新型屋面隐蔽式避雷网固定结构施工技术

新型屋面隐蔽式避雷网固定结构施工技术

佟金粲

中国建筑第八工程局  四川成都  610000

摘要：目的：寻找一种方法避免使暗装避雷网周围混凝土因避雷网接闪经过的雷电流而开裂导致地面被破坏。方法：对混凝土开裂的原因进行剖析，在不破坏保温层防水层以及避雷带的正常使用等原有功能不受影响的情况下可以避免混凝土因接闪导致的开裂是研究重点，最后我们整理出的工序为将圆钢用混凝土土墩包裹起来，然后在找平层上继续做保温层和防水层，待将所有圆钢连接成避雷网后，再单独对混凝土土墩进行单独的防水处理，最后在屋面防水层上铺设保护层，使土墩的上表面与保护层齐平。结果：该种改进方法不会对防水和原有结构以及避雷网结构造成影响。结论：经过实验该种方法可以有效避雷且不会破坏避雷网周围混凝土。

关键词：暗装避雷网；混凝土土墩；保温层；防水层。

0引言

避雷网的设置有明装和暗装两种形式：明装防雷网是在建筑物的屋顶上或层顶屋面上以较疏的可见金属网格作为接闪器，沿其四周或沿外墙做引下线接地。暗装避雷网则是根据古典电学中法拉第笼的原理，利用建筑物中的钢骨架(包括各层楼板和地基中的钢筋)，只要保持可靠的电气连接，使整个建筑物就成为一个可靠的等电位的接地体，达到雷电保护的金属导电体网络。

利用钢筋混凝土基础内的钢筋做防雷接地体时，应考虑到以下两个主要因素：一是雷电流从钢筋透过混凝土入地，有可能使混凝土产生裂纹而遭受损坏，影响基础强度；二是混凝土基础的接地电阻值随土壤的干湿而变化，湿时很低，干时很高，在干时遭受雷击，不利于雷电流的泄放，影响防雷效果。

为了建筑物屋面的整齐、美观，采用暗装避雷网，但是传统的暗装避雷网在接闪时，无论雷电流是小是大，都会导致避雷网周围和覆盖层混凝土的炸裂，导致防水层的破坏。

1工程概况

A-1科研楼（信息通信创新园二期工程）位于北京市海淀区学院路40号，东至塔院西街和邮科社区，南至北京联合大学应用文理学院，塔院小区和中国通讯广播卫星公司，北至花园北路，西至学院路。本工程为一类高层建筑，建筑主体结构设计合理使用年限50年。地上建筑面积73436㎡，地下建筑面积23310㎡。本工程建筑物接地形式为TN-S系统，TN-S接地防雷系统是将零线与地线分开设置，连通三条相线共同组成三相五线制的系统。该系统中所有外露的可导电部分都与地线直接连接，以起到直接保护作用。TN-S接地防雷系统是当前配电系统应用最为广泛的一种系统，但是由于其实际消耗的材料较多，并且所构成的三相系统不平衡，在单相使用时，会在零线上形成高电位，因此在应用该系统时，通常会采用两级开关，将总开关与末级开关的零线断开。TN-S接地防雷系统主要用于电磁环境差、设备可靠性要求高的复杂配电系统中。本建筑物经防雷计算预计年击次数0.2142次/年，为一类高层民用建筑，属于二类防雷建筑物。屋面安装网格不大于10m*10m或12m*8m的接闪网、接闪带及建筑物建筑物金属结构共同组成接闪器；接闪带、接闪网、金属结构互相可靠连接。屋顶一切金属物，包括卫星天线支座、各种金属管道、风机外壳、冷却塔支架、立面照明及航空障碍灯具金属外壳及配管均与屋面接闪器可靠连接，卫星天线口面及副面调整器顶端自带避雷针，航空障碍灯自带的避雷针直接与接闪器相连。屋面避雷网采用暗装避雷网，每隔三米设置一根从主体结构引上来的圆钢，但是因为传统暗装避雷网接闪会导致覆盖混凝土层开裂的问题，所以现在研制一种适用于固定屋面隐蔽式避雷网的结构来避免显得尤为必要。

2工程重难点

首先本工程依据规范可以利用基础内主筋作为接地的导体，能否用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋作为接地体，由建筑物防雷类别、钢筋混凝土基础及土壤电阻率等的具体情况决定。一般情况可按以下规定处理：

（1）对第一类防雷建筑物，不允许利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋作为防雷接地体；

（2）对第二、三类防雷建筑物，当基础采用硅酸盐水泥、周围土壤的含水量不低于4%及基础的外表面无防腐层或有沥青质的防腐层时，宜利用基础内的钢筋作为接地体；

（3）作为防直击雷，敷设在混凝土基础中的钢筋，当仅一根时，其直径应不小于10mm；混凝土构件内有箍筋连接的钢筋，其截面积总和应不小于一根直径为10mm钢筋的截面积；

（4）基础内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋，其箍筋与钢筋的连接、钢筋与钢筋的连接应采用绑扎连接或焊接。单根钢筋或外引预埋连接板、线与上述钢筋连接应焊接或采用螺栓紧固的卡夹器连接。

由于没有可以借鉴的方案做法，在研究的每一步都会走很多弯路，浪费很多时间，但经过搜集资料研究以及经验，针对混凝土开裂的原因进行深化剖析，得出两个研究方向，第一是不改变原有结构形式，从材质环境出发，通过加强避雷网与混凝土本身的强度来减焕接闪对地面开裂造成的影响，第二是用研发一种新的保护措施，对地面进行保护，由于屋面暗装避雷网施工工艺流程已经完善，所以不改变其结构来提升其性能的可能性微乎其微，综上所述，决定采取第二种方法研发一种新型用于固定屋面隐蔽式避雷网的结构，以此来解决屋面暗装避雷网施工中存在的接闪导致地面破裂问题。

3施工工艺流程

综上所述，由于设计规范和图纸要求，以及为了美观和整洁，所以无需考虑明装避雷网，选择暗装避雷网，暗装避雷网是通过建筑本身的结构，利用大楼内连通的钢筋作为导体将雷电流引到地下从而起到避雷的作用，这样就不可避免的会使与钢筋贴合的混凝土层受到钢筋的影响，通过溯源法对原因进行分析并找出可以解决的办法如下：

1.对引下雷电流的路径做出优化：由于本工程A-1科研楼（信息通信创新园二期工程）项目的建筑主体采用钢结构，主体都是由钢梁钢柱钢绗架搭接焊接的，因此相比较传统混凝土主体结构，钢梁与钢柱相比混凝土柱来说更容易快速通过雷电电流，且其本身不会像混凝土柱一样可能受雷电电流影响导致开裂。由于建筑面积大，连接点多，这种结构所构成的钢筋网有足够的导电能力。在钢柱区域设置截面积更大电阻更小的圆钢来引导雷电电流从钢柱经过，这样会间接使得受雷电电流影响的地面混凝土区域面积变小，进而使得可能开裂的区域变小，这也是可以使用暗装避雷网的原因之一。

2.在接闪源头做出优化：建筑物的雷击部位。试验表明，与屋顶坡度有关，平顶建筑物与各种不同坡度的建筑物其雷击部位不同。平顶建筑物，雷击部位为屋顶四周，其中四个角的雷击率最高。坡度为15°的建筑物，雷击部位多为山墙屋檐，其中也是四个角雷击率最高，坡度为30°的建筑物，雷击部位多为屋脊，其中屋脊两端雷击率最高，坡度为45°及以上的建筑物，雷击部位基本上在屋脊，其中屋脊两端雷击率最高。上述各种屋面遭受雷击的可能性极少。所以在设计时应按照建筑物屋顶的坡度，确定最容易遭受雷击部位装设避雷针或避雷网。在雷击频率高的地方增加避雷网的密集度，使得避雷网的布设具有针对性，通过借鉴及经验交流，将圆钢与连接的混凝土单独分出来使其与完成面之间由有一个分界，这样可以避免在接闪时雷电电流直接作用于地面导致破坏，做一个混凝土墩将与钢筋连接的圆钢和圆钢相连的周围地面包裹起来，提前将电流导致的破损限制在一个较小的范围内。具体流程为，本工程在预留预埋阶段在每个点位上预留了Φ8圆钢，引出地面等待做完防水后再双面焊接连接起来，在屋面找平层上将每一个植根于建筑的Φ8圆钢都通过支模板包裹起来，做成200mm*200mm*H的混凝土墩，土墩的灵感来源于安装设备时需要的基础，基础的作用除了本身利于设备本身的作用，还有防止外界地面各种原因产生晃动导致设备运行不稳定导致不精确，反过来说设备运行产生的震动同样也不会作用于非基础区，所以土墩的作用就是将本身与原面层分隔开，使圆钢在接闪导入大地产生的波动都由土墩承受，土墩的高度根据屋面的找坡高度确定，高低取决于与地漏的距离，这也对完成面找坡和确定高度可以起到辅助作用，对每一个混凝土墩做防水处理，做到闭环在下雨时不渗漏，然后在找平层上继续做保温层和防水层，待将所有圆钢相互连接，成为一个完整的避雷均压网后，最后在屋面防水层上铺设保护层，使土墩的上表面与保护层齐平，保持屋面的整洁、美观，实际演示效果见图一；该结构可以使避雷网暗敷于屋面，使屋面整齐、美观，并且可以有效的避免因避雷网暗敷导致的屋面防水层破坏。这种施工方法解决了避雷网和土建施工既交叉又相互配合的矛盾，能一次成活，安装质量较好，满足设计与规范的要求，省工省时，施工工期短。

3.整体采用笼式避雷网：在建筑物的基础部位由于已将其外侧柱主筋与接地网进行了连接,而柱主筋一般均为焊接或机械连接,所以不必再连接就拥有了许多引下线,但需要在图纸或隐蔽资料作记录,每层作为引下线的钢筋应作标记,保证在施工过程中密切跟踪,不得与其他非作为引下线的钢筋混淆,高层建筑从首层起不超过12m利用梁主筋设置一道均压环,到设计确定的进行防侧击雷的高度(一类防雷为30m,二类防雷为45m,三类防雷为60m），均压环应和侧击雷防护合并设置,防侧击雷设防垂直高度为不大于6m,用扁钢25×4沿建筑物外廓在混凝土内设置,在要求防侧击雷的高度以上,金属窗、金属护栏等应与防雷装置相连,在设计有安装空调机挑台的位置要预留接地点。均压环及防侧击雷设防均应和避雷引下线焊接连通。建筑物裙楼屋面和主体屋面的梁主筋,特别是与外侧梁主筋应进行良好连接形成网状结构,并与作为引下线的柱外侧主筋做最短路径的连接,再加上其它钢筋与梁柱的绑扎和搭接(有很多国家利用建筑物内的钢筋作为防雷系统时钢筋之间有多点绑扎时,不需焊接就可以构成雷电通路,试验也已得到证实。)的共同作用,这样建筑物的六个面就形成了一个良好的网状避雷装置——法拉第笼式避雷网,这样的避雷网有很多优点:①分流作用明显,由于引下线数量的大量增加,使得每根引下线上的雷电流大大减小,室内高科技设备受到脉冲电磁场效应显著削弱。②屏蔽作用良好,雷电流的频谱特性,主要分布在0KHz～10KHz频段内,低频电流的电磁效应很弱,电磁干扰主要来自高频,根据高频电流的特点,频率越高趋肤效应越显著,高频雷电流将分布于笼体表面,对电磁脉冲起到很大的阻隔作用,电子设备受到的电磁干扰就会大大减弱。③避免了雷电的绕击,由于建筑物的侧面有防侧击雷带、均压环、金属窗及护栏等防雷保护,对雷电的侧击及球形雷击将起到防护作用。④减小反击过电压,建筑物的感抗在雷电流的下泻时的作用有其正反两方面的作用,正方面由于电感的感抗总是阻止雷电流的变化,可以削弱电流的峰值,延长电流的放电时间,大大减弱了LEMP的强度;反方面会产生反击过电压,使得接闪点对地电压的增加;感抗是客观存在的,通过增加引下线的数量降低雷电回路的总阻抗是可能的,再则由于不同的高度采用了均压措施,金属构件及管道与均压环进行电气连接,在一定范围内间接接触电压将保持在安全范围内,人和设备不论在哪一层,都不会受到反击过电压及或旁侧闪击的危险。⑤降低跨步电压,由于采用了均压措施和利用整个基础进行作为接地体,接地电阻能满足设计要求并保持长期稳定,有利于均衡电位,人身不会受到跨步电压的伤害。⑥接地装置与建筑物寿命同样长久,大大减少了维护费用。



图一：混凝土墩示意图

注释：1.混凝土墩：体积为200mm*200mm*h，以从地面引出来的圆钢为中心支模浇筑；

2.圆钢：Φ8圆钢，与结构面主筋相连，起接地作用；

3.屋面保护层：保温层上的一层，保护保温层不外露；

4.屋面保温层；

5.混凝土墩防水层：将混凝土墩完全包起来，与防水层是一个整体；

6.屋面防水层：在保温层下；

7.屋面找平层。

4结语

本工程通过在预留预埋阶段预留圆钢，引出地面等待做完防水后连接起来，在屋面找平层上将Φ8圆钢通过支模板包裹起来，做成200mm*200mm*H的混凝土墩，土墩的高度根据屋面的找坡高度确定，高低取决于与地漏的距离，对每一个混凝土墩做防水处理，然后在找平层上继续做保温层和防水层，最后在屋面防水层上铺设保护层，使土墩的上表面与保护层齐平。通过本此对屋面隐蔽式避雷网的深入研究，收获良多，成功研制出一种用于暗装避雷网的可以避免因电流导致混凝土破损的结构，且优化并降低在雷电电流传导过程中对传导介质钢筋周围的混凝土结构的破坏。但是问题本身依然存在，无论用什么方法去降低对主体混凝土的影响，其影响依然存在，这也是未来要解决的根源重点。本次研究成果可以使暗装避雷网对地面的破坏的缺陷降到最低，使整齐美观和安全可以兼顾，混凝土墩可以单独隔离开避雷网中圆钢对原地面的影响，起到一个隔断保护的作用，这种单独隔离出来避免其影响本体的思想可以作用于其他领域方面。

参考文献

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作者简介：佟金粲（1999-），性别：男，学历：本科，职称：机电工程师，通信地址：100000，邮箱：3529265557@qq.com，联系电话：17261630502