高层建筑物的防雷分析

随着经济的发展和城市人口的增长，建筑的高层化和智能化已成为城市发展的一种趋势。由建筑物年预计雷击次数公式N=KNgAe(详见GB50057-94)可知，高层建筑比一般建筑遭雷击的概率要大得多，而一旦遭受雷灾,损失将非常严重,后果会不堪设想。可见，高层建筑防雷系统的可靠性极为重要。
雷电的形成有多种原因，以负极性下行先导放雷为主。一般来说雷电的破坏形式有三类：直击雷，即雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应，一般建筑物易受直击雷的部位多为屋檐、屋脊、屋角、檐角、女儿墙，还有雷电侧击高层建筑的问题；感应雷，即雷电流产生的电磁效应和静电效应；雷电波侵入，雷电流沿电气线路和管道引入建筑物内部，危及设备安全。
在防雷保护设计中，一般采用三级保护措施：
（1）将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散；
（2）阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压；
（3）限制被保护设备浪涌过电压幅值。
2. 高层建筑物的防雷
建筑物防雷系统是由避雷针、避雷网（带）或混合组成的接闪器，主体结构的柱、梁、板钢筋或外接引下线组成的引下装置，及利用基础自然接地体（桩基、地梁、承台或底板钢筋）或人工接地体组成的接地装置合成，整个建筑形成一个法拉第笼，将雷电流引入大地。以下对高层建筑具体的防雷措施进行探讨。

2.1 接地装置
现代高层建筑的防雷接地、电气设备的保护接地和工作接地都是合在一起的，组成综合接地系统，接地电阻通常要求小于4Ω（鉴于目前高层建筑智能化设施日益增加，设计时接地电阻不宜大于1Ω）。因为高层建筑的钢筋混凝土基础埋地深，与大地的接触面积大，其接地电阻比一般人工接地所得到电阻低得多，容易满足上述要求。考虑到大部分高层建筑的基础均做了防水处理，致使接地电阻增大，应尽量在建筑物周边做圈式接地，周圈式接地可避开防水处理层，同时由于接地体埋在基础的外边，也具有均衡电位的效果，提高了安全性。某酒店及办公为一体的高层综合大楼就是遇到这种情况，加上大地土壤电阻率偏高，基础完工测试接地电阻无法满足设计要求，后采用上述方法处理，效果显著。在大地土壤电阻率高的地区，当一般做法的联合接地体的接地电阻值难以满足要求时，可以采用向外延伸接地体、改良土壤（换土、采用降阻剂）、深埋电极以及外引等方式。
2.2 接闪器
接闪器有避雷针、避雷带（网）、消雷器等几种，采用何种方式应根据建筑物的造型及避雷效果而定。目前一般高层建筑较多采用避雷针、明装避雷带和暗装避雷网相结合的方式，接闪器的布置应符合下面要求。
建筑物30m以上部分，每两层在外围用扁钢做暗敷水平避雷带（可兼做均压环及金属预埋件）；楼顶可利用梁、板内钢筋相互焊接成尺寸不大于10*10m暗装避雷网。此外，高层建筑的屋顶的金属旗杆、广告牌、钢爬梯、风冒、透气管、水管、设备等必须与就近的避雷带、避雷网焊接。利用不锈钢栏杆楼梯的上人屋面女儿墙，可在其下暗敷扁钢与支架和引下线焊接牢靠，栏杆间和支架也应焊接。

塔楼顶采用避雷针时，为了降低避雷针的高度，增强防雷效果，可采用半导体少长针消雷装置（一般用于35m以上的建筑）及避雷针。
2.3 引下线及均压环
高层建筑柱主筋和梁板钢筋可直接利用作为引下线和均压环，但应注意意引下线、接地装置、均压环和接闪器间必须牢固可靠地连接。当建筑物高度超过30m时，每三层沿建筑物四周设置均压环，30m以上外墙栏杆、金属门窗等较大金属物通过预埋件与均压环或引下线相连；建筑物内的各种竖向金属管道每三层要与均压环连接一次，平行或交叉的管道间也应跨接。
高层建筑室外玻璃幕墙、大型复合金属板及不锈钢金属面材的应用增强了建筑的艺术效果，但同时也对防雷提出了要求。由于幕墙的面板是装在金属龙骨架由支座固定在主体结构预埋件上，支座是与预埋件焊接的，所以只需将该处的梁或柱与支座预埋件、引下线可靠连接即可满足要求。
2.4 电气部分
由于高层建筑在结构上已形成等位体，雷击对电气设备的损害主要是感应雷造成的。感应雷通过以下途径入侵：
(1)雷电的地电位反击电压通过接地体入侵；
(2)由通信信号线路入侵；
(3)由交流供电电源线路入侵。
为防止雷电波侵入，在建筑物内供电线路的各部位逐级安装电涌保护器，以消除雷击过电压；进入建筑物的各种线路及金属管道应全线埋地引入，在入户端将电缆的金属外皮、钢皮及金属管道应与接地装置连接；进出建筑物的各种金属管道及电气设备的接地装置，应在进出处与防雷接地装置连接。

室外安装有空调主机及其支架的高层住宅，应在窗洞口下方30 cm~50cm处预先埋设密封性良好的金属分线盒，盒内敷设镀锌扁铁。扁铁的一端与主体内均压环或钢筋引下线焊接，另一端与带铜接线端子的10mm2以上的多股导线相连接，待使用时，将盒子内的导线引出连接到空调室外机及其支架。
固定在建筑物上的彩灯、航空障碍灯及其它用电设备的线路则采用置于接闪器保护内、线路外穿钢管及配电箱装设过电压保护器等措施保护。
3. 结束语
高层建筑的防雷是一个复杂的系统工程，对建筑物的安全使用，电气设备的正常运行有着至关重要的作用，在设计施工中除了严格遵守规范外，还应积极采用可靠的新技术以更有效地消除雷害。