高层建筑电气施工中的防雷技术探讨

朱帅令

(中铁建设集团中原建设有限公司)

0 引言

在大自然中, 雷电是一种常见的放电现象, 其产生的过电流电压可能会威胁到建筑物及建筑物内部居民安全。但当下建筑结构层数的增加以及计算机网络系统的普及, 在一定程度上增加了高层建筑结构信息化设备。但多数信息化设备存在抗耐过电压能力低的问题, 如果受到雷击影响, 就会产生电磁效应, 并逐步破坏设备系统, 威胁人身安全[1]。基于此, 为了进一步保证建筑结构稳定性, 提高居民生命安全保障,针对高层建筑电气施工进行有效的防雷工作很有必要。在分析国内众多专家与学者的相关研究后, 本文基于雷电对高层建筑的危害入手, 分析讨论建筑内部防雷技术和建筑外部防雷技术, 希望可以在明确具体的防雷要求后, 通过合理化的安排与设置, 减少雷电发生时对建筑及居民产生的影响, 尽可能有效避免雷电灾害。

1 雷电对高层建筑的危害

1.1 闪电感应

如果发生闪电, 对于所有处在闪电周围附近的导体, 都有可能会在闪电的影响下产生雷电静电感应、雷电电磁效应, 甚至还会影响建筑物金属部件, 在金属部件中形成电火花。如果此时建筑物内部存在设备安装不严格、金属管线铺设不合理等一系列问题, 就会影响电位连接以及接地处理效果, 从而造成金属管线以及设备在闪电感应的影响下, 产生巨大电压的情况。而这一情况, 不仅会影响设备, 造成设备的损坏, 甚至可能会对居民的生命安全产生一定的威胁。

1.2 直击雷与侧击雷

将雷电分为直击雷和侧击雷。其中, 直击雷主要是指发生雷电时, 雷电直接击中地面物体; 侧击雷主要是指, 雷电没有直接击中地面物体, 而是击中高耸物体的侧面。以上两种雷击方式都会对高层建筑物产生较大的破坏力, 即如果在被雷电击中后, 建筑物没能第一时间泄放雷电流, 就会在不同程度上影响建筑物本身或建筑物内部的相应电气设施。甚至在雷电击中危害较大的情况下, 还会导致建筑物发生后续爆炸及火灾等事故问题。

1.3 闪电电涌入侵

在发生雷电天气问题时, 其所产生的雷电波可能会通过电缆线路、金属管道以及架空线路, 逐步入侵到建筑结构内部, 继而破坏建筑内部控制系统及电子设备。当前, 针对高层建筑进行防雷设置, 具有明显的复杂性和系统性特征。产生此种现象的主要原因是雷击种类相对较多, 如果仅依靠简单的防雷设施, 必然难以有效减少建筑受雷击的影响[2]。因此, 必须高度结合高层建筑现实情况, 在充分衡量雷击状况及影响的前提下, 掌握雷击入侵途径, 然后结合综合防雷技术, 从多个角度减少雷击问题发生后所产生的危害及影响。

总体来说, 当前高层建筑主要遭受的雷击问题包含上述三种, 所以在制定具体房内要求以及选择合适的防雷技术时, 尽可能以上述三种雷击情况为切入点, 确保实现高效化的防雷操作。

2 高层建筑电气施工中的防雷要求

通常来讲, 高层建筑具有配套设备相对齐全、整体功能比较齐全、人员分布较为密集等一系列特点,因此相关技术人员在进行电气施工设计过程中, 还需要结合以下两点要求进行重点考虑。首先, 必要保证建筑物结构在雷雨天气条件的影响下能够安然无恙。其次, 务必要保证整体电气施工相对简单和便捷。其中, 针对前者来说, 在建设高层建筑的过程中, 一般需要花费较大成本。再加上建筑内部人员分布密集,如果遭受雷击不仅会导致较为严重的成本损失, 同时还会加重对人员健康及生命安全的威胁[3]。在这样的前提下, 要求施工建设人员必须有规划地进行防雷装置的安置工作, 从根本上保证整个建筑的可靠性和安全性。针对后者来说, 由于绝大多数高层建筑主体结构为钢筋混凝土, 也有部分建筑直接使用钢结构。但无论哪种结构都可以将其建筑本身的金属物体, 看作是天然的防雷装置。此种选择不仅能够有效节约安装防雷装置的成本, 同时也能够提高防雷装置应用的安全性和可靠性。总体来说, 这种设置方式是现阶段,施工建设人员所能选择的最为便捷的防雷装置结构,能够给予电气施工作业较大的便利。

3 高层建筑电气施工中的防雷技术

提高防雷技术与措施的科学性和有效性, 是避免高层建筑发生严重电气火灾、减少发生居民人身安全问题的重要保障。一般情况下, 高层建筑电气施工综合防雷系统, 包括建筑内部防雷及外部防雷。为进一步增加研究的全面性, 本文将防雷技术分为内部防雷技术及外部防雷技术两方面进行讨论。

3.1 高层建筑内部防雷技术

3.1.1 合理布线

合理布线在防雷技术中, 具有明显的应用价值。当下, 高层建筑在建设与施工阶段, 其内部多数电气设备处于与管线紧密连接的状态。因而, 在着重考量设计防雷系统的过程中, 需要合理化考虑管线布置情况。具体, 可以从以下三个层面进行理解: 第一, 对于建筑物内部的线路, 为尽可能保证线路的安全性,需要将其布置在金属线槽或金属管内, 然后将金属管线两端接地, 通过这样的方式, 实现基本的屏蔽作用[4]。第二, 通常情况下, 建筑结构中的强弱电主干线, 会垂直布置在建筑内部中心位置。而考虑到弱电系统注重光纤通信的基本要求, 为减少闪电电磁感应影响, 一般会将系统机房设置在较低楼层。第三, 针对所有进出建筑结构的信号及电源线路, 都需要配合使用埋地的方式完成敷设作业, 并以此为基础加装屏蔽层或金属护套, 从而达到有效的防雷效果。

3.1.2 安装浪涌保护器

一般情况下, 我们会将浪涌保护器称作电涌保护器, 该装置主要作用是泄放浪涌电流、限制瞬态过电压。在高层建筑内部电气线路中, 安装浪涌保护器能够对电子设备、电气仪表、通信线路起到一定安全和防护的功效。如果建筑内部通信线路或电器线路感应到外部闪电, 就会形成浪涌电流或瞬态过电压。此时, 浪涌保护器能够第一时间导通分流, 避免发生破坏线路设备的问题。但需要注意的是, 高层建筑内部需要安装数量和种类较多的浪涌保护器, 为保证防雷效果, 在安装设置浪涌保护器的过程中, 需要特别关注保护距离、被保护设备耐冲击电压额定值、导线连接长度等相关因素[5]。并且, 如果安装过程中涉及不同类型浪涌保护器的连接, 还需要着重考虑线路长度、浪涌能量配合、退耦装置等一系列问题, 尽最大可能保证方方面面的完整性。

3.1.3 屏蔽

屏蔽的作用是为了减少或消除在雷击发生时, 高层建筑物内电子设备、通信设备及其他智能控制系统所遭受的损害。这是因为一般的电子设备通常抗压能力较差, 如果在建筑物附近发生接闪或雷击, 就会在闪电电磁感应的影响下, 出现设备损坏及误动作行为。对此, 在设计高层建筑结构时, 通常会选择以钢结构或钢筋混凝土结构为主要结构, 并在结构上构建近似法拉第龙形状的网状结构, 利用这一结构实现对雷击电流的有效分流, 继而达到屏蔽雷击电流的作用。此外, 屏蔽不仅可以针对等电位问题及分流问题进行解决, 同时还能够减少或阻止雷击导致的电磁感应, 因而, 能够对高层建筑内部电子设备起到安全防护作用。

3.1.4 等电位连接

等电位连接是在高层建筑物内部, 将金属管线等电位端子板、电气设备以及结构钢筋等有机整合成一个整体, 让建筑内部设备处在相同的电位上, 从而避免出现建筑内部电位差现象, 借助这样的形式减少产生跨步电压。因而, 能够有效避免建筑物内部电气设备以及居民由于受到雷击, 而发生的一系列危害性行为。此外, 在进行高层建筑电气施工作业环节, 需要做好以下几点工作。其一, 通过套丝、焊接以及捆扎等系列手段, 连接建筑楼层钢筋混凝土中的钢筋, 为实现等电位提供基本保障[6]。其二, 连接建筑结构圈梁钢筋、柱筋、防雷装置。最后, 进一步连接上述装置与金属管线和等电位装置, 打造完整的高层建筑等电位连接网络。

3.2 高层建筑外部防雷技术

3.2.1 接地装置

接地装置就是通过接地装置将建筑接闪时产生的雷电流, 泄放到大地, 从而避免发生建筑物损坏及设备损坏的问题。总体来说, 接地装置组成部分包括接地线和接地体, 其中接地线具有连接作用, 接地体具有散流作用。而在安装接地装置时, 由于高层建筑地基深、占地面积大等一系列优势特征, 可以选择性地将桩基内钢筋、基础地梁钢筋看作是接地装置中的接地体, 通过这样的方式提高接地体运行安全性, 并节约接地装置的安装成本。需要注意的是, 在高层建筑防雷系统中, 接地装置是最重要的部分。一旦出现接地质量不符合标准要求, 就难以实现有效的建筑防雷[7]。对此, 本文认为有必要做好防雷接地装置的安装工作, 并在安装完成后实施严格的监测, 只有这样才能够最大限度保证接地装置的安全性与质量。

3.2.2 引下线

引下线具有从接闪器内部将雷电流传导至接地装置中的作用。一般情况下, 针对高层建筑结构来说,施工建设人员会选择利用建筑主体结构的剪力墙或柱主筋内部钢筋做整个结构的引下线。而引下线的布置以及数量, 会对雷电流的分流效果起到一定影响。如果引下线数量较多, 并且线与线之间相互作用间距较小, 那么整个区域内的雷电流分布会相对均匀, 引下线上所产生的压降也会有所下降, 因而能够起到降低反击危险的作用。对此, 笔者认为高层建筑在施工建设过程中应该着重增加引下线数量, 通过此种方式合理化减少引下线间距。例如, 在同一柱内的柱主筋一般会≥2 根, 利用柱主筋实现螺纹套丝连接、电渣压力焊的优势, 能够保证引力线实现良好的电气连接。

3.2.3 接闪器

接闪器组成部分包括拦截闪击的接闪杆、金属屋面、接闪带、金属构件、接闪网等, 通常是指专门用来直接接收雷击的金属物体。一般情况下, 高层建筑的接闪器需要在最容易遭受雷击的部位完成铺设作业, 并且应着重考虑组合应用接闪网与接闪带的方式, 有效拦截闪击, 有效对建筑结构实现保护。而针对屋顶处比较突出的非金属设备, 建议利用接闪现或接闪杆的方式, 实现就地保护, 确保非金属设备能够处在接闪器的LPZ0B 中。除此之外, 还可以将建筑结构屋顶上方的永久金属物看作是有效的接闪器, 但要保证接闪器与其他各部件之间可靠连接, 还需要进一步探讨永久金属物截面是否符合接闪器的规范性要求。最后, 针对高层建筑结构来说, 还需要针对性防护侧击雷[8]。如果高层建筑整体高度在30m 以上, 则有必要在超出高度的突出墙体上方安装接闪器: 而如果整体建筑结构高度超出60m, 则需要在建筑物表面墙角、尖物、设备以及边缘等部位, 合理化安装接闪器。尽可能按照接闪器规定要求, 将建筑外墙中符合要求的幕墙、金属器件、金属门框、金属框架等一系列金属物, 看作是可以有效防护侧击雷的接闪器。

总体来说, 在应用建筑防雷技术的时候, 可以从建筑内部防雷技术和建筑外部防雷技术两个方面进行考虑, 遵从具体的建筑情况以及雷击情况, 同时选择一种或多种防雷技术, 利用技术之间的有效叠加, 形成技术应用合力, 从而最大限度提高建筑结构的防击能力, 减少在发生雷击问题时, 建筑结构以及内部居民所受的伤害。除此之外, 在信息化技术不断发展与进步的前提下, 日后进行防雷技术的研究, 还需要结合考虑提高技术应用的信息化水平, 地球最大限度优化防雷技术。

4 结束语

综上所述, 高层建筑规模的不断增加, 在一定程度上提高了电气设备应用的程度。而自然环境中雷雨天气所产生的雷击概率也逐年递增。因此为了进一步保证建筑结构稳定性, 避免电气设备受到破坏, 避免发生人员伤亡等一系列事故, 需要有效结合恰当的防雷技术, 配合引进先进的防雷设施, 在汲取国内外成功的高层建筑防雷经验后, 基于合理的高层建筑防雷要求, 制定具有较高可行性的防雷方案。并以此为抓手, 选择恰当的防雷技术, 确保高层建筑行业能够实现快速发展。