仿古建筑物防雷设计及施工

摘要：在建筑施工现场，建设单位和施工单位都十分重视的安全问题，主要是针对高空坠落、高空坠物、塔吊、提升机、临时用电等方面。而建筑施工现场防雷击是一个相对薄弱的环节。本文就环翠楼改造工程简单介绍如何安装防雷击装置做好防雷击工作，减少雷击带来的损害。另外建筑物由金属材料作为屋面的建筑物，由于其屋面板具有与避雷网同等的接闪效果，故其防雷设计在接闪等方面与一般混凝土屋面的建筑物有所不同，针对金属屋面的特殊性来探讨其防雷设计。关键词：防雷击；接闪器；建筑施工；金属屋面;降阻剂；1概述雷是一种大气放电现象。如果雷云较低，周围又没有带异性电荷的雷云，就会在地面凸出物上感应出异性电荷，两者空隙间产生了巨大电场，当电场达到一定强度，空隙间的空气剧烈游离，造成雷云与地面凸出物之间放电，这就是通常所说的雷击。雷击可产生数百万伏的冲击电压，数十万安培的冲击电流，且放电时间极短。能对施工现场的建筑物或者构筑物、建筑材料、机械设备、电气和脚手架等造成损坏及人身造成严重的伤害，同时也会对建筑物本身造成毁坏。威海市属雷击高发区，尤其是沿海山区，如果麻痹大意，往往会造成施工中不必要的损失和事故。另外我们所做的工程建筑物主体采用铜装饰，这类金属屋面建筑物的防雷工程设计在接闪等方面与一般混凝土屋面的建筑物有所不同。我们对环翠楼工程的整个施工过程进行了风险分析和风险评估，提出了两个问题：问题一：钢结构在裸露的山顶施工遇到雷雨天有遭雷击的风险；问题二：主楼整体采用铜装饰且建筑基础为风化岩联合接地阻值有达不到设计值≤1Ω的风险；针对上述两项问题，我们在理论上进行了分析论证：原有的施工方法存在隐患，必须编排新的施工方案，研究新的施工做法，才能从根本上消除隐患。具体阐述如下：2施工现场防雷击2.1防雷击装置施工现场的防雷击装置一般由接闪器（避雷针），接地线和接地体组成。接闪器应安装在高出建筑物或者构筑物的塔吊，外用电梯，物料提升机，钢脚手架等顶端。接闪器的长度应为1~2m。接地线可用截面积不小于16mm2的铝导线，截面积不小于12mm2的铜导线，或者直径不小于8mm的圆钢，20mm×20mm的扁钢，也可以利用建筑物或者构筑物的金属结构体，但要确保良好的电气连接。施工现场一般都选用圆钢和扁钢。接地体有放射式和带式两种。放射式接地体是采用多根长度1.5m，直径50mm的钢管或者50×50mm的角钢，将其一端垂直打入地下，其顶端离地面不小于50mm，用40×40mm的扁钢呈放射状连接。带式接地体是将多根长度1.5m，直径50mm的钢管或者50mm×50mm的角钢，将其一端垂直打入地下，其顶端离地面不小于50mm，用40mm×40mm的扁钢呈水平连接。防雷击装置的接闪器，接地线和接地体之间的连接必须双面焊接，焊缝为圆钢直径的6倍或者扁钢厚度的2倍以上。施工现场的防雷击装置的冲击接地电阻值不得大于30Ω；施工现场设有变电所、配电所的，其防雷击装置的冲击接地电阻不得大于10Ω。现场浇制的或由预制构件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋应绑扎或焊接成闭合回路，并应每隔18~24m采用引下线接地一次。防雷击感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其接地电阻不应大于10Ω。2.2防雷击部位建筑施工现场主要是防直击雷。建筑施工现场需要考虑防直击雷的部位主要是塔式起重机、物料提升机、外用电梯等高大机械设备及钢脚手架、在建工程金属机构等高架设施；防感应雷的部位则是现场变电所，配电室的进、出线处。在考虑防直击雷的部位时，首先应考察和通过计算确认，施工现场是否在邻近建筑物或构筑物的防直击雷装置的防雷保护范围以内。如果在保护范围以内，则可不另设防直击雷装置；如果在保护范围以外，则应按当地雷电活动规律综合确定安装防雷装置。在钢结构施工的过程中，每一根直立起来的钢柱都是一根接闪器，如果其基础未作接地连接，那是很危险的（安装接地图指标出的引下线只是针对具体的几个柱子）。特别是在工程施工过程中钢柱之间未进行结构焊接，如果遭到雷击其后果严重。2.3防雷击保护范围防雷保护范围是指接闪器对直击雷的保护范围。接闪器防直击雷的保护范围是按“滚球法”确定的。所谓滚球法是指选择一个其半径hr（由防雷类别确定）的一个可以滚动的球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物），或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该未被触及部分就得到接闪器的保护。在施工现场年平均雷暴日数大于15天／年的地区，设备和金属架构高度为15米及以上时；或年平均雷暴日数15天／年及以下地区，设备和金属架构高度为20米及以上时，防雷等级可按第三类防雷类别对待。相应地确定接闪器防雷保护范围地滚球半径即为602.4施工现场常用防雷击措施做好防雷击工作，认真辨别建筑施工现场是否要安装防雷击装置。千万不要马虎从事，尚须指出的是：当施工现场最高机械设备上接闪器的保护范围能覆盖其他设备，且又最后退出现场，则其他设备可不设防雷装置；施工单位要对施工人员进行安全教育，对雷击的基本常识有一定的了解，特别是跨步电压；雷雨天气时，不得进行任何露天作业；对防雷击装置进行定期检查，对冲击接地电阻值进行定期检测，确保在有效值范围；确保消防设施设备到位并有效；制定防雷击的安全措施和紧急预案，定期组织演习；办公，生活区要与施工区分开设置，确保施工道路的畅通。2.5环翠楼建设施工现场防雷击措施在通常的建筑施工往往安装与土建是两个相对独立的项目，安装工序的安排没有考虑到自己的工序安排应对其它工种提供安全保障。现在应该合理安排工序，修改施工方案，给钢结构的施工提供安全保障。针对目标要求，工程小组成员总结以往经验，多方论证，围绕实现确保钢结构施工人员不受雷击的活动目标，提出多种技术更新想法，决定采用在主楼四角增加接地极，引出接地扁钢与接地网连接，每一根钢柱根部都要与接地网进行连接。（在阻值达不到要求时，在适当的补打接地极）图1主楼四角增加接地极通过比较，最后确定“采用多打接地极引扁铁与接地网连接”为实施方案，如上图采用φ50L2500镀锌钢管找腐殖土较厚处向水平或斜下方打接地极6根增大接地面积，引出接地扁钢与棋盘式接地网连接，使之达到防雷接地阻值≤4Ω。（下图为接地扁钢所处的位置）具体实施方案如下：2.5.1在钢结构施工前，首先查询防雷技术标准规范汇编的各项参数，根据现场实际情况选择桩基础开挖的比较深的、间距不超过20米位置设置接地点，绘制接地点的位置。2.5.2其次选择长度2.5m合格钢管，间距3米成排打6根接地极，要求位置准确，有基础梁的焊迹要饱满。2.5.3现场数据测试，测试用的电线连接结实可靠，探棒要插在没有经过开挖的土中（因为回填土的密度过大，不能反映出真实的接地电阻）。如果阻值达不到，就需要向外围敷设均压环增设接地极。直至符合要求。接地点与钢结构基础网格连接，焊迹饱满，搭接倍数为2倍扁钢宽度。2.5.4阻值达到要求后，与钢结构公司进行工序交接。每月对接地系统进行1次测试，随时监控接地电阻的变化。3金属屋面的防雷设计随着科技技术的发展，各式各样的现代建筑物如百花争艳地展现在人们的眼前如玻璃墙体、金属体包装等，现在又有许多新型的建筑物采用彩钢压型板和彩钢夹芯板。由于这种建筑材料具有使用灵活、安装方便、造价低廉、美观实用等优点，因而被广泛地运用于各类工业厂房、仓库、体育场、展览馆等建筑工程的屋面建设中。而这类金属屋面建筑物的防雷工程设计在接闪等方面与一般混凝土屋面的建筑物有所不同。3.1接闪器《建筑物防雷设计规范》的第4.1.4条有专门对金属屋面作接闪器的情况提出要求：第一类防雷建筑除外；《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第11.6.5条对于利用彩钢板，铜板，铝板等做屋面的建筑物，当符合下列要求时，宜利用其屋面作为接闪器：①金属板之间具有持久的贯通连接；②当金属板需要防雷击穿孔时，钢板厚度不应小于4mm，铜板厚度不应小于5mm，铝板厚度不应小于7mm；③当金属板不需要防雷击穿孔和金属板下面无易燃物品时，钢板厚度不应小于0.5mm，铜板厚度不应小于0.5mm，铝板厚度不应小于0.65mm，锌板厚度不应小于0.7mm；④金属板应无绝缘被覆盖。压型钢板是以彩色涂层钢板或镀锌钢板为基材，经辊压冷弯成型的建筑用围护板材，其保温及隔热层为离心超细玻璃丝棉卷毡。此种板材现场制作，有利于解决大范围内面板搭接易于出现的接缝不严的情况，现场复合使整个大面积的屋面成为一个整体，更加坚固、易排水、防漏、保温，而且建筑外形更加统一、协调、美观。而夹芯板是将彩色涂层钢板面板及底板与保温芯材通过粘接剂（或发泡）复合而成的保温复合围护板材，按保温芯材的不同可分为硬质聚氨脂夹芯板、聚苯乙烯夹芯板、岩棉夹芯板，夹芯板一般为工厂预制。围护系统连接方式一般为咬合连接或者搭接连接。根据它的特性满足金属板之间具有持久的贯通连接的要求。同时规范要求接闪器应热镀锌，焊接处应涂防腐漆，在腐蚀性较强的场所，还应加大其截面或采取其他防腐措施。3.2引下线采用彩钢板做屋面的工程为轻钢结构建筑物，轻钢结构建筑物的主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可靠的连接，形成了持久的电气通路。因此，只要设置了可靠的接地装置，就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点，《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.2.3条已经作了规定。当然，规范对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求，不过在土建施工时，只要所有的钢柱和接闪器、接地装置做了可靠连接，那么它们都是引下线，实际效果超过了规范的标准。另外，此条规定的条文说明指出它适合设断接卡子的情况，而根据规范第4.2.4条，当利用钢柱做引下线同时采用基础接地体时是可以不设断接卡的。钢柱本身做了防腐处理，含绝缘被覆层，也起到一定的防护作用。另外，此条规定的条文说明指出它适合设断接卡子的情况，而根据规范第4.2.4条，当利用钢柱做引下线同时采用基础接地体时是可以不设断接卡的。3.3接地装置在现行设计中，一般将基础钢筋作为自然接地体，用40×4的镀锌扁钢将其连通，并施行总等电位联结。这样进行处理，接地电阻很小，一般容易达到设计要求。在设计中应当注意，应在室外合适位置预留接地连接板，做法可以参考国家标准图集《接地装置安装》(03D501-4)。这样，当接地电阻值达不到要求时，施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值，这一点应当在设计图纸中有所体现。另外，在设计图纸中，不能泛泛而谈“利用建筑物基础钢筋做自然接地体”。轻钢结构建筑物在基础施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后才能和钢柱相连。须知：预埋的接地螺栓本身和基础钢筋是没有电气连接的。所以土建施工时可用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接，具体做法参见国家标准图集《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》（03D501-3）的17页。这样，从接闪器到引下线，再到接地装置，雷电流才具备完整的泄放通道。这样做还不够，还应该用短钢筋和基础钢筋可靠焊接，并引出基础外，供联结接地环网，方有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置独立基础的轻钢结构建筑尤其重要，所以有必要在设计图纸中交待清楚。如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性，即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实，造成的后果则是整个建筑物没有可靠的接地网。采取的补救措施是用40X4的镀锌扁钢做等电位环网，镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可靠焊接，这样，镀锌扁钢充当了接地极和接地线的双重角色。等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周，这样的接地环尺寸较大，室内地电位分布可能陡峭，还应该加敷均压接地网。以此来减小接触电压和跨步电压。3.4环翠楼楼体防雷设计新建环翠楼工程“主楼整体采用铜装饰且建筑基础为风化岩联合接地阻值有达不到设计值≤1Ω的风险”，联合接地的电阻达到设计值必须≤1Ω。本工程铜材的厚度实测均大于2.5mm，铜装饰下无可然材料。其难点在于保证暗敷于铜装饰下的扁铁与接闪的铜构之间的焊接饱满，搭接倍数符合要求，连接隐蔽美观。避雷系统与铜装饰的配合施工我们以前没做过，上海“东方明珠”遭雷击烧毁避雷器，又使我们对半导体避雷器的使用，不敢信任。为保证避雷效果，决定采用“换土保守方式”，虽然工程量大，只要土建回填时，采用腐殖土，达到设计值是有保障的。但在施工过程中，决定热熔焊接进行扁钢与铜件的焊接，采用哪种焊接方式是解决的关键问题。最后我们经过现场试验比对决定采用氩弧焊对扁钢与铜件的焊接。其优点在于①在于铜结构焊接过程中对铜结构造成的变形小。②施工方便。③焊迹饱满可靠。④产生的明火小，利于防火。施工过程中，首先绘制需要焊接的暗敷避雷带。根据图纸设计明敷避雷带的位置，把-40×4镀锌扁钢暗敷于铜瓦下；屋面挑檐在混凝土内和铜瓦下都暗敷扁钢构成双层保障，主楼宝塔与四根-40×4接地扁钢可靠焊接，宝顶与钢构可靠焊接。在可靠焊接的同时，还要求材料的厚度不能小于2mm。其次对于暗敷避雷带的焊接，要求焊迹饱满，搭接倍数2倍扁钢宽度，要与钢结构柱焊接在一起。要求铜结构之间、铜结构与暗敷避雷带的焊接合格，根据技术交底精确定位，对于易遭受雷击部位铜与铜、铜与铁之间进行可靠焊接。在实施过程中要进行准确测量，从屋顶引出测试点进行检测，保证焊接贯通性。4结束语经过1年多的工程项目实施活动，完成了防雷设计的课题，通过现场检查和监控，“仿古建筑防雷做法”达到了预期的目标，确保了钢结构施工人员不受雷击。项目部对工程全部钢柱接地阻值进行了跟踪监控，测阻值为＜2.8Ω并经过了2个雷雨季的考验。暗敷扁铁与接闪的铜结构之间的焊接饱满，搭接倍