屋面露天场所的直接雷击防护

杨 晓 东

(江苏筑森建筑设计有限公司, 江苏 常州 213000)

屋面露天场所的直接雷击防护

杨 晓 东

(江苏筑森建筑设计有限公司, 江苏 常州 213000)

设置在屋面的露天活动场所,即使按照规范要求已设置接闪器,但依据滚球法和雷闪数学模型的原理,屋面人员仍可能直接遭受雷击而产生伤亡。针对此情况,进行了风险评估的计算分析。依据计算结果,采用风险管理的方法提出相应的防护措施,以降低雷击的伤害。

屋面露天场所; 直接雷击; 接闪器保护范围; 风险管理

0 引 言

由于城市用地紧张及成本上升,越来越多的建筑开始开发屋顶,作为停车场、运动场或用于经营活动。屋面人员在这样的屋面露天场所长时间活动,有可能遭受直接雷击而造成伤亡,所以须加以适当的防护。

1 规范对屋面露天场所的相关要求

JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》中第11.5.5条要求:屋面露天汽车停车场应采用避雷针、架空避雷线(网)作接闪器,且应使屋面车辆和人员处于接闪器保护范围内。该条文仅针对屋面的露天汽车停车场。

2 接闪器保护范围的含义

接闪器的保护范围可采用网格法和滚球法来确定。上述场所中,由于使用需要或美观要求,很多情况下不采用架空接闪带(线)作接闪器,而只会设置不定数量和形状的接闪杆、接闪带或金属构件,此时一般采用滚球法。

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第5.2.12条规定:用许多防雷导体(通常是垂直和水平导体)盖住需要防雷的空间,即用一定半径的球体滚过上述防雷导体时不会触及需要防雷的空间,通常被称为滚球法。滚球法基于雷闪数学模型(电气—几何模型),其关系式为

(1)

式中:hr——雷闪的最后闪络距离(击距),即滚球半径,m;

I——得到保护的最小雷电流幅值,kA。

当雷电流≥I时,闪电将击于接闪器,即被接闪器截收;当雷电流

3 屋面人员直接遭受雷击的情况分析

即使按GB 50057—2010规定的滚球半径来设置接闪器,保护范围覆盖了整个建筑(包括屋面),也还是有部分闪电会穿过接闪器。这部分闪电的电流幅值较小,击中建筑物后对结构主体和建筑物内的人、物产生的危害较小,造成损失的概率较低。所以,发生这种情况的风险往往是可以承受的。

但是,对于暴露于屋面露天场所的人员,这部分闪电穿过接闪器的拦截后,就可能直接击中人体。虽然其电流幅值属于闪电中较小的,但人体已不能承受(与45 m滚球半径对应的雷电流幅值为10 kA)。一旦被击中,就可能受伤甚至死亡。

所以,有必要对屋面露天场所的人员直接遭受雷击的风险进行评估,即使人员都在接闪器的保护范围内。

4 常用雷击风险评估方法

风险评估是指为了衡量风险而对特定风险做评价与估算的过程。风险管理依据风险评估的结果,结合各种技术、经济、社会及其他有关因素对风险进行管理决策,并采取相应控制措施的过程。

按雷击点的不同位置,雷击造成损害的原因分为以下四种。S1:雷击建筑物;S2:雷击建筑物附近;S3:雷击服务设施;S4:雷击服务设施附近。

雷击引起的基本损害类型分为以下三种。D1:人畜伤害;D2:物理损害;D3:电气和电子系统故障。

雷击引起的损失类型分为以下四种。L1:人身伤亡损失;L2:公众服务损失;L3:文化遗产损失;L4:经济损失。

建筑物各类损失风险需考虑的各种风险分量如表1所示。

表1 建筑物各类损失风险需考虑的各种风险分量

各种风险分量都分别有计算方法,以RA1为例:

RA1=NDPALA

(2)

式中:RA1——雷击建筑物造成的损失概率;

ND——雷击建筑物年均危险事件次数;

PA——雷击建筑物造成人畜伤害的概率;

LA——人畜伤害的损失率。

人身伤亡损失风险R1=RA1+RB1+RC1+RM1+RU1+RV1+RW1+RZ1,标准容许的人身伤亡损失概率RT=10-5/a。在雷击风险管理中,如果R1≤RT,则无需增加防护措施;如果R1>RT,则还需增加适当的防护措施来降低R1。

5 屋面人员直接遭受雷击的风险评估方法

根据屋面人员直接遭受雷击的具体状况,对计算方法进行调整,对雷击风险评估采用的参数进行重新定义和取值。

RF=NDPALA

(3)

式中:RF——雷击屋面活动空间造成人员伤亡损失的概率;

ND——雷击屋面活动空间年均危险事件次数;

PA——雷击屋面活动空间造成人员伤害的概率;

LA——人员伤害的损失率。

RF与RA1的区别如下:

(1)RA1为雷击建筑物造成的损失概率,RF为雷击屋面活动空间造成的损失概率,两者计算的雷击部位不同。

(2)RA1为雷击建筑物后因危险的接触电压和跨步电压导致的损失概率,RF为屋面活动空间内的人员直接遭受雷击造成的损失概率,两者计算的损失原因不同。

RF、RA1和其他风险分量一起计入R1,再与标准容许的人身伤亡损失概率RT进行比较,以此决定是否还需增加防护措施。

需注意,由于屋面人员可接近防雷装置(或直接接触),容易因接触电压和跨步电压而遭受电击,计算RA1时要做相应调整,或有针对性地增加保护措施,如对引下线做遮拦或绝缘处理、对地面加电位均衡措施等。

6 ND计算方法

ND=NGADCD/106

(4)

NG=0.1TD

AD=LW+6H(L+W)+9πH2

式中:NG——每年每平方公里雷击大地的次数;

AD——雷击截收面积;

TD——当地的年平均雷暴日,取35.7;

CD——建筑物的位置因子;

L、W——建筑物屋面的长度、宽度;

H——建筑物屋面的高度加2.5 m。

所需计算的活动空间是屋面至其上方2.5 m的高度(2.5 m为人体垂直伸展手掌时,人体站立的地方距人体手指尖的高度)。

屋面用来作为活动场所后,一般会把接闪器架高来对人员进行防护。如果周边接闪器的高度超过屋面2.5 m,则建筑屋面投影以外的雷击将全部被接闪器截收,不会击中屋面活动空间,此时雷击截收面积只考虑建筑屋面投影面积,即AD=LW。

CD按GB/T 21714.2—2008的表A.2取值。当屋面周边接闪器的高度超过屋面2.5 m时,不再受周围建筑物或树木的影响,CD取1。

7 PA计算方法

PA=PTPF

(5)

式中:PT——雷击屋面活动空间造成人员伤害的概率,无保护措施时取1,采取一些保护措施后可降低此概率;

PF分两种情况:

(1) 接闪器安装位置低于或等于活动空间上沿(屋面上方2.5 m)时,活动空间得不到任何保护,PF取1。

(2) 接闪器安装位置高于活动空间上沿(屋面上方2.5 m)时,不同位置(距接闪器的距离不同)的闪电穿过接闪器的概率不同。所以,PF为对屋面各点分别计算后得到的平均概率。

8 LA计算方法

LA=LT(nz/nt)tz/8 760

(6)

式中:LT——闪电击中屋面活动空间导致人员伤害的损失概率,按不同类型取值,运动场取1,停车场取0.1;

nz/nt——屋面活动空间内人数占整个屋面人数的比例,取1;

tz——每年人们在屋面活动空间内存在的时间,h。

关于tz,本文学校运动场取1 800(9 h/d×200 d/a),商业配套的停车场取3 650(10 h/d×365 d/a)。

9 按雷电流幅值计算雷电发生概率

对于雷电流幅值与雷电发生概率的函数关系,IEC 62305-2:2010给出了部分数据。大于某电流值的雷电发生概率如表2所示。用1减去表2中的概率值,就是小于某电流值的雷电发生概率,如表3所示。

本文的计算采用表3的数据进行插值,得到雷电发生概率对雷电流幅值的连续函数。

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表2 大于某电流值的雷电发生概率

表3 小于某电流值的雷电发生概率

10 屋面雷电发生平均概率PF的计算

根据滚球法原理,当滚球半径为r,接闪器位置比所要保护的平面高出h时,可推得接闪器在该平面上能保护的最远距离为

d=[r2-(r-h)2]0.5=[h(2r-h)]0.5

(7)

若滚球半径为r,接闪器与所要保护的平面上最远点的距离为d时,就要求接闪器位置比所要保护的平面高出为

h=r-(r2-d2)0.5

(8)

若接闪器位置比所要保护的平面高出h,接闪器与所要保护的平面上最远点的距离为d时,对应的滚球半径为

r=(d2+h2)/(2h)

(9)

如果接闪器已按45m滚球半径对整个平面实施保护,根据雷闪数学模型,45m滚球半径对应的雷电流幅值为10kA。由表3数据可知,90%的闪电被接闪器截收,其余10%的闪电(雷电流幅值<10 kA)将能穿过接闪器的拦截,击中要保护的平面。

但上述概率只对应距接闪器最远处(r=45 m),其他距接闪器较近处,依式(9)计算得r≤45 m,能穿过接闪器的闪电概率小于10%,须按该处的滚球半径进行计算。

计算得各处闪电穿过接闪器的概率后,再通过积分运算就可算出整个平面上的平均概率,即风险评估需要的PF。

11 影响PF的主要因素

影响PF数值的主要因素有以下几种:

(1) 接闪器类型。重点讨论两种,一种是两根平行安装在同一高度的接闪带,另一种是四根正方形布置的等高接闪杆。其他类型和布置方式的接闪器与此类似。

(2) 接闪器的安装间距。最大滚球半径为45 m时,不同安装间距下的PF值如表4所示。由表4可看出,安装间距对PF的影响较小。

表4 不同安装间距下的PF值

(3) 不同最大滚球半径下的PF值如表5所示(安装间距为10 m)。一般防雷设计时,会按某个滚球半径(如45 m)对接闪器的保护范围进行复核,是否能全部覆盖,此时最不利点(距接闪器最远)的滚球半径最大。由表5可看出,PF受最大滚球半径的影响较大。

表5 不同最大滚球半径下的PF值

12 案例分析

某商业配套的屋面停车场大小为85 m×42 m×10 m(长×宽×高),已结合室外照明的灯杆装设接闪杆,间距为8.4 m,对屋面上方2.5 m处实施保护(滚球半径为45 m)。

ND=3.57×3 570×1/106=0.012 74

PA=1×0.016 24=0.016 24

LA=0.1×1×3 650/8 760=0.041 67

RF=0.862 1×10-5

虽然RF<1×10-5,但与其他风险分量一起计入R1后可能导致R1超标。

按滚球半径为45 m核算保护范围,灯杆高度只需2.9 m,如果加高到3.5 m,最大滚球半径为18.14 m,计算得PF=0.005 085,此时RF=0.27×10-5,这为将R1控制在1×10-5以内留了余地。

某学校屋面运动场大小为90 m×19 m×15 m(长×宽×高),运动场中间无法安装架高的接闪器,只能在屋面周边装设接闪带。在女儿墙上架设围栏,并在其上装设接闪带,高度为3.5 m,按滚球半径为45 m核算,正好可保护屋面活动空间。

ND=3.57×1 710×1/106=0.006 104 7

PA=1×0.023 1=0.023 09

LA=1×1×1 800/8 760=0.205 5

RF=2.897×10-5

RF>1×10-5,但超标不多,可以想办法将其降低。由于运动场中不能增加接闪器,围栏高度无法再加高(已有3.5 m),前例(停车场)的方法(减小最大滚球半径)不能采用。

可通过增加防护措施,将参数PT降低到0.1或更低,主要是采用一些管理手段,如设置警示牌、加强安全教育、专设管理人员、在多雷电的季节限制使用等,也可增加一些技术手段(如使用雷电预警系统)。

13 结 语

要降低屋面露天场所人员直接遭受雷击的危险,主要可通过以下三个方面的手段:

(1) 降低闪电击中层面活动空间导致人员伤害的损失概率,在屋面上尽量只建人员少、停留时间短的场所(如停车场),少建有大量人员长时间活动的场所(如运动场)。

(2) 降低闪电穿过接闪器,击中屋面活动空间的概率,尽可能发挥接闪器的作用,降低雷击风险的作用,在条件允许时可提高设置标准(减小最大滚球半径)。

(3) 降低雷击屋面活动空间造成人员伤害的概率,采用各种手段,使人们尽量避开雷击。

因此,在实际工程设计中,需要进行科学合理的风险评估和风险管理方法,才能有效地降低雷电的危害,保护人身安全。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[2] GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范[S].

[3] 杨伟民,李阳斌,李翠华.高层民用建筑雷击风险评估设计思想及实例分析[J].现代建筑电气,2014,5(5):49-52.

Direct Lightning Protection in Open Space of Building Roof

YANG Xiaodong

(Jiangsu Archi-center Architectural Design Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

According to the theory of rolling ball method and the electro-geometric model,people in open space of building roof may be injured by the direct lightning strikes,even if the lightning arrester was set up.This paper analyzed the calculating of risk evaluating.According to the calculating results,the corresponding protection measures were proposed by the risk management method in order to reduce the damage of the direct lightning strike.

open space of building roof; direct lightning strikes; protective range of lightning arrester; risk management

杨晓东(1969—),男,高级工程师,从事建筑电气设计方面的研究。

TU 856

B

1674-8417(2015)01-0019-05

2014-10-15