张春生 魏彩莲 孙智豪 王柳 李霞 牛青山
中铁十七局集团建筑工程有限公司 山西 太原 030006
摘 要：晋城市文化艺术中心项目为晋城市重点项目，本工程建筑结构为钢与钢筋混凝土混合框架结构，建筑顶部由钢结构及异形金属屋面形成花状，建筑南北立面设有高位落地抗风钢绗架，外部安装大面积的玻璃幕墙。本文就工程中金属屋面做接闪器的防雷系统和玻璃幕墙的防雷技术进行介绍。
关键词： 金属屋面；玻璃幕墙；接闪器；防雷
1 引言
近年来科学技术飞速发展，各种各样的建筑物如百花争艳般出现在人们眼前，打破了人们对传统建筑的认知，如异形结构、玻璃幕墙、金属体包装、金属屋面等，相比普通建筑物，金属屋面和玻璃幕墙对防雷的要求更高。
2 正文
2.1 防雷原理
当高空出现雷云的时候，大地上由于静电感应作用必然感应出与雷云相反的电荷，因为接闪器都处于地面上建筑物的最高处，所以比较容易吸引雷电下行先导，使主放电集中到它上面，在它附近尤其是比它低的物体受雷击的概率就大大减小[1]。
建筑物的防雷装置由外部防雷装置和内部防雷装置组成。外部防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成，内部防雷装置由防雷等电位联结和与外部防雷装置的间隔距离组成。
接闪器必须经过接地引下线与接地体相连，将引来的雷电安全地导流入地。当接闪器与大地有了良好的电气连接以后，就可以使大地存积的电荷能够迅速与雷云的电荷中和，大大的缩短了由雷击造成的过电压的时间，雷电的危害性也就大大的降低了。
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图1 外部防雷装置
2.2 接闪器
接闪器是专门用来拦截雷电闪击的金属物体，是外部防雷装置中的一部分，接闪器必须是良导体，另外要能承受雷电流的各种影响，且应具有一定的尺寸和机械强度。传统建筑物的接闪方式是采用常规接闪带 (网) 或接闪杆和接闪带结合的接闪方式, 但是金属屋面更容易遭受雷击，且不易安装，因此它比一般的建筑防雷设计增加了难度。
但是根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》对接闪器的规定:除第一类防雷建筑物外, 金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器, 并应符合下列要求:①板间的连接应是持久的电气贯通，可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接;②金属板下面无易燃物品时，铅板的厚度不应小于 2mm，不锈钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于 0 .5mm，铝板的厚度不应小于 0.65mm,锌板的厚度不应小于 0.7 mm;③金属板下面有易燃物品时，不锈钢、热镀锌钢和钛板的厚度不应小于 4 mm，铜板的厚度不应小于 5 mm,铝板的厚度不应小于 7 mm;④金属板无绝缘被覆层[2]。
本工程建筑物防雷等级为二类防雷，金属屋面材料主要为单层圆孔铝单板和金属格栅，铝单板厚度为4.0mm，金属格栅采用150×300×4铝格栅，金属板下无易燃物品，符合规范要求，宜利用金属屋面做接闪器。
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2.3 引下线
围挡喷淋系统的流通管路主要是由直通、三通、PPR水管等组成，喷淋水源和传送动力分别由水箱和多级泵提供，其中多级泵的使用要注意：使用之前要向泵内注满水。
引下线是用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体，其作用是将接闪器与接地装置连接在一起。根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》对引下线的规定：建筑物的钢梁、钢柱、消防梯等金属构件以及幕墙的金属立柱宜作为引下线，但其各部件之间均应连成电气贯通,可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接；各金属构件可被覆有绝缘材料。
本工程中引下线具体做法如下：
（1）金属屋面的金属板是直接用金属螺钉和自攻钉固定在钢结构构架上, 它们之间已构成了完善的电气连接, 为了保险起见，施工时再选取一部分连接点采用40×4的热镀锌扁钢进行跨接，跨接扁钢尽量隐蔽，焊接可靠，焊接完成后清除焊渣，涂刷与钢结构构架相同颜色的防腐漆。钢结构构架与型钢柱和型钢梁之间、型钢梁和型钢柱之间的连接均为焊接和高强锚栓连接，连接可靠，可直接将雷电流传导至接地体。另外要将屋顶上所有凸起的金属构筑物和管道与结构柱内主筋或屋面钢柱可靠连接。
（2）另一方面，在建筑物周圈间距均匀地选取八根直通屋面的混凝土框柱，选择每根柱子内的两根对角主筋做防雷引下线，在主体施工时及时做好引下线钢筋的标记和跨接，跨界做法为在主筋直螺纹套筒连接处使用直径为12的圆钢进行跨接，直螺纹套筒两侧圆钢与主筋的焊接长度为12cm。
图3 柱内主筋做引下线连接
（3）利用混凝土柱内主筋做的引下线在屋面处预留出扁钢，与就近的钢结构构架或结构梁按规定间距做可靠的焊接连通，作为自然引下线将金属屋面与接地体连通。同时，利用屋面混凝土板内钢筋在外圈连接成一个电气环路，并与每一根柱内引下线可靠连接。
2.4 接地装置
接地装置是埋入地下土壤中的金属导体，由接地线和接地体组成，其作用是把雷电流疏散到大地中去，以限制防雷装置对地电压过高，因此接地体的接地电阻要小。
接地体分为人工接地体和自然接地体两种, 自然接地体即兼作接地用的直接与大地接触的各种金属构件, 如建筑物的钢结构、埋地金属管道 (可燃液体和可燃气体管道除外) 等。人工接地体即是直接打入地下专作接地用的经加工的各种型钢或钢管等。本工程建筑物基础为钢筋混凝土基础, 就宜利用其基础桩、承台作为自然垂直接地体[2]。具体做法为利用基础水平圈梁作为自然水平接地体, 将圈梁内的主筋和基础桩、承台的主筋焊接连通, 建筑最外围两根基础钢筋连接成闭合环路，与选取的几条横轴、纵轴连接，形成网格状，与引下线可靠连接，并将各段地梁的钢筋与环路相连，这样才能将各个基础连成一个接地体，而且地梁的钢筋形成一个很好的水平接地环, 综合组成一个完整的接地系统。连接方式不可以直接将两根钢筋直接焊接，应采用直径为12的圆钢搭接焊接，双面焊接，焊接长度12cm，如果施工时局部操作空间不足，也可采用单面焊接，焊接长度12cm。将接地体做成网格状有两个优点：一是使整个接地体电势相等，起到均压作用，减少室内的跨步电压；二是便于引出接地端子, 方便各种设备（如电梯等）和金属物的接地。进出建筑物的所有金属管道就近与接地体连通。电气系统接地型式为TN-S系统，即电源侧电力变压器中性点直接接地时，负荷侧电器设备不带电的外露可导电部分通过保护零线接地的接零保护系统。防雷接地、变配电室接地、电梯工作接地、火灾自动报警系统接地、弱电系统接地等均用结构基础做接地体，其混合接地电阻不大于1欧姆。
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2.5 等电位联结
将建筑物电气装置内外露可导电部分、电气装置外可导电部分、人工或自然接地体用导体连接起来，以达到减少电位差的目的，称为等电位联结。等电位联结对用电安全、防雷以及电子信息设备的正常工作和安全使用，都是十分必要的。根据理论分析，等电位联结作用范围越小，电气上越安全。等电位联结一般是由总等电位联结（MEB）、辅助等电位联结（SEB）和局部等电位联结（LEB）组成。
金属屋面的建筑物, 其自身较容易遭到雷电的直击或感应，由于建筑物内部的空间往往又较大, 所以室内各点上感应出的电位也会相差较大，建筑物内的人员和设备就会受到不同电位差的反击, 从而造成人员的伤亡或设备的损坏。这就要求对金属屋面建筑物内部的均压和等电位做更高的处理。
本工程采用总等电位联结方式，进出建筑物的各种金属管道在进出处与防雷接地装置可靠连接，带淋浴的卫生间设局部等电位联结。高低压配电室内做等电位均压环，所有外露的金属构件均通过该均压环与接地装置相连，高低压设备共用接地装置。所有弱电系统的机房、电梯机房及电气小间内设辅助等电位端子箱。所有弱电系统线路上的可导电的金属外护套、装置的金属外壳以及敷设线路用的金属构件均连成一体，通过PE线与辅助等电位铜排良好导通接地。
2.6 玻璃幕墙防雷
建筑玻璃幕墙在遭受到雷击后, 雷电流巨大将会产生电效应、热效应与机械力, 对幕墙结构安全性产生影响。甚至会因为瞬间释放出的巨大能量熔化被击中金属, 促使物体水分受热膨胀, 分解成氢气与氧气爆炸, 或者是雷电流作用产生高温造成建筑物发生火灾, 具有巨大安全隐患。对于建筑玻璃幕墙结构特点来将, 其使得地表电场分布产生畸变, 电场强度远大于普通建筑, 为雷电形成提供了有利条件, 再加上距离放电云层更近, 遭受雷击的可能性更高。现在玻璃幕墙已经成为建筑常见围护形式, 其对建筑设置的防雷装置产生一定屏蔽效应, 无法发挥接闪和防雷功能, 这样一旦玻璃幕墙受到雷击, 便会直接对玻璃和幕墙产生损伤。并且建筑玻璃幕墙结构多为金属材料, 受雷电效应影响, 产生静电感应作用, 雷电发展时, 幕墙金属结构将会积聚大量与雷云极性相反的感应电荷, 待雷云放电后, 幕墙金属框架感应电荷无法及时流散, 而产生巨大对地电位, 形成静电感应电压, 对整个建筑内部的电气设备以及人员产生安全威胁[3]。由此可见玻璃幕墙的防雷接地是十分重要的。
（1）均压环
均压环是高层建筑物为防止雷击而设计的环绕建筑物周边的水平避雷带。在建筑设计中当高度超过滚球半径时(一类30米，二类45米，三类60米)，每隔6米设一均压环。在设计上均压环可利用圈梁内两条主筋焊接成闭合圈，此闭合圈必须与所有的引下线连接。就建筑玻璃幕墙建设现状来看, 均压环设计还存在较大缺陷, 无论是设置均压环, 或者是直接利用建筑物均压环, 两种方法均存在均压环与玻璃幕墙龙骨以及建筑物防雷设置未连接问题, 无法发挥其所具有的功能。对玻璃幕墙防侧击雷设计规范进行分析, 可以确定现存很多建筑物玻璃幕墙防雷设计不当, 幕墙纵向与横向龙骨连接部位直接利用卡套连接, 电气连接处理不规范。
为提高玻璃幕墙在建筑中的安全可靠性, 降低直击雷和侧击雷对其产生的影响, 需要在前期做好防雷设计与施工, 严格以专业规范作为依据, 保证每个细节规范性。均压环作为建筑物玻璃幕墙防雷施工要点, 需要根据建筑物防雷类别进行分析, 对不同高度设置均压环。一般可以选择就幕墙顶部、底部和每三层在建筑物四周结构楼板表面设置规格为40×4的镀锌扁钢, 并将其与建筑物四周设置的防雷引下线引出钢筋进行有效焊接。
本工程中在屋面女儿墙外围敷设一圈规格为40×4的镀锌扁钢，作为均压环，与玻璃幕墙的钢龙骨进行多点式可靠焊接，同时与建筑就近的柱内引下线和钢结构进行可靠焊接。
（2）导流入地
屋面均压环连通引下线，直接将雷电流导入大地；另外，本工程中玻璃幕墙的龙骨依附于钢结构的抗风柱，抗风柱支撑着屋面上向外伸出部分的钢构架，与屋面钢结构和金属屋面连通，所以钢结构的抗风柱也可作为引下线，但由于抗风柱的底部固定在一层顶板，并不是落地的，所以要在抗风柱的底部与就近引下线在二层预留的镀锌扁钢可靠焊接。
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（3）施工控制要点
利用圆钢焊接时，要求搭接焊接长度不得低于圆钢直径的6倍, 焊接要平整, 完成双面焊接后, 必须及时在焊接部位涂刷两道防锈漆, 防止焊接病害的出现；镀锌扁钢的焊接采用三面焊接，焊接长度至少为其宽度的2倍；保证抗风柱和幕墙的龙骨可靠接地；利用不锈钢对穿螺栓, 将镀锌扁钢与主龙骨进行有效压接处理, 加垫厚度为1mm的不锈钢垫片, 避免镀锌扁钢和龙骨间出现电化学腐蚀问题, 而影响防雷效果。
结束语
总之, 金属板屋面的建筑物的防雷系统是一个很难处理的工程，加上外立面的玻璃幕墙，更是难上加难，防雷保护设计时必须要考虑全面, 采取多种手段, 综合考虑接闪、分流、均压、屏蔽、接地等主要因素, 才能使防雷系统更加完善, 才能获得更好的保护效果, 才能保证建筑物的安全, 才能保证人员和设备的安全。
参考文献
[1]段春丽,黄仕元.建筑电气第2版.机械工业出版社
[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010
[3] 吕昆坤,王道平,周延洲.高层建筑玻璃幕墙防雷技术分析研究