江西上饶某精准医疗中心项目防雷问题的探讨

黄兆睿，曹宇

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

1 引言

雷电是大气中带电云块间或带点云层与地面之间所发生的一种强烈的自然放电现象，主要分为4种形式：直击雷、感应雷、雷电波和球形雷。近年来，建筑防雷越来越受到人们的重视，当建筑物受到直接雷击或感应雷击时，放电电压可达数百万伏甚至数千万伏，放电电流可达几十至几百千安，由此引起的电磁能量若不及时泄入大地，会造成人员伤亡，建筑物炸毁、设备损坏等重大事故。

而大型高层公共建筑以其人员密集、智能通信设备多、仪器精密程度高、更易遭到雷击等特点，迅速成为众多建筑中防雷保护的重要对象之一。本文以江西上饶某精准医疗中心工程项目设计为例，对防雷措施等进行分析和探讨，研究高层智能建筑防雷设计中存在的问题和改进方案。

2 工程概况

本工程地上共9层，建筑高度40.5 m，地上建筑面积139 324.43 m2，为一类高层公共建筑，屋顶为平屋面，结构形式为框架剪力墙结构。其中，1～3层及裙房为展览厅、报告厅、会议、办公区等，4～9层均为办公区。地下共2层，地下总建筑面积56 829.9 m2，主要为汽车库及设备用房。为保证不受雷电干扰，需对本建筑物进行有效的防雷保护措施设计。

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的规定，民用建筑应划分为第二类和第三类防雷建筑物，需计算建筑物年预计雷击次数N，公式为：

式中，k为校正系数（详规范要求）；Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/（km2·a）；Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2；Td为年平均雷暴日数，根据当地气象台（站）确定，d/a。

结合本工程实际，计算得到的年预计雷击次数0.319次/a，根据国标确定本建筑为第二类防雷建筑。但二类防雷是否能满足该建筑物的实际情况，还需具体分析。

3 防雷环境分析

3.1 雷电多发区域

本项目位于江西省上饶市，年平均雷暴日为65 d。江西省是雷电灾害多发区、重灾区，在2005—2011年，全省因雷击死亡人数达387人，其中，2006—2007年连续两年因雷击伤亡人数居全国第一，2010—2014年因雷击死亡人员占因灾害死亡人员的48.9%，并且所占比例逐年递增。由此可见，雷击是江西省造成人员伤亡的主要自然灾害因素之一。

3.2 系统复杂

本项目属于一类高层公共建筑，研发及商务办公中心内设计有大量智能化系统及专业设备，包括公共安全系统、信息设施系统、消防报警系统、音视频会议系统、精密医疗设备、建筑设备管理系统、智能化集成管理系统等一系列智能系统。仅按照规范进行普通防雷布置不足以保证智能系统的安全稳定运行。一旦发生雷电灾害，感应雷通过电源与双绞线所形成的极高瞬态电流，能快速破坏用电设备和各种智能系统。因此，需要注意智能设备的防雷防护问题。

3.3 建筑结构不规则

本项目中建筑物外形不规则，每个楼层的结构都不相同，露天平台较多，存在大量突出部位，与一般情况下只需在顶层设置接闪带的情况完全不同。

由上述分析可知，该项目防雷环境十分复杂，在充分考虑该项目防雷系统的实施和设计时，需要结合现代防雷综合性和有效性等特点，全面分析被保护建筑的结构、设备、气候等因素，综合布置，建立一个可靠的综合防雷体系。

4 防雷布置方式探讨

目前的防雷措施包括外部防雷措施：接闪器、引下线、屏蔽、接地装置和接地系统。内部防雷措施：浪涌保护器、合理布线、屏蔽、等电位连接和公用接地系统等。

4.1 接闪器分析

一般情况下，接闪器可由独立的避雷针、架空避雷线或架空避雷网和直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网等组成。

本项目属于第二类防雷建筑物，可直接装设避雷带（网）即可达到防直击雷的要求。即在高层屋顶、裙房屋顶沿女儿墙、屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位用φ10 mm热镀锌圆钢敷设避雷带或利用建筑物金属构件作为防雷接闪器，凡突出屋面的金属构件、金属通风管、金属屋架、屋面上可导电体（消防水箱、水泵等）均与接闪器可靠连接。在屋面接闪器保护范围之外的非金属物体应装接闪器，并应和屋面防雷装置相连。屋面避雷带连接网格不大于12 m×8 m或10 m×10 m。裙房屋面接闪器应与主楼各引下线内柱内钢筋可靠连接。连接露台防雷布置如图1所示。

图1 连接露台防雷布置图

4.2 引下线分析

引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体，其作用是将雷电流引入接地装置，应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定性的要求。按照敷设方式分为明敷设、暗敷设和用钢筋混凝土中钢筋作为引下线3种。

本项目以结构柱内钢筋为引下线，采用φ16 mm以上钢筋2根一组或φ10～φ16 mm钢筋4根一组，下与基础接地装置连接，上与避雷带连接，同时利用所有框架柱或剪力墙内构件钢筋作为防雷引下线，引下线间距不大于18 m。

4.3 接地装置的分析

接地是让流入防雷系统的闪电电流成功流入大地，不破坏防雷系统中被保护的物体，所以，良好的接地才能有效地将雷电流引入大地，降低引下线电压，防止雷电流反击。

以往的规范为防止电网中杂散电流干扰设备正常工作，要求电子设备单独接地，现如今防雷设计已不提倡单独接地，而是更多地将电子设备与防雷接地系统接入同一个接地装置，但要求更为严苛，接地电阻由原来的4Ω减少至1Ω，如果电子设备接地装置采用专用的接地系统，则与建筑防雷接地系统的距离宜大于20 m。

接地装置应优先利用建筑物内钢筋混凝土基础内的钢筋，本项目接地极为建筑物基础底梁的上下两层钢筋中的两根主筋通长焊接形成的基础接地网，也可采用若干水平钢带和若干垂直钢管连接在一起的接地网。接地电阻要求为1Ω。

4.4 建筑物内部防雷装置分析

构筑和作用于建筑物内部的防雷工程称之为内部防雷工程，是保护智能建筑的重要一环，其涉及面较广，主要预防的是包括感应雷、传导雷和线路浪涌高电压所造成的电网波动等危害，其中，威胁最大的就是高电压的引入。

在设置内部防雷装置时，应考虑高电压带来的危险，将建筑物外露部分与防雷接地系统内钢筋相连接，具体做法：（1）在建筑物的地下室或地面层处，将建筑物的金属体、金属装置、建筑物内系统、进出建筑物的各类金属管线与防雷装置做防雷等电位连接。（2）外部防雷装置与建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统之间，满足间隔距离（电气绝缘）的要求。（3）在每栋楼总进线箱内设浪涌保护器，并作总等电位联结，各弱电进线箱内设信号线路浪涌保护器，进出建筑物的各种金属管道，电缆钢管等均于入户处与总等电位联结端子板连接。（4）电梯轨道上下均与总等电位端子板连接。主要弱电机房及设备间需设置等电位连接。（5）合理布线，避免发热等干扰，在重要设备和抗干扰能力差的设备旁增设屏蔽层[1]。

5 防雷布置改进策略探讨

建筑物防雷的整体性是现代防雷设计和安装的重点之一，常规的防雷接地系统只是对建筑物的基本要求，由于现在建筑智能化程度越来越高，对智能建筑防雷的设计不能仅仅着眼于满足规范，而要根据具体情况进行具体分析。例如，本项目中建筑物形状不规则，每层结构都不相同，露天平台较多，上人后会成为制高点，雷云会优先对人体放电，造成人员伤亡。再加上智能设备较多，处于高雷暴地区等特点，在设计上有一定的特殊要求，需要综合考虑整个范围内的设施布局，同时对接地装置也要综合统一考虑。本文在详细了解了相似建筑防雷规范的同时，提出以下几点改进做法，对今后类似复杂建筑物的防雷提供参考。

5.1 防雷保护措施

首先，本项目露台较多，高层处许多突出部位众多，两建筑物的连接露台部分和突出部位应着重考虑建筑物防雷电感应、平台处雷击及防侧击雷措施。

其次，顶层平台存在空调管井、送风风井等排风井，以及各种设备和机房等，除了在设备房外屋顶突出部分设置避雷线外，还应考虑设备内部的防雷措施，如图2所示。

图2 屋顶空调设备防雷布置图

从总体上来看，本项目的防雷改进措施有以下几点：

1）执行GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中二类防雷建筑物的防雷措施的同时，所有进出建筑物的线缆、金属管道、构架等金属物应就近做等电位连接，室内接地干线与接地装置的连接尽量多。

2）建筑物钢构架和混凝土、梁、板、柱内的钢筋应相互连接，在此基础上，形成电气通路，利用柱内钢筋做引下线，并且在易受雷击的部分可适当增设引下线的数量。

3）外部金属物，下面无易燃物品且满足（铅板的厚度不应小于2 mm，不锈钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于0.5 mm，铝板的厚度不应小于0.65 mm，锌板的厚度不应小于0.7 mm）以上要求时，可利用其作为接闪器，还可利用布置在建筑物垂直边缘处的外部引下线作为接闪器。特别是在露台面，除增设避雷网外，还可利用外部金属物减少雷击危险。

4）外墙内、外竖直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端，与防雷装置等电位连接。

这样不仅可以减小直击雷造成的损伤，同时可以对侧击雷进行有效的预防。

5.2 智能设备保护措施

本项目建筑物内电子设备较多，属于智能建筑，应增加对电磁脉冲等弱电领域的防雷措施：

1）在建筑物内、外的变压器高压侧，与低压侧装设避雷装置；

2）进入建筑的架空和直接埋地的各种金属管道在进出建筑时与防雷接地体连接，并且满足接地电阻阻值；

3）在建筑物内的线缆管道，尽量采用埋地接入的方式，入户端将电缆金属外皮、钢管道与接地体连接；

4）加装通信保护装置，对于重要的电子系统，在一条下路中增设几台浪涌保护器，防止在发生雷电流入侵时，雷电过电压对电子设备的损坏；

5）在重要的电子设备间周围增设屏蔽网，有效隔绝雷电电磁场对建筑物内，电气设备的破坏；

6）引入带有防雷保护功能的弱电设备，在用电末端进行防护[2]。

5.3 接地保护措施

本项目地下室设有弱电机房、消防控制室、风机房、配电间等重要设备用房，应在采用基础接地作法的同时，充分考虑设备房的接地和整体接地阻值大小：

1）利用全部或大多数柱子基础的钢筋作为接地体；柱子基础的钢筋网通过钢柱、钢屋架、钢筋混凝土柱子（剪力墙）、屋架、屋面板等构件的钢筋或防雷装置互相连成整体。构件之间必须连接成电气通路。

2）各种接地引下线的下端应与基础接地网可靠焊接。

3）外部防雷装置的接地应和防闪电感应、内部防雷装置、电气和电子系统等接地共用接地装置，并应与引入的金属管线做等电位连接。

4）由于内部重要设备较多，要求接地电阻值不大于1Ω。实测不满足要求时，须增设人工接地体，直至达到要求为止。

6 结语

综上所述，建筑物防雷保护是一项复杂，细致的内容，尽管雷击是小概率事件，但可能会造成重大的经济损失和人员伤亡，对建筑物的安全使用，以及各类设备的正常运行，有至关重要的作用。随着智能建筑的推广，使原有的防雷手段已经无法满足建筑的实际要求。本文选取江西上饶某精准医疗中心项目的设计为例，针对该建筑处于雷击多发区域、智能系统设备众多、建筑结构不规则的问题进行防雷保护分析，希望能对今后类似重要建筑物和未来智能建筑的防雷设计提供一些思路。