特色小镇客厅的防雷保护设计探讨

陈 飞

(中冶南方工程技术有限公司, 湖北 武汉 430223)

0 引 言

随着国家经济的快速发展,国内建筑行业有突飞猛进的变化,各种新技术、新材料得到积极推广应用,尤其是在各种工业厂房、仓库、火车站、体育场等建筑工程中,屋面广泛采用重量轻、承载力大、布局灵活、施工方便、跨度大等特点的彩钢夹芯板和金属压型板。这类金属屋面建筑的防雷保护在接闪器设计等方面与常见的混凝土屋面建筑不同。

本文对小镇客厅大跨度金属屋面工程的防雷设计进行分析,以期对类似金属屋面的防雷设计提供参考。

1 雷电机理

雷电是大气中带电云块或带电云层与地面之间发生的一种剧烈自然放电现象。雷电是雷云引起的,是带电的云层;雷云能使地面物体感应出与之相仿的电荷,当累计的电压达到一定数值时,地面上的物体尤其是高耸突出物会出现明显的尖端放电,少数的带电云离子向地面靠拢,使地面与云层间形成间隔阶跃的电离导通,同时形成雷电荷的电离通道,该过程被称为“先驱放电”;随着雷云与大地间聚集电荷的增多,达到地面的距离为“击距”时,开始进入“主放电”阶段,期间发生猛烈的电荷中和与能量释放,并会出现强烈的闪电和轰鸣,被雷击中处也会产生峰值电压非常高的大电流,其幅值可达几十乃至数百千安培;随后进入雷电流迅速下降的“余光阶段”。

雷电对地面物体尤其是建筑物会造成较大的损害,因此防雷保护成为对各种建筑物保护的应有之策。

2 防雷保护系统

防雷保护系统通过采取相应的保护措施,使得可能危害建筑物的雷击电流被先导接入,并通过可靠的引下和接地装置迅速放散雷电流,从而使保护范围内的建筑物免遭雷击破坏。

通常建筑物的防雷保护装置由接闪器、引下线、接地装置3部分组成。当有雷电发生并有雷击中建筑物防雷接闪器上时,接闪器先导接入雷电流,并通过引下线将其引入系统的接地装置,然后流散到大地中。

3 金属屋面的防雷设计

3.1 接闪器

现行标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]第5.2.7条及JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》[2]第11.6.5条对采用金属屋面作接闪器的情况提出要求(第一类防雷建筑除外):对于利用彩钢板、铜板、铝板等做屋面的建筑物,当符合下列要求时,宜利用其屋面作为接闪器。

(1) 金属板之间具有持久的电气贯通连接。

(2) 当金属板下无易燃物品时,铅板厚度不应小于2 mm,不锈钢、热镀锌钢、钛和铜板厚度不应小于0.5 mm,铝板厚度不应小于0.65 mm,锌板厚度不应小于0.7 mm。

(3) 当金属板有易燃物品时,不锈钢、热镀锌钢、钛板厚度不应小于4 mm,铜板厚度不应小于5 mm,铝板厚度不应小于7 mm。

(4) 金属板应无绝缘被覆盖。

在设置有金属屋面的防雷设计中,经常利用建筑物的金属屋面板作为接闪器的情况:

(1) 对于屋面下没有易燃物的金属屋面建筑物(如常见的丁戊类厂房仓库),只要热镀锌钢板的厚度≥0.5 mm,就直接可以把金属屋面作为接闪器,利用混凝土柱子主筋或钢柱作为引下线就能满足要求。

(2) 对于屋面下有可燃物的金属屋面建筑物(如丙类厂房仓库),按照规范GB 50057—2010(利用金属屋面作为接闪器,镀锌钢板的厚度不应小于4 mm),实际施工选材中土建专业经常采用0.5～0.6 mm 压型钢板作为金属屋面,显然不能满足厚度不应小于4 mm的规定。根据GB 50057—2010,可以采用非易燃物保温层的双金属板做成的复合屋面板,上层金属板采用厚度0.5 mm的热镀锌钢板就能保证安全。

因雷击只可能将上层金属板熔化穿孔,不会击到下层金属板,且上层金属板的熔化物受夹层和下层金属板的阻挡,不会滴落到下层金属板上,因此这种防雷做法安全、可行。在实际施工图设计中,建筑电气专业在防雷设计中还会碰到选择夹层物质的问题[3-4]。金属复合板采用的夹层物质特点如表1所示。

表1 金属复合板采用的夹层物质特点

根据表1,建议土建专业采用防火岩棉和玻璃丝棉作为保温层(保温芯材所用粘胶剂也是阻燃型)。

3.2 引下线

建筑物金属屋面接闪器感应大量电荷和电流,需要及时有效泄放,而引下线的作用就是将接闪器中截获的雷电流引入接地装置中进行泄放,要根据GB 50057—2010 第5.2.3～5.2.6条规定设置:通常利用建筑物钢柱、钢筋混凝土柱子或剪力墙拐角内2根φ16 mm以上主筋通长(绑扎、螺丝、对焊或搭焊)作为防雷引下线(外墙上作为引下线的钢筋尽量靠外墙选取),引下线上端与接闪器焊接,下端与建筑物基础底梁及基础底板轴线上的上下两层钢筋内的2根主筋焊接。

3.3 接地装置

用于承接引下线雷电流并将其泄放入大地的装置(如接地线和接地体)称为接地装置。接地体分为自然接地体和人工接地体。自然接地体是指建筑物的钢结构和基础底梁钢筋网,如建筑物基础底梁及基础底板轴线上的上下两层钢筋内的2根主筋通长(绑扎、焊接)形成的基础接地网。

当金属屋面建筑物中以钢筋混凝土作为地基时,需要利用基础桩和水平圈梁作为接地体;若是独立桩基时,应采用40 mm×4 mm的镀锌扁钢将桩基钢筋连接在一起做周圈式接地带,接地环周较大时还应加敷均压接地网,网格尺寸不大于其相应设防等级的避雷网格尺寸,以减小接触电压和跨步电压。

若建筑物没有用来做接地装置的设施时,应在建筑物四周设置人工接地装置,通常人工接地极的间距为其长度的2倍,埋设深度≥0.8 m,这样降阻效果好,并进行总等电位联结,易达到需要的接地电阻值要求。在室外合适位置应预留接地连接板,当接地电阻值达不到要求时,可方便地连接人工接地体和测试接地电阻值。其做法可以参考国家标准图集14D504《接地装置安装》。

4 实际设计案例分析

浙江省某特色小镇中心位置为小镇客厅,总建筑面积为16 122 m2,局部为地下1层,地上2层,建筑总高度为23.78 m。-1F为车库及设备辅助用房;1F为接待中心、展厅、艺术品销售、产品体验中心、多功能厅等;2F为咖啡厅、水晶主题乐园、水晶工作坊等。该建筑属于多层公共建筑。

根据当地雷暴日,计算该建筑物预计雷击次数为0.11次/a。该项目属于人员密集场所,根据规范定为第二类防雷建筑。考虑晶体造型和幕墙装修要求,土建所选的金属屋面板材及供货商提供的材料技术数据经专业间沟通确定,电气防雷设计如下:

(1) 金属屋瓦作接闪器。在结构檩条(檩距2 m)上铺设φ1.5 mm不锈钢丝网一层和150 mm厚(带隔汽保温层)玻璃棉保温层;采用0.8 mm厚V125压型钢板(氟碳漆)和1.5 mm厚镀锌钢板(与压型板拉铆钉连接)作底板;干铺4 mm厚SBS改性沥青防水卷材;外层铺装0.7 mm厚锁扣式鳞片状亚光镀锌金属屋面板,形成电气贯通。

(2) 引下线。利用建筑物的钢柱及结构柱内对角主钢筋(大于φ16 mm)作为防雷引下线,引下线间距≤18 m,上与金属屋顶接闪网焊接,下与接地装置连接,距室外地面上0.5m处设测试板。作为引下线的钢柱子为避免可能引发的接触电压的危险,应在钢柱上涂上绝缘防腐漆层或用装饰板包起来。

(3) 接地装置。利用建筑物基础做接地装置,将基础底板上下两层主筋沿建筑物外圈焊接成环形,并将主轴线上的基础梁及结构底板上下两层主筋相互焊接成网状接地体,网格尺寸不大于设防等级的避雷网尺寸,并采取总等电位联结。该项目建筑物基础接地电阻已达到要求,故没有增设人工接地体,可保证小镇客厅的防雷安全。

设计效果图如图1所示。

图1 设计效果图

5 结 语

金属板屋面作接闪器不同于常规建筑物的防雷设计,接闪器的正确恰当设置是确保建筑物防雷安全的重要环节,因此应更加关注防雷安全的设计和应用。