门式轻钢结构建筑物防雷设计浅谈

鲍明慧

伴随国家经济发展的主旋律,门式轻钢结构(以下简称轻钢结构)建筑在中国建筑领域得到迅猛发展。轻钢结构与传统混凝土建筑物相比具有建筑造型美观大方,色彩多样,耐大气腐蚀,隔热隔声阻燃,空间利用率高,建设周期短,工程造价低的优势,广泛应用于各类工业厂房、超市、仓库、展览馆、体育馆、飞机库、机场、别墅等领域。由于轻钢结构独特的建筑体系,使得此类建筑和普通砖混结构、框架结构建筑物的防雷工程设计和施工有较大的差异。以下通过工程咨询、施工阶段监理和现场检查验收的实际经验,对轻钢结构建筑物防雷设计和施工的相关问题谈谈自己的心得。

1 轻钢结构建筑物的建筑体系

门式轻钢结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期,其建筑表现以门式刚架为基础进行衍化,主要材料是钢结构框架辅以彩色金属屋面板。目前国内设计的钢结构框架普遍采用轻型焊接H形钢(等截面或变截面)、热轧 H形钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架,该屋架采用预制构件,不允许现场钻孔、焊接;钢结构的次构件为檩条,普遍采用高强度、经防腐处理的冷弯薄壁C形或Z形钢,檩条和主钢架采用螺栓连接。

轻钢结构建筑物的围护系统(墙体、屋顶)普遍使用金属屋面板,大多采用自攻螺栓将金属屋面板和檩条(包括屋面檩条或沿墙檩条)连接。金属屋面板以彩色涂层钢板或镀锌钢板为基材,经辊压冷弯成型;其按保温芯材的不同可分为硬质聚氨酯夹芯板、聚苯乙烯夹芯板、岩棉夹芯金属屋面板三种。金属屋面板连接方式一般为咬合连接或者搭接连接,在金属屋面板下适当设置金属支撑。所以,从本质上讲,轻钢结构外维护墙以上的金属屋面板、钢屋架及檩条、隅撑、细杆等金属构件已进行了电气连接。

对于轻钢结构外维护墙以下的结构,可分为基础部分和外维护墙体。基础部分一般采用钢筋混凝土独立基础或钢筋混凝土条形基础,前者在地质情况较好的场地使用,后者则应用于地质情况较差的场地。施工时在基础部位预埋地脚螺栓,加垫片后和钢柱相连。

一般而言,轻钢结构外维护墙体的做法是先砌1 200 mm高、24 mm厚(严寒地区厚度为0.37 mm)的砖墙或者加气混凝土砌块,其上才是金属屋面板。

2 轻钢结构建筑物的防雷及接地

2.1 接闪器

首先我们分析一下防雷系统设计的六大要素：

1)建筑物外部、内部防雷装置的接闪功能;

2)引下线的分流效果;

3)建筑物内各部位的均衡电位;

4)内部各种设备的屏蔽保护作用;

5)接地效果;

6)内部各种线路的合理分布。

综合来说就是外部防雷系统与内部防雷系统两大部分。金属屋面的防雷属于外部防雷系统,即接闪器——避雷针、避雷带或避雷网,由于金属屋面容易引起雷击,所以在设计金属屋面建筑物时,应根据防雷设计的六大要素考虑如何在屋面上的防雷。

传统建筑物的避雷方式是采用富兰克林常规避雷导体或避雷针结合避雷网,由于金属屋面板的金属板较薄,无法安装高大沉重的传统避雷针。以下根据文献[3]中第4.1.4条给出的金属屋面作为建筑物(第一类防雷建筑物除外)防雷接闪器的四个要求,对金属屋面板能否作为接闪器的情况进行论证。

表1 常用的四种保温芯材的物理特性

规范针对金属板下面有无易燃品的不同情况,对金属板的厚度做了不同的要求,明确规定“金属板下面无易燃品时,其厚度不应小于0.5 mm”。常用的四种保温芯材的物理特性见表1。

由于平常空气中大约含21%的氧气,如果一个材料的氧指数略高于21,那么就可以认为这种材料具有阻燃性。根据表1中数据得知：目前常用的四种金属屋面板的保温芯材的氧指数均远远大于21,故可以认为金属屋面板下面无易燃品。根据文献[3]中第4.1.4条的规定,当利用金属板作接闪器时,其厚度不应小于0.5 mm即可。所以只要使用厚度不小于0.5 mm的金属屋面板即能满足规范4.1.4条中四个要求的第三条。若其厚度不满足小于0.5 mm,则应参考国家标准图集01J925-1压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造做避雷带,其中压型钢板屋面避雷带的细部做法见该图集 48页,夹芯板屋面避雷带的细部做法见该图集66页。国家标准图集99D501-2建筑物防雷设施安装和03D501-3利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装没有轻钢结构屋面避雷带的细部做法。同时,避雷带网格大小应该按规范的要求与各类建筑物的防雷类别严格对应,设计图纸应当按规范划分的标准对其做出明确标注。

轻钢结构建筑物的外围护系统连接方式一般为咬合或者搭接。无论是压型钢板还是夹芯板形式的金属屋面板,其外观都是瓦楞形的。在施工中,采用搭接时的搭接长度至少要达到一个波峰或波谷,完全能够超过100 mm,所以能够满足规范4.1.4条中第一个要求,即金属板采用搭接时,其搭接长度不应小于100 mm。另外,规范注释中认为“薄的油漆保护层”均不属于绝缘被覆层。因此,可以认为彩色涂层钢板无绝缘被覆层,而镀锌钢板的导电性能更好。所以文献[3]中第4.1.4条的第四个要求,即金属屋面板无绝缘被覆层也是满足的。

综上所述,可以认为厚度达到0.5 mm,且其下无易燃品时轻钢结构建筑物的金属屋面板可以作为接闪器。当金属屋面板厚度不满足要求时,则应该参考国家标准图集01J925-1压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造做避雷带。

2.2 引下线

从前面轻钢结构建筑物的建筑体系可以看出,主钢架、次构件、围护系统在施工中已通过螺栓、自攻螺钉做了可靠的连接,形成了持久的电气通路。因此,只要设置了可靠的接地装置,就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点在文献[3]中第4.2.3条已作了规定。当然,规范中对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求,在土建施工时,只要所有的钢柱和接闪器做了可靠连接,钢柱和金属屋面板、金属墙板都可以认为是引下线,实际可靠连接形成电气通路的效果超过了规范的标准。

另外,针对文献[3]中第4.2.5条的规定,即在易受机械损坏和人身接触的地方,地面上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作为引下线的钢柱应有保护措施。1)从轻钢结构的建筑体系看,距地有1.2 m高的砖墙或者加气混凝土砌块,对人身接触有一定的防护。2)钢柱本身要进行防腐、防火处理,含绝缘被覆层,起到一定的防护作用。即从轻钢结构建筑物的建筑体系看,对地上1.7 m至地面下0.3 mm的一段作为引下线的钢柱可以认为已采取电气连接保护措施。

2.3 接地装置

在常见的轻钢结构设计图纸中,一般将基础钢筋作为自然接地体,用40 mm×4 mm的镀锌扁钢将其连通,并进行总等电位联结。这样进行处理,接地电阻很小,一般均能达到设计要求。在设计中建议在室外维护砖墙地上500 mm位置预留接地连接板,做法可以参考国家标准图集03D501-4接地装置安装。这样,当接地电阻值达不到设计要求时,施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值,这一点应当在设计图纸中有所体现。

另外,利用建筑物混凝土独立基础钢筋进行电气连接虽在设计图纸中标明,但预埋的接地螺栓本身和混凝土独立基础之间是没有电气连接的,加垫片后才能和钢柱相连。所以,土建施工时可用不小于φ 8 mm的圆钢或截面不小于48 mm2的扁钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接,具体做法见国家标准图集03D501-3利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装的17页。这样,从接闪器到引下线,再到接地装置,雷电流才具备完整的泄放通道。同时还应该利用短钢筋将基础钢筋可靠焊接,并引出至基础外,供联结接地环网,此法有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置混凝土独立基础的轻钢结构建筑尤其重要,所以有必要在设计图纸中做出说明。

如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性,即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实,造成的后果则是整个建筑物没有可靠的接地网。采取的补救措施是用40 mm×4 mm的镀锌扁钢作等电位环网,镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可靠焊接,这样镀锌扁钢可以同时作为接地极和接地线。

除等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周外,在建筑物内还应该按跨度设置均压网格,不但降低跨步电压,保护人身安全,而且有利于工业厂房生产设备就地实施等电位联结,缩短等电位联结线的长度。

3 结语

以上是对轻钢结构建筑物防直击雷的电气设计方案和施工中执行的标准图集的认识,结论是：厚度达到0.5 mm的轻钢结构建筑物的金属屋面板且其下无易燃品时可以作为接闪器,利用钢柱作引下线,利用混凝土独立基础钢筋作自然接地体,并通过

40 mm×4 mm镀锌扁钢连接成可靠的总等电位接地环网,是安全有效的防雷接地措施。

[1] JG 144-2002,门式刚架轻型房屋钢构件[S].

[2] CECS 102∶2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[3] GB 50057-94,建筑物防雷设计规范[S].

[4] GB 50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].

[5] JGJ 16-2008,民用建筑电气设计规范[S].