游乐场建筑防雷设计的探究

王林健

（广东省建筑设计研究院 广东广州 510010）

1 项目概况

本次探究的主城堡是该主题乐园标志性建筑物，入口城堡为该主题乐园的标志性建筑物，同时兼顾主题乐园主入口、游客服务及重要交通枢纽的功能。项目为多层公共建筑。地上三层，局部四层。一层、二层为商业和主题乐园出入口通道，三层为演艺厅，局部四层为塔楼；地下为两层车库。

2 气象灾害影响分析

本次探究项目所在地每年都有雷电活动发生，闪电密度较大、强度较高，大风、暴雨等天气现象也出现频繁，这些灾害性天气可导致建筑物和设备损坏，道路积水而影响交通和人员通行，供配电系统、通迅系统、计算机信息系统中断，还可能造成项目中的建构筑物游乐设施运行中断，甚至对在游乐设施上的游客带来轻微电击等伤害，威胁游客人身安全。鉴于论证项目包括了室外部分、室内游玩区、排队等候区等，尤其是室内设备属于特种设备，受雷电的影响非常大。

2.1 项目存在的雷电灾害风险分析

项目从设计到设备硬件的高规格高标准，使其成为世界上科技含量最高、多维互动游乐设施最多的乐园；虽然建筑物的金属框架结构形成了笼式防雷系统主体，使得建筑物内人员和设施免遭直接雷击；但是这些游乐设施主要由金属钢结构组成，通过电力或空压驱动、计算机等精密电子设备操控；众所周知，当建筑物遭受雷击时，雷电流将通过建筑物内的钢筋结构和接地体泄入大地，在这一暂态过程中，建筑物内将产生强大的交变电磁场，通过感应和辐射对人员和电子电气系统造成危害；在雷击暂态过程中，无论是大型游乐设施误动作，供配电系统、通信系统、计算机信息系统中断，还是人员在其中有“触电感”，或是雷击击穿电介质（空气、土壤）放电造成火灾危险，都将引发恐慌危及公共安全。

2.2 探究内容

为了有效防止雷电接闪泄流过程可能造成的电压或电流的暂态响应对人员的危害，以及对建（构）筑物内的电气系统、控制系统、弱电系统及游乐设备的破坏和干扰，根据项目雷击可能造成的危害，探究内容主要围绕以下三个方面：

①项目区域可能存在的人员伤害风险（室内和室外）；

②雷击接闪过程中，在项目周围及各敏感位置，产生的暂态电磁场分布，各种判别物理量的建模计算，分析可能对设备产生的危害；

③雷击接闪过程产生的超过介质击穿场强额定值可能引起的火灾危害。

2.3 项目现场勘察雷电数据分析

选取距离项目点最近的地面气象观测站数据资料，统计1981～2010年雷暴日数据，可得知项目所在地30年年平均雷暴日为45.7d/年，属于多雷区。根据本项目的设计图纸、地勘报告及现场情况，为得到精确的检测数据，使用数字接地电阻测量仪（KD2571BV型），对区域内的西南、西北和北部三个方位进行了土壤电阻率的测量并加以分析，最后得出了表1的检测值（检测值中季节修正系数为1.5）。为减少计算量，土壤模型取均匀土壤，阻值选用3个土地模型的平均值90Ω·m。

2.4 防雷设计参数分析

2.4.1 防雷类别判定

本次评估项目根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和可能造成的后果，按防雷要求分为一、二、三类。

表1 各点土壤电阻率测量值（Ω·m）

式中：K——校正系数，本评估项目内周边均无特殊建筑物，但临近水系，取1.5。

Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]。一年中项目所在地某一面积内的闪电次数，取2008～2017年地闪密度最大值2.55次/（km2·a）。

Ae——建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。根据GB50057-2010和项目方提供的初步设计说明，主城堡有突出主体结构的附属构筑物，不建议使用GB50057中等效面积计算的一般公式。因此，本报告的计算采用CAD偏移功能，在各建筑物的平面图上，以D为单位按圆弧进行偏移，最后得出各建筑物的等效面积。

得 Ae=0.191130m2，N1=0.731072（次/年）。

根据GB50057-2010中3.0.3条规定中的第9款：“预计雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所”，主城堡应划为第二类防雷建筑物。

2.4 .2电气电子系统电涌防护等级计算

（1）建筑物年预计雷击次数（N1）

根据第2.4.1节计算结果，N1=0.731072（次/a）。

（2）入户设施年预计雷击次数（N2）

式中：A′e1——电源线缆入户设施的截收面积（km2），2×1000×92×10-6=0.184000；

A′e2——信号线缆入户设施的截收面积（km2），2×1000×92×10-6=0.184000；

N2=0.368000（次/a）。

（3）建筑物及入户设施年预计雷击次数（N）N=N1+N2=1.099072（次/a）

（4）可接受的最大年平均雷击次数（NC）

因直击雷和雷电电磁脉冲引起电子信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数NC按下式确定：

NC=5.8×10-1.0/C

式中：C——各类因子，C=C1+C2+C3+C4+C5+C6。

C1——电气电子信息系统所在建筑物材料结构因子，取1.0。

C2——电气电子信息系统重要程度因子，该值取3.0。

C3——电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子，该值取1.0。

C4——电子信息系统设备所在雷电防护区（LPZ）的因子，该值取1.0。

C5——为电子信息系统发生雷击事故的后果因子，该值取2.0。

C6——表示区域雷暴等级因子，该值取1.2。

NC=5.8×10-1.0/C=5.8×10-1.0/（1.0+3.0+1.0+1.0+2+1.2）=0.06304（次/a）。

（5）拦截效率及信息系统分级

按照公式E=1-Nc/N计算防雷装置的拦截效率E。

E=1-0.06304/1.099072≈0.94，0.90＜E＜0.98。

在接闪、引下、接地、等电位措施按照规范设计施工的情况下，主城堡内的电气电子信息系统雷电防护等级属于B级。

2.5 防雷施工设计和要求

（1）电势控制：从设计角度，控制电势可以增加引下线根数，扩大分流系数：在施工过程中，尽可能做小接地电阻，顺导雷电流；比如：在自控飞机最高导体连接第二层顶层平面处，使用圆钢或扁钢将所有立柱连接成一个整体。

（2）做好绝缘措施：在做好电势控制，隔离危险区的同时，考虑到人体接触点不同，可以细分防御接触电压和跨步电压的措施。由于接触电压是用手接触，在预防措施上，让人体的手摸不到，在距地面2.7m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100kV的绝缘材料隔离，或用至少3mm厚的交联聚乙烯层隔离。在防跨步电压方面：主要是做好均衡电位，使两脚的电位基本相等。使引下线3m范围内地表层的电阻率不小于50kΩ·m，或敷设5cm沥青层或15cm厚卵石层。

（3）对于安装有精密设备的位置，采取二次屏蔽。在布设各类电子、电气设备和游乐设施时，要合理选择位置，避免雷击时电磁场超过安全值，必要时可通过建立更多的屏蔽分区来降低其风险。

（4）公共区域安全：项目室外公共区域人员活动频繁，存在一定的跨步电压和接触电压风险。具体防范措施如下：

①合理设置警告牌，提醒游人加强自我防范；

②增设雷电避险场所标志，加强雷电预警，提醒游客在雷雨来临前，立即停止户外活动，及时躲入最近的避险场所；

③利用公共区域的路灯杆作为接闪装置，并做好接地；

④建议人行道铺设绝缘材料，步行区域、维护通道、操动机构四周等区域，可铺设5cm厚沥青层或15cm厚砾石层等高阻材料，或在局部增设1～2m网孔的水平均压带，降低大地表面电位梯度。

（5）本项目除了按照第二类防雷建筑物设防外，由于其外包装构造众多且复杂，为防止直击雷击击坏建筑物外表面造成脱落，建筑屋面层施工时预留接闪带明敷压接在女儿墙面等外表面，并且预留外包装接地端子。建筑外表面构件安装时底部金属必须与预留的接地装置做金属压接。