建筑幕墙防雷的结构设计分析及应用.docx

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建筑幕墙防雷的结构设计分析及应用

建筑幕墙防雷的结构设计、分析及应用

一、前言

建筑幕墙的防雷问题在《建筑物防雷设计规范》GB50057当中没有很具体、很明确地提出对幕墙防雷的规定，社会上对防雷问题的说法也不一，又由于我国幕墙的发展时间短，速度快，未作系统的研究，只是结合参照了幕墙行业较发达的国家日本、德国幕墙防雷装置的做法提出了三条要求：

1、在幕墙结构中应自上而下地安装防雷装置，并应与主体结构的防雷装置可靠连接。

2、导线应在材料表面的保护膜除掉部位进行连接。

3、幕墙的防雷装置设计及安装应经建筑设计单位认可。

谈到建筑幕墙防雷就不可能不涉及到建筑物的防雷，因为幕墙是独立悬挂于建筑物之外的外围护结构系统，它的防雷装置与建筑物的防雷设施有机地结合在一起，共同构成一个防雷体系。

因此，有必要首先了解一下建筑物的防雷设计。

二、建筑物的防雷设计

1、雷电的基本理论

雷电的形成原理：

雷电是天空云层中一种自然的放电现象，大气的流动冷热交换变化形成了雷云，在气流的作用下，雷云下部的水滴带负电荷，上部冰晶带正电荷，这样就形成一部分带正电荷，一部分带负电荷的雷云，由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间电场强度不断增大，当某处的电场强度超过空气可能承受的击穿强度时，于是空气电离产生云间放电，为闪电落雷的发展创造了条件。

电荷通过一定的通道相互中和，产生强烈的光和热。

放电通道所发出的这种强光，人们称之为“闪”，而通道所发出的热，使附近的空气突然膨胀，发出霹雳的轰鸣，人们称之为“雷”。

这就是雷电的形成过程。

2、雷电的危害

1）、雷电对建筑物的危害

地面上的建筑物千姿百态，对雷电的形成和发展也有着促进作用，特别高层或超高层建筑使地面的电场分布发生了严重的畸变，其电场强度比一般建筑物大得多，而建筑物本身的电场强度的分布也不是均匀的，往往在建筑物的尖顶及边缘上的电场强度最大，而又由于建筑物本身构造及其附属构件积蓄的电荷，雷电就自然被吸引向这些地方，这就是高耸突出的建筑物容易遭受雷击的缘故。

如金属屋顶、金属天沟、金属水箱、金属栏杆等，都是易遭受雷击的部位。

当雷电击中建筑物时，通常会产生电效应、热效应和机械力，雷电流在瞬间释放出的巨大能量，会把被击中的金属融化，使物体水份受热膨胀，产生强大的机械力，或者分解成氢气和氧气，产生暴炸，对人和建筑物构成了巨大的威胁。

再有雷电的高温会引起火灾和触电事故的发生。

因此，这就是建筑物需要设防雷装置的主要原因。

2）、雷电对人畜的危害

跨步电压和接触电压是容易造成人畜伤亡的两种雷害。

A、跨步电压

当雷电流经地面雷击点或接地体散入周围土壤时，在它的周围形成了电压降落，这时，如果有人站在接地体附近，由于两脚所处电位不同，跨接一定的电位差，因而有电流流过人体，造成人员伤亡。

跨步电压对于赤脚的人特别危险，这是因为人的下肢与地面接触良好，流过人体的电流也比较大。

B、接触电压

当雷电流流经引下线和接地装置时，由于引下线本身和接地装置都有电阻和电抗，因而会产生较高的电压降，这种电压降有时高达几万伏，甚至几十万伏。

这时如果有人或牲畜接触引下线，就会发生触电事故。

3、建筑物防雷的基本原则

从雷电对建筑物造成的危害的角度来看，最好对所有的建筑物都进行防雷，但是，事实上没有这种可能，也没有这种必要。

这是因为如果某一地区，它根本不会发生雷击现象或极少发生雷击现象，那就没有必要考虑防雷问题。

因此，建筑物是否应装设防雷装置，还应根据建筑物所在地点和建筑物本身的重要性，来综合考虑是否安装防雷装置。

4、建筑物防雷设计的等级

根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性，将建筑物划分为三类。

遇到下列情况之一时，应划为一类防雷建筑物

A、凡制造、使用或存炸药、火药、起爆药、火攻品等大量炸药物质的建筑物。

B、具有0区或10区爆炸危险环境的建筑物。

C、具有1区爆炸危险环境的建筑物。

一类防雷建筑物的网格大小，依规范要求其尺寸应小于5mx5m或4mx6m。

遇到下列情况之一时，应划为二类防雷建筑物

A、国家级的会堂、办公楼建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家级档案馆等。

B、国家级重点文物保护建筑物。

C、国家级计算中心国际通讯枢纽等。

二类防雷建筑物的网格大小，依规范要求其尺寸应小于10mx10m或8mx12m。

遇到下列情况之一时，应划为三类防雷建筑物

A、省级重点文物保护建筑物及省级档案馆。

B、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物。

C、高度在15m以上的烟筒、水塔等孤立的高耸建筑物等。

三类防雷建筑物的网格大小，依规范要求其尺寸应小于20mx20m或16mx24m。

5、建筑物防雷设计的主要措施

建筑物的防雷装置主要有三部分组成-----接闪器、引下线和接地装置

a、接闪器

接闪器按形状分为避雷针、避雷网、避雷环三种形式。

1）、避雷针

我们知道，避雷针的防雷作用不在于避雷，而在于接受雷电流。

避雷针是人为地设立的最突出的良导体，它的端部电场强度最大，雷电先驱自然地被吸引过来，这就是避雷针引雷效应的基本理论。

避雷针采用的材料：

避雷针采用圆钢或焊接钢管制成，圆钢截面不得小于100平方毫米,钢管厚度不得小于3毫米。

其直径不应小于下列数值：

针长1米以下：

圆钢12毫米、钢管20毫米。

针长1-2米：

圆钢16毫米、钢管25毫米。

烟囱顶上的针：

圆钢20毫米、钢管40毫米。

2）、避雷网和避雷带

避雷网分为明装避雷网和笼式避雷网两大类。

明装避雷网是在屋顶上以较疏的明装金属网格作为接闪器，沿外墙做引下线，接到接地装置上，将雷电流安全地引入地下。

笼式避雷网是将避雷网、引下线和接地装置三部分组成一个整体较密的钢铁大网笼，将建筑物罩在其中免遭雷击的侵害。

避雷网和避雷带采用的材料：

避雷网或避雷带一般用圆钢或焊接钢管制成，其尺寸不应小于下列数值：

圆钢直径8毫米。

扁钢截面48平方毫米。

扁钢厚度4毫米。

我国的防雷规范没有对金属作接闪器（避雷针、避雷网、避雷环）的具体规定，但有一些实施经验数据可共参考，一类防雷建筑，接闪器的金属板厚度小于2.5mm，二类防雷建筑，接闪器的金属板厚度小于2mm，三类防雷建筑，接闪器的金属板厚度小于1.5mm，对于雷电活动强烈的地区，接闪器的金属板厚度可适当增厚。

b、引下线

设置防雷引下线的数量，是关系到建筑物是否产生扩大事故的重要因素。

每根引下线所承受的雷电流愈小，则其反击的机会和感应范围的影响就小，所以引下线的根数应尽量多些为好。

引下线采用的材料：

引下线一般用圆钢或扁钢制成，其截面不应小于48平方毫米，在易遭受腐蚀的部位，其截面应适当加大。

其尺寸不应小于下列数值：

圆钢直径8毫米。

扁钢截面48平方毫米。

扁钢厚度4毫米。

c、屏蔽作用

对内部装有通信系统和大量电子设备的建筑物，考虑屏蔽技术措施的应用。

d、均衡电位

为保证建筑物内部不发生反击，不产生接触电压和跨步电压，应当使建筑物的地面、墙面和人能接触到部位的金属设备及管、线路等，能达到同同一个电位。

这是保证人身安全和各种金属设备不受损坏的重要条件之一。

e、接地装置

接地效果的好坏也是防雷安全的重要保证，目前的建筑物主要是利用其钢筋混凝土基础中的钢筋作为接地装置，这种方式可以大大降低接地电阻和均衡地面电位。

接地装置埋设的深度以在0.5-1米范围为宜，最少不小于0.5米。

接地装置均使用镀锌钢材，以使其延长使用年限，各焊接点必须刷沥青油，加强防腐。

接地装置分为垂直埋设的接地体和水平接地体。

接地装置采用的材料：

垂直接地体：

圆钢直径19毫米；

钢管厚3.5毫米，直径35毫米；

角钢厚度4毫米。

宽40毫米。

水平接地体：

扁钢厚度4毫米，截面100平方毫米；

方钢10x10平方毫米；

圆钢直径12毫米。

为了保证防雷装置对人和牲畜的安全，应将引下线和接地装置尽可能安装在人们不易接触到的地方。

接地装置最好作成环形周圈式的或深埋在一米以下，以改善接地装置附近地面的电位分布；以减少跨步电压的危险。

此外，为了防止接触电压危及人畜，在可能条件下将引下线缠上绝缘或隔离起来。

三、建筑幕墙的防雷设计

幕墙是独立悬挂在建筑主体结构之外的建筑外围护系统，当建筑幕墙围护建筑物后，建筑物原防雷装置由于建筑幕墙的屏蔽效应，不能直接起到防雷作用，闪电对建筑物的雷击，往往变成了对建筑幕墙的直接雷击，因此，建筑幕墙的防雷设施设计是非常重要的。

1、幕墙防雷设计的准则

建筑物的防雷装置通常由三部分组成：

接闪器（避雷针、避雷网、避雷环），引下线和接地装置。

在幕墙的防雷设计中，充分利用建筑物的这些装置与幕墙的自身防雷体系（横竖龙骨）连通，使其两部分成为一个防雷整体，把幕墙获得的巨大雷电能量，通过建筑物的接地系统，迅速地输送到地下，共同起到保护幕墙和建筑物免遭雷电破坏的作用。

2、幕墙的防雷设计

依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94的有关规定和建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性，将建筑幕墙也分为一类防雷幕墙、二类防雷幕墙、三类防雷幕墙。

超高层建筑幕墙大于等于150m高归为一类防雷幕墙

依据规范要求一类防雷建筑物的网格大小，其尺寸应小于5mx5m或4mx6m。

高层建筑幕墙大于等于100m高归为二类防雷幕墙

二类防雷建筑物的网格大小，其尺寸应小于10mx10m或8mx16m。

普通幕墙大于等于30-50m高归为三类防雷幕墙。

三类防雷建筑物的网格大小，其尺寸应小于20mx20m或16mx24m。

《建筑物防雷设计规范》GB50057-94所提出的接闪器保护范围是以滚球法为基础的，所谓滚球法是以hr为半径的一个球体沿需要防直接雷的部位滚动，当球体只触及接闪器或只接触及接闪器和地面而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。

幕墙的防雷装置和建筑物防雷网的接通办法一般有三种形式，

一是在钢筋混凝土墙上通过柱或墙内的主钢筋设置预埋件连接板和引出连接板作为测试、连接之用。

二是利用幕墙上的预埋件和建筑物防雷网接通作为连接通道。

三是在立柱、梁墙浇注混凝土之前，焊好预留出来的接线，作为连通之用。

当建筑物过长，建筑物上出现伸缩缝和沉降缝时，两部分应构成统一的防雷系统，在伸缩缝和沉降缝之间必须进行防雷系统的跨越处理。

处理方法是用软导管线连接断开的防雷装置，或用不少于4mm厚的镀锌扁钢弯曲成U形状后连接，以易于伸缩。

U形的半径应大于伸缩的两倍至三倍。

3、建筑幕墙的防雷措施

幕墙除本身应形成自身的防雷体系外，还应该和建筑主体的防雷体系相连接，共同形成一防雷体系。

幕墙本身的防雷体系一般是由10x10或8x12的网状系统形成的。

建筑幕墙的防雷措施主要有两种，一种是防顶雷，另一种是防侧雷。

防顶雷的办法：

由于高层建筑物高，雷闪击中建筑物顶层周边的雷电流可能会很大，金属幕墙如果位于女儿墙外侧时就属于屋面周边，属于易受雷击部位，尤其是转角处为雷击率最高部位，因此，此处的防雷是很重要的。

我司在女儿墙外侧装修的具体做法是：

在女儿墙上设置防雷网，防雷网用8mm的圆钢或4mm以上厚度的扁钢，且扁钢的截面面积大于48mm2。

圆钢或扁钢的外表面进行热浸镀锌处理。

从装饰效果上考虑，防雷引线应尽可能不从顶封板上引出，而从女儿墙的后面引出。

当需要防雷引线从顶封板上引出时，可以考虑从顶封板的胶缝处引出。

在女儿墙上设置安全观光扶手或不锈钢栏杆，将其同时用作防雷网和接闪器的作用。

但此时钢管的壁厚大于2.5mm,防止被雷击穿。

为保证幕墙免遭雷击，使幕墙顶封板处于安全范围之内，可相应调整顶封板的宽度和不锈钢扶手的高度，使保护角α、β均小于600。

起到防顶雷击的目的。

防侧雷的办法：

高层建筑幕墙顶部的接闪器，不能防止电流的侧面横向发展绕击作用。

因此在30米以上的建筑幕墙部分，每隔三层设置一圈焊接在上

墙钢件的均压环上，均压环每隔15米（一类防雷），18米（二、三类防雷）和建筑物防雷网接通，固定在设均压环楼层上的立梃必须与均压环连通，位于均压环处与梁纵向筋连通的立梃上的横梁，必须与立梃连通，在幕墙立面上，每10米或8米以内位于未设均压环楼层的立梃，必须与固定在设均压环楼层的立梃连通，接地电阻均应小于4。

我公司防侧雷的具体作法是：

对一类防雷幕墙，每隔5米或4米以内的立梃与均压环相连，对二类防雷幕墙，每隔10米或8米以内的立梃与均压环相连，为增加连接钢板的导电性，同时也为延长其抗腐蚀的能力，将与立梃（铝合金）接触的部分浸上锡，目的是具有良好的导电性，与转接件接触的部分热浸镀锌处理，提高防腐能力。

再有在连接钢板与立梃的接触处垫上铝单板块，目的是一旦遭到腐蚀其首先腐蚀铝单板块，对立梃（铝合金）起到一定的保护作用。

4、钢结构幕墙的防雷措施（高层建筑）

由于钢网架或钢结构架组成的桁架体系本身是一个个小网格构成的一个大的网格体系，因此网架本身就是一个很好的防雷体系，如果其外面要包装饰面，只需将装饰骨架（立梃）按防雷等级的要求，与钢结构或钢网架相连，组成相应的网格尺寸即可。