基于CAD作图法的位置因子精细化雷击风险评估的研究

李鑫　叶博　乐辉

摘要：位置因子作為雷击风险评估中风险风量计算的重要参数，其取值大小直接影响评估结果的准确性，现行雷击风险评估标准中给出的位置因子的取值，为典型经验值，取值的随意性导致了计算结果缺乏针对性，产生较大误差。针对以上问题，提出了位置因子的量化计算方法，位置因子应为考虑周围建筑物对评估对象影响时的雷击等效截收面积与其为孤立建筑物时雷击等效截收面积的比值。通过常见住宅小区进行实例计算，分析了现行计算标准的不足，验证了量化计算方法的合理性和有效性。

关键词：风险评估；位置因子；量化计算

中图分类号：TM866 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）03-0091-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.03.022

Abstract： An important position as a risk factor of air parameters in the lightning risk assessment calculation，the accuracy of the evaluation results directly affects the accuracy of risk assessment results，location factor given current lightning risk assessment standard of the typical experience of value. The randomness of the value leads to the lack of pertinence of the calculation result and leads to great error. To solve the above problems，the calculation method of quantitative location factors put forward，location factors is the ratio of the thunderstrike equivalent area calculated as the buildings around it are taken into consideration to that of the thunderstrike equivalent area as the buildings are isolated. Finally，a common residential district is calculated，and the deficiency of the current calculation standard is analyzed. The rationality and validity of the quantitative calculation method are verified.

Key words： risk assessment； location factor； quantitative calculation

雷击风险评估中，位置因子作为年均危险事件次数最主要的参数之一，其大小取值直接影响到风险评估计算的准确性，GB/T21714.2-2008[1]中给出了位置因子的取值表，众多学者对其进行了深入研究。马金福等[2]在雷击风险评估中的位置因子的探讨中，分析了周边建筑物对评估对象截收面积的实际影响；甘庆辉等[3]按滚球半径计算绕击的方法，以评估对象的高度及其与周边建筑物的距离，利用电气-几何模型对位置因子的取值进行了探讨，得出位置因子为雷电流大于最大绕击电流的概率；史雅静等[4]根据两种规范的不同提出了具体的计算公式并利用数据拟合的方式推导出一般情况建筑物的精细化计算模型；王芳等[5]结合雷暴路径进行分析，提出了位置因子除了和高度相关还和雷暴路径有关，而位置因子的选取又和雷击截收面积密不可分；文献[6-9]结合建筑物雷击等效截收面积的定义对复杂和不规则建筑物截收面积的计算进行了研究，并得出了近似计算和CAD作图法求解的具体方法。本研究将重点从评估对象周边区域对其截收面积的影响方面对位置因子的取值进行分析计算，提出新的视角和解决思路。

1 位置因子取值

在雷击风险评估中，对于位置因子的取值大小，GB/T21714.2-2008中给出了具体的取值大小（表1），表中提到了一个概念叫做“孤立建筑物”，但在具体的评估过程中，如何认定一个建筑物为孤立建筑物，周围多远的距离内有多高的建筑物，才可以认定一个建筑物是非孤立建筑物，按严格意义说，只有单独一栋建筑物树立在平原大地上才能认为是孤立建筑物[10]，从这个意义上来说，在人口较多的地区很少有评估对象是孤立存在的。表中提到的另一个说法是“周围有相同高度或更矮的以及周围有更高建筑物或树木”， 这里存在同样的问题，如何确定多远的距离算是周围，在一个城市内大部分建筑物都能同时满足这两个条件，既有相同高度或更矮的建筑物又有更高的建筑物，其前提是周围的范围取得足够大。由此可以看出，位置因子在不同计算者取值时存在较大的随意性，同时表1给出的4个离散取值不能体现不同建筑物之间的位置差异性，在具体项目计算中缺乏针对性，会导致误差很大，需要一个更加合理有效的量化计算方法。

2 位置因子的量化计算方法

为了解决位置因子取值不合理的问题，本研究建立了一套位置因子的量化计算方法。由于在GB50057[11]和GB/T21714.2-2008中都提到了一个雷击等效截收面积的概念，相关研究也提到了在计算雷击等效截收面积的时候应考虑周边区域的影响[9]，其实也就是位置因子的影响因素，而不论是考虑滚球半径还是雷暴路径的位置计算方式，其最终影响因素也是周边的区域。所以，本研究通过实际图例来给出位置因子的计算方式。图1是2个相邻非孤立的建筑物的平面图，B为需要计算位置因子的建筑物，A为其周边对其有影响的建筑物。

式中，Ao表示非孤立建筑物的雷击等效截收面积的重叠区域；Ae表示考虑周围建筑物对评估对象影响时的雷击等效截收面积；Ad表示孤立建筑物雷击等效截收面积。计算Ae时不应考虑与周边建筑物雷击等效截收面积重叠的区域，即应该剔除重叠区域的面积，而计算Ad时应将其当做孤立建筑物来计算其雷击等效截收面积。

3 实例计算分析

图2是一个常见住宅小区平面图，假设周边区域都为空地，小区内共有5栋建筑物，位置分布如图2所示，建筑物长度为60 m，宽度为15 m，高度为20 m，5栋建筑物除位置不同之外其他参数完全一致。按GB/T21714.2-2008中现行的计算方法和给出条件，只进行单体建筑物的风险评估。因此，5栋建筑物的位置决定了其位置因子的大小，而位置因子的大小又决定了其年均危险事件次数的大小，由于几栋建筑物雷击风险评估其他取值相同，其雷击风险评估的风险值大小不做具体计算，以其位置因子大小表征其雷击风险的大小。

首先，按GB/T21714.2-2008中给定的取值表（表1）取值，5棟楼的位置因子均为0.5，其雷击风险完全相同，无法体现雷击风险评估计算的实际意义。

其次，可以通过雷电防御常理来判断其位置因子和雷击风险的大小，5号楼处在整个建筑群的最远端，其遭遇雷击的风险应该是最大，其位置因子也应该最大，2号楼处在建筑物的包围圈中，无论雷云从哪个雷暴路径经过，都会被其他建筑物阻拦和分担雷击风险，其雷击风险应该是最小的，位置因子也是最小。

如果用GB50057中平行边的概念计算5栋楼的雷击截收面积进而计算其年预计雷击次数来判断雷击风险，1、3、4、5号楼都有平行边的存在，其雷击截收面积会有一定量的减少，而2号楼由于没有平行边的存在，其雷击截收面积最大，从而其计算的雷击风险最大，该结果不符合常理。

最后，通过本研究提出的量化计算方法（图3），以CAD作图法计算其位置因子分别是1号楼0.524，2号楼为0.079，3号楼为0.651，4号楼为0.724，5号楼为0.896。2号楼雷击风险最小，5号楼雷击风险最大，计算结果与常理相符。

4种方法计算住宅楼小区的5栋建筑物雷击风险如表2所示。由表2可以看出，量化计算方法考虑了周边建筑物的影响因素，给出了定量的位置因子计算方法，消除了雷击风险评估位置因子取值的随意性，不再是定性地根据现场情况固定取值，与常理相符，较为合理。同时使用CAD作图法计算较为方便快捷，在实际应用中较为有效。

4 小结

位置因子作为雷击风险评估中风险风量计算的重要参数，其取值大小直接影响评估结果的准确性。在实际项目中，被评估对象所处环境往往较为复杂，应根据多方面的因素进行截收面积和位置因子的计算，量化计算方法对位置因子的取值具有一定的参考价值，也代表了雷击风险评估的发展趋势，随着防雷体制改革和雷击风险评估法律法规的更新，定量化精细化的工作还任重道远[12-19]。

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会.中华人民共和国国家标准GB/T21714-2008/IEC62305-2：2006雷电防护，第2部分：风险管理[M].秦皇岛：中国标准化出版社，2008.

[2] 马金福，汝洪博，冯志伟.雷击风险评估中的位置因子Cd的探讨[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2012，4（5）：415-419.

[3] 甘庆辉，许 薇，汤 强.电气-几何模型在雷击风险评估中计算Cd值的应用[J].气象与环境学报，2010，26（1）：69-71.

[4] 史雅静，肖稳安，柴 健，等.雷击风险评估中位置因子的精细化分析[J].电磁避雷器，2015（2）：114-118.

[5] 王 芳，李 剑，张卫斌.雷暴路径在雷击风险评估中的应用[J].浙江气象，2013，30（3）：39-41.

[6] 施广全，王振会.雷击灾害风险评估中等效截收面积计算方法研究[J].气象与环境学报，2008，31（2）：47-50.

[7] 任 艳，李家启，覃彬全.雷击大地密度和等效截收面积计算方法[J].气象科技，2010，38（6）：752-757.

[8] 姚 坤.利用计算机作图法求建筑物年预计雷击次数[J].建筑电气，2004，23（4）：30-32.

[9] 汝洪博，马金福，冯志伟.建筑物雷击次数等效截收面积计算方法[J].气象科技，2013，41（1）：191-195.

[10] 高 磊，凌 晨.关于建筑物等效截收面积计算的若干问题探讨[J].气象科技，2014，42（6）：1126-1142.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准GB50057-2010 建筑物防雷设计规范[M].北京：中国计划出版社，2011.

[12] 张 欣，杨天琦，杨仲江.地下建筑物遭受雷击损害的风险因子分析[J].电瓷避雷器，2014（3）：44-47.

[13] 罗骕翾，杨仲江，华晨辉.基于模糊数学理论的既有普通建筑雷灾风险评估[J].电瓷避雷器，2014（4）：60-65.

[14] 王 平，李 琳.输电线路雷击灾害风险层进式评估体系的构建[J].电瓷避雷器，2014（2）：71-76.

[15] 朱传林，王学良，黄克俭，等.浅析雷电灾害风险评估中存在的问题[J].电瓷避雷器，2013（1）：45-49.

[16] 杨春明.现代桥梁雷击灾害风险研究[J].中国农学通报，2014（23）：224-229.

[17] 贺 姗，黄克俭，柴 健.基于闪电定位资料的大型户外空旷区域精细化雷击风险评估的研究[J].中国农学通报，2017（16）：137-140.

[18] 杨天琦，张 欣，韩照全，等.雷击建筑物时物理损害概率研究[A].中国气象学会.中国气象学会会议论文集[C].西安：中国气象学会，2016，733-738.

[19] 陈华辉，黄晓虹，朱泽伟，等.布达拉宫区域雷击风险评估的精细化防护研究[A].中国气象学会.中国气象学会会议论文集[C].西安：中国气象学会，2016，84-90.