建筑幕墙的防雷 设计与施工

    建筑幕墙是由金属构架与板材组成，不承担主体结构荷载与作用的建筑外围护结构。建筑幕墙除有技术发展较成熟的玻璃幕墙、金属幕墙和石材幕墙外，还有现在发展得较快的多用于大空间的点驳式幕墙和新型的气循幕墙、智能幕墙与光电幕墙。建筑幕墙是现代建筑流派的主要表现特征，在新世纪的现代化城市建筑中具有不可替代的艺术地位。建筑幕墙的金属骨架是良导体，幕墙的防雷措施不当，可能会遭到雷电的侧击破坏，严重的可能招至火灾，所以幕墙的防雷必须严格按照有关规范进行设计和施工。但现在很多幕墙公司对建筑幕墙的防雷概念不清，往往不经过任何计算就很随意地对本建筑的防雷进行分类，从而无形中给工程增加额外的建筑成本，本文根据最新GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》、JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》及JGJ133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》对建筑幕墙防雷设计做进一步的阐述。

    JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》第4.4.13条规定：“玻璃幕墙的防雷设计应符合国家现行标准GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》和JGJ16—2008《民用建筑电气设计规范》的有关规定”。JGJ133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》第4.4.2条也有相关规定，这里就不做详细的阐述。JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》还规定：“幕墙的金属框架应与主体结构的防雷体系可靠连接，连接部位应清除非导电保护层”。玻璃幕墙是附属于主体建筑的围护结构，幕墙的金属框架一般不单独作防雷接地，而是利用主体结构的防雷体系，与建筑本身的防雷设计相结合，因此要求应与主体结构的防雷体系可靠连接，并保持导电通畅。

大气的流通形成了雷云，随着雷云下部的负电荷积累，其电场强度的增加达到极限值，于是开始向下梯级放电，称为下行先导放电。

    在电气-几何模型中，雷先导的发展起初是不确定的，直至先导头部电压足以击穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始定向，在被保护的建筑物上安装接闪器，就是使它产生最强的先导和雷先导会合，从而防止建筑物受到雷击。

    GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》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为半径的一球体沿需要防直接雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物）而不触及需要保护的部位时，则该部位就得到接闪器的保护。用许多防雷导体（通常是垂直和水平导体）以下列方法盖住需要防雷的空间，即用一给定半径的球体滚过上述防雷导体时不会接触要防雷的空间。它是基于以下雷闪数学模型（电气-几何模型）的。

    hr=2I+30（1-e–1/6.8）                    （1）

    或简化为hr≈9.4×I2/3

    与相对应的电流 I=(hr/9.4)1.5                 （2）

    当hr=30m时,I=5.7kA；当hr=45m时,I=10.5kA；当hr=60m,时I=16.1kA。

    当雷电流小于上述数值时，雷闪有可能穿过接闪器击于被保护物上，而等于和大于上述数值时雷闪将击于接闪器上。

    高层建筑物的接闪器和一般建筑相比，由于建筑物高，闪击距离因而增大，闪接器的保护范围也相应增大，但如果建筑物的高度比设防的接闪距离hr还要大时，对于某个雷先导，建筑物的接闪器可能处于它的闪接距离之外，而建筑物侧面的某处可能处于该先导的闪接距离之内，可能受到雷击，例如150m高的建筑物，取其高度为滚球半径（hr=150m），其相对应的雷电流为（150/9.4）1.5=63.75kA，也就是说，在距离建筑物屋顶周边150m的范围内大于（等于）63.75kA雷电流的雷击，为屋顶周边的接闪器吸引到自己身上使建筑物不受此雷击，但是对于一个较近距离(例如相当于hr=45m)10.5kA的雷先导，接闪器不能把它吸引过来，在幕墙+45m~+150m范围内的金属杆件，由于雷先导已进入到对它的闪击距离之内，于是受到雷击。而当在45m之内有一个小于10.5kA的雷先导可能使+45m以内的金属杆件受雷击。侧击雷具有短的吸引半径（即小的滚球半径），其相应的雷电流也是小的，高层建筑的结构通常能耐受这类小雷击电流的侧击，参见图1。

    按GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》第3.0.1条规定建筑物应根据建筑物重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为以下三类。

    ) 在可能发生对地闪击的地区，遇下列情况之一时，应划为第一类防雷建筑物：

    ——凡制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，因电火花而引起爆炸、爆轰，会造成巨大破坏和人身伤亡者；

    ——具有0区或20区爆炸危险场所的建筑物；

    ——具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者；

    b) 在可能发生对地闪击的地区，遇下列情况之一时，应划为第二类防雷建筑物：

    ——国家级重点文物保护的建筑物；

    ——国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站和飞机场、国宾馆、国家级档案馆、大型城市的重要给水泵房等特别重要的建筑物；

    注：飞机场不含停放飞机的露天场所和跑道；

    ——国家级计算中心、国际通信枢纽等对国民经济有重要意义的建筑物；

    ——国家特级和甲级大型体育馆；

    ——制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡；

    ——具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者；

    ——具有2区或22区爆炸危险场所的建筑物；

    ——有爆炸危险的露天钢质封闭气罐；

    ——预计雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物以及火灾危险场所；

    ——预计雷击次数大于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物；

    c) 在可能发生对地闪击的地区，遇下列情况之一时，应划为第三类防雷建筑物：

    ——省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆；

    ——预计雷击次数大于或等于0.01次/a，且小于或等于0.05次/a的部、省级办公建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物，以及火灾危险场所；

    ——预计雷击次数大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物；

    ——在平均雷暴日大于15d/a的地区，高度在15m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物；在平均雷暴日小于或等于15d/a的地区，高度在20m及以上的烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物。

    根据《建筑物防雷设计规范》幕墙防侧击措施如下：一类防雷建筑物从30m起每隔不少于6m沿建筑物四周设水平避雷带并与引下线相连30m以上幕墙的金属物与防雷装置连接。应将二类防雷建筑物45m以上，三类防雷建筑物60m以上幕墙的金属物与防雷装置连接，其各类防雷在规定标高以下幕墙不需要做防侧雷措施，只需做好防顶雷措施。该项目一般由电气施工方完成。

    高层建筑物必然是钢筋混凝土结构(钢结构)的建筑物，应充分利用其金属物做防雷装置的一部分，将其金属物尽可能连成一整体。《建筑物防雷设计规范》对第二、三类防雷建筑物没有要专设均压环要求的，因为高层建筑物均为钢筋混凝土和钢构架建筑物，而且钢筋混凝土为现浇，钢筋已通过绑扎连通，整幢建筑物已处于均压中。金属幕墙的防侧雷是通过将金属幕墙的立柱于每层与圈梁或柱子的钢筋连接的预埋件连通即可。这就要求在主体结构施工时，埋入的每个预埋件的直锚筋应和圈梁（楼板）中的钢筋用绑扎法连接或焊接。如果采用后设锚板（例如用化学螺栓固定锚板）时，应将每块锚板与主体结构的钢筋连接[可以每块与伸出的钢筋连接，也可以先将每块锚板串联起来，再相隔一定距离（12m～18m）与主体结构钢筋连接]，总之预埋件与主体结构之间必须连接成电气通路。通常，玻璃幕墙的铝合金立柱，在不大于10m范围内宜有一根柱采用柔性导线上、下连通，铜质导线截面积不宜小于25mm2，铝质导线截面积不宜小于30mm2，在主体建筑有水平均压环的楼层，对应导电通路立柱的预埋件或固定件应采用圆钢或扁钢与水平均压环焊接连通，形成防雷通路，焊缝和连线应涂防锈漆。扁钢截面不宜小于5mm×40mm，圆钢直径不宜小于12mm。

    由于高层建筑物高，雷闪击中建筑物屋顶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。GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》第5.2.7条规定，当女儿墙与金属幕墙间的封修是采用金属板，可利用其做接闪器，但要求其厚度T≥0.5mm，金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小于100mm，金属板应无绝缘被覆层（薄的油漆保护层或1.0mm厚沥青层或0.5mm厚聚氯乙烯层均不属于绝缘被覆层），利用做接闪器的金属封修板均应与女儿墙内钢筋连接成电气通路。JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》规定：“兼有防雷功能的幕墙压顶板宜采用厚度不小于3mm的铝合金板制造，压顶板截面不宜小于70mm2（幕墙高度不小于150m时）或50mm2（幕墙高度小于150m时）。幕墙压顶板体系与主体结构屋顶的防雷系统应有效的连通。”

    金属幕墙除了注意防直击雷和侧击雷外，尚应注意雷电感应。闪电放电时，在附近导体上产生静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。静电感应是由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如不就近泄入地中就会产生很高的电位。电磁感应是由于雷电流迅速变化，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势，GB50057—2010规定第一类和部分第二类建筑物尚应采取防雷电感应的措施，即幕墙金属杆件要与防雷电感应的接地装置接通。

    除了上述雷电感应产生的静电感应外还有一种由于接触带电的静电，是指两种物体紧密接触，只要接触面的距离达到小于25×10-8cm时，则在两种物体的接触面上将发生电荷的转移，失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷，这就是接触带电现象。这种带电只是局部接触上的带电现象。但从宏观上看这两个物体仍是呈电中性。如果这两个物体在外力作用下突然分离，而此时交界面处的电荷又来不及返回物体面进行中和，那么此时绝缘性能较好的材料，其表面或内部的某一部分就会带上多余的电荷而呈负电性。像这种物体的表面、内部或其中某一部分带上相对静止状态电荷的现象就叫物体带上了静电。

    物体带上了静电是相对于某一时间和空间而言。实际上，物体的静电荷不断产生有积累的过程，而当积累量达到和超过空间击穿场强时还会发生放电现象。因此，所谓物体带上了静止不动的电荷是指某一瞬间的暂态过程，而不是绝对不变的过程。这就是所谓的“静电不静”。

    静电荷积累到一定程度，会与接地体之间产生火花放电。如果此时火花间隙中存在着可燃物与空气的混合比达到爆炸极限浓度，且火花能量达到并超过可燃物的最小点火能量时，该电火花就会成为爆炸性混合物的引燃源，从而形成火灾和爆炸事故。

    当较高的静电位和较大的静电电流通过人体放电时，能造成人体生理和心理上的强烈振击反应。由于静电能量和静电电流一般都较小而且无外电源补充，所以瞬间脉冲放电，不是造成人体伤害的直接原因，对人体的一般影响是针刺的痛感和震颤。此外电击能使人体暂时失去平衡，从而导致高处坠落、倒转、接触机械等二次伤害。电击会使人体产生不快和恐惧感，从而会影响生产效率和导致操作失误。

    静电所形成的生产故障是大量的，存在生产的各区域和部门，它可以使产品质量下降，生产效率降低，同时电子仪器、通讯系统也会受到静电电磁波辐射的影响，或使电子计算机发生误动作等。

    DG/TJ08-83—2009《防静电工程技术规程》规定，为防止静电危害环境的设计和施工应体现下列两个基本原则：

    a) 抑制或减少静电的产生；

    b) 将已产生的静电迅速、安全、有效地排除。

    遵循上述原则，防止静电危害环境的设计和施工必须包括的基本内容为：抑制环境组成部分带电，防止发生静电放电和静电噪声传播的综合预防措施。控制静电的工程设计具体区分为三级：

    一级标准为控制室内静电电位绝对值不大于100V；

    二级标准为控制室内静电电位绝对值不大于200V；

    三级标准为控制室内静电电位绝对值不大于1000V。

    防静电工程分级标准适用场所如表1。

    防止幕墙发生静电危害，其主要方向是防止其他物体与幕墙紧密接触，如窗帘与幕墙间保持一定距离，不使两者接触；擦幕墙时与玻璃接触的清洗材料选用不易起静电的材料并降低摩擦速度，选择电阻率在109Ω/cm以下的材料就可以减少带电现象，对金属杆件通过接地使静电荷以接地方式泄放掉，使带电体与大地等电位。玻璃属非导体不会产生雷电感应，对静电虽然可以采用在玻璃表面涂导电涂料的接地方案，但其价格昂贵，一般应采用防止产生静电的措施(即避免与其他物体紧密接触)来防止静电。

    现在很多幕墙师对建筑幕墙的防雷概念不清，往往不经过任何计算就很随意地对本建筑的防雷进行分类，从而无形中给工程增加额外的建筑成本，目前建筑幕墙工程防雷分类及计算方法主要以GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》为准，主要计算建筑的雷击次数作为防雷分类的标准，规范详细明确了计算方法。

    8.1 建筑物年预计雷击次数

    建筑物年预计雷击次数应按公式（3）计算。

    N=k×Ng×Ae                           (3)

    式中：

    N——建筑物年预计雷击次数，次/a；

    k——校正系数，在一般情况下取1；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5；金属屋面但没有接地的砖木结构建筑物取1.7；位于山顶上或旷野的孤立建筑物取2；

    Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/(km2·a)；

    Ae——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2。

    8.2 雷击大地的年平均密度

首先应按当地气象台、站资料确定；若无此资料，可按公式（4）计算。

    Ng=0.1×Td                                    （4）

    式中：

    Td——年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定，d/a。

    8.3 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积应为其实际平面面积向外扩大后的面积

    其计算方法应符合下列规定：

    a) 当建筑物的高度小于100m时，其每边的扩大宽度和等效面积应按公式（5）、公式（6）计算（图2）。

                                                             （5）

    式中：D——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。

    b) 当建筑物的高度小于100m，同时其周边在2D范围内有等高或比它低的其他建筑物，这些建筑物不在所考虑建筑物以hr=100m的保护范围内时，按公式(6)算出的Ae可减去(D/2)×(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行以米计的长度总和)×10-6(km2)；

    当四周在2D范围内都有等高或比它低的其他建筑物时，其等效面积可按公式（7）计算：

    c) 当建筑物的高度小于100m，同时其周边在2D范围内有比它高的其他建筑物时，按公式（6）算出的等效面积可减去D×(这些建筑物与所考虑建筑物边长平行以米计的长度总和)×10-6(km2)；

    当四周在2D范围内都有比它高的其他建筑物时，其等效面积可按公式（8）计算：

    Ae=LW×10-6       （8）

    d) 当建筑物的高度等于或大于100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高度计算；建筑物的等效面积应按公式（9）计算：

    Ae=[LW+2H(L+W)+πH2]×10-6           （9）

    e) 当建筑物的高度等于或大于100m，同时其周边在2H范围内有等高或比它低的其他建筑物，且不在所确定建筑物以滚球半径等于建筑物高(m)的保护范围内时，按公式    （9）算出的等效面积可减去（H/2）×（这些建筑物与所确定建筑物边长平行以米计的长度总和）×10-6(km2)；

    当四周在2H范围内都有等高或比它低的其他建筑物时，其等效面积可按公式（10）计算。

    Ae=[LW+H（L+W）+πH2/4]×10-6          （10）

    f) 当建筑物的高等于或大于100m，同时其周边在2H范围内有比它高的其他建筑物时，按公式(9)算出的等效面积可减去H×(这些建筑物与所确定建筑物边长平行以米计的长度总和)×10-6(km2)；

    当四周在2H范围内都有比它高的其他建筑物时，其等效面积可按公式（8）计算。

    g) 当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。

    8.4 实际工程案例计算方法

    8.4.1 以杭州一建筑标高H=95m、L=50m、W=30m的高层建筑为类进行计算（一般民用建筑或工业建筑）

        其中杭州平均雷暴日Td=37.6，

        根据Ng=0.1×Td=0.1×37.6=3.76。

        a) 当其H＜100m时：

     N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.06=0.23(0.05＜N＜0.25，幕墙属于三类防雷)；

        b) 当其H=95m＜100m，同时其周边在2D=2×95=190m范围内有等高或比它低的其他建筑物时：

     N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.02=0.08(0.05＜N＜0.25，幕墙属于三类防雷)；

        c) 当其H=95m＜100m，同时其周边在2D=2×95=190m范围内有比它高的其他建筑物时：

        Ae=LW×10-6=50×30×10-6=0.0015

       N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.0015=0.005(幕墙属于三类防雷)。

    8.4.2 以杭州一建筑标高H=150m、L=50m、W=30m的高层建筑为类进行计算（一般民用建筑或工业建筑）

        其中杭州平均雷暴日Td=37.6，

        根据Ng=0.1×Td=0.1×37.6=3.76。

        a) 当建筑物的高度H=150m＞100m时：

   

        N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.096=0.36(N＞0.25，幕墙属于二类防雷)；

        b) 当其H=150m＞100m，同时四周在2D=2×86.6=173m范围内都有等高或比它低的其他建筑物时：

      Ae=[LW+H(L+W)+πH2/4]×10-6=[50×30+2×（50+30）+3.14×1502/4]=0.03

        N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.03=0.11(0.05＜N＜0.25，幕墙属于三类防雷)；

      c) 当其H=150＞100m，同时四周在2D=2×86.6=173米范围内都有比它高的其他建筑物时：

          Ae=LW×10-6=50×30×10-6=0.0015

        N=k×Ng×Ae=1×3.76×0.0015=0.006(幕墙属于三类防雷)。

    根据规范，建筑幕墙一类防雷很好确定，二类、三类防雷较为复杂，要想分类准确必须经过严格的计算。根据上述计算发现以杭州地区为例100m以下的一般民用建筑或工业建筑一般情况下均属于三类防雷建筑，100m以上的建筑也不都属于二类防雷建筑，要根据不同地理环境计算后再确定，切不可轻易的下结论。不同地区由于平均雷暴日Td的不同也会使防雷不同，所以幕墙设计师在做一个幕墙工程时必须要经过计算且根据项目所处的具体地理位置再在确定防雷分类。现在很多幕墙工程大部分采用的是二类防雷，实际计算发现其采用三类防雷即可。当然采用更高一级的防雷措施安全上没有什么问题，但是无形中增加了该项目的建筑成本，由此可见幕墙防雷的设计也必须要引起幕墙设计师们的足够重视。

    随着《建设工程质量管理条例》和《建设工程标准强制性条文》的颁布实施，我国的建设活动走向了规范化和法规化道路，迈进了法制化管理轨道，不仅明确了建设主体各方的质量责任、义务及刑法法律责任，而且还确立了凡涉及人民生命财产、人身健康、环境质量和其他公众利益的必须要严格执行相应的强制性标准条文，为参与建设活动的各方执行标准，规范质量行为，保证工程质量和建筑物的安全性及使用功能提供了法律和技术依据。建设主体各方要明确自己的职责，按建设程序办事，严格按规范设计和施工。