《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估

张 雷，李丽平，涂慰云，施宗强，应凌云，李 霖

（1.南京信息工程大学，南京 210044；2.福建省南平市气象局，南平 353000；3.福建省南平市延平区气象局，南平 353000；4.福建省南靖县气象局，南靖 363600）

《印象大红袍》是由张艺谋、王潮歌、樊跃共同组成的“印象铁三角”领衔导演的继《印象刘三姐》、《印象丽江》、《印象西湖》、《印象海南岛》后创作的第五个印象作品，是全世界唯一一个展示中国茶文化的大型山水实景演出，其观众席采用全球首创的可360°旋转的观众席，每5min就可完成一周的旋转，舞台视觉总长度达12 000km.据有关统计，全球每年大约发生1.0×1010次雷暴，平均每天发生8.00×106次，其中对人类危害最大的地闪每秒钟就有30～100次发生，因雷电灾害具有瞬时性、分散性、广泛性以及频繁性，其已经被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”［1］.雷电灾害风险评估是根据项目所在地雷电活动时空分布特征及其灾害特征，结合现场情况进行分析，对雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，从而为项目选址、功能分区布局、防雷类别（等级）与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建设性意见的一种评价方法［2］.本文根据《印象大红袍》旋转观众席的结构特性、地理位置等因素对其进行了雷电灾害风险评估，计算出了《印象大红袍》旋转观众席因雷击造成的人员生命损失风险以及经济损失风险，并有针对性地提出了有助于降低人员生命损失风险及经济损失风险的指导意见.

1 《印象大红袍》旋转观众席概况

《印象大红袍》是福建省武夷山市倾力打造的重点文化旅游项目，观众席可360°旋转，其直径为46.6m，投影面积为1 705m2，高度为0.18～16m 左右，呈马蹄形状，全钢结构.整个圆台可承载观众2 000人同时旋转，采用10台液压马达并联驱动，外缘线速度为0～0.5m／s，并可根据演出需要在任意位置停止旋转，定位准确.设备电源采用三相五线制，电压380V，电源采用TN－S系统，由低压配电间引至机械旋转观众席开关柜.其坐落在武夷山国家旅游度假区武夷茶博园西南角，崇阳溪东侧河岸，背倚风光绮丽的武夷大王峰和九曲溪，从图1（a）可看出《印象大红袍》旋转观众席处于水陆交接处，从图1（b）可看出《印象大红袍》旋转观众席周边无高大建筑物，从四周环境分析可知，《印象大红袍》旋转观众席所处区域非常空旷，且属于非常孤立建筑物，因此极易遭受雷击.

2 《印象大红袍》旋转观众席的防雷装置设计概况

图1 《印象大红袍》旋转观众席周边环境及建筑物情况Fig.1 The environment and buildings around the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

《印象大红袍》旋转观众席为露天观众席，按第二类防雷建筑物进行设计，采用避雷针作为接闪器；设备电源采用三相五线制，电压380V，电源采用TN－S系统，由低压配电间引至机械旋转观众席开关柜；进出旋转观众席上设备间的弱电信号均采用无线信号；利用建筑物基础作为接地装置，防雷接地、保护接地及弱电接地共用一接地体，接地电阻≤1Ω.

3 《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估

3.1 《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估标准的选择

目前，国际通用的雷电灾害风险评估标准有IEC61662、ITU－TK.39以及IEC62305等标准，国内通用的雷电灾害风险评估标准有GB50057、GB50343以及GB／T 21714.2等标准，《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估标准选择采用中华人民共和国气象行业标准QX／T 85—2007.

3.2 《印象大红袍》旋转观众席雷电损害的成因分析

根据GB／T 21714雷电防护等标准对雷电灾害损害与损失的分析，笔者认为雷电对《印象大红袍》旋转观众席的损害成因有以下5种：①直接雷电引起的着火、爆炸、机械效应及化学效应；②直接雷电下的接触电压和跨步电压；③间接雷电下设备上的过电压；④直接雷电下设备上的过电压；⑤间接雷电引起的着火、爆炸、机械效应和化学效应［3－5］.

3.3 《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估的参数选定

经分析，人员生命损失和经济价值损失可能会涉及到《印象大红袍》旋转观众席，因此本次评估只针对与其相对应的人员生命损失风险R1和经济价值损失风险R4加以评估.雷电灾害风险评估最大的难点是评估模型中各参数的选定［6］，因为每个参数选定的精确度将直接影响到最后的评估结果.表1～3列出了《印象大红袍》旋转观众席雷电灾害风险评估模型中所有涉及的参数，现将其中比较难选定的部分参数选择过程进行说明.

（1）因该项目与其他建筑物间的弱电信号均通过无线传输，即无外接引入信号线，所以本次评估不考虑雷击该项目信号线路造成的人畜伤害以及建筑物物理损害的风险分量.

（2）观众席的高度（H）.观众席呈马蹄形，高度从0.1～16.7m，考虑到观众席为露天，遭受雷击的后果比较严重，所以高度取16.7m，详见表1.

（3）直接雷击致生物触电概率（PA）.《印象大红袍》旋转观众席为全钢结构，且整个观众席铺设了绝缘材料，但考虑到打雷的天气通常都有下雨的现象，一旦观众席遭受雷击，人员触电风险比较高，故PA值取1×10－2，详见表1.

（4）外部防雷装置LPS（PB）.按图纸设计，《印象大红袍》旋转观众席的直击雷防护采用三根不等高避雷针，如图2所示，但经计算发现当1.8m 的观众站在舞台中央（高度为4.6m）时《印象大红袍》旋转观众席的避雷针B、C不能对人进行有效的保护，如图3所示，且避雷针A、B之间的部分弧形舞台及未在避雷针保护范围之内［7］，如图4所示，避雷针A、C之间的部分弧形也未在接闪器保护范围之内，计算方法同上，故PB取值为2×10－1，详见表1.

图2 《印象大红袍》旋转观众席避雷针位置Fig.2 The location of the lightning rod of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

图3 《印象大红袍》旋转观众席避雷针B，C保护范围示意图Fig.3 The range of protection diagram of lightning rod B and C of the rotating auditoriumof the Show Impression of Da－Hong－Pao

图4 《印象大红袍》旋转观众席避雷针A、B保护范围示意图Fig.4 The range of protection diagram of the lightning rod A and B of the rotating auditorium of the show impression of Da－Hong－Pao

（5）根据图纸及现场勘查，配电房变压器低压侧以及旋转观众席电源控制柜未见有电源SPD 的设计与安装，故PSPD取值为1，详见表2.

表1 《印象大红袍》旋转观众席的特征参数表Tab.1 The characteristic parameter tableof the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表2 《印象大红袍》旋转观众席引入电力线路数据特征表Tab.2 The power line data feature table introducing the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表3 《印象大红袍》旋转观众席内部特征数据表Tab.3 The internal feature data table introducing the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

3.4 雷电灾害风险值计算

参数选定后，根据规范QX／T 85—2007中给定的公式，先后计算出旋转观众席及相关引入设施截收面积（表4）、预计年累计雷击次数（表5）以及人员生命、经济损失风险（表6）等值（表4～6中的方程引自本文参考文献［3］）.

表4 《印象大红袍》旋转观众席及引入设施截收面积计算结果表Tab.4 The results table of the introducing facilities of intercept area of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表5 《印象大红袍》旋转观众席年雷击次数Tab.5 The annual number of lightning strikes of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

表6 《印象大红袍》旋转观众席人员生命、经济损失风险计算结果表Tab.6 The results table of the loss of human lives and economic losses of the rotating auditorium of the Show Impression of Da－Hong－Pao

3.5 雷电灾害风险评估结论

QX／T 85—2007附录G 规定当雷击涉及人员生命损失时，风险容许值RT＝10－5，通过以上计算可知，《印象大红袍》旋转观众席由雷击造成的人员生命损失风险R1＝4.2×10－5大于规范规定风险容许值RT；QX／T 85—2007等相关规范虽然没有规定经济损失风险的容许值，但通过以上计算可知，《印象大红袍》旋转观众席由雷击造成的经济损失风险R4＝9.53×10－4，相较于R1要高出很多，另外，该项目在灯光、舞台等演出设备投资巨大，降低经济损失的风险值将有效提高演出设备的安全性，因此，从雷电灾害风险评估的角度认定《印象大红袍》旋转观众席的雷电防护措施是不完善的，为保证人员安全、减少经济损失，应全面完善《印象大红袍》旋转观众席的雷电安全防护措施，进一步降低可承受风险值.

3.6 风险降低措施及分析

通过对表6的分析可知，造成人员生命损失风险过高的主要分量在于RB、RV，二者贡献的风险分量占人员生命损失风险总量的99%以上，造成经济损失风险过高的主要分量在于RV，其贡献的风险分量占经济损失风险总量的59%以上，因此《印象大红袍》旋转观众席的雷电防护措施只针对RB、RV这两个参数进行以下改进：

1）完善消防系统［8］，采取固定的自动灭火装置和自动报警装置；

2）因观众席设计出口单一，且不可改变，只有完善应急疏散预案，平时加强应急疏散演练，才能降低特殊危害的等级，达到低度恐慌；

3）因《印象大红袍》旋转观众席的防直击雷措施不完善，使得LPS（0.2）等级偏低，因此需加强直击雷防护措施，使LPS 等级达到Ⅱ类［9］；

4）在配电房低压侧安装第一级SPD，在旋转观众席控制柜安装第二级SPD，才能有效地减少雷电对电源线路的危害［10］；

5）电源线缆采用有屏蔽层的电缆，并且两端要可靠接地.

实施上述措施后，下列评估参数发生了变化：

采取以上整改措施后，有效地将《印象大红袍》旋转观众席人员生命损失风险R1降低到QX／T 85—2007规定的容许值以下，并且大大降低了经济损失风险R4的风险值.

4 对《印象大红袍》旋转观众席防雷措施的建议

采取本文3.6的改进措施后，从计算结果可以看出，《印象大红袍》旋转观众席的雷电灾害风险降到了容许值以下，但从观众及工作人员的安全角度考虑，笔者认为《印象大红袍》旋转观众席雷电防护还应做好以下几点：

（1）采取主动防御措施.《印象大红袍》旋转观众席位于水陆交界处，属于露天演出场所，人员十分密集，且演出过程中观众处于金属体之上，诸多因素决定了该区域较其他地区更易遭受雷击.为预防和减少雷击事件的发生，最好的方式就是在演出场地附近安装闪电定位仪、大气电场仪等雷电预警有关的设备并及时的了解时时天气信息，如果预计演出时会有雷暴发生，主办方就不要组织演出.

（2）改善直击雷防护措施.通过本文的分析可知，现有的接闪装置不能保护整个观众席及观众席上的人员，建议采取增加避雷针高度等措施改善《印象大红袍》旋转观众席的直击雷防护效果.

（3）当《印象大红袍》旋转观众席上空电闪雷鸣时，如果观众不能及时撤离，应尽量降低重心和减少人体与地面的接触面积，可蹲下或坐在座位上，双脚并拢，手放膝上，身向前屈，临时躲避，如能披上雨衣，防雷效果就更好.

本文针对雷击《印象大红袍》旋转观众席的损害成因，根据《印象大红袍》旋转观众席的结构特性、地理位置等因素对其进行了雷电灾害风险评估，计算出了《印象大红袍》旋转观众席因雷击造成的人员生命损失风险以及经济损失风险，并有针对性地提出了有助于降低人员生命损失风险以及经济损失风险的指导意见，文中还从人员安全角度考虑对《印象大红袍》旋转观众席雷电防护措施提出来几点建议.目前国内有许多露天的演出舞台或观众席，本次评估为设计师以后设计这些场所的防雷工程方案时提供了参考价值.

［1］孙蔡亮，宋木泉，康国山.LNG 分输站雷电风险评估论［J］.天然气工业，2010，30（7）：1－4.

［2］杨仲江，赵景昭.热电厂雷电灾害案例分析与防护对策［J］.灾害学，2008，23（2）：80－82.

［3］中国气象局.QX／T 85—2007雷电灾害风险评估技术规范［M］.北京：气象出版社，2008.

［4］GB／T 21714—2006.雷电防护［S］.

［5］ITU－TK.39.1996标准通信局站雷电损坏危险的评估［S］.

［6］马民书.风险论［M］.北京：军事出版社，2000：10－20.

［7］GB 50057—2010.建筑物防雷设计规范［S］.

［8］曾庆锋，王振会.小型加油站雷击风险评估的灾害分析及防护对策［J］.气象与环境科学，2010，33（1）：89－93.

［9］张永刚，肖稳安，李 虹，等.气象信息系统雷电防护常见问题的解决方法［J］.气象与环境科学，2007，30（2）：83－85.

［10］杨仲江.防雷工程检测审核与验收［M］.北京：气象出版社，2005.