下线

AbstractSuper high-rise buildings are prone to suffer lighting strikes with a huge loss. Measures to protect lighting will be of great significance in the super high-rise building designing process. According to lightning protection theories and specification clause for buildings，design methods of protection against lightning for super high-rise buildings are introduced in detail in combination with practical engineering project on the base of complexity and particularity of high-rise building designs. the particularity in the lighting protection design of super high-rise buildings is analyzed，and the design points and experiences in lightning protection design of super high-rise buildings are summarized.

Keywordslighting protection, super high-rise buildings, equipotential bonding, air-termination system, down-conductor system

0引言

随着经济的不断发展，城市发展进程的不断加快，越来越多的超高层建筑涌现在大、中型城市。超高层建筑比一般建筑遭雷击概率大很多，由于建筑物中装有大量电子信息设备，一旦遭受雷击，损失严重。所以，对超高层建筑采用合理可靠的防雷措施显得尤为重要。本文结合工程实例，对超高层建筑防雷设计进行详细总结和探讨。

1工程概况

本项目位于北京市朝阳区CBD核心区域，西侧紧临东三环，南侧紧临景辉街，北侧为光华路；总建筑面积约13.24万m2，主要作为办公、商业用楼。建筑主体高220m，裙房高36m，塔楼采用钢管混凝土-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。

根据工程性质及《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)[1]和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343-2012)[2]，本建筑物年预计雷击次数0.6818次/a,防雷等级按二类防雷等级设防；防雷装置拦截效率E=0.91，建筑物电子信息系统雷电防护等级按B级设防。

2防雷措施

雷电的破坏作用有两种：一是直接击在建筑物上产生热效应作用和电动力作用；二是雷电流产生的静电感应作用、电磁感应作用及雷电波侵入作用。对前者的防雷措施称为建筑物外部防雷；对后者的防雷措施称为建筑物内部防雷。

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击雷和防侧击雷，保护建筑物本身不遭受雷击，外部防雷装置主要由接闪器、引下线和接地装置组成。

2.1.1接闪器

本工程塔冠主要由钢结构球体和四周幕墙组成(图1)，最高层44层的上半个球体置于室外，最高点为幕墙顶端和球体顶端220m，球体和幕墙之间由室外平台连接。沿球体龙骨、玻璃幕墙顶端及44层的室外平台设置Φ10镀锌圆钢作为防直击雷的接闪带、接闪网格，球体避雷网格及屋面的网格不大于10m×10m或12m×8m，具体设计见图2。在幕墙顶端设有航空障碍灯，选择带有避雷装置的航空障碍灯并与接闪带可靠连接。擦窗机导轨与幕墙处接闪带可靠连接。

裙房长62m、宽37m、高36m，根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)附录D[1]计算，在36m高度，塔楼的保护半径为0.91m，裙房不在塔楼保护范围内。因此，需要在裙房四合院的屋顶设置接闪带，接闪带采用沿屋脊明敷的方式。卫星天线位于裙房屋顶，自带避雷针保护。

图1　塔顶剖面图

图2　防雷平面图

2.1.2防侧击雷措施及均压环

鉴于雷电有绕击的可能性，超高层建筑做好屋顶防直击雷的同时，还应做好建筑物立面的侧击雷防护。

超高层建筑物玻璃幕墙对防雷装置有屏蔽效应，影响防侧击雷效果，并使雷电直接破坏玻璃幕墙。根据《玻璃幕墙工程技术规范》4.4.5条“幕墙的防雷设计应符合现行国家标准《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)的规定。幕墙的金属框架应与主体结构的防雷装置可靠连接，并保持导电通畅。”为此，本工程每两层沿建筑物外墙设置均压环，与防雷引下线可靠连接，并预留100×100×5(mm)镀锌钢板，作为玻璃幕墙的防雷接地联结预留接点。航空障碍灯与最近的均压环做电气联结。当玻璃幕墙遭受雷击时，将获得的巨大雷电能量迅速地泄放入大地，起到保护玻璃幕墙免受雷电破坏的作用。

2.1.3引下线

本建筑塔楼采用钢管混凝土-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。中部核心筒为钢筋混凝土结构，从基底一直延伸至最高44层。核心筒外围有16根钢管混凝土柱，从基底直径1.8m逐渐缩小至40层直径1.2m；40层以上为塔冠部分，由塔架柱、桁架和球体组成。

根据《建筑物防雷设计规范》条文解释4.3.5条“电气连贯性——在现场浇灌的钢筋混凝土建筑物的钢筋偶尔是焊接在一起，这提供了可定的电气连贯性。通常更多地是，钢筋在交叉点是用金属线绑扎在一起。然而，虽然在此产生的自然金属性连接有其偶然性，但是这类结构的大量钢筋和交叉点保证全部雷电流实质上在并联放电路径上的多次分流。经验表明，这类建筑物能够容易地被利用作为防雷装置的一部分。”[1]因此，本工程以钢筋混凝土结构中的所有竖向钢筋作为防雷引下线。钢筋混凝土结构仅位于建筑的中心，为了雷电的分流效果，需要将建筑外围的16根钢管混凝土柱也作为引下线；由于钢管混凝土柱仅到40层，塔冠与钢管混凝土柱通过塔架柱柱脚插入钢管混凝土中来连结。因为这种连接方式不满足电气连通的要求，所以沿塔架柱设置16根40×4(mm)镀锌扁钢，下端与40层钢柱可靠焊接，上端与接闪器可靠焊接。

根据《建筑物防雷设计规范》5.3.6条“当利用混凝土内钢筋、钢柱作为自然引下线并同时采用基础接地体时，可不设断接卡，但利用钢筋作引下线时应在室内外的适当地点设若干连接板。”[1]由于本工程一层均为玻璃幕墙结构，不适合设置接地测试连接板，所以在室内靠近出口的混凝土柱处设置接地测试卡，便于接地电阻的测试。

2.1.4接地装置

利用建筑物结构基础作为自然接地体，将建筑物结构基础底板轴线上的上下两层主筋中的两根通长焊接，形成基础接地网，并具备连接室外人工接地装置的外接点。

2.2建筑物内部防雷措施

建筑物内部防雷包括防雷电感应及防雷电波入侵。内部防雷由共用接地装置、等电位联结、屏蔽、电涌保护器等组成，用于减小和防止雷电流在需防护空间内所产生的电磁效应。

2.2.1共用接地装置

《建筑物防雷设计规范》6.3.4条第5款“电子系统不应设独立的接地装置。”[1]因为独立接地系统受到场地限制,其间距无法达到安全距离。当建筑物遭受雷击时，防雷接地的高电位会反击到电子系统接地，使高电位引入到电子系统，导致设备的绝缘击穿而损坏设备。

所以本工程采用共同接地方式，将防雷接地、变压器中性点接地、电气设备的保护接地、电梯机房、消防控制室、电信机房、计算机房等的接地共用统一接地体，要求接地电阻不大于0.5Ω，实测不满足要求时，利用外设点增设人工接地极。

2.2.2等电位联结及屏蔽

等电位联结的目的是减小或消除内部防雷装置各个部位上所产生的电位差，保证建筑物内不会产生反击、接触电压及跨步电压等危害。屏蔽的主要目的是使建筑物内的通讯设备、电子计算机以及自动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。工程中采用的具体做法如下：

1)消防控制室、通信机房、网络机房、安防控制室、BA监控室等设置等电位联结板，其联接板在两处不同的位置设独立的接地引下线，引下线采用多股铜芯导线35mm2PC32，与总等电位接地装置及接地网可靠连接；等电位连接板就近与楼板钢筋网连接。

2)核心筒强、弱电配电间内垂直敷设两条和水平距地0.2m敷设一圈40×4mm热镀锌扁钢，水平与垂直接地扁钢间可靠焊接。配电间内垂直扁钢在每层与楼板钢筋做等电位联结，在其下端与总等电位接地装置及接地网可靠联结。

3)垂直敷设的金属管道及金属物的底端及顶端应就地与接地装置联结。正常情况下不带电，当绝缘破坏时有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳均应可靠接地，PE线不得采用串联联结。

4)电梯井道在底层预留接地扁钢，且与竖向接地扁钢牢固焊接，井道内所有金属构件均与接地扁钢作等电位联结。

5)玻璃幕墙的竖向龙骨、横向龙骨和建筑物防雷网做可靠联结。

6)在地下三层车库外墙距顶板梁0.3m处设置一圈40×4mm热镀锌扁钢，作为局部等电位联结干线。所有进出建筑物的金属管、金属构件与等电位联结干线有效联结。

7)金属电缆桥架及其支架和引入或引出的金属电缆导管必须可靠接地，且必须符合下列规定：

(1)金属电缆桥架及其支架全长不少于2处与接地PE干线相联结。

(2)镀锌电缆桥架间连接板的两端不跨接地线，但连接板两端应有不少于2个有防松螺帽或防松垫圈的联结固定螺栓。

通过采用以上措施，使建筑物所有垂直钢筋、钢柱，各层水平钢筋，玻璃幕墙龙骨，金属管道等建筑物内的金属构架电气贯通，使整个建筑物成为“法拉第笼”，具有良好的均压和分流作用，既能防止反击、接触电压、跨步电压等危害，又具有屏蔽效果。

2.2.3装设电涌保护器

电涌保护器用于限制瞬态过电压,快速泄放电涌电流，降低雷电危害。本建筑电子信息系统雷电防护等级按B级设防。依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343-2012)表5.4.3-3推荐值，电涌保护器设置如下。

在变电所低压母线上装I级实验电涌保护器(SPD)，10/350μs,冲击电流大于等于15kA，耐冲击电压额定值不小于6kV；机房总配电箱、各层总配电箱、电梯配电箱内装II级实验电涌保护器(SPD)，标称放电电流值大于等于30kA，耐冲击电压额定值不小于2.5kV；末端配电箱内装电涌保护器，耐冲击电压额定值不小于1.5kV；屋顶室外风机、室外照明配电箱内装II级实验电涌保护(SPD)，8/20μs,标称放电电流大于等于60kA，耐冲击电压额定值不小于4kV。

计算机电源系统、有线电视系统引入端、卫星接收天线引入端、电信引入端设信号线路电涌保护器，其穿金属保护管在引入建筑物处与建筑物进行等电位联结。当电子系统的室外线路采用金属线时，其引入的终端箱处安装D1类高能量试验类型的电涌保护器，其每一保护模式冲击电流值选用1.5kA。

3防雷设计注意事项

1)为保证屋面防雷接闪器与建筑外观的统一性，在进行防雷接地设计期间，应及时与建筑专业沟通，避免影响建筑立面美观。

2)由于现代高层外墙采用大量玻璃幕墙，应提前与玻璃幕墙深化设计进行沟通，预留幕墙的防雷接地条件。

3)在全面了解建筑结构形式的基础上，尽量利用结构柱钢筋作为防雷引下线，利用基础内钢筋作为接地极，既节约工程投资，又可达到良好的防雷效果。

4结束语

超高层建筑比一般建筑遭雷击的概率大，一旦遭受雷击将产生严重危害，所以安全可靠的防雷接地系统必不可少。虽然不同超高层建筑外形和结构形式可能有所差异，但多数都会大量采用钢结构和钢筋混凝土结构。所以在进行超高层工程设计时，可以将防雷措施和建筑结构形式完美结合，既保障防雷接地系统安全可靠、建筑美观，又节约了建设成本。

参考文献

[1]中国机械工业联合会.建筑物防雷设计规范(GB 50057-2010)[S]. 北京：中国计划出版社，2011.

[2]四川省住房和城乡建设厅.建筑物电子信息系统防雷技术规范(GB 50343-2012)[S].北京：中国建筑工业工业出版社，2012.

Discussion on Series and Selectivity of High and Low Voltage Power Distribution

Tao Yunfei / Lian Kanglong

Introduction to the Grounded System of Power Supply in Electric Network in the City of Malabo, Equatorial Guinea

Cui Jiawei / Li Zhe