殷春生（富陽(yáng)市氣象局，浙江富陽(yáng)311400）
摘要：針對高層建筑物的特點(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、側擊雷、感應雷、雷電波侵入方面來(lái)滿(mǎn)足防雷技術(shù)要求，探討高層建筑物防雷工程設計中應采取的各種防護措施，必須進(jìn)行多層防護與多類(lèi)防護措施相結合的綜合防護方法，以達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，損失往往非常嚴重，建筑物遭破壞、設備損壞、人員傷亡等大幾率存在，因此必須增強防雷意識，加強防雷設計，科學(xué)防御，確保建筑物、設備和生命財產(chǎn)的安全。只有通過(guò)對其進(jìn)行綜合防雷設計，才可能將雷電災害降低到最低程度。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。高層建筑物結構類(lèi)型主要包括磚石結構、鋼筋混凝土結構、剪力墻結構、筒體結構等。高層建筑物的內部設施包括高層建筑物中給排水設備、電力、弱電線(xiàn)路、電子信息設備以及垂直交通（如電梯）等。
1、高層建筑物防雷設計體系
現代建筑物防雷是一個(gè)綜合性的系統工程，雷電對建筑物的破壞形式有直擊雷、感應雷，雷電波侵入等。綜合防雷主要由直擊雷防護、側擊雷防護、等電位連接、屏蔽、綜合布線(xiàn)、浪涌保護、有效接地等防護措施組成，高層建筑物防雷設計須在安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理的前提下，做到高效防護、層層防護，有效降低建筑物及電氣設備遭受雷擊的破壞。
2、直擊雷防護
2.1接閃器
接閃器有避雷針、避雷帶（網(wǎng)）、避雷線(xiàn)等幾種，采用何種方式應根據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)相結合的方式。大多數情況下，外部防雷裝置附著(zhù)于被保護建筑物上，其布置取決于被保護建筑物的形狀、所需的保護要求及所采用的幾何設計方法，在設計時(shí)，應根據被保護對象的用途、高度、長(cháng)寬比進(jìn)行選擇。接閃器的布置應符合下面要求。
防雷裝置的設計通常采用滾球法（適合于形狀復雜的建筑群）和網(wǎng)格法（適用于平面的保護）。采用避雷帶時(shí)，屋面上所有金屬構件，如金屬旗桿、廣告牌、鋼爬梯、風(fēng)冒、透氣管、燈具金屬外殼、金屬護欄、水管、設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)型設備，如通風(fēng)機、電梯機房、擦窗機導軌、天線(xiàn)桿或飛機警告燈，通常為它們裝置單獨的接閃器，并把這些接閃裝置連接到柱子或墻壁的鋼筋上去；屋面所有現澆板內的縱橫鋼筋也應相互連接，以形成屋頂屏蔽層，作為后備接閃器，防止有比所規定的雷電流小的電流穿越接閃器而繞擊至屋頂；不在保護范圍內的金屬物應與建筑物屋面的接閃器作電氣連接。
2.2引下線(xiàn)
利用結構柱內對角鋼筋作為引下線(xiàn)，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、承臺及樁基）鋼筋焊接。引下線(xiàn)的設計要注意引下線(xiàn)盡可能短，并盡可能地利用建筑物內四個(gè)角的主筋作為引下線(xiàn)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作接地體，同時(shí)把建筑物內的工作接地、保護接地、防雷接地與基礎鋼筋連接在一起，形成共用接地體�？紤]到大部分高層建筑的基礎均做了防水處理，致使接地電阻增大，應盡量在建筑物周邊做圈式接地。周圈式接地可避開(kāi)防水處理層，同時(shí)由于接地體埋在基礎的外邊，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,當一般做法的聯(lián)合接地體的接地電阻值難以滿(mǎn)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(xiàn)一般安裝在易于檢查的地方，有防止機械損傷及防止化學(xué)腐蝕的保護措施，從接地干線(xiàn)敷設到用電設備的接地支線(xiàn)的距離要越短越好，接地線(xiàn)與電纜或其它電線(xiàn)交叉時(shí)接地線(xiàn)在加保護鋼管；在穿過(guò)建筑伸縮縫時(shí),接地線(xiàn)要略加彎曲，有一定的伸縮余地，避免斷裂。
3、側擊雷防護
高層建筑由于高度高，一定要注意防備雷電側擊的危害，應從以下方面設計考慮：
在30m以上部位，每隔2層（或1層），沿建筑物四周敷設一道避雷帶與各根引下線(xiàn)相焊接。避雷帶可安裝在外墻抹灰層內，或者直接利用結構鋼筋時(shí)每隔適當的距離（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(mén)窗等設置接地預埋鐵，并將均壓環(huán)處的上下兩層鋁合金門(mén)窗、金屬欄桿的接地預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(cháng)度為寬度的2倍，扁鋼與圓鋼搭接長(cháng)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(xiàn)和均壓環(huán)，但應注意引下線(xiàn)、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、金屬裝飾構件等較大金屬物通過(guò)預埋件與均壓環(huán)或引下線(xiàn)相連；建筑物內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跨接。高層建筑幕墻的金屬立柱、金屬橫梁、鋁合金門(mén)窗框應按規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)建筑物接地系統迅速傳送到地下，保護它們和建筑物免遭雷電破壞。
對于高層建筑外墻的空調防雷，空調主機及其支架，應在窗洞口下方30cm--50cm處予先埋設IP等級較大、密封性能良好的金屬分線(xiàn)盒，盒內敷設已作防腐處理的鍍鋅扁鐵。扁鐵的一端與主體內均壓環(huán)或鋼筋引下線(xiàn)焊連，一端與帶銅接線(xiàn)端子的多股導線(xiàn)相連接(導線(xiàn)最好選用BV-10mm2以上的PE線(xiàn))，該導線(xiàn)的另一端用螺栓來(lái)連接空調室外機及其支架。
圖1建筑物綜合防雷示意圖
4、等電位連接和綜合布線(xiàn)
高層建筑內有信息系統，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件作多點(diǎn)連接。高層建筑大多為民用住房，信息系統結構簡(jiǎn)單，常選取S型（星形）結構。
建筑物內自頂至底垂直敷設的金屬管道、樓梯扶手等金屬物體應在底部與防雷裝置就近進(jìn)行等電位連接，如敷設到屋面，還應在屋面與避雷帶進(jìn)行等電位連接；將建筑物進(jìn)線(xiàn)配電箱的PE排、公用設施金屬管道（給排水管道、電纜金屬護套、金屬保護導管等）、建筑的金屬結構以及防雷裝置等匯接到進(jìn)線(xiàn)配電箱旁的總接地端子板上，并互相間連接，實(shí)現總等電位連接；在后續的雷電防護區交界處按總等電位連接的方法進(jìn)行局部等電位連接，衛生間及金屬門(mén)、窗或玻璃幕墻等應設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，浴室內的太陽(yáng)能熱水器等設施管道及PE線(xiàn)必須做局部等電位連接。機房門(mén)窗、設備外殼、等電位連接端子盒以及所有穿越防雷區界面的金屬物和系統均應就近與等電位連接帶（網(wǎng)）相連，確保機房?jì)雀鹘拥鼐�(xiàn)間的電位均衡。
電氣豎井內的接地干線(xiàn)為預留樓層等電位連接端子和強弱電接線(xiàn)箱預留接地提供接地母線(xiàn)。電氣電子系統線(xiàn)纜主干線(xiàn)的金屬線(xiàn)槽一般敷設在電氣豎井內，在布置電氣電子系統信號線(xiàn)纜的路徑走向時(shí)，應盡量減小由線(xiàn)纜自身形成的感應回路面積；垂直敷設的金屬管線(xiàn)和金屬槽敷線(xiàn)的干線(xiàn)集中于建筑物的中心部位，如電梯井的側旁等部位。穿線(xiàn)管和線(xiàn)槽都應與各樓層的等電位連接板和接地母線(xiàn)相連接，以達到良好的屏蔽效果；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,設計時(shí)應預留。
圖2總等電位連接示意圖
5、屏蔽
屏蔽包括線(xiàn)纜屏蔽和設備屏蔽，應從以下方面進(jìn)行考慮。
結構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、基礎內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，構成了具有極小接地電阻、極小引下線(xiàn)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、側擊雷，又能減少雷電感應效應。
進(jìn)入建筑物的各種線(xiàn)路及金屬管道應全線(xiàn)埋地引入，在入戶(hù)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備的接地裝置，應在進(jìn)出處與防雷接地裝置連接。
為了阻擋、衰減雷擊感應產(chǎn)生的電磁輻射干擾對弱電設備、元器件及線(xiàn)路造成的信號偏移、誤動(dòng)作、采樣錯誤、設備損壞等影響，對弱電設備和線(xiàn)路必須采取屏蔽措施進(jìn)行保護。弱電系統屏蔽保護配線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)纜或穿金屬管保護，設備或機柜進(jìn)行屏蔽接地；屏蔽線(xiàn)纜應對屏蔽層兩端進(jìn)行接地，穿金屬管保護的線(xiàn)纜金屬管必須接地可靠；機柜、設備的屏蔽接地應按一點(diǎn)接地方式進(jìn)行可靠接地，對特別重要的機房應按照屏蔽機房要求進(jìn)行設計與施工，使弱電設備免受輻射干擾。
6、電涌保護
為防止高層建筑各信息系統設備免遭雷電波的侵害，在低壓配電系統與通信、信號網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)路端應安裝電涌保護器。SPD按用途可分為低壓配電系統SPD和通信、信號網(wǎng)絡(luò )SPD兩大類(lèi)。
6.1電源系統浪涌保護
低壓配電系統的電涌保護采用分級保護的原則，在建筑物電源系統的總配電處安裝通流量大的電源電涌保護器，作為電源系統的一級保護，在設備集中的樓層分電源處或房間的進(jìn)戶(hù)用電處安裝用戶(hù)分電源電涌保護器，作為第二級保護，在各個(gè)設備的電源處安裝串聯(lián)式的電源電涌保護器，作為電源系統的第三級保護。一般情況下，如在電源進(jìn)線(xiàn)端安裝一級SPD，就滿(mǎn)足被保護設備過(guò)電壓保護水平要求，就不需安裝第二級，只有當在電源進(jìn)線(xiàn)端安裝的SPD與被保護設備之間距離較遠（>30m）或被保護設備較敏感時(shí)，則應在被保護設備處裝設第二級SPD。SPD可按下列幾個(gè)步驟選擇：
�。�1）根據建筑物防雷類(lèi)別、當地年平均雷暴日、防雷保護區（LPZ）的劃分、電源的進(jìn)線(xiàn)方式和系統重要性的高低確定電涌保護器的最大放電電流Imax。
�。�2）根據被保護設備的耐沖擊電壓值Uw確定SPD的電壓保護水平Up。一般電壓保護水平Up應比設備的耐沖擊電壓值Uw小20%左右。
�。�3）根據被保護回路類(lèi)型（1P、1P+N3P、3P+N）及其接地系統類(lèi)型（TT、TN-S、TN-C、IT）確定配電網(wǎng)絡(luò )的最高運行電壓Um和SPD的最大持續運行電壓Uc。
�。�4）根據式Um≤Up≤0.8Uw，對照SPD的參數選定SPD。
6.2通信和信號網(wǎng)絡(luò )的電涌保護
由于通信和信號網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路中傳送的信號有不同的種類(lèi)，信號的不同，信號傳輸的介質(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(huà)線(xiàn)SPD、同軸線(xiàn)SPD、雙絞線(xiàn)SPD和有線(xiàn)電視線(xiàn)SPD等種類(lèi)。通信和信號網(wǎng)絡(luò )SPD除了具有電涌保護性能的一般參數以外，還包括插入損耗Ae、數據傳輸速率Vs等特定的參數。
電信和信號網(wǎng)絡(luò )SPD的選擇，應根據系統過(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SPD的插入損耗量（dB），信號系統通常最多做兩級防雷保護即可，對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統，一般情況下安裝一級SPD就滿(mǎn)足要求了，即便需要對多個(gè)防雷區進(jìn)行保護，也可以通過(guò)在單個(gè)SPD中組合防護電路來(lái)實(shí)現。如果系統傳輸線(xiàn)路較長(cháng)，需要安裝第二級時(shí)應考慮各種因素的影響及兩級SPD的配合。
7、結語(yǔ)
高層建筑防雷設計是一項系統工程，必須綜合考慮，將外部防雷措施和內部防雷措施（接閃功能、分流影響、等電位、屏蔽作用、合理布線(xiàn)加裝過(guò)電壓保護器等多項重要因素）作為整體來(lái)統一考慮防護措施，使建筑物從直擊雷、雷電感應、雷擊電磁脈沖方面得到綜合保護。從而有效保護人員、建筑物、內部設備遭受雷擊傷害與破壞。針對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(kāi)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)氣象綜合防災減災事業(yè)持續、健康發(fā)展。
