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建筑物防雷问题：高层建筑防雷接闪器设计及安装规范
高层建筑防雷接闪器设计及安装规范
雷电是一种强度极大、作用时间极短的瞬变过程。雷电流击中建筑物时，通常会产生电效应、热效应和机械力效应，从而破坏建筑物和伤害人体。建筑物的落雷频率决定于该地区年平均雷暴日及建筑物的等效面积,而建筑物的等效面积决定于建筑物的长、宽、高。也就是说,在同一地区内,建筑物年预计雷击次数随着其高度的增高而增多。
此外，高层特别是超高层建筑物会使地表的电场分布发生严重畸变，其电场强度远大于一般建筑物，且离放电云层近，更易构成雷电发生条件而受到雷击。因此，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非常严重，后果将不堪设想。
1高层建筑定义
在新的《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002，2010年版）里规定：10层及10层以上或高度超过28m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构；当建筑高度超过100m时，称为超高层建筑。《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-1995，2005年版）将10层及10层以上的居住建筑和高度超过24m的公共建筑划称为高层建筑。
2高层建筑的接闪器
根据新版《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010) （以下简称“新设计规范”）第2.0.8条，接闪器（air-termination systerm）：由拦截闪击的接闪杆、接闪带、接闪线、接闪网以及金属屋面、金属构件等组成（以前接闪杆称为避雷针，接闪带称为避雷带，接闪线称为避雷线，接闪网称为避雷网）。由此可见，接闪器实际上是主动引雷、拦截雷击，从而保护建筑、设备和人员安全的防雷装置，而良好的接闪器体系更是高层建筑直击雷防护的重要环节和首要保障。
3高层建筑直击雷防护区域
对于高层建筑物来说，雷闪除了大部分击在建筑物顶部外，还有一部分击在建筑物的侧面。所以高层建筑物的防直击雷，如图1所示，共分为三部分：第一部分建筑物屋顶，应做好防直击雷措施；第二部分建筑物地面以上小于等于滚球半径的部位，在有水平接闪带的前提下，可不采取防直击和侧击的措施；第三部分是第一、第二部分之间，应采取防侧击雷措施，侧击雷其实也是直击雷的一种。针对现代高层建筑这三个部分接闪器的布设和安装，笔者进行了重点探析。
图1 高层建筑物防直击雷的三个部分
4第一部分接闪器的布设和安装
由于建筑物高，雷闪击中建筑物屋顶周边的雷电流可能会很大。而大雷电流对应大的滚球半径，雷电流通常从上空接近于垂直向下进行。根据雷电电气-几何模型，如150米高的建筑物，取其高度为滚球半径，其相对应的雷电流约为（150/9.4）3/2≈63.74 kA。也就是说在距建筑物屋顶周边150m范围内大于63.74 kA雷电流的雷击，将极大可能击到建筑物屋顶周边上[5]。因此，顶部的直击雷防护是极为重要的。现在一般都采用“接闪器拦截雷击，利用金属导体引下,由接地极泄流入地”这一传统防雷方法防范直击雷。根据“新设计规范”第5.2.12条，高层建筑屋顶布置接闪器时，可采用滚球法，单独或任意组合采用接闪杆、接闪带、接闪网；还可利用金属屋面和其他金属构件作为接闪器。具体采用何种方式应视建筑物的造型、结构、功能和防雷效果要求而定。
4.1 接闪带和接闪网
屋顶的接闪带、接闪网应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设。一般来说，高层建筑物的屋顶防直击雷，可沿屋顶周边外墙外表面或屋檐边垂直面上或其外处布设接闪带，屋顶中间设置接闪网，同时经过伸缩缝时应有补偿连接装置。屋面接闪网网格尺寸应严格按照建筑物防雷等级设置；如若暗敷，应注意埋深，按照经验，一般为找平层下30-50mm，宜做在防水层上保温层下，埋设太深则无较好接闪效果。
但对于斜屋面盖瓦的高层住宅，其接闪器布置和安装时就要注意屋檐、檐脚、屋角等靠建筑物顶外围处的接闪带是不允许暗敷的；一般来说，高层建筑也不能利用屋顶周边混凝土内的钢筋作为接闪器。虽然“新设计规范”没有明确提出高层建筑不能暗敷接闪器，但《建筑物防雷装置检测技术规范》（GB/T21431-2008）第5.2.2.8条中明确指出“高层建筑物不应利用建筑物女儿墙内钢筋作为接闪器”。《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》（GB50601-2010）第6.1.1条第3款也明确规定“高层建筑物的接闪器应采取明敷”。 因为当接闪带接闪雷击时，在膨胀发热过程中，顶部周边瓦片或钢筋表面的混凝土落到地面的动量将比从多层建筑物落到地面的动量大的多，极易造成人身伤亡危险。
现代高层建筑屋顶的功能性日益增强。例如青岛开发区国贸中心屋顶的停机坪就是一个很好的例子。按照行业标准《民用直升机场飞行场地技术标准》（MH5013-99）中相关规定，在建筑屋顶设置停机坪，属于高架直升机场，在停机坪内不得设置高出直升机起飞和降落的限制面的物体。故屋顶停机坪不可设置接闪杆，只能按照要求，在屋面易受雷击的部位装设接闪带；且对于该第二类防雷建筑物，屋顶接闪网网格尺寸应不大于10m×10m或12m×8m。按照“新设计规范”第4.3.2条规定，直升机作为可移动的大型金属物体，当其在停机坪上停放时，高度突出了屋面，还应和屋面防雷装置作等电位连接。一个较好的解决方案是：在屋顶女儿墙周边设置接闪带；中间混凝土屋面上以停机坪中心为圆心，暗敷放射状的圆形接闪网，并且保证网格尺寸不大于10m×10m或12m×8m；同时在屋顶预留接地插座，直升机通过在停机坪上专用的接地线使飞机的机壳可靠接地。这样，屋顶接闪网（带）即作了建筑物的接闪器，又作了直升机的接地装置，一举两得都可兼顾。
4.2 接闪杆
据“新设计规范”第5.2.2条和第5.2.3条，安装在高层建筑顶的接闪杆宜采用热镀锌圆钢或钢管，接闪端宜做成半球状，其弯曲半径为4.8mm-12.7mm。由于时刻会受到自然界空气、风力、雨雪、太阳辐射、接闪电流后的电磁力等各种危害影响，接闪杆应重点考虑风力、冰雪、雷击能量等对其荷载的影响，选用防腐抗氧化、高物理强度、耐高能量的材料，保证构件安装连接牢固，减少装置能量损耗，并定期对其安全性能进行检测，使其长期有效发挥作用。
建筑物顶接闪杆在引雷防护的同时，伴随着很多负面效应（二次效应），主要包括：产生感应雷、增加雷击概率、地电位反击等，使得周围的电子设备和人员极易受到损害。所以高层建筑物，尤其是对现代智能信息系统的高楼，应尽量少用接闪杆，多采用接闪带、接闪网等作为接闪器。形状不规则或难以安装接闪带的高层建筑，可利用接闪杆进行保护。但为减少LEMP（雷击电磁脉冲）发生次数,应限制接闪杆的高度，采用短杆、多杆的接闪布设方案，做到既防直击雷,又不因此而大量增加LEMP。为了提高可靠性和安全度，便于雷电流的散流以及减小流经引下线的雷电流，安装的多根接闪杆要用接闪带连接起来。而对于楼顶卫星天线、太阳能水塔等不能作为接闪器的设施宜在建筑物顶安装接闪杆保护。
其他例如ESE避雷针、消雷器等是否可以提前接闪、中和电荷，还是会引来更多雷电、增加雷击频度，这些都是不明确的问题，国内技术标准也未给予明确，所以笔者认为应该慎用。
4.3 金属屋面
现代高层建筑为了美观，外墙较多采用金属或玻璃幕墙。幕墙上封口位于女儿墙外侧，属于屋顶周边，非常容易受到雷击，且幕墙与女儿墙之间的封顶金属板（多为铝制盖板）是良好的导电体，一般面积较大，故可利用作为接闪器。高层建筑要利用屋顶金属板作为接闪器，须满足：板间的连接应是持久的电气贯通；金属板无绝缘被覆层（氧化保护膜与保护油漆不属于覆盖层）。参照国际防雷技术标准(IECl024-1.1993)和日本、美国等国的防雷标准，再加上国内外对高层金属幕墙的实施经验，笔者认为高层建筑顶作为接闪器的铝板厚度应为2.5mm-3mm 比较适宜。
4.4 其他金属构件
依据“新设计规范”第5.2.8条，现代高层建筑也可利用屋顶上永久性的金属构件作为接闪器。例如：有着不锈钢栏杆的上人屋面女儿墙，可在其下暗敷扁钢与栏杆、支架及引下线焊接牢固；而作为接闪器，金属栏杆须采用直径不小于25mm 的厚壁钢管。根据“新设计规范”第4.3.2条，高层建筑屋顶的金属旗杆、广告牌、金属爬梯、风帽、透气管、消防水管、空调等金属构件应就近与接闪带、接闪网连接，但第4.5.7条第1款的小型金属物可除外。
5第二部分接闪器的布设和安装
按照滚球法保护计算自身的特点，当高层建筑的高度超过其防雷类别的滚球半径时，其滚球半径以下区域是完全不在接闪器保护范围内的，只有在滚球半径高度处设置了水平接闪带，才是高层建筑直击雷防护区域第二部分不需要做防直击和侧击的措施的前提，且滚球半径地面范围内可以完全受到保护，如图1所示。
6第三部分接闪器的布设和安装
根据雷击机理, 有人提出：只有10kA以下的小电流的雷击才会不受屋顶接闪带（网）的吸引而打在建筑物侧面上；因高层建筑物比较坚固、耐雷水平高、能承受10kA以下小雷击电流的破坏作用，高层建筑物侧面不会遭受雷击或遭受雷击几率极小，没必要设置防侧击雷的接闪带。该意见笔者认为不够妥当，因为现代高层建筑高度在不断增加，侧击雷虽然概率极小但不能说没有。“新设计规范”第4.2.4条、第4.3.1条、第4.4.1条虽然也提出了，当建筑物高度超过其对应的滚球半径时，出于对高层建筑屋沿和垂直面的侧击雷防护考虑，应沿屋顶周边敷设接闪带，且接闪带应设在外墙外表面或屋檐边垂直面上或其外。
但是鉴于雷电流的绕击作用，雷电完全有可能穿越屋顶接闪器击落在高层建筑物的侧面，而且考虑到装在建筑物外墙上的电气和电子设备甚至被低峰值雷电流侧击击中也可能损坏，所以笔者认为在利用屋顶接闪器保护的同时，应着重解决防侧击雷的保护范围和外露接闪器问题，才能使侧击雷危害损失减少到最小。
6.1 侧面突出外墙部位的防护
根据“新设计规范”第4.3.9条第1款和第4.4.8条第1款，超过自身滚球半径的高层建筑对水平突出外墙的物体，如阳台、平台等，当对应的滚球半径的球体从屋顶周边接闪带外向地面垂直下降接触到上述物体时应采取相应的防雷措施。如图2所示，与滚球半径相适应的球体从空中沿屋顶接闪器A外侧垂直下降，会接触到突出外墙的平台B，此时B的顶部周边须明设接闪杆或接闪带等进行防护。
图2 外墙水平突出物的防护
6.2 水平接闪带应区别于均压环
在高层建筑实际建设工程中，常将水平接闪带混同于均压环，但事实上，两者有着明显的区别。
6.2.1 两者本质的不同
均压环，按照“新设计规范”对第4.2.4条第4款的条文说明“对于较高的建筑物，引下线很长，雷电流的电感压降将达到很大的数值，需要在每隔不大于12m之处，用均压环将各条引下线在同一高度处连接起来，并接到同一高度的屋内金属物体上，以减小其间的电位差，避免发生火花放电”，目的是为了均衡建筑物同一高度上因雷击造成的电位差，使同楼层地面钢筋、金属管道、电气设备、人员与引下线保持相同电位，避免产生雷电反击，它实际上是一种等电位连接环。而水平接闪带是为了防止雷闪击中建筑物侧面而设置的接闪装置，它实际上是一种接闪器。
6.2.2 两者安装位置的不同
从安装位置来看，均压环可安装在建筑物外部也可在建筑物内部，在实际工程中常利用建筑物圈梁钢筋作为均压环，但由于圈梁钢筋隐蔽于混凝土及外墙装饰材料内，暗敷深度比较深，它本身并不适合作为接闪器使用。如若将其作为接闪器，侧面必将会有外墙碎片，更甚者装饰材料脱落，引起高空坠物伤害事故的概率会大大增加。鉴于此，不可利用暗敷的均压环作为水平接闪带，水平接闪带应尽量做在建筑物侧面外部。
6.2.3 两者间距的不同
按照“新设计规范”对第4.2.4条第4款的条文说明，均压环的最大间距是12m。实际施工中为了便于上下层金属门窗、栏杆、扶手等设施的等电位连接，常要求每隔一层做一道均压环；而为了便于楼层卫生间局部等电位的连接，有人提出每层焊接圈梁环通作均压环。
“新设计规范”只有在第4.2.4条第7款提到了第一类防雷建筑物的水平接闪带间距为不大于6m，第二、三类中并未提到其间距。笔者通过对第4.2.4条第7款的条文说明的理解，推理出这三类防雷建筑物的水平接闪带网格间距，如表1所示。
防雷类别
水平接闪带纵向最大间距（m）
网格横向最大间距（m）
第一类
6
12
第二类
10
18
第三类
24
25
表1 水平接闪带网格间距
注：水平接闪带纵向最大间距，即为接闪网的网格尺寸要求的最大值，网格横向最大间距即为引下线的最大间距。
6.2.4 两者的联系
均压环利用圈梁钢筋沿建筑物四周水平布设，且将所有引下线与其可靠连接。外墙金属门窗、金属幕墙龙骨、金属造型框架等外露金属物可通过连接至均压环或引下线接地,并且大部分外露金属物可作为接闪器构成水平接闪带，这对高层建筑物整体侧击雷防护有较好效果。
6.3 垂直面水平接闪带布设和安装
从“新设计规范”第4.3.9条、第4.4.8条及其条文说明，可见对于高层建筑的防侧击雷，应重点放在上部占高度20%并超过60m的部位。而且第4.3.9条、第4.4.8条都重点强调了三点：1、接闪器需要保护的位置；2、可利用建筑外部金属物做接闪器；3、可利用钢筋混凝土内钢筋和建筑物外部金属框架作接闪器。不过作为侧击雷接闪体系仅利用少数外露金属物作接闪器是不够的；完全利用钢筋混凝土内钢筋作接闪器防侧击雷，造成高空坠物事件几率也将大增；如果高层建筑外部无金属物、金属框架可利用，还须单独设置水平接闪带。
笔者认为，高层建筑物垂直面防侧击雷与顶部防直击雷可采用类似的思维方法，即利用接闪带和构筑的接闪网进行防护。只不过顶部和侧面受到的雷电流大小、遭受雷击几率大小不同，方案略有不同。顶部接闪网格尺寸即为根据建筑物防雷等级设置的接闪网网格尺寸；侧面接闪网网格尺寸可参照表1，其中接闪绕击到建筑物侧面的小电流雷击能量的是水平接闪带，而敷设在内的引下柱钢筋仅起散流、导流作用，故可不计引下线，只需考虑外设的水平接闪带。高层建筑若低于60m，但又高于其自身防雷类别的滚球半径高度，仅须在滚球半径高度处设置一圈水平接闪带；当高层建筑高于60m，按照“新设计规范”第4.3.9条、第4.4.8条，应根据自身防雷类别，在上部占高度20%并超过60m的部位这个区域内，以表1所示的水平接闪带纵向最大间距为间隔设置水平接闪带。现举例说明布设方案。如有一栋三类的高为150m的高层建筑，在外墙垂直面无金属构件的情况下，其侧击雷防护设计如下：1、在滚球半径60m处设置一条水平接闪带；2、上部占高度20%并超过60m的部位（30m）区域范围内，以15m（≤24m）为间隔，单独设置两条水平接闪带。具体如图3所示：
图3 侧击雷防护水平接闪带布设
独立在外墙设置的水平接闪带应重点布置在墙角、边缘和显著的突出物处，条件允许下，可利用外墙金属构件沿四周设置一圈。若无，综合防雷保护与建筑物外观影响，可利用建筑物圈梁在一个平面上平均间距6m，引出多根0.3m长、直径为￠12mm的接闪短杆，以这些接闪短杆构成一圈水平接闪带，如图4所示，并与周边幕墙龙骨等立面较大金属物做等电位连接。
图4 侧击雷接闪短杆布设俯视图
7结束语
对高层建筑物来讲，每一个建筑单体都有不同的接闪器涉及需求，本文仅从常见的高层建筑普遍情况出发进行探讨。高层尤其是超高层建筑，在做好顶部直击雷防护的同时，应充分利用建筑物侧面金属构件和防雷接闪器，从整体上构筑 “法拉第笼”结构体系，才能达到良好的整体防护效果。由于高层建筑结构形式多种多样，新型建筑材料不断涌现，技术规范不断更新，接闪器布设和安装的要求也将发生转变。只有紧密结合工程实际，严格按照规范要求，充分考虑建筑物所处雷电环境，精确计算、详尽分析，对于规范没有细化到位的地方加以科学考虑，采取特殊措施解决特殊问题，才能让建筑物的接闪器有效发挥防护作用，确保建筑物、人员和设备的防雷安全。 | 
