引言

臨沂恒豐國際廣場集購物、商務樓、商務公館、主題商業(yè)于一體,該項目地上建筑面積超過37000m2,連同地下共有5萬多m2,雄踞臨沂市城市中心區(qū),不僅高度高,電氣、電子設備密集,而且人流密度大,無論是出于大樓的使用性質、重要性,還是其發(fā)生雷電災害的后果,都應對臨沂市恒豐國際廣場大樓進行完善的防雷方案設計。

本文就結合臨沂市恒豐國際廣場大樓的工程勘察資料和國家相關標準對該大樓的外部防雷設計和內部防雷設計進行詳細介紹。

1恒豐國際廣場防雷等級的確定

根據(jù)GB50057一2010《建筑物防雷設計規(guī)范》,建筑物根據(jù)其重要性、使用性質、發(fā)生雷電事故的可能性和后果,按防雷要求分為三類。在對恒豐國際廣場大樓進行防雷方案設計前,首先需要確定大樓的防雷等級。這不僅可以提前預測出雷電對大樓可能造成的危害的程度,而且還為大樓防雷方案的設計提供了必要的依據(jù),能夠合理有效地對該大樓進行防雷設計,避免造成不必要的損失和浪費。恒豐國際廣場,雄踞臨沂市中央商務區(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,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,兩個塔樓分別長36.6m、寬19.5m,樓高22層,89.9m,地上總建筑面積37756.6m2,采用國際上流行的雙子塔式,顯示出雄偉壯觀的氣勢和簡約明快的建筑風格,成為中心商務區(qū)標志性建筑。

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

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

由于建筑物中間有個空中花園,導致整幢建筑高度不一,現(xiàn)將建筑南北兩棟樓分別標稱為A樓、B樓,中間連接部分標為C,但其擴大寬度遠小于A、B兩樓的擴大寬度,故其等效面積已經涵蓋在A、B兩樓的等效覆蓋面積內。因此,恒豐國際廣場大樓的等效面積為A、B兩樓疊加后的等效面積。

恒豐國際廣場大樓等效面積計算:

則臨沂恒豐國際廣場的年預計雷擊次數(shù)為:

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

2外部防雷設計

2.1接閃器的設計

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加裝接閃帶,采用25mm×4mm的鍍鋅扁鋼。如圖2所示,樓頂長寬為27.6m×10.5m,避雷網格尺寸為8.03mx5.25m,暗敷于樓頂?shù)幕炷羶?。A、B兩樓的構造比例相同,因此接閃帶的設計也相同。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,網格尺寸為8.7m×4m。

臨沂市恒豐國際廣場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熱鍍鋅圓鋼進行明敷并與樓頂暗敷避雷網進行焊接連接,避雷帶使用100mm高的支架進行支撐,避雷帶與支架通過焊接連接,支架間距為1m,在轉彎處支架間距設為0.5m并且轉彎處的避雷帶的轉角大于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厚度高電壓擊穿實驗研究結果的啟示,臨沂市恒豐國際廣場大樓樓頂?shù)陌捣蟊芾拙W格上部的混凝土覆蓋物的厚度設置為2cm:第三,樓頂暗敷避雷網格與樓頂壓頂鋼筋進行焊接連接,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、大樓內的鋼筋泄流入地,消散能量,另一方面當雷電流流經暗敷避雷網和壓頂鋼筋時,其電流方向是相同的,從而產生引力而不是排斥力,避免了雷擊樓頂時混凝土塊脫落和炸裂帶來的二次雷擊事故的發(fā)生。

2.2引下線的設計

恒豐國際廣場大樓為框架剪力墻結構,柱內主筋為小16mm的鍍鋅圓鋼,故每一組引下線均利用柱內兩根對角主筋進行設置,共設置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主筋處設置斷接卡,但經防雷測試斷接卡的存在并不是一件好事,因為一旦斷接卡的螺栓發(fā)生松動或斷接卡接觸面生銹,就會影響接地效果,嚴重時就會失去防雷接地的作用。考慮到這一點,恒豐國際廣場大樓通過另一根小16mm的鍍鋅圓鋼與柱內引下線主筋相焊接的方式,在距離室外地坪0.6m處設置一個接地電阻測試箱,此測試箱每棟樓各設置4處,共8處,分別在1~4號引下線處設置,具體位置如圖2所示。

2.3接地裝置的設計

接地裝置是指埋入土壤中或混凝土基礎中做散流作用的金屬導體。接地是防雷的基礎,臨沂市恒豐國際廣場大樓充分利用該建筑的地樁、地梁以及承臺和基礎作為接地裝置。該大樓水平地梁基礎由小28mm熱鍍鋅圓鋼構成,而且還在室外地坪下6m設置了198根基礎樁,樁長30m,內含由長10m的4根小32mm熱鍍鋅圓鋼構成的地樁鋼筋籠。根據(jù)下式可以計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)埋設在地面下的長度·m):K1、K2為接地體和混凝土體計算系數(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,其柱體內鋼筋體直徑為0.8m,則根據(jù)上式得:

考慮到實際的施工問題,恒豐國際廣場大樓每棟樓的接地裝置間隔性地選用其中的72根基礎樁作為接地極。在施工時,將每根樁內周圈均勻分布的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,導致了每一個接地樁發(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地樁接地體的電阻之和,而應按下式進行計算:

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)上面的計算結果可知,恒豐國際廣場大樓當僅利用該建筑的垂直地樁作為自然接地裝置時,其接地電阻值已經滿足了共用接地系統(tǒng)對接地電阻的要求,而且該大樓的樁基礎、承臺、水平地梁內的鋼筋均焊接在一起,從而形成了一個完全閉合的環(huán)形地網,所以不需要再另設置其他接地裝置。此外,該大樓所有基礎內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防側擊雷的設計

由于恒豐國際廣場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擊雷的損害。但一般的高層建筑建筑結構通常能夠耐受側擊雷的電流損害,所以不需要另設專門的接閃器,而是利用建筑物本身的鋼構架、

鋼筋體及其他金屬物即可。

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

3內部防雷設計

3.1等電位連接的設計

等電位連接一方面能夠保證建筑物內信息系統(tǒng)電氣設備、電子設備的正常工作,抑制外部干擾,另一方面能夠使防雷空間內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

大樓內的各個電源線和信號線都從大樓的地下一層進入,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接地裝置進行兩處直接連接,將所有從大樓外進入樓內的電源電纜的金屬護套、通信和網絡光纜的金屬鎧裝以及給水管道和供暖管道均在進入大樓時與MEB箱通過BV-1×25連接線進行連接。此外,進出的金屬管線在樓內外的兩端做可靠接地。

3.1.2局部等電位連接

在大樓每層內設置局部等電位連接箱(LEB箱),通過豎向接地干線連接到一起。每一層內用水平接地線連接到各房間,將房間內取暖管、分配電箱、給水管、辦公設備的金屬外殼、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)的設計

考慮到規(guī)范的要求和其他防雷接地工程的經驗,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作為接地系統(tǒng),將恒豐國際廣場大樓的消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、交流保護地、設備的直流工作地等分別單點就近利用建筑物的基礎進行接地。由于本大樓的基礎接地采用的是水平地梁與垂直地樁,經過理論計算接地電阻小于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備的專用接地線采用BV-1x6,凡正常不帶電,當絕緣破壞有可能呈現(xiàn)電壓的一切電氣設備金屬外殼、金屬管均采取保護接地并與PE線可靠連接。當燈具距地高度小于2.4m時,燈具的可接近裸露導體進行可靠接地:此外,在安防值班室內的地面敷設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的銅帶繞機房四周一圈設置成接地母排,并且與基礎地網相連接(圖5)。所有強、弱電豎井內皆垂直敷設一根、水平敷設一圈40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼,水平與垂直接地扁鋼均焊接連接到基礎接地網上:從配電間至強電豎井內的橋架上敷設一根40mm×4mm熱鍍鋅扁鋼,將配電間接地與強電豎井內接地相連接。

3.3SPD的設計

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算機、電子設備及火災報警等控制系統(tǒng),而變壓器、UPS等設施不能消除雷電過電壓,因此,根據(jù)恒豐國際廣場大樓電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質可確定其雷電防護等級為C級,設置三到四級的SPD進行防雷保護,從而將過電壓降到設備所能承受的水平。SPD的分配布置情況如圖6所示。

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

3.3.2監(jiān)控SPD

恒豐國際廣場大樓的監(jiān)控攝像機除一樓出口處位于樓外,其余均位于樓內。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、鏡頭、云臺、防護罩、支架等組成;傳輸部分,使用同軸電纜、電線、多芯線沿墻敷設;終端部分,主要由畫面分割器、監(jiān)視器、控制設備等組成。攝像機由監(jiān)控系統(tǒng)內的直流變壓器供電,電壓為DC24V。

大樓的監(jiān)控前端設備安裝在樓內或一樓出口處一般不會遭受直接雷擊,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電涌保護器,用于矩陣線路的防雷保護,該浪涌保護器電壓保護水平應為24V,最大傳輸速率為10Mb/S,插入損耗小于0.3dB。

對于通過線纜和前端設備連接的視頻端口及控制線安裝相應浪涌保護器。

大樓以后若更新為高清攝像機,則浪涌保護器也需升級為相應的網絡信號防雷器。

3.3.3信號SPD

在樓內用于計算機和其他設備間數(shù)據(jù)互聯(lián),交換機、DDN設備數(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,電壓保護水平為24V,插入損耗小于0.5dB,傳輸速率10Mb/S。在大樓以太網及IP電話的前端加裝RJ11/RJ45浪涌保護器,SPD的標稱放電電流為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

電源浪涌保護器采用35mm2的標準導軌與空氣開關一起安裝于配電箱柜內;當?shù)谝患塖PD與第二級SPD線距小于10m或第二級SPD與第三級SPD之間的線距小于5m時,在兩級SPD之間安裝退耦電感或電阻;電源的第一級SPD安裝線纜相線大于6mm2,地線大于10mm2;第二級SPD安裝線纜相線大于4mm2,地線大于6mm2;第三級SPD安裝線纜相線大于2.5mm2,地線大于4mm2;信號SPD地線采用4mm2線纜。

SPD接至等電位連接板的接地導線要短而直,長度不超過0.5m,SPD與被保護設備之間采用無回路或小回路方式安裝,輸入、輸出線嚴格分開布設。

4結語

本文根據(jù)臨沂市恒豐國際廣場大樓的特點,依據(jù)國家相關標準和規(guī)范,綜合運用了接閃、分流、均壓、屏蔽、接地等措施,從內部防雷和外部防雷兩個方面對臨沂市恒豐國際廣場大樓進行了防雷保護設計。通過該防雷方案的設計,能夠實現(xiàn)對臨沂市恒豐國際廣場大樓較完善的防雷保護,保證大樓內電氣設備的正常運行,保障樓內工作人員的生命安全和財產安全不受雷電災害的損害,從而能夠為臨沂市的城市化進程作出應有的貢獻,促進臨沂市的經濟和諧、迅速、持久增長。