大跨度建筑物防雷电侧击探究

徐彬彬 彭哲文 刘日棋

(丽水市防雷中心,浙江丽水 323000)

大跨度建筑物防雷电侧击探究

徐彬彬 彭哲文 刘日棋

(丽水市防雷中心,浙江丽水 323000)

近年来,随着地方经济的迅速发展,群众的精神文化及体育健身要求也越来越高,随之配套的大型场馆不断拔地而起,该类建筑为了满足其功能要求,往往设计为大跨度结构,此类建筑外形设计对雷电防护提出了更特别的要求,其外形特点决定不能按照普通防雷电侧击方法对其进行防护。必须探究与其相适应的新型防雷电侧击方法。

大跨度建筑物 防雷电侧击

随着人类文体活动的要求不断增长，大跨度、大空间，无立柱支撑结构的建筑物因其内部空间不受限制，可以满足举办大型展览，大型体育活动又不受天气影响的优点，越来越受到人们青睐。早在公元前27年，罗马城内就已经建造了穹顶直径达43.3m且无立柱支撑的万神庙。近年来，随着我国国力的增强，大型体育及博览会不断在国内举办，大跨度结构的建筑物层出不穷，国家大剧院，世博文化中心等都是近期的新建项目，这些建筑外形线条优美，浑然天成，但对雷电防护却提出了新的要求，本文将根据国标的基本原则，就鹅蛋形大跨度建筑物如何防护雷电侧击进行探讨。

图1

图2

图3

1 大跨度建筑物结构特点

1.1 网架结构

由多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构称之为网格结构，其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。

图4

图5

图6

网架结构的形式：(1)平面桁架系组成的网架结构。主要有：两向正交正放网架、两向斜交斜放网架、两向正交斜放网架、三向网架等型式。(2)四角锥体组成的网架结构。主要有：正放四角锥网架、斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、星型四角锥网架、单向折线型网架等型式。(3)三角锥组成的网架结构。主要有：三角锥网架、抽空三角锥网架(分Ⅰ型和Ⅱ型)、蜂窝形三角锥网架等型式。(4)六角锥体组成的网架结构。主要形式有：正六角锥网架。网架结构的主要特点为传力途径简捷；重量轻、刚度大、抗震性能好；施工安装简便；网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提高生产效率；网架的 平面布置灵活，屋盖平整，有利于吊顶、安装管道和设备；网架的建筑造型轻巧、美观、大方，便于建筑处理和装饰。

1.2 网壳结构

曲面形网格结构称为网壳结构，有单层网壳和双层网壳之分。网壳的用材主要有钢网壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。网壳结构的形式主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。网壳结构主要特点兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理；结构的刚度大、跨越能力大；可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；安装简便，不需大型机具设备，综合经济指标较好；造型丰富多彩，不论是建筑平面还是空间曲面外形，都可根据创作要求任意选取。

1.3 悬索结构

悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支撑系统三部分构成。用于 悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束，钢绞线或钢缆绳等，也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。

悬索结构形式：悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。

悬索结构的特点：悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，可充分利用钢材的强度；悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面；由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻，安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。

除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、薄壳结构、膜结构、点连接玻璃幕墙支承结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。比如点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统，使这种结构系统不仅起到支承作用，而且具有很强的结构表现功能；索穹顶结构则完全体现了fuller关于“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想，是由连续的拉索和不连续的压杆组成的一各受力合理、结构效率极高的结构体系。

2 大跨度建筑物防侧击雷探索

近年来，大跨度建筑物不断的拔地而起，由于其建筑结构特点决定其覆盖面积广，建筑高度相对较低，根据国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010版，在各地区的防雷设计审核中，往往把该类建筑物划归为二类人员密集场所，要求做好相应的防直击雷措施，防雷电感应及雷电波入侵措施，而对于更为重要的防雷电侧击措施，却往往因为其建筑高度未达到国标的45m的起始高度而未提出相应要求，因此，设计方在设计中未考虑其相应的防侧击雷设计，导致施工过程中缺乏侧击雷措施的施工过程，为以后该类建筑的安全使用埋下了安全隐患。

大跨度建筑物大量采用结构简单，重量轻，安装方便的钢结构，部分壳体建筑外表面还采用金属覆板，而空中雷云等效带电中心向地面分级发展是电场畸变和能量损耗过程，同时也是一个寻找最佳能量释放途径的过程，发展方向是随机的，依据头部附近空中电场畸变结果而不断调整，其对某一目的物的定位决定于先导前方电场的强度和分布情况，随机的雷电先导每一次分级跃变都是选择的必然结果。雷电先导电场的大小，是接闪器产生迎面先导大小的决定因素。接闪器迎面先导对随机雷电先导的拦截能力，是后者能否对接闪器定位的关键。不同材质、不同形状处在不同高度的接闪器，发生迎面先导的能力不同，对雷电先导的拦截高度不同，亦即最后定位高度不同，因此，跟普通高层建筑物只在顶端安装有接闪器的部分容易产生迎面先导不同，大跨度建筑物整个外表面发展成迎面先导的机会基本均等，对其进行侧击雷的防护，不能一味死板的按照50057-2010的要求，从45m高度开始采取侧击雷的措施，而是应该根据更加科学的雷电击距原理和滚球法原理对起始高度进行更加严格的计算。

如图1所示，该建筑为某市一新建体育馆，外形为新型壳体结构，内部为钢结构，高度33.0m，表面覆盖铝板，顶部分布36个导光管。主体分两个部分，东侧为一会展中心，西部为体育馆，可以承办国家级赛事。

按照常规防雷设计审核标准，将其划归为二类防雷建筑物，因其主体高度为33m，未达到二类防雷建筑物从45m起采取防侧击雷措施的标准，因此，初步审核可以不做防侧击雷措施。我们采用滚球法，对其建筑物外立面进行滚球计算，以地面为45m半径滚球的一个支点，沿着建筑物外表面进行滚动。东西轴滚球示意图(图2所示)，滚球与建筑物的触点，东面为29.65m(图3所示)，西面为13.26m(图4所示)，南北轴线滚球触点为8.802m(图5所示)，南北轴滚球示意图(图6所示)。

根据图示，滚球与建筑物触点都低于45m以下，触点其上的空间，从图示效果来看，都处于雷击非保护区。该项目的防侧击雷设计应当考虑在防雷设计中，且其起始高度应从触点最低点8.802m开始。其次，还有一些圆壳体类建筑的侧击雷起始高度分析，应当根据滚球作图法，在地面上寻找一个支点，取滚球面与建筑物表面相切的点作为起始高度，从该高度开始，做防侧击雷的措施，才能保证建筑物主体的安全。

3 综合结论

根据本文的分析，在二类建筑防侧击雷的问题上，广大的防雷工作者对报审的建筑物应该区别对待，普通长方体类住宅或商业用房，我们可以根据国标的规定，对其45m高度以上要求做防侧击雷措施，但对那些大跨度的建筑物，不能笼统的认为其高度较低而不用防侧击雷，而应该根据其外表面特点，采用滚球法确定其防侧击雷高度，保证建筑物在今后使用中免受雷电困扰，给建筑开发单位及用户一个安全的保证。

[1]王惠忱《雷电扰击机理分析》.HIGH VOLTAGE ENGINEERING,1999,9．

[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010.