殷春生（富陽(yáng)市氣象局，浙江富陽(yáng)311400）
摘要：針對(duì)高層建筑物的特點(diǎn)、安全性要求及極易受雷擊的危害方式，考慮如何從直擊雷、側(cè)擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入方面來(lái)滿足防雷技術(shù)要求，探討高層建筑物防雷工程設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的各種防護(hù)措施，必須進(jìn)行多層防護(hù)與多類防護(hù)措施相結(jié)合的綜合防護(hù)方法，以達(dá)到高層建筑物綜合防雷目的。
近年來(lái)，高層建筑物大量拔地而起，高層建筑物受雷電的危害較大，比一般建筑物遭雷擊的概率要大得多，高層建筑物一旦遭受雷災(zāi)，損失往往非常嚴(yán)重，建筑物遭破壞、設(shè)備損壞、人員傷亡等大幾率存在，因此必須增強(qiáng)防雷意識(shí)，加強(qiáng)防雷設(shè)計(jì)，科學(xué)防御，確保建筑物、設(shè)備和生命財(cái)產(chǎn)的安全。只有通過(guò)對(duì)其進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)，才可能將雷電災(zāi)害降低到最低程度。一般10層以上的居住建筑物和高度超過(guò)24m的其他用途建筑物均為高層建筑；無(wú)論是住宅或公共建筑，其總高度大于100m者，均為超高層建筑。高層建筑物結(jié)構(gòu)類型主要包括磚石結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。高層建筑物的內(nèi)部設(shè)施包括高層建筑物中給排水設(shè)備、電力、弱電線路、電子信息設(shè)備以及垂直交通（如電梯）等。
1、高層建筑物防雷設(shè)計(jì)體系
現(xiàn)代建筑物防雷是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程，雷電對(duì)建筑物的破壞形式有直擊雷、感應(yīng)雷，雷電波侵入等。綜合防雷主要由直擊雷防護(hù)、側(cè)擊雷防護(hù)、等電位連接、屏蔽、綜合布線、浪涌保護(hù)、有效接地等防護(hù)措施組成，高層建筑物防雷設(shè)計(jì)須在安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，做到高效防護(hù)、層層防護(hù)，有效降低建筑物及電氣設(shè)備遭受雷擊的破壞。
2、直擊雷防護(hù)
2.1接閃器
接閃器有避雷針、避雷帶（網(wǎng)）、避雷線等幾種，采用何種方式應(yīng)根據(jù)建筑物的造型及避雷效果而定。目前一般高層建筑較多采用避雷針、明裝避雷帶和暗裝避雷網(wǎng)相結(jié)合的方式。大多數(shù)情況下，外部防雷裝置附著于被保護(hù)建筑物上，其布置取決于被保護(hù)建筑物的形狀、所需的保護(hù)要求及所采用的幾何設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的用途、高度、長(zhǎng)寬比進(jìn)行選擇。接閃器的布置應(yīng)符合下面要求。
防雷裝置的設(shè)計(jì)通常采用滾球法（適合于形狀復(fù)雜的建筑群）和網(wǎng)格法（適用于平面的保護(hù)）。采用避雷帶時(shí)，屋面上所有金屬構(gòu)件，如金屬旗桿、廣告牌、鋼爬梯、風(fēng)冒、透氣管、燈具金屬外殼、金屬護(hù)欄、水管、設(shè)備等必須與就近的避雷帶、避雷網(wǎng)焊接；裝在建筑屋頂上的服務(wù)型設(shè)備，如通風(fēng)機(jī)、電梯機(jī)房、擦窗機(jī)導(dǎo)軌、天線桿或飛機(jī)警告燈，通常為它們裝置單獨(dú)的接閃器，并把這些接閃裝置連接到柱子或墻壁的鋼筋上去；屋面所有現(xiàn)澆板內(nèi)的縱橫鋼筋也應(yīng)相互連接，以形成屋頂屏蔽層，作為后備接閃器，防止有比所規(guī)定的雷電流小的電流穿越接閃器而繞擊至屋頂；不在保護(hù)范圍內(nèi)的金屬物應(yīng)與建筑物屋面的接閃器作電氣連接。
2.2引下線
利用結(jié)構(gòu)柱內(nèi)對(duì)角鋼筋作為引下線，每根柱子的縱向主筋自下而上焊接，每層又與梁板鋼筋焊接，向上伸出與避雷帶焊接，向下與接地體（基礎(chǔ)、承臺(tái)及樁基）鋼筋焊接。引下線的設(shè)計(jì)要注意引下線盡可能短，并盡可能地利用建筑物內(nèi)四個(gè)角的主筋作為引下線和垂直接地體相連。
2.3接地裝置
高層建筑的防雷接地裝置的接地體，一般利用高層建筑的鋼筋混凝土基礎(chǔ)作接地體，同時(shí)把建筑物內(nèi)的工作接地、保護(hù)接地、防雷接地與基礎(chǔ)鋼筋連接在一起，形成共用接地體�？紤]到大部分高層建筑的基礎(chǔ)均做了防水處理，致使接地電阻增大，應(yīng)盡量在建筑物周邊做圈式接地。周圈式接地可避開防水處理層，同時(shí)由于接地體埋在基礎(chǔ)的外邊，也具有均衡電位的效果，提高了安全性。在大地土壤電阻率高的地區(qū),當(dāng)一般做法的聯(lián)合接地體的接地電阻值難以滿足要求時(shí),可以采用向外延伸接地體、改良土壤（換土、采用降阻劑）、深埋電極以及外引等方式。
接地線一般安裝在易于檢查的地方，有防止機(jī)械損傷及防止化學(xué)腐蝕的保護(hù)措施，從接地干線敷設(shè)到用電設(shè)備的接地支線的距離要越短越好，接地線與電纜或其它電線交叉時(shí)接地線在加保護(hù)鋼管；在穿過(guò)建筑伸縮縫時(shí),接地線要略加彎曲，有一定的伸縮余地，避免斷裂。
3、側(cè)擊雷防護(hù)
高層建筑由于高度高，一定要注意防備雷電側(cè)擊的危害，應(yīng)從以下方面設(shè)計(jì)考慮：
在30m以上部位，每隔2層（或1層），沿建筑物四周敷設(shè)一道避雷帶與各根引下線相焊接。避雷帶可安裝在外墻抹灰層內(nèi)，或者直接利用結(jié)構(gòu)鋼筋時(shí)每隔適當(dāng)?shù)木嚯x（不大于6米）與樓板鋼筋焊接，這個(gè)避雷帶實(shí)際上是均壓環(huán)。30m起的外墻上的金屬欄桿、鋁合金門窗等設(shè)置接地預(yù)埋鐵，并將均壓環(huán)處的上下兩層鋁合金門窗、金屬欄桿的接地預(yù)埋鐵的引出端與均壓環(huán)通過(guò)扁鋼或圓鋼焊接連通。扁鋼間的搭接長(zhǎng)度為寬度的2倍，扁鋼與圓鋼搭接長(zhǎng)度為圓鋼直徑的6倍，三面施焊。
高層建筑柱主筋和梁板鋼筋可直接利用作為引下線和均壓環(huán)，但應(yīng)注意引下線、接地裝置、均壓環(huán)和接閃器間必須牢固可靠地連接；建筑物外墻上的金屬支撐件、金屬裝飾構(gòu)件等較大金屬物通過(guò)預(yù)埋件與均壓環(huán)或引下線相連；建筑物內(nèi)的各種豎向金屬管道每三層要與均壓環(huán)連接一次，底端和頂端與防雷裝置相連，平行或交叉的管道間也應(yīng)跨接。高層建筑幕墻的金屬立柱、金屬橫梁、鋁合金門窗框應(yīng)按規(guī)范要求與建筑物的防雷裝置和均壓環(huán)接通連成一個(gè)防雷整體，使遭受的巨大雷電能量，通過(guò)建筑物接地系統(tǒng)迅速傳送到地下，保護(hù)它們和建筑物免遭雷電破壞。
對(duì)于高層建筑外墻的空調(diào)防雷，空調(diào)主機(jī)及其支架，應(yīng)在窗洞口下方30cm--50cm處予先埋設(shè)IP等級(jí)較大、密封性能良好的金屬分線盒，盒內(nèi)敷設(shè)已作防腐處理的鍍鋅扁鐵。扁鐵的一端與主體內(nèi)均壓環(huán)或鋼筋引下線焊連，一端與帶銅接線端子的多股導(dǎo)線相連接(導(dǎo)線最好選用BV-10mm2以上的PE線)，該導(dǎo)線的另一端用螺栓來(lái)連接空調(diào)室外機(jī)及其支架。
圖1建筑物綜合防雷示意圖
4、等電位連接和綜合布線
高層建筑內(nèi)有信息系統(tǒng)，此時(shí)在那些要求雷擊電磁脈沖影響最小之處，等電位連接帶宜采用金屬板，并與鋼筋或其他屏蔽構(gòu)件作多點(diǎn)連接。高層建筑大多為民用住房，信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常選取S型（星形）結(jié)構(gòu)。
建筑物內(nèi)自頂至底垂直敷設(shè)的金屬管道、樓梯扶手等金屬物體應(yīng)在底部與防雷裝置就近進(jìn)行等電位連接，如敷設(shè)到屋面，還應(yīng)在屋面與避雷帶進(jìn)行等電位連接；將建筑物進(jìn)線配電箱的PE排、公用設(shè)施金屬管道（給排水管道、電纜金屬護(hù)套、金屬保護(hù)導(dǎo)管等）、建筑的金屬結(jié)構(gòu)以及防雷裝置等匯接到進(jìn)線配電箱旁的總接地端子板上，并互相間連接，實(shí)現(xiàn)總等電位連接；在后續(xù)的雷電防護(hù)區(qū)交界處按總等電位連接的方法進(jìn)行局部等電位連接，衛(wèi)生間及金屬門、窗或玻璃幕墻等應(yīng)設(shè)置局部等電位接地端子板，接地端子板從各層作為防雷裝置的建筑物鋼筋體焊接引出，浴室內(nèi)的太陽(yáng)能熱水器等設(shè)施管道及PE線必須做局部等電位連接。機(jī)房門窗、設(shè)備外殼、等電位連接端子盒以及所有穿越防雷區(qū)界面的金屬物和系統(tǒng)均應(yīng)就近與等電位連接帶（網(wǎng)）相連，確保機(jī)房?jī)?nèi)各接地線間的電位均衡。
電氣豎井內(nèi)的接地干線為預(yù)留樓層等電位連接端子和強(qiáng)弱電接線箱預(yù)留接地提供接地母線。電氣電子系統(tǒng)線纜主干線的金屬線槽一般敷設(shè)在電氣豎井內(nèi)，在布置電氣電子系統(tǒng)信號(hào)線纜的路徑走向時(shí)，應(yīng)盡量減小由線纜自身形成的感應(yīng)回路面積；垂直敷設(shè)的金屬管線和金屬槽敷線的干線集中于建筑物的中心部位，如電梯井的側(cè)旁等部位。穿線管和線槽都應(yīng)與各樓層的等電位連接板和接地母線相連接，以達(dá)到良好的屏蔽效果；電梯軌道首尾端與防雷接地連接且每間隔20m等電位連接一次,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留。
圖2總等電位連接示意圖
5、屏蔽
屏蔽包括線纜屏蔽和設(shè)備屏蔽，應(yīng)從以下方面進(jìn)行考慮。
結(jié)構(gòu)中所有垂直鋼筋均采用焊接，垂直鋼筋與各層水平鋼筋采用多點(diǎn)焊接或綁扎，將主體中的柱子、梁、剪力墻、樓板、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋連成電氣通路，形成很多小籠子組合而成大籠子，這樣封閉的金屬籠，構(gòu)成了具有極小接地電阻、極小引下線阻抗、均壓等電位的法拉第籠。它具有良好的均壓和引流作用，既能防直擊雷、側(cè)擊雷，又能減少雷電感應(yīng)效應(yīng)。
進(jìn)入建筑物的各種線路及金屬管道應(yīng)全線埋地引入，在入戶端將電纜的金屬外皮、金屬鎧裝層及金屬管道與接地裝置連接；進(jìn)出建筑物的各種金屬管道及電氣設(shè)備的接地裝置，應(yīng)在進(jìn)出處與防雷接地裝置連接。
為了阻擋、衰減雷擊感應(yīng)產(chǎn)生的電磁輻射干擾對(duì)弱電設(shè)備、元器件及線路造成的信號(hào)偏移、誤動(dòng)作、采樣錯(cuò)誤、設(shè)備損壞等影響，對(duì)弱電設(shè)備和線路必須采取屏蔽措施進(jìn)行保護(hù)。弱電系統(tǒng)屏蔽保護(hù)配線采用屏蔽線纜或穿金屬管保護(hù)，設(shè)備或機(jī)柜進(jìn)行屏蔽接地；屏蔽線纜應(yīng)對(duì)屏蔽層兩端進(jìn)行接地，穿金屬管保護(hù)的線纜金屬管必須接地可靠；機(jī)柜、設(shè)備的屏蔽接地應(yīng)按一點(diǎn)接地方式進(jìn)行可靠接地，對(duì)特別重要的機(jī)房應(yīng)按照屏蔽機(jī)房要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，使弱電設(shè)備免受輻射干擾。
6、電涌保護(hù)
為防止高層建筑各信息系統(tǒng)設(shè)備免遭雷電波的侵害，在低壓配電系統(tǒng)與通信、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的線路端應(yīng)安裝電涌保護(hù)器。SPD按用途可分為低壓配電系統(tǒng)SPD和通信、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)SPD兩大類。
6.1電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)
低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)采用分級(jí)保護(hù)的原則，在建筑物電源系統(tǒng)的總配電處安裝通流量大的電源電涌保護(hù)器，作為電源系統(tǒng)的一級(jí)保護(hù)，在設(shè)備集中的樓層分電源處或房間的進(jìn)戶用電處安裝用戶分電源電涌保護(hù)器，作為第二級(jí)保護(hù)，在各個(gè)設(shè)備的電源處安裝串聯(lián)式的電源電涌保護(hù)器，作為電源系統(tǒng)的第三級(jí)保護(hù)。一般情況下，如在電源進(jìn)線端安裝一級(jí)SPD，就滿足被保護(hù)設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)水平要求，就不需安裝第二級(jí)，只有當(dāng)在電源進(jìn)線端安裝的SPD與被保護(hù)設(shè)備之間距離較遠(yuǎn)（>30m）或被保護(hù)設(shè)備較敏感時(shí)，則應(yīng)在被保護(hù)設(shè)備處裝設(shè)第二級(jí)SPD。SPD可按下列幾個(gè)步驟選擇：
�。�1）根據(jù)建筑物防雷類別、當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤�、防雷保護(hù)區(qū)（LPZ）的劃分、電源的進(jìn)線方式和系統(tǒng)重要性的高低確定電涌保護(hù)器的最大放電電流Imax。
（2）根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓值Uw確定SPD的電壓保護(hù)水平Up。一般電壓保護(hù)水平Up應(yīng)比設(shè)備的耐沖擊電壓值Uw小20%左右。
�。�3）根據(jù)被保護(hù)回路類型（1P、1P+N3P、3P+N）及其接地系統(tǒng)類型（TT、TN-S、TN-C、IT）確定配電網(wǎng)絡(luò)的最高運(yùn)行電壓Um和SPD的最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc。
�。�4）根據(jù)式Um≤Up≤0.8Uw，對(duì)照SPD的參數(shù)選定SPD。
6.2通信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)
由于通信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)線路中傳送的信號(hào)有不同的種類，信號(hào)的不同，信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)和接口也不相同，因此SPD按照傳輸介質(zhì)不同可分為：電話線SPD、同軸線SPD、雙絞線SPD和有線電視線SPD等種類。通信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)SPD除了具有電涌保護(hù)性能的一般參數(shù)以外，還包括插入損耗Ae、數(shù)據(jù)傳輸速率Vs等特定的參數(shù)。
電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)SPD的選擇，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)過(guò)電壓/過(guò)電流威脅水平和SPD的特性來(lái)進(jìn)行，考慮信號(hào)SPD的插入損耗量（dB），信號(hào)系統(tǒng)通常最多做兩級(jí)防雷保護(hù)即可，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般情況下安裝一級(jí)SPD就滿足要求了，即便需要對(duì)多個(gè)防雷區(qū)進(jìn)行保護(hù)，也可以通過(guò)在單個(gè)SPD中組合防護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果系統(tǒng)傳輸線路較長(zhǎng)，需要安裝第二級(jí)時(shí)應(yīng)考慮各種因素的影響及兩級(jí)SPD的配合。
7、結(jié)語(yǔ)
高層建筑防雷設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須綜合考慮，將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施（接閃功能、分流影響、等電位、屏蔽作用、合理布線加裝過(guò)電壓保護(hù)器等多項(xiàng)重要因素）作為整體來(lái)統(tǒng)一考慮防護(hù)措施，使建筑物從直擊雷、雷電感應(yīng)、雷擊電磁脈沖方面得到綜合保護(hù)。從而有效保護(hù)人員、建筑物、內(nèi)部設(shè)備遭受雷擊傷害與破壞。針對(duì)高層建筑物的綜合防雷，要不斷提高雷電領(lǐng)域的科技創(chuàng)新能力和業(yè)務(wù)技術(shù)開發(fā)、服務(wù)能力，積極采用可靠的新技術(shù)以更有效地消除雷害，促進(jìn)氣象綜合防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展。
