臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

引言

臨沂恒豐國(guó)際廣場(chǎng)集購(gòu)物、商務(wù)樓、商務(wù)公館、主題商業(yè)于一體,該項(xiàng)目地上建筑面積超過37000m2,連同地下共有5萬(wàn)多m2,雄踞臨沂市城市中心區(qū),不僅高度高,電氣、電子設(shè)備密集,而且人流密度大,無論是出于大樓的使用性質(zhì)、重要性,還是其發(fā)生雷電災(zāi)害的后果,都應(yīng)對(duì)臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓進(jìn)行完善的防雷方案設(shè)計(jì)。

本文就結(jié)合臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓的工程勘察資料和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該大樓的外部防雷設(shè)計(jì)和內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1恒豐國(guó)際廣場(chǎng)防雷等級(jí)的確定

根據(jù)GB50057一2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》,建筑物根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果,按防雷要求分為三類。在對(duì)恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓進(jìn)行防雷方案設(shè)計(jì)前,首先需要確定大樓的防雷等級(jí)。這不僅可以提前預(yù)測(cè)出雷電對(duì)大樓可能造成的危害的程度,而且還為大樓防雷方案的設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù),能夠合理有效地對(duì)該大樓進(jìn)行防雷設(shè)計(jì),避免造成不必要的損失和浪費(fèi)。恒豐國(guó)際廣場(chǎng),雄踞臨沂市中央商務(wù)區(qū),北靠臨沂最繁華的商業(yè)街解放路,東南比鄰臨沂人民廣場(chǎng),由A、B兩樓組成,南北塔樓距離約43.4m,在4層有寬4m的空中花園相連接,兩個(gè)塔樓分別長(zhǎng)36.6m、寬19.5m,樓高22層,89.9m,地上總建筑面積37756.6m2,采用國(guó)際上流行的雙子塔式,顯示出雄偉壯觀的氣勢(shì)和簡(jiǎn)約明快的建筑風(fēng)格,成為中心商務(wù)區(qū)標(biāo)志性建筑。

如圖1所示,由于恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓高度(H=89.9m)小于100m,其每邊的擴(kuò)大寬度和等效截收面積應(yīng)按下列公式計(jì)算確定:

式中,D為建筑物每邊的擴(kuò)大寬度(m):L、w、H分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高(m)。

由于建筑物中間有個(gè)空中花園,導(dǎo)致整幢建筑高度不一,現(xiàn)將建筑南北兩棟樓分別標(biāo)稱為A樓、B樓,中間連接部分標(biāo)為C,但其擴(kuò)大寬度遠(yuǎn)小于A、B兩樓的擴(kuò)大寬度,故其等效面積已經(jīng)涵蓋在A、B兩樓的等效覆蓋面積內(nèi)。因此,恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓的等效面積為A、B兩樓疊加后的等效面積。

恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓等效面積計(jì)算:

則臨沂恒豐國(guó)際廣場(chǎng)的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為:

由于恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓每天約有3000人,屬于人員密集的公共建筑物,而且年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.19次,大于0.05次/年,因此將恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓確定為第二類防雷建筑。

2外部防雷設(shè)計(jì)

2.1接閃器的設(shè)計(jì)

由于大樓20層開始至樓頂呈階梯狀寬度逐步遞減,故20層開始每層突出的邊緣都應(yīng)加裝接閃帶,采用25mm×4mm的鍍鋅扁鋼。如圖2所示,樓頂長(zhǎng)寬為27.6m×10.5m,避雷網(wǎng)格尺寸為8.03mx5.25m,暗敷于樓頂?shù)幕炷羶?nèi)。A、B兩樓的構(gòu)造比例相同,因此接閃帶的設(shè)計(jì)也相同。A、B兩樓中間的空中花園C位于4層,高度較低,頂面暗敷接閃帶即可,網(wǎng)格尺寸為8.7m×4m。

臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓位于臨沂最繁華的商業(yè)區(qū),人口流量大,來往車輛繁多,考慮到行人和周邊車輛的安全,為防止二次雷擊事故的發(fā)生,本方案采取以下三種措施:第一,樓頂女兒墻上的避雷帶采用小12mm熱鍍鋅圓鋼進(jìn)行明敷并與樓頂暗敷避雷網(wǎng)進(jìn)行焊接連接,避雷帶使用100mm高的支架進(jìn)行支撐,避雷帶與支架通過焊接連接,支架間距為1m,在轉(zhuǎn)彎處支架間距設(shè)為0.5m并且轉(zhuǎn)彎處的避雷帶的轉(zhuǎn)角大于90＋,彎曲半徑為避雷帶圓鋼直徑的10倍:第二,根據(jù)建筑物女兒墻暗式避雷帶覆蓋物敷設(shè)厚度高電壓擊穿實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的啟示,臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓樓頂?shù)陌捣蟊芾拙W(wǎng)格上部的混凝土覆蓋物的厚度設(shè)置為2cm:第三,樓頂暗敷避雷網(wǎng)格與樓頂壓頂鋼筋進(jìn)行焊接連接,且每隔0.5m焊接一次,這樣的連接一方面能夠使雷電流迅速通過樓頂混凝土、暗敷避雷網(wǎng)、大樓內(nèi)的鋼筋泄流入地,消散能量,另一方面當(dāng)雷電流流經(jīng)暗敷避雷網(wǎng)和壓頂鋼筋時(shí),其電流方向是相同的,從而產(chǎn)生引力而不是排斥力,避免了雷擊樓頂時(shí)混凝土塊脫落和炸裂帶來的二次雷擊事故的發(fā)生。

2.2引下線的設(shè)計(jì)

恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu),柱內(nèi)主筋為小16mm的鍍鋅圓鋼,故每一組引下線均利用柱內(nèi)兩根對(duì)角主筋進(jìn)行設(shè)置,共設(shè)置16根,其平均間距為7.01m。

過去許多高層建筑都在距離地面一定距離的柱內(nèi)主筋處設(shè)置斷接卡,但經(jīng)防雷測(cè)試斷接卡的存在并不是一件好事,因?yàn)橐坏嘟涌ǖ穆菟òl(fā)生松動(dòng)或斷接卡接觸面生銹,就會(huì)影響接地效果,嚴(yán)重時(shí)就會(huì)失去防雷接地的作用?？紤]到這一點(diǎn),恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓通過另一根小16mm的鍍鋅圓鋼與柱內(nèi)引下線主筋相焊接的方式,在距離室外地坪0.6m處設(shè)置一個(gè)接地電阻測(cè)試箱,此測(cè)試箱每棟樓各設(shè)置4處,共8處,分別在1~4號(hào)引下線處設(shè)置,具體位置如圖2所示。

2.3接地裝置的設(shè)計(jì)

接地裝置是指埋入土壤中或混凝土基礎(chǔ)中做散流作用的金屬導(dǎo)體。接地是防雷的基礎(chǔ),臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓充分利用該建筑的地樁、地梁以及承臺(tái)和基礎(chǔ)作為接地裝置。該大樓水平地梁基礎(chǔ)由小28mm熱鍍鋅圓鋼構(gòu)成,而且還在室外地坪下6m設(shè)置了198根基礎(chǔ)樁,樁長(zhǎng)30m,內(nèi)含由長(zhǎng)10m的4根小32mm熱鍍鋅圓鋼構(gòu)成的地樁鋼筋籠。根據(jù)下式可以計(jì)算出每根樁基的接地電阻R:

式中,p為土壤的電阻率·Q)m):p1為混凝土的電阻率·Q)m):d為接地體·圓柱形混凝土內(nèi)鋼筋體)的直徑·m):d1為圓柱形混凝土體的直徑·m):l為接地體·鋼筋體或圓柱形混凝土體)埋設(shè)在地面下的長(zhǎng)度·m):K1、K2為接地體和混凝土體計(jì)算系數(shù),2l、2l分別按dd1從表1中查出。

臨沂地區(qū)土壤多以褐土、潮土和砂姜黑土為主,土壤電阻率的平均值為4.32×102Q)m。由于臨沂地處北溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)南部,雨量充沛,全年平均年降水量793.9mm,年平均降水日為83.2天,所以混凝土的電阻率定為100Q)m·在濕土中)。圓柱形地樁混凝土體的直徑為1m,其柱體內(nèi)鋼筋體直徑為0.8m,則根據(jù)上式得:

考慮到實(shí)際的施工問題,恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓每棟樓的接地裝置間隔性地選用其中的72根基礎(chǔ)樁作為接地極。在施工時(shí),將每根樁內(nèi)周圈均勻分布的4根鋼筋焊接連接并與底板筋相焊接,為使鋼筋的電氣貫通性達(dá)到最佳效果,將底板筋焊接連接·圖3)。

由于相鄰的垂直接地體間的屏蔽效應(yīng),導(dǎo)致了每一個(gè)接地樁發(fā)出的電流線在地中穿過的截面積減小,所以多根接地體的電阻并不等于各個(gè)地樁接地體的電阻之和,而應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中,R0為垂直接地裝置的電阻·Q):R為每根樁基的接地電阻·Q):n為垂直接地體數(shù)量:7為垂直接地體的利用系數(shù),此處取值為0.4。

則得:

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可知,恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓當(dāng)僅利用該建筑的垂直地樁作為自然接地裝置時(shí),其接地電阻值已經(jīng)滿足了共用接地系統(tǒng)對(duì)接地電阻的要求,而且該大樓的樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、水平地梁內(nèi)的鋼筋均焊接在一起,從而形成了一個(gè)完全閉合的環(huán)形地網(wǎng),所以不需要再另設(shè)置其他接地裝置。此外,該大樓所有基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋除采用熱鍍鋅防腐措施外無其他防腐措施,不影響雷電流的泄散。

2.4防側(cè)擊雷的設(shè)計(jì)

由于恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓屬于第二類防雷建筑,高度為89.9m,大于45m,所以該大樓容易遭到側(cè)擊雷的損害。但一般的高層建筑建筑結(jié)構(gòu)通常能夠耐受側(cè)擊雷的電流損害,所以不需要另設(shè)專門的接閃器,而是利用建筑物本身的鋼構(gòu)架、

鋼筋體及其他金屬物即可。

對(duì)于恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓防側(cè)擊雷采用以下措施:首先,在大樓45m以上的樓層,將每隔兩層的結(jié)構(gòu)圈梁里的兩根主筋,利用小10mm熱鍍鋅圓鋼焊接成一體形成均壓環(huán),同時(shí)將均壓環(huán)與柱筋中的引下線焊成一個(gè)整體:其次,在訂制鋁制門窗時(shí),預(yù)留出30cm的鋁帶,將此鋁帶與各均壓環(huán)引出的預(yù)留鍍鋅扁鋼采用兩個(gè)M6不銹鋼螺栓相連接。此外,為防鍍鋅扁鋼與鋁帶發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),在兩者之間添加1mm厚的不銹鋼墊圈。

3內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)

3.1等電位連接的設(shè)計(jì)

等電位連接一方面能夠保證建筑物內(nèi)信息系統(tǒng)電氣設(shè)備、電子設(shè)備的正常工作,抑制外部干擾,另一方面能夠使防雷空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間保持一樣的電位,從而防止反擊的發(fā)生。

3.1.1總等電位連接

大樓內(nèi)的各個(gè)電源線和信號(hào)線都從大樓的地下一層進(jìn)入,由于規(guī)模較小,故采用S型等電位連接的方法(圖4),總配電間設(shè)置總等電位連接端子箱,暗裝,底邊距地高0.5m,總等電位連接線(MEB線)采用-40mm×4mm的鍍鋅扁鋼暗敷并與大樓的基礎(chǔ)接地裝置進(jìn)行兩處直接連接,將所有從大樓外進(jìn)入樓內(nèi)的電源電纜的金屬護(hù)套、通信和網(wǎng)絡(luò)光纜的金屬鎧裝以及給水管道和供暖管道均在進(jìn)入大樓時(shí)與MEB箱通過BV-1×25連接線進(jìn)行連接。此外,進(jìn)出的金屬管線在樓內(nèi)外的兩端做可靠接地。

3.1.2局部等電位連接

在大樓每層內(nèi)設(shè)置局部等電位連接箱(LEB箱),通過豎向接地干線連接到一起。每一層內(nèi)用水平接地線連接到各房間,將房間內(nèi)取暖管、分配電箱、給水管、辦公設(shè)備的金屬外殼、金屬橋架等均通過BV-1×10的連接線連接到LEB箱的接地端子上。

3.2共用接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮到規(guī)范的要求和其他防雷接地工程的經(jīng)驗(yàn),該大樓的接地采用共用接地系統(tǒng),即利用該建筑物本身的基礎(chǔ)作為接地系統(tǒng),將恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓的消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、交流保護(hù)地、設(shè)備的直流工作地等分別單點(diǎn)就近利用建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行接地。由于本大樓的基礎(chǔ)接地采用的是水平地梁與垂直地樁,經(jīng)過理論計(jì)算接地電阻小于1Q,完全滿足共用接地系統(tǒng)的接地電阻小于1Q的要求。

大樓的安防監(jiān)控系統(tǒng)采用BV-1×25接地線、消防系統(tǒng)采用BV-1×25作專用接地干線,兩者均連接到大樓安防值班室的專用接地板上。從消防控制室引至消防設(shè)備的專用接地線采用BV-1x6,凡正常不帶電,當(dāng)絕緣破壞有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設(shè)備金屬外殼、金屬管均采取保護(hù)接地并與PE線可靠連接。當(dāng)燈具距地高度小于2.4m時(shí),燈具的可接近裸露導(dǎo)體進(jìn)行可靠接地:此外,在安防值班室內(nèi)的地面敷設(shè)600mm×600mm的防靜電、防火型地板,架空高度為300mm,靜電地板下面采用3×35mm的銅帶繞機(jī)房四周一圈設(shè)置成接地母排,并且與基礎(chǔ)地網(wǎng)相連接(圖5)。所有強(qiáng)、弱電豎井內(nèi)皆垂直敷設(shè)一根、水平敷設(shè)一圈40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼,水平與垂直接地扁鋼均焊接連接到基礎(chǔ)接地網(wǎng)上:從配電間至強(qiáng)電豎井內(nèi)的橋架上敷設(shè)一根40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼,將配電間接地與強(qiáng)電豎井內(nèi)接地相連接。

3.3SPD的設(shè)計(jì)

3.3.1電源SPD

雷擊事例表明,有80%雷擊高電位是從電源線侵入的,這些高電位可直接損害計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備及火災(zāi)報(bào)警等控制系統(tǒng),而變壓器、UPS等設(shè)施不能消除雷電過電壓,因此,根據(jù)恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)可確定其雷電防護(hù)等級(jí)為C級(jí),設(shè)置三到四級(jí)的SPD進(jìn)行防雷保護(hù),從而將過電壓降到設(shè)備所能承受的水平。SPD的分配布置情況如圖6所示。

大樓的供電電源經(jīng)埋地電纜引入室內(nèi)總配電柜,第一級(jí)浪涌保護(hù)器并聯(lián)安裝在一層總配電室配電柜的進(jìn)線前端,沖擊放電電流應(yīng)不小于12.5kA(10/350uS)或標(biāo)稱放電電流50kA(8/20uS),這級(jí)SPD可以直接導(dǎo)走大部分的雷電電流,在浪涌保護(hù)器的前端串接一組60A的空氣開關(guān):第二級(jí)浪涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流應(yīng)不小于20kA(8/20uS),安裝在各樓層分配電室的進(jìn)線前端并在防雷回路中串接一組32A的空氣開關(guān):第三級(jí)浪涌保護(hù)器設(shè)置在電梯機(jī)房配電柜、設(shè)備和安防值班室機(jī)柜的前端,應(yīng)不小于10kA(8/20μS),在重要設(shè)備前應(yīng)不小于3kA(8/20μS),同時(shí)其前端串接一組16A的空氣開關(guān);若第三級(jí)的浪涌保護(hù)器不能夠保護(hù)要求更高的設(shè)備,此時(shí)可以選擇第四級(jí)防雷電浪涌的插座對(duì)其進(jìn)行精細(xì)保護(hù)。各級(jí)浪涌保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3.3.2監(jiān)控SPD

恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓的監(jiān)控?cái)z像機(jī)除一樓出口處位于樓外,其余均位于樓內(nèi)。該大樓的電視監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成:前端部分,主要由黑白(彩色)攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、防護(hù)罩、支架等組成;傳輸部分,使用同軸電纜、電線、多芯線沿墻敷設(shè);終端部分,主要由畫面分割器、監(jiān)視器、控制設(shè)備等組成。攝像機(jī)由監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的直流變壓器供電,電壓為DC24V。

大樓的監(jiān)控前端設(shè)備安裝在樓內(nèi)或一樓出口處一般不會(huì)遭受直接雷擊,通過合理布線已盡可能消除電磁干擾,因此在前端不需增添電涌保護(hù)器。在安防值班室的監(jiān)控系統(tǒng)安裝多口矩陣同軸通信信號(hào)電涌保護(hù)器,用于矩陣線路的防雷保護(hù),該浪涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平應(yīng)為24V,最大傳輸速率為10Mb/S,插入損耗小于0.3dB。

對(duì)于通過線纜和前端設(shè)備連接的視頻端口及控制線安裝相應(yīng)浪涌保護(hù)器。

大樓以后若更新為高清攝像機(jī),則浪涌保護(hù)器也需升級(jí)為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)防雷器。

3.3.3信號(hào)SPD

在樓內(nèi)用于計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備間數(shù)據(jù)互聯(lián),交換機(jī)、DDN設(shè)備數(shù)據(jù)輸入、輸出等的串行接口(9針)和并行接口(25針)處分別安裝RS232/09和RS232/25的SPD,SPD的最大放電為400A,工作電壓為12V,插入損耗小于0.5dB,傳輸速率20Mb/S。用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送的RS422/RS485端口處安裝的SPD工作電壓為6~24V,電壓保護(hù)水平為24V,插入損耗小于0.5dB,傳輸速率10Mb/S。在大樓以太網(wǎng)及IP電話的前端加裝RJ11/RJ45浪涌保護(hù)器,SPD的標(biāo)稱放電電流為5kA,工作電壓為6~12V,插入損耗小于3dB,傳輸速率為100Mb/S。

3.3.4SPD的安裝要求

電源浪涌保護(hù)器采用35mm2的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌與空氣開關(guān)一起安裝于配電箱柜內(nèi);當(dāng)?shù)谝患?jí)SPD與第二級(jí)SPD線距小于10m或第二級(jí)SPD與第三級(jí)SPD之間的線距小于5m時(shí),在兩級(jí)SPD之間安裝退耦電感或電阻;電源的第一級(jí)SPD安裝線纜相線大于6mm2,地線大于10mm2;第二級(jí)SPD安裝線纜相線大于4mm2,地線大于6mm2;第三級(jí)SPD安裝線纜相線大于2.5mm2,地線大于4mm2;信號(hào)SPD地線采用4mm2線纜。

SPD接至等電位連接板的接地導(dǎo)線要短而直,長(zhǎng)度不超過0.5m,SPD與被保護(hù)設(shè)備之間采用無回路或小回路方式安裝,輸入、輸出線嚴(yán)格分開布設(shè)。

4結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓的特點(diǎn),依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,綜合運(yùn)用了接閃、分流、均壓、屏蔽、接地等措施,從內(nèi)部防雷和外部防雷兩個(gè)方面對(duì)臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓進(jìn)行了防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。通過該防雷方案的設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)臨沂市恒豐國(guó)際廣場(chǎng)大樓較完善的防雷保護(hù),保證大樓內(nèi)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行,保障樓內(nèi)工作人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全不受雷電災(zāi)害的損害,從而能夠?yàn)榕R沂市的城市化進(jìn)程作出應(yīng)有的貢獻(xiàn),促進(jìn)臨沂市的經(jīng)濟(jì)和諧、迅速、持久增長(zhǎng)。