膜结构建筑物防雷设计探析

何栋梁，成彦惠，王波

(1．湖南城市学院，湖南益阳413000;2．上海亿拓膜结构工程有限公司，上海201406)

近10余年，膜结构在我国取得了迅速发展，这种非传统的全新结构因其造型美观大方，色彩多样，耐大气腐蚀，隔热隔声阻燃，节能，空间利用率高，建设周期短，工程造价相对较低等优点而在工程中得到广泛的应用，如各类工业厂房、超市、仓库、展览馆、体育馆、飞机库、机场、别墅、园林小品建筑等。由于膜结构建筑物独特的建筑体系，使得此类建筑与普通砖混结构、框架结构建筑物的防雷工程设计和施工有较大的差异。笔者通过工程设计、现场验收的实际经验总结，对膜结构建筑物防雷设计的相关问题作一些粗浅的探析。

1 防雷规范要求及防雷类别的确定

1.1 防雷规范要求

GB 50057－1994(2000)(建筑物防雷设计规范》(以下简称“防雷规范”)对建筑物的防雷设计做出了明确规定，表1将防雷设计做了简单的归纳［1］。

从表1可知，防雷设计最终将通过防雷装置来实现。“防雷规范”中对防雷装置材料的选用做了规定，主要是利用建筑物自身结构中的钢材料作为防雷装置。如利用屋顶上的永久金属物和屋面内混凝土构件中的钢筋作为接闪器，利用建筑物构件中的钢柱、钢筋等作为引下线以及利用建筑物基础内的钢筋作为自然接地装置等。

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1.2 防雷类别的确定

按常规设计方法根据膜结构建筑物的重要性，使用性质，发生雷击事故的可能性和后果分类，其中建筑物年预计雷击次数N为:

上式中，当h＜100 m时，

式中: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、站资料确定(d/a)。

L、W、h为分别为建筑物长、宽、高(m)。

k为矫正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应的数值:位于旷野孤立的建筑物取1.7;位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处，地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5;

N＞0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和N＞0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物应划为第二类防雷建筑物。

0.012次/a≤N≤0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和0.06次/a≤N≤0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物应划为第三类防雷建筑物。

2 防雷设计主要应考虑的因素

2.1 接闪功能

在防雷设计时，不应只考虑接闪部分的功能，应根据建筑的结构形式、内部设计和建筑物防雷的相关因素及其规律，全面考虑防雷方式和应采取的措施，以达到接闪后的功能效果。

2.2 分流影响

设置防雷引下线的数量，是关系到建筑物被雷击后是否产生扩大事故的重要因素。每根引下线所承受的电流愈小，则其反击的机会和感应范围的影响就小，所以引下线的根数应适当多些，且其位置应适当。

2.3 屏蔽作用

对于建筑物的屏蔽，不仅使室内的各种电子设备、精密仪器、计算机及通讯设备等受到可靠保护，而且是防护球雷和侧击雷的有效方式。在必要的建筑物上应当考虑屏蔽措施，以防止球雷、侧击雷及电子设备等产生误动作或被击穿的可能。

2.4 均衡电位

为保证建筑物内部不产生反击，不产生接触电压和跨步电压，应当使建筑物内部人员能接触到的金属设备及管线能达到同一个电位。这是保证人身安全和各种金属设备不受反击的重要条件之一。

2.5 接地效果

接地效果的好坏也是防雷安全的重要保证，对每个建筑物都要考虑采用哪些接地方式最好及电位分布的陡度最小;并应尽可能达到均衡电位的条件，接地装置要适用、耐久;同时必须达到规定接地电阻的要求，膜结构建筑常采用基础钢筋作自然接地体，通常采用联合接地方式，要求接地电阻＜1Ω。

2.6 合理布线

各种金属管线和防雷系统有直接或间接的关系，因此必须考虑建筑物内部的电力系统、电讯系统、照明系统、电子系统和各种金属管线的布线位置、走向和防雷系统的距离之间的关系，重要建筑物内各种电气线路都必须穿金属管或采用金属屏蔽电缆，而膜结构建筑各种竖向的管道、金属支架等均宜在上下与防雷系统可靠连接。

3 膜结构建筑物防雷设计

3.1 膜结构建筑体系

膜结构(Membrane Structure)，也即张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜结构建筑物由膜材、钢索、支柱和基础构成，且膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障，需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构［3］。

膜结构建筑物基础分为钢筋混凝土独立基础和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。施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后和钢柱相连。

膜结构建筑物采用预制构件，不允许现场钻孔、焊接。主钢架(梁、柱)为焊接型钢或热轧型钢，以充分发挥高强度钢材的力学性能。次构件(檩条)为高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型钢，和主钢架采用螺栓连接。围护系统(墙体、屋顶)采用膜材，大多采用自攻螺栓和檩条(屋面檩条或沿墙檩条)连接。

3.2 膜结构建筑物防雷设计

膜结构建筑物防雷应根据建筑形体、建筑场地雷击统计特征，采用避雷针或避雷带，具体导电功率根据膜面覆盖空间决定［2］。其防雷设施主要包括接闪器、引下线和接地体三部分，膜结构防雷做法见图1。

图1 膜结构防雷示意

3.2.1 接闪器

接闪器位于防雷系统的顶部，其作用是利用其高出被保护部位，把雷电引向自身，承接直击雷放电。膜结构建筑物利用钢桅杆柱顶的突出金属构件作为防雷系统的接闪器。为了保证接闪器符合要求，在进行膜结构基础施工时，电气专业人员应向土建人员提供地脚螺栓和混凝土要求的资料。在浇筑基础混凝土同时，将地脚螺栓预埋在支座内，并与基础内的钢筋焊接，待混凝土强度符合要求后，再安装避雷针，连接引下线。避雷针、避雷带、避雷网保护范围计算有多种方法，一般采用“滚球”计算法，其具体计算过程参见《建筑物防雷设计规范》(GB 50057－94)。

3.2.2 引下线

当支承膜面的钢构桅杆、柱采用油漆或镀锌防腐时，可将钢构桅杆、柱直接作为避雷线和垂直接地导电线。《建筑物防雷设计规范》(GB 50057－94)第4·2·3条已经作了规定。规范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、接地装置做了可靠连接，那么它们都可作为引下线。针对《建筑物防雷设计规范》(GB 50057－94)第4·2·5条的规定，即是否要对地上1·7 m至地下0·3 m一段作为引下线的钢柱采取保护措施。笔者认为没必要。第一，不用担心钢柱容易受到机械损坏;第二，钢柱本身做了防腐处理，含绝缘被覆层，也起到一定的防护作用。当桅杆采用喷塑防腐，尚应加避雷线，桅杆可作为地线，基础混凝土电阻较大，一般不满足避雷导电的要求，需在桅杆基座附加有效接地体。

3.2.3 接地体

膜结构接地轴测设计见图2，其基础处接地详图见图3。膜结构接地体应符合以下要求。

(1)材料规格，接地体、埋地接地线必须采用镀锌件，一般常用L50×50×5的镀锌角铁或管径大于40 mm且壁厚大于3.5 mm的镀锌钢管。

(2)埋设深度，接地体顶面埋设深度不应小于0.6 m，角钢或钢管应垂直配置，为减少相邻接地体的屏蔽作用，垂直接地体的间距不宜小于其长度的两倍，水平接地体的间距应不小于5 m。

(3)跨线设置，利用膜结构自身的各种金属构件作为接地线，应保证完好的电气通路。膜结构自身的金属构件如为串联时，应在其串联部位焊接金属跨线连接。

(4)接地体、线连接，接地线连接采用焊接，对扁钢的搭焊长度应为扁钢宽度的两倍且至少三边焊接，圆钢的搭焊长度为直径的6倍。

(5)接地体安装，角铁或钢管打入地下的一端加工成一定的形状，当为一般松软土壤时，切成斜面形状，为避免打入时受力不均使钢管歪斜，也可加工成扁尖形。当土质坚硬时，将尖端加工成锥形。

4 结束语

膜结构建筑，由于结构的特殊性，其防雷设计既有普遍性，又有独特性。防雷设计作为膜结构建筑设计的一个重要部分，本文对此进行了阐述和分析，可为膜结构工程设计提供一定参考。

图2 膜结构接地轴测

图3 膜结构基础处接地

［1］GB 50057－94建筑物防雷设计规范［S］

［2］陈务军．膜结构工程设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004

［3］何栋梁．圆锥形及双曲抛物面形膜结构体形系数研究［J］．湖南城市学院学报(自然科学版)，2009(4):12－15