临沂市恒丰国际广场的雷电防护设计

引言

临沂恒丰国际广场集购物、商务楼、商务公馆、主题商业于一体,该项目地上建筑面积超过37000m2,连同地下共有5万多m2,雄踞临沂市城市中心区,不仅高度高,电气、电子设备密集,而且人流密度大,无论是出于大楼的使用性质、重要性,还是其发生雷电灾害的后果,都应对临沂市恒丰国际广场大楼进行完善的防雷方案设计。

本文就结合临沂市恒丰国际广场大楼的工程勘察资料和国家相关标准对该大楼的外部防雷设计和内部防雷设计进行详细介绍。

1恒丰国际广场防雷等级的确定

根据GB50057一2010《建筑物防雷设计规范》,建筑物根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求分为三类。在对恒丰国际广场大楼进行防雷方案设计前,首先需要确定大楼的防雷等级。这不仅可以提前预测出雷电对大楼可能造成的危害的程度,而且还为大楼防雷方案的设计提供了必要的依据,能够合理有效地对该大楼进行防雷设计,避免造成不必要的损失和浪费。恒丰国际广场,雄踞临沂市中央商务区,北靠临沂最繁华的商业街解放路,东南比邻临沂人民广场,由A、B两楼组成,南北塔楼距离约43.4m,在4层有宽4m的空中花园相连接,两个塔楼分别长36.6m、宽19.5m,楼高22层,89.9m,地上总建筑面积37756.6m2,采用国际上流行的双子塔式,显示出雄伟壮观的气势和简约明快的建筑风格,成为中心商务区标志性建筑。

如图1所示,由于恒丰国际广场大楼高度(H=89.9m)小于100m,其每边的扩大宽度和等效截收面积应按下列公式计算确定:

式中,D为建筑物每边的扩大宽度(m):L、w、H分别为建筑物的长、宽、高(m)。

由于建筑物中间有个空中花园,导致整幢建筑高度不一,现将建筑南北两栋楼分别标称为A楼、B楼,中间连接部分标为C,但其扩大宽度远小于A、B两楼的扩大宽度,故其等效面积已经涵盖在A、B两楼的等效覆盖面积内。因此,恒丰国际广场大楼的等效面积为A、B两楼叠加后的等效面积。

恒丰国际广场大楼等效面积计算:

则临沂恒丰国际广场的年预计雷击次数为:

由于恒丰国际广场大楼每天约有3000人,属于人员密集的公共建筑物,而且年预计雷击次数为0.19次,大于0.05次/年,因此将恒丰国际广场大楼确定为第二类防雷建筑。

2外部防雷设计

2.1接闪器的设计

由于大楼20层开始至楼顶呈阶梯状宽度逐步递减,故20层开始每层突出的边缘都应加装接闪带,采用25mm×4mm的镀锌扁钢。如图2所示,楼顶长宽为27.6m×10.5m,避雷网格尺寸为8.03mx5.25m,暗敷于楼顶的混凝土内。A、B两楼的构造比例相同,因此接闪带的设计也相同。A、B两楼中间的空中花园C位于4层,高度较低,顶面暗敷接闪带即可,网格尺寸为8.7m×4m。

临沂市恒丰国际广场大楼位于临沂最繁华的商业区,人口流量大,来往车辆繁多,考虑到行人和周边车辆的安全,为防止二次雷击事故的发生,本方案采取以下三种措施:第一,楼顶女儿墙上的避雷带采用小12mm热镀锌圆钢进行明敷并与楼顶暗敷避雷网进行焊接连接,避雷带使用100mm高的支架进行支撑,避雷带与支架通过焊接连接,支架间距为1m,在转弯处支架间距设为0.5m并且转弯处的避雷带的转角大于90＋,弯曲半径为避雷带圆钢直径的10倍:第二,根据建筑物女儿墙暗式避雷带覆盖物敷设厚度高电压击穿实验研究结果的启示,临沂市恒丰国际广场大楼楼顶的暗敷避雷网格上部的混凝土覆盖物的厚度设置为2cm:第三,楼顶暗敷避雷网格与楼顶压顶钢筋进行焊接连接,且每隔0.5m焊接一次,这样的连接一方面能够使雷电流迅速通过楼顶混凝土、暗敷避雷网、大楼内的钢筋泄流入地,消散能量,另一方面当雷电流流经暗敷避雷网和压顶钢筋时,其电流方向是相同的,从而产生引力而不是排斥力,避免了雷击楼顶时混凝土块脱落和炸裂带来的二次雷击事故的发生。

2.2引下线的设计

恒丰国际广场大楼为框架剪力墙结构,柱内主筋为小16mm的镀锌圆钢,故每一组引下线均利用柱内两根对角主筋进行设置,共设置16根,其平均间距为7.01m。

过去许多高层建筑都在距离地面一定距离的柱内主筋处设置断接卡,但经防雷测试断接卡的存在并不是一件好事,因为一旦断接卡的螺栓发生松动或断接卡接触面生锈,就会影响接地效果,严重时就会失去防雷接地的作用。考虑到这一点,恒丰国际广场大楼通过另一根小16mm的镀锌圆钢与柱内引下线主筋相焊接的方式,在距离室外地坪0.6m处设置一个接地电阻测试箱,此测试箱每栋楼各设置4处,共8处,分别在1~4号引下线处设置,具体位置如图2所示。

2.3接地装置的设计

接地装置是指埋入土壤中或混凝土基础中做散流作用的金属导体。接地是防雷的基础,临沂市恒丰国际广场大楼充分利用该建筑的地桩、地梁以及承台和基础作为接地装置。该大楼水平地梁基础由小28mm热镀锌圆钢构成,而且还在室外地坪下6m设置了198根基础桩,桩长30m,内含由长10m的4根小32mm热镀锌圆钢构成的地桩钢筋笼。根据下式可以计算出每根桩基的接地电阻R:

式中,p为土壤的电阻率·Q)m):p1为混凝土的电阻率·Q)m):d为接地体·圆柱形混凝土内钢筋体)的直径·m):d1为圆柱形混凝土体的直径·m):l为接地体·钢筋体或圆柱形混凝土体)埋设在地面下的长度·m):K1、K2为接地体和混凝土体计算系数,2l、2l分别按dd1从表1中查出。

临沂地区土壤多以褐土、潮土和砂姜黑土为主,土壤电阻率的平均值为4.32×102Q)m。由于临沂地处北温带半湿润地区南部,雨量充沛,全年平均年降水量793.9mm,年平均降水日为83.2天,所以混凝土的电阻率定为100Q)m·在湿土中)。圆柱形地桩混凝土体的直径为1m,其柱体内钢筋体直径为0.8m,则根据上式得:

考虑到实际的施工问题,恒丰国际广场大楼每栋楼的接地装置间隔性地选用其中的72根基础桩作为接地极。在施工时,将每根桩内周圈均匀分布的4根钢筋焊接连接并与底板筋相焊接,为使钢筋的电气贯通性达到最佳效果,将底板筋焊接连接·图3)。

由于相邻的垂直接地体间的屏蔽效应,导致了每一个接地桩发出的电流线在地中穿过的截面积减小,所以多根接地体的电阻并不等于各个地桩接地体的电阻之和,而应按下式进行计算:

式中,R0为垂直接地装置的电阻·Q):R为每根桩基的接地电阻·Q):n为垂直接地体数量:7为垂直接地体的利用系数,此处取值为0.4。

则得:

根据上面的计算结果可知,恒丰国际广场大楼当仅利用该建筑的垂直地桩作为自然接地装置时,其接地电阻值已经满足了共用接地系统对接地电阻的要求,而且该大楼的桩基础、承台、水平地梁内的钢筋均焊接在一起,从而形成了一个完全闭合的环形地网,所以不需要再另设置其他接地装置。此外,该大楼所有基础内的钢筋除采用热镀锌防腐措施外无其他防腐措施,不影响雷电流的泄散。

2.4防侧击雷的设计

由于恒丰国际广场大楼属于第二类防雷建筑,高度为89.9m,大于45m,所以该大楼容易遭到侧击雷的损害。但一般的高层建筑建筑结构通常能够耐受侧击雷的电流损害,所以不需要另设专门的接闪器,而是利用建筑物本身的钢构架、

钢筋体及其他金属物即可。

对于恒丰国际广场大楼防侧击雷采用以下措施:首先,在大楼45m以上的楼层,将每隔两层的结构圈梁里的两根主筋,利用小10mm热镀锌圆钢焊接成一体形成均压环,同时将均压环与柱筋中的引下线焊成一个整体:其次,在订制铝制门窗时,预留出30cm的铝带,将此铝带与各均压环引出的预留镀锌扁钢采用两个M6不锈钢螺栓相连接。此外,为防镀锌扁钢与铝带发生电化学反应,在两者之间添加1mm厚的不锈钢垫圈。

3内部防雷设计

3.1等电位连接的设计

等电位连接一方面能够保证建筑物内信息系统电气设备、电子设备的正常工作,抑制外部干扰,另一方面能够使防雷空间内各金属部件和各系统之间保持一样的电位,从而防止反击的发生。

3.1.1总等电位连接

大楼内的各个电源线和信号线都从大楼的地下一层进入,由于规模较小,故采用S型等电位连接的方法(图4),总配电间设置总等电位连接端子箱,暗装,底边距地高0.5m,总等电位连接线(MEB线)采用-40mm×4mm的镀锌扁钢暗敷并与大楼的基础接地装置进行两处直接连接,将所有从大楼外进入楼内的电源电缆的金属护套、通信和网络光缆的金属铠装以及给水管道和供暖管道均在进入大楼时与MEB箱通过BV-1×25连接线进行连接。此外,进出的金属管线在楼内外的两端做可靠接地。

3.1.2局部等电位连接

在大楼每层内设置局部等电位连接箱(LEB箱),通过竖向接地干线连接到一起。每一层内用水平接地线连接到各房间,将房间内取暖管、分配电箱、给水管、办公设备的金属外壳、金属桥架等均通过BV-1×10的连接线连接到LEB箱的接地端子上。

3.2共用接地系统的设计

考虑到规范的要求和其他防雷接地工程的经验,该大楼的接地采用共用接地系统,即利用该建筑物本身的基础作为接地系统,将恒丰国际广场大楼的消防系统、监控系统、交流保护地、设备的直流工作地等分别单点就近利用建筑物的基础进行接地。由于本大楼的基础接地采用的是水平地梁与垂直地桩,经过理论计算接地电阻小于1Q,完全满足共用接地系统的接地电阻小于1Q的要求。

大楼的安防监控系统采用BV-1×25接地线、消防系统采用BV-1×25作专用接地干线,两者均连接到大楼安防值班室的专用接地板上。从消防控制室引至消防设备的专用接地线采用BV-1x6,凡正常不带电,当绝缘破坏有可能呈现电压的一切电气设备金属外壳、金属管均采取保护接地并与PE线可靠连接。当灯具距地高度小于2.4m时,灯具的可接近裸露导体进行可靠接地:此外,在安防值班室内的地面敷设600mm×600mm的防静电、防火型地板,架空高度为300mm,静电地板下面采用3×35mm的铜带绕机房四周一圈设置成接地母排,并且与基础地网相连接(图5)。所有强、弱电竖井内皆垂直敷设一根、水平敷设一圈40mm×4mm热镀锌扁钢,水平与垂直接地扁钢均焊接连接到基础接地网上:从配电间至强电竖井内的桥架上敷设一根40mm×4mm热镀锌扁钢,将配电间接地与强电竖井内接地相连接。

3.3SPD的设计

3.3.1电源SPD

雷击事例表明,有80%雷击高电位是从电源线侵入的,这些高电位可直接损害计算机、电子设备及火灾报警等控制系统,而变压器、UPS等设施不能消除雷电过电压,因此,根据恒丰国际广场大楼电子信息系统的重要性和使用性质可确定其雷电防护等级为C级,设置三到四级的SPD进行防雷保护,从而将过电压降到设备所能承受的水平。SPD的分配布置情况如图6所示。

大楼的供电电源经埋地电缆引入室内总配电柜,第一级浪涌保护器并联安装在一层总配电室配电柜的进线前端,冲击放电电流应不小于12.5kA(10/350uS)或标称放电电流50kA(8/20uS),这级SPD可以直接导走大部分的雷电电流,在浪涌保护器的前端串接一组60A的空气开关:第二级浪涌保护器标称放电电流应不小于20kA(8/20uS),安装在各楼层分配电室的进线前端并在防雷回路中串接一组32A的空气开关:第三级浪涌保护器设置在电梯机房配电柜、设备和安防值班室机柜的前端,应不小于10kA(8/20μS),在重要设备前应不小于3kA(8/20μS),同时其前端串接一组16A的空气开关;若第三级的浪涌保护器不能够保护要求更高的设备,此时可以选择第四级防雷电浪涌的插座对其进行精细保护。各级浪涌保护器的主要技术参数如表2所示。

3.3.2监控SPD

恒丰国际广场大楼的监控摄像机除一楼出口处位于楼外,其余均位于楼内。该大楼的电视监控系统由三部分组成:前端部分,主要由黑白(彩色)摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成;传输部分,使用同轴电缆、电线、多芯线沿墙敷设;终端部分,主要由画面分割器、监视器、控制设备等组成。摄像机由监控系统内的直流变压器供电,电压为DC24V。

大楼的监控前端设备安装在楼内或一楼出口处一般不会遭受直接雷击,通过合理布线已尽可能消除电磁干扰,因此在前端不需增添电涌保护器。在安防值班室的监控系统安装多口矩阵同轴通信信号电涌保护器,用于矩阵线路的防雷保护,该浪涌保护器电压保护水平应为24V,最大传输速率为10Mb/S,插入损耗小于0.3dB。

对于通过线缆和前端设备连接的视频端口及控制线安装相应浪涌保护器。

大楼以后若更新为高清摄像机,则浪涌保护器也需升级为相应的网络信号防雷器。

3.3.3信号SPD

在楼内用于计算机和其他设备间数据互联,交换机、DDN设备数据输入、输出等的串行接口(9针)和并行接口(25针)处分别安装RS232/09和RS232/25的SPD,SPD的最大放电为400A,工作电压为12V,插入损耗小于0.5dB,传输速率20Mb/S。用于远距离数据传送的RS422/RS485端口处安装的SPD工作电压为6~24V,电压保护水平为24V,插入损耗小于0.5dB,传输速率10Mb/S。在大楼以太网及IP电话的前端加装RJ11/RJ45浪涌保护器,SPD的标称放电电流为5kA,工作电压为6~12V,插入损耗小于3dB,传输速率为100Mb/S。

3.3.4SPD的安装要求

电源浪涌保护器采用35mm2的标准导轨与空气开关一起安装于配电箱柜内;当第一级SPD与第二级SPD线距小于10m或第二级SPD与第三级SPD之间的线距小于5m时,在两级SPD之间安装退耦电感或电阻;电源的第一级SPD安装线缆相线大于6mm2,地线大于10mm2;第二级SPD安装线缆相线大于4mm2,地线大于6mm2;第三级SPD安装线缆相线大于2.5mm2,地线大于4mm2;信号SPD地线采用4mm2线缆。

SPD接至等电位连接板的接地导线要短而直,长度不超过0.5m,SPD与被保护设备之间采用无回路或小回路方式安装,输入、输出线严格分开布设。

4结语

本文根据临沂市恒丰国际广场大楼的特点,依据国家相关标准和规范,综合运用了接闪、分流、均压、屏蔽、接地等措施,从内部防雷和外部防雷两个方面对临沂市恒丰国际广场大楼进行了防雷保护设计。通过该防雷方案的设计,能够实现对临沂市恒丰国际广场大楼较完善的防雷保护,保证大楼内电气设备的正常运行,保障楼内工作人员的生命安全和财产安全不受雷电灾害的损害,从而能够为临沂市的城市化进程作出应有的贡献,促进临沂市的经济和谐、迅速、持久增长。