高層建筑電氣施工中的防雷技術探討

朱帥令

(中鐵建設集團中原建設有限公司)

0 引言

在大自然中, 雷電是一種常見的放電現象, 其產生的過電流電壓可能會威脅到建筑物及建筑物內部居民安全。但當下建筑結構層數的增加以及計算機網絡系統的普及, 在一定程度上增加了高層建筑結構信息化設備。但多數信息化設備存在抗耐過電壓能力低的問題, 如果受到雷擊影響, 就會產生電磁效應, 并逐步破壞設備系統, 威脅人身安全[1]?；诖? 為了進一步保證建筑結構穩定性, 提高居民生命安全保障,針對高層建筑電氣施工進行有效的防雷工作很有必要。在分析國內眾多專家與學者的相關研究后, 本文基于雷電對高層建筑的危害入手, 分析討論建筑內部防雷技術和建筑外部防雷技術, 希望可以在明確具體的防雷要求后, 通過合理化的安排與設置, 減少雷電發生時對建筑及居民產生的影響, 盡可能有效避免雷電災害。

1 雷電對高層建筑的危害

1.1 閃電感應

如果發生閃電, 對于所有處在閃電周圍附近的導體, 都有可能會在閃電的影響下產生雷電靜電感應、雷電電磁效應, 甚至還會影響建筑物金屬部件, 在金屬部件中形成電火花。如果此時建筑物內部存在設備安裝不嚴格、金屬管線鋪設不合理等一系列問題, 就會影響電位連接以及接地處理效果, 從而造成金屬管線以及設備在閃電感應的影響下, 產生巨大電壓的情況。而這一情況, 不僅會影響設備, 造成設備的損壞, 甚至可能會對居民的生命安全產生一定的威脅。

1.2 直擊雷與側擊雷

將雷電分為直擊雷和側擊雷。其中, 直擊雷主要是指發生雷電時, 雷電直接擊中地面物體; 側擊雷主要是指, 雷電沒有直接擊中地面物體, 而是擊中高聳物體的側面。以上兩種雷擊方式都會對高層建筑物產生較大的破壞力, 即如果在被雷電擊中后, 建筑物沒能第一時間泄放雷電流, 就會在不同程度上影響建筑物本身或建筑物內部的相應電氣設施。甚至在雷電擊中危害較大的情況下, 還會導致建筑物發生后續爆炸及火災等事故問題。

1.3 閃電電涌入侵

在發生雷電天氣問題時, 其所產生的雷電波可能會通過電纜線路、金屬管道以及架空線路, 逐步入侵到建筑結構內部, 繼而破壞建筑內部控制系統及電子設備。當前, 針對高層建筑進行防雷設置, 具有明顯的復雜性和系統性特征。產生此種現象的主要原因是雷擊種類相對較多, 如果僅依靠簡單的防雷設施, 必然難以有效減少建筑受雷擊的影響[2]。因此, 必須高度結合高層建筑現實情況, 在充分衡量雷擊狀況及影響的前提下, 掌握雷擊入侵途徑, 然后結合綜合防雷技術, 從多個角度減少雷擊問題發生后所產生的危害及影響。

總體來說, 當前高層建筑主要遭受的雷擊問題包含上述三種, 所以在制定具體房內要求以及選擇合適的防雷技術時, 盡可能以上述三種雷擊情況為切入點, 確保實現高效化的防雷操作。

2 高層建筑電氣施工中的防雷要求

通常來講, 高層建筑具有配套設備相對齊全、整體功能比較齊全、人員分布較為密集等一系列特點,因此相關技術人員在進行電氣施工設計過程中, 還需要結合以下兩點要求進行重點考慮。首先, 必要保證建筑物結構在雷雨天氣條件的影響下能夠安然無恙。其次, 務必要保證整體電氣施工相對簡單和便捷。其中, 針對前者來說, 在建設高層建筑的過程中, 一般需要花費較大成本。再加上建筑內部人員分布密集,如果遭受雷擊不僅會導致較為嚴重的成本損失, 同時還會加重對人員健康及生命安全的威脅[3]。在這樣的前提下, 要求施工建設人員必須有規劃地進行防雷裝置的安置工作, 從根本上保證整個建筑的可靠性和安全性。針對后者來說, 由于絕大多數高層建筑主體結構為鋼筋混凝土, 也有部分建筑直接使用鋼結構。但無論哪種結構都可以將其建筑本身的金屬物體, 看作是天然的防雷裝置。此種選擇不僅能夠有效節約安裝防雷裝置的成本, 同時也能夠提高防雷裝置應用的安全性和可靠性?？傮w來說, 這種設置方式是現階段,施工建設人員所能選擇的最為便捷的防雷裝置結構,能夠給予電氣施工作業較大的便利。

3 高層建筑電氣施工中的防雷技術

提高防雷技術與措施的科學性和有效性, 是避免高層建筑發生嚴重電氣火災、減少發生居民人身安全問題的重要保障。一般情況下, 高層建筑電氣施工綜合防雷系統, 包括建筑內部防雷及外部防雷。為進一步增加研究的全面性, 本文將防雷技術分為內部防雷技術及外部防雷技術兩方面進行討論。

3.1 高層建筑內部防雷技術

3.1.1 合理布線

合理布線在防雷技術中, 具有明顯的應用價值。當下, 高層建筑在建設與施工階段, 其內部多數電氣設備處于與管線緊密連接的狀態。因而, 在著重考量設計防雷系統的過程中, 需要合理化考慮管線布置情況。具體, 可以從以下三個層面進行理解: 第一, 對于建筑物內部的線路, 為盡可能保證線路的安全性,需要將其布置在金屬線槽或金屬管內, 然后將金屬管線兩端接地, 通過這樣的方式, 實現基本的屏蔽作用[4]。第二, 通常情況下, 建筑結構中的強弱電主干線, 會垂直布置在建筑內部中心位置。而考慮到弱電系統注重光纖通信的基本要求, 為減少閃電電磁感應影響, 一般會將系統機房設置在較低樓層。第三, 針對所有進出建筑結構的信號及電源線路, 都需要配合使用埋地的方式完成敷設作業, 并以此為基礎加裝屏蔽層或金屬護套, 從而達到有效的防雷效果。

3.1.2 安裝浪涌保護器

一般情況下, 我們會將浪涌保護器稱作電涌保護器, 該裝置主要作用是泄放浪涌電流、限制瞬態過電壓。在高層建筑內部電氣線路中, 安裝浪涌保護器能夠對電子設備、電氣儀表、通信線路起到一定安全和防護的功效。如果建筑內部通信線路或電器線路感應到外部閃電, 就會形成浪涌電流或瞬態過電壓。此時, 浪涌保護器能夠第一時間導通分流, 避免發生破壞線路設備的問題。但需要注意的是, 高層建筑內部需要安裝數量和種類較多的浪涌保護器, 為保證防雷效果, 在安裝設置浪涌保護器的過程中, 需要特別關注保護距離、被保護設備耐沖擊電壓額定值、導線連接長度等相關因素[5]。并且, 如果安裝過程中涉及不同類型浪涌保護器的連接, 還需要著重考慮線路長度、浪涌能量配合、退耦裝置等一系列問題, 盡最大可能保證方方面面的完整性。

3.1.3 屏蔽

屏蔽的作用是為了減少或消除在雷擊發生時, 高層建筑物內電子設備、通信設備及其他智能控制系統所遭受的損害。這是因為一般的電子設備通?？箟耗芰^差, 如果在建筑物附近發生接閃或雷擊, 就會在閃電電磁感應的影響下, 出現設備損壞及誤動作行為。對此, 在設計高層建筑結構時, 通常會選擇以鋼結構或鋼筋混凝土結構為主要結構, 并在結構上構建近似法拉第龍形狀的網狀結構, 利用這一結構實現對雷擊電流的有效分流, 繼而達到屏蔽雷擊電流的作用。此外, 屏蔽不僅可以針對等電位問題及分流問題進行解決, 同時還能夠減少或阻止雷擊導致的電磁感應, 因而, 能夠對高層建筑內部電子設備起到安全防護作用。

3.1.4 等電位連接

等電位連接是在高層建筑物內部, 將金屬管線等電位端子板、電氣設備以及結構鋼筋等有機整合成一個整體, 讓建筑內部設備處在相同的電位上, 從而避免出現建筑內部電位差現象, 借助這樣的形式減少產生跨步電壓。因而, 能夠有效避免建筑物內部電氣設備以及居民由于受到雷擊, 而發生的一系列危害性行為。此外, 在進行高層建筑電氣施工作業環節, 需要做好以下幾點工作。其一, 通過套絲、焊接以及捆扎等系列手段, 連接建筑樓層鋼筋混凝土中的鋼筋, 為實現等電位提供基本保障[6]。其二, 連接建筑結構圈梁鋼筋、柱筋、防雷裝置。最后, 進一步連接上述裝置與金屬管線和等電位裝置, 打造完整的高層建筑等電位連接網絡。

3.2 高層建筑外部防雷技術

3.2.1 接地裝置

接地裝置就是通過接地裝置將建筑接閃時產生的雷電流, 泄放到大地, 從而避免發生建筑物損壞及設備損壞的問題?？傮w來說, 接地裝置組成部分包括接地線和接地體, 其中接地線具有連接作用, 接地體具有散流作用。而在安裝接地裝置時, 由于高層建筑地基深、占地面積大等一系列優勢特征, 可以選擇性地將樁基內鋼筋、基礎地梁鋼筋看作是接地裝置中的接地體, 通過這樣的方式提高接地體運行安全性, 并節約接地裝置的安裝成本。需要注意的是, 在高層建筑防雷系統中, 接地裝置是最重要的部分。一旦出現接地質量不符合標準要求, 就難以實現有效的建筑防雷[7]。對此, 本文認為有必要做好防雷接地裝置的安裝工作, 并在安裝完成后實施嚴格的監測, 只有這樣才能夠最大限度保證接地裝置的安全性與質量。

3.2.2 引下線

引下線具有從接閃器內部將雷電流傳導至接地裝置中的作用。一般情況下, 針對高層建筑結構來說,施工建設人員會選擇利用建筑主體結構的剪力墻或柱主筋內部鋼筋做整個結構的引下線。而引下線的布置以及數量, 會對雷電流的分流效果起到一定影響。如果引下線數量較多, 并且線與線之間相互作用間距較小, 那么整個區域內的雷電流分布會相對均勻, 引下線上所產生的壓降也會有所下降, 因而能夠起到降低反擊危險的作用。對此, 筆者認為高層建筑在施工建設過程中應該著重增加引下線數量, 通過此種方式合理化減少引下線間距。例如, 在同一柱內的柱主筋一般會≥2 根, 利用柱主筋實現螺紋套絲連接、電渣壓力焊的優勢, 能夠保證引力線實現良好的電氣連接。

3.2.3 接閃器

接閃器組成部分包括攔截閃擊的接閃桿、金屬屋面、接閃帶、金屬構件、接閃網等, 通常是指專門用來直接接收雷擊的金屬物體。一般情況下, 高層建筑的接閃器需要在最容易遭受雷擊的部位完成鋪設作業, 并且應著重考慮組合應用接閃網與接閃帶的方式, 有效攔截閃擊, 有效對建筑結構實現保護。而針對屋頂處比較突出的非金屬設備, 建議利用接閃現或接閃桿的方式, 實現就地保護, 確保非金屬設備能夠處在接閃器的LPZ0B 中。除此之外, 還可以將建筑結構屋頂上方的永久金屬物看作是有效的接閃器, 但要保證接閃器與其他各部件之間可靠連接, 還需要進一步探討永久金屬物截面是否符合接閃器的規范性要求。最后, 針對高層建筑結構來說, 還需要針對性防護側擊雷[8]。如果高層建筑整體高度在30m 以上, 則有必要在超出高度的突出墻體上方安裝接閃器: 而如果整體建筑結構高度超出60m, 則需要在建筑物表面墻角、尖物、設備以及邊緣等部位, 合理化安裝接閃器。盡可能按照接閃器規定要求, 將建筑外墻中符合要求的幕墻、金屬器件、金屬門框、金屬框架等一系列金屬物, 看作是可以有效防護側擊雷的接閃器。

總體來說, 在應用建筑防雷技術的時候, 可以從建筑內部防雷技術和建筑外部防雷技術兩個方面進行考慮, 遵從具體的建筑情況以及雷擊情況, 同時選擇一種或多種防雷技術, 利用技術之間的有效疊加, 形成技術應用合力, 從而最大限度提高建筑結構的防擊能力, 減少在發生雷擊問題時, 建筑結構以及內部居民所受的傷害。除此之外, 在信息化技術不斷發展與進步的前提下, 日后進行防雷技術的研究, 還需要結合考慮提高技術應用的信息化水平, 地球最大限度優化防雷技術。

4 結束語

綜上所述, 高層建筑規模的不斷增加, 在一定程度上提高了電氣設備應用的程度。而自然環境中雷雨天氣所產生的雷擊概率也逐年遞增。因此為了進一步保證建筑結構穩定性, 避免電氣設備受到破壞, 避免發生人員傷亡等一系列事故, 需要有效結合恰當的防雷技術, 配合引進先進的防雷設施, 在汲取國內外成功的高層建筑防雷經驗后, 基于合理的高層建筑防雷要求, 制定具有較高可行性的防雷方案。并以此為抓手, 選擇恰當的防雷技術, 確保高層建筑行業能夠實現快速發展。