浅谈大型商场的防雷接地设计

周 昀

(上海益商仓储服务有限公司, 上海 200233)

0 引 言

结合多个多个大型商场项目的设计工程实践,对一些设计中需要注意或者现场施工及实际运维反馈的问题,浅谈对防雷接地设计节点的理解。

1 不规整形状建筑物防雷分类确定

常规建筑物防雷设计参照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录A确定其年预计雷击次数,通过雷击次数及建筑物分类来确定建筑物的防雷分类,即

N=kNgAe

(1)

式中:k——系数;

Ng——年预计雷击次数,主要依据于建筑物所处地区的年平均雷击密度;

Ae——建筑物的等效面积,受建筑的长宽高等参数影响。

实际工程中,建筑造型并不是规整的长方形,会有主楼和塔楼组合模式的存在。这种情况下,建筑物的等效面积如何计算,不是长乘以宽即可。不规整造型建筑物的长和宽不是固定数值,高低楼的组合不是一个高度。下面以某个大型商场的实际设计案例作分析计算。

该工程位于贵州省贵阳市,是一栋地上四层、地下一层建筑,建筑高约24 m,总建筑面积约6.2万m2,为多层商用建筑,建筑物布置图如图1所示。

图1 建筑物布置图

常规设计时,参照公式(1),建筑物等效面积近似按长L=113 m,宽W=137 m,高H=25 m计算得出:

H)]×10-6=[40×30+2(40+30)

10-6=0.014 9

取k=1,Ng=3.32,得N=k×Ng×Ae=1×3.32×0.014 9=0.049,属于第三类防雷建筑物。

推导自“建筑物电子信息系统防雷技术规范"[4]第5.4.3条文说明中的感应电压降及有效电压。

这种计算方法适用于方案设计时,对建筑物定性作初步判断,但实际如按规范要求,需要进行精确计算。即GB 50057—2010附录A.0.3的第7条:当建筑物部位的高不同时,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。

建筑物等效面积划分图如图2所示。图2中,连续线条的斜线阴影部分为18 m,高度主楼的建筑物等效面积,横断线的斜线阴影部分为25 m,高度塔楼的建筑物等效面积。单从主楼或者塔楼来计算建筑物等效面积,并不能真正反映实际的大小,随着高度差的变化,阴影部分面积变化会更为差异。由绘图软件可快速得出图中面积叠合后的数据Ae=0.058 2,参照式(1):

图2 建筑物等效面积划分图

划分为二类防雷建筑物。

2 接闪带设计

2.1 屋面接闪带

商场屋面采用柔性屋面防水,即合成高分子防水卷材或SBS自粘防水卷材。为避免在屋面施工时,涉及动火等工序操作,造成二次影响破坏。如接闪带的支座采用传统的混凝土墩子,改为采用成品接闪带,通过卡扣式设计来连接接闪带和支座。同样,对于接闪带的连接,改为采用夹接式连接,而非传统的焊接固定方式,夹接式连接节点及局部紧贴地面式接闪带如图3所示。如图3(a)所示,这种安装方式避免了焊接连接的动火工作及暴露在室外时的金属腐蚀等影响。

图3 夹接式连接节点及局部紧贴地面式接闪带

常规设计屋面,按二类防雷建筑物设计时,设置接闪带网格不大于10 m×10 m。但是商场屋面有机电设备(诸如暖通空调、风机等)。为便于运维管理,建筑屋面有设置检修通道,便于检修人员进出。此时,接闪带需要在经过检修通道时,改为紧贴地面,而不是常规的高出地面150 mm的安装方式,如图3(b)所示。

2.2 女儿墙接闪带

接闪带在屋面周边一圈女儿墙时,常规固定方式为固定在女儿墙上,而商场项目为了外立面美观等考虑,外墙会采用彩钢板外包,外包边会在女儿墙处包边固定。如果接闪带直接落地固定在女儿墙上,必然会要对包边的彩钢板打孔,才能固定在彩钢板下层的女儿墙上。而彩钢板打孔,即使采用卷纸建筑防水胶封堵,长期使用后效果并不理想,又会带来二次的墙屋面漏水,使得美观效果大打折扣。针对这种情况,采用在女儿墙侧边固定的方式,避开女儿墙顶部的外包彩钢板,利用接闪带本身的钢构件韧性形成一个U形支撑,现场多个项目实践证明,该方式良好可行。

2.3 屋面暗敷接闪带

对于像商场屋面的设备平台或者非主立面侧的架空卸货平台等的混凝土平台。当采用明敷接闪带时,不便于人员及车辆进出。参照GB 50057—2010第4.3.5、4.4.5、5.2.8、5.2.9条,利用混凝土内构件钢筋(需满足规范要求的直径,即截面积总和≥单根10 mm钢筋的截面积)或者专设钢材作为接闪器。由于受到混凝土的保护,可以不另外采取防腐措施,但是要求土建施工时,严格做好预埋预留工作,确保作为接闪器的钢筋和接地系统电气接通。

2.4 接闪带保护范围

对于商场非主立面侧的卸货平台或者室外消防水箱、柴油发电机组,常规是需要设置防雷接地保护的,但是如果贴邻高大建筑或者相距不远,可以通过滚球法计算接闪带的保护半径,确定是否处于相邻高大建筑的接闪带保护范围内。参照GB 50057—2010附录D,通过被保护物的高度hx、接闪带高度h、滚球半径hr(由建筑物防雷类别确定)等参数计算得出。在hx高度时,被保护物是否处于保护半径rx的范围内,即

(2)

2.5 接闪带高度

有些商场建筑高度较低(例如11～12 m),当顾客从往商场方向行进时,接闪带高度如果过高,会使顾客视线中注意到女儿墙上方的一长条接闪带及其支架,影响美观。

接闪带的作用是用于保护屋面及周边行人和设备,通过式(2)得知,在满足保护范围前提下,接闪带高度可以尽量降低。参照JGJ/T 16—1992《民用建筑电气设计标准》第11.6.5条,接闪带高度至少150 mm。

当建筑设计有彩钢板外立面时,通常女儿墙处会有彩钢板外立面的包边,即盖板。参照GB 50057—2010第5.2.7(截面要求)、5.2.8条及表5.2.1(厚度要求),屋顶上永久性金属物,即女儿墙上的金属盖板可以作为接闪带使用,但要求各金属部件之间连成电气贯通。该做法兼顾了防雷接地的技术要求及建筑外立面的美观。

3 金属栏杆接地

架空卸货平台会有一段坡道通向地面,坡道及平台会有周边一圈或者两侧的金属栏杆。可以利用金属栏杆作为接闪带,无需另行设置接闪带。但是对于金属栏杆,需要和平台及坡道的接地系统相连,即两侧的柱顶预留钢筋,通过一段圆钢L形搭接至栏杆。可以参考第二类防雷建筑物要求的18 m引下线间距,去设置栏杆的接地跨接间距。也可以要求每一跨距柱顶钢筋均预留钢筋头用于接地(常规柱跨间距10～12 m)。从成本及施工角度,也不会有过多的额外费用增加。

4 柴油发电机油箱接地

大型商场为满足一二级负荷和消防负荷需求,会设置柴油发电机作为备用电源。柴油发电机需要配置单独油箱作为满足其连续供电可靠的保障。油箱本身作为一个容器,需要有放空管口及呼吸阀,保证油箱处于一定压力范围内,避免超压或者失稳。放空口和呼吸阀通过放空管直接通向室外。基于柴油的丙类液体特性,参照设计图集“柴油发电机组设计与安装”,放空口处设置阻火器,且利用放空管本体(厚度≥4 mm)作为接闪器。

5 室外设备电涌保护器(SPD)设置

南通某大型商场项目为二层建筑,出于对商业空间的利用,变电所被放置于二层设备区。同步配套的柴油发电机,因其运行时噪音及荷载等因素,将其放置于室外绿地,并采取集装箱式柴油发电机组。室外设备的防雷保护,在前面已讨论过,可以通过进行滚球法计算,是否落于相邻建筑物的接闪带保护范围内。但因室外柴发需与变电所低压柜组相连,其SPD设置及选型值得讨论。

参照GB 50057—2010第4.3.8.6条:低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的SPD。室外柴发连接的室内第一个低压柜设置Ⅰ级SPD,即双电源切换开关处。第4.3.8.5条:当Yyn0型或Dyn11型接线的配电变压器设在本建筑物内或附设于外墙处时,应在变压器高压侧装设避雷器;在低压侧的配电屏上,当有线路引出本建筑物至其他有独自敷设接地装置的配电装置时,应在母线上装设Ⅰ级试验的SPD。变压器上端的高压压变柜及低压总开关柜分别设置Ⅰ、Ⅱ级试验SPD。

常规变电所设计,变压器后是主开关柜,中间相隔低压柜,配置双电源切换开关柜。主开关柜和双电源切换开关柜的距离,视变压器规模及所配置低压柜数量,一般间隔5～10 m不等。根据JGJ/T 16—1992第11.9.4条和GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.3.6条中都提到:当电压开关型SPD至限压型SPD之间的线路长度小于10 m、限压型SPD之间的线路长度小于5 m时,在两级SPD之间应加装退耦装置。当SPD具有能量自动配合功能时SPD之间的线路长度不受限制。

针对规范中所述,采取措施如下应对方式:

(1) 增加级间距离:双电源切换开关柜尽可能地后置,把和主开关柜之间距离拉大。其主要原理是通过增加SPD之间线路的长度(感抗),使得流入下端SPD的电流变小,实现上下级保护的动作性。

(2) 增加退耦装置:当变电所空间没有条件,或者增加长度距离会使造价成本上升时,可以通过增加SPD配套的退耦,上下级配合SPD模型如图4所示。

图4 上下级配合SPD模型

其主要工作原理是:当入侵雷电流、电压增加至上端SPD的压敏电压,上端SPD触发工作,同时后端线路中的退耦电感存在,使得雷电流延迟响应。当雷电流持续增大,流经上端SPD的残压随着电流增加而增加,此时下端SPD两端电压相应增加,直至触发下端SPD压敏电压并工作导通。

退耦电感值L的选择为

L≥(U1-U2)/(di/dt)

(3)

式中:U1——上级SPD的残压值;

U2——下级SPD的残压值;

di/dt——退耦元件电感值。

公式推导自GB 50343—2012第5.4.3条文说明中的感应电压降及有效电压保护水平公式。实际设计时,为避免出现磁饱和现象,电感值选取可以相较计算值偏大一些。

磁饱和现象是退耦元件作为磁性材料的物理特性。当通过的电流增加时,退耦元件磁场强度增加。当通过的电流上升到一定值时,退耦元件磁场强度不再增加,出现滞涨现象,即式(3)中的L(di/dt)。故出于安全可靠考虑,退耦元件选取稍大一点。

规范中对于距离限制是基于SPD的能量配合保护,与选择性断路器的上下级保护有异曲同工之妙,起到分级保护,不越级动作,提高可靠性。

6 改造项目利用柱内钢筋作为接地引下线

既有建筑如没有预留室内接地端子或者新增与原有预留的距离较远时,需要新增等电位接地端子板。GB 50057—2010第4.3.5、4.4.4、5.3.3条中要求:作为引下线的钢筋截面积总和不应小于一根直径10 mm钢筋的截面积。钢柱作为导电良好体,仅需局部去除保护层后,通过焊接端板作为接地端子板接口。混凝土柱需要用到柱内钢筋作为接地引下线时,施工会有柱内钢筋该如何引取的思考。

混凝土柱内钢筋绑扎三维示意图如图5所示。由GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》表3.5.2、表8.2.1可知,室内混凝土柱的混凝土保护层为15 mm(室内干燥环境)、20 mm(室内潮湿环境),另混凝土强度不大于C25时该数值增加5 mm。混凝土保护层指柱内最外层钢筋外边缘至柱表面的距离。

图5 混凝土柱内钢筋绑扎三维示意图

综上所述,改造项目的等电位接地端子板引接柱内钢筋时,可由结构设计图中对混凝土柱所处环境类别及混凝土强度,初步判断得出混凝土保护层厚度,即需要敲开柱表面多少厚度可以引接至钢筋。结合采用电磁感应法,即钢筋探测仪,二次判断柱内保护层厚度、钢筋分布及钢筋直径。施工后,对于混凝土柱开凿部分,采用高一等级的细石混凝土或灌浆料进行细补,并恢复至原面层做法即可。

7 结构底板敷设绝缘层的基础接地

某大型商场项目位于青岛,地上九层,一层局部为地下一层,南侧靠山,北侧为平缓道路,建筑高度约45 m,总建筑面积约9.67万m2。各专业图纸内部会签时,建筑及结构专业反馈青岛地下水位较高,为避免地下水对混凝土的腐蚀,建筑底板采取满铺柔性防水层,且防水材料具有绝缘性,柔性防水层现场施工图如图6所示。

图6 柔性防水层现场施工图

依据GB 50057—2010第4.3.5条,该项目接地优先采用结构基础接地。为避免柔性绝缘防水层对基础接地的影响,初步考虑在基础下方额外增加人工接地体。参照15D503《防雷与接地》,对于防水层下方混凝土垫层内的人工接地体做法,按如下步骤设计:

(1) 确定地下工程的防水等级,该条依据建筑专业的定性等级,地下工程的防水等级如表1所示。

表1 地下工程的防水等级

(2) 如非一级防水等级,可采取普通做法。即采取接地导体连接线从室外绕过防水层,或接地导体连接线穿越时采用沥青密封等措施,如图7所示。

图7 穿越防水层做法一

(3) 如为一级防水等级,则在接地导体连接线穿过防水层增加沥青密封加钢板的组合措施,如图8所示。

图8 穿越防水层做法二

以上方案施工可行,但存在费用较大,且穿过防水层处的密封效果不佳等隐患问题。结合建筑、结构专业图纸,为应对地下水位影响,结构专业采用天然地基加锚杆抗浮桩形式。结构基础底侧设置抗浮锚杆(三根直径25的钢筋),外部有混凝土全部包裹,埋地深度3 m,抗浮锚杆剖面图如图9所示、抗浮锚杆布置图如图10所示。

图9 抗浮锚杆剖面图

图10 抗浮锚杆布置图

考虑到抗浮锚杆布置在整个基础底板60%以上面积的下方,上端钢筋端头可以和基础底板内钢筋相连,并通过抗浮锚杆来作为人工接地体。故决定采用如下应对措施:

(1) 基础接地采用抗浮锚杆和结构基础内多根主筋(四根以上直径不小于10 mm)电气连通;

(2) 在建筑一层外侧一圈的柱上设置接地预埋板,预埋板需通过2根直径10 mm的圆钢与柱内钢筋电气连通。柱上预埋板设置要求为:室外距地0.5 m接地电阻测试盒及室外地坪下0.8～1 m处焊出一根直径16的热镀锌圆钢或-40×4热镀锌扁钢。预留接地线伸向室外1～1.5 m,为实测接地电阻达不到要求时,增补人工接地体用。

(3) 在建筑北侧增设与建筑通长的室外埋地水平接地干线,并与柱内钢筋相连。

上述措施现场施工后,结合现场反馈,联合接地电阻实测小于1 Ω,并通过当地相关部门验收。实践证明利用抗浮锚杆桩方案具有一定可实施性。

8 结 语

不同项目的防雷接地设计节点需要结合实际情况,值得深入探讨。从安全、可靠、合理的角度出发,满足图集、规范要求,将设计工作做得更好。