钢构人福利——钢结构厂房防雷设计

近几年，由于轻钢结构建筑物造型美观大方、建设周期短、工程造价低等优点，因而广泛应用与各类工业厂房、仓库、体育馆等场所。而金属板屋面容易遭受雷击，与普通砖混结构、框架结构建筑物的防雷设计有所不同。结合一钢结构车间的防雷设计，针对金属屋面防雷设计的相关问题做出粗浅的探讨，为以后有效地解决金属屋面的防雷问题提供参考。

工程概况

河南的一个钢结构厂房，其中的熔铸车间主要负责加工铝线杆及铝锭产品。整个建筑采用轻钢结构，该建筑实际尺寸为长方形，L=182m，W=93m，H=18.5m（地坪至屋顶通风器底部）。按郑州雷暴日计算，查《工业与民用配电设计手册》（第二版）表16-32为年平均雷暴日为22.0d/a，由于该车间位于厂区内，周围还有很多建筑群，并不为孤立建筑，故按一般建筑计算，校正系数取1。

建筑物防雷等级的确定

据GB50057-94中附1.2，根据已知条件计算年雷击大地的平均密度：

Ng =0.024Td1.3

=0.024×221.3

=1.334次/（km2.a）

据GB50057-94中附1.4式，得出与建筑物截收相同雷击次数的等效面积：

最后得建筑物年预计雷击次数：

N=KNgAe

=1×1.334×0.05934

=0.0791次/a

式中：Td—年平均雷暴日（d/a）；

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（m2）；

L、W、H—分别为建筑物的长、宽、高（m）；

据GB50057-94第2.0.4条第三条预计雷击次数0.3次/ a≥N≥0.06次/a，故按第三类防雷设。

接闪器

根据轻钢结构的建筑物，采用避雷针显的笨重，与整个建筑外观不相协调，而采用金属屋面做接闪器，需满足《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94,2000版）第4.1.4条给出的四个要求。

针对规范要求“金属板下面无易燃物品时，其厚度不应小于0.5mm”。本车间主厂房围护结构（屋面）采用热浸镀铝锌钢板，基板厚度为0.53mm（含镀铝锌层），屋面板下加设玻璃棉垫75mm厚，用铝箔包裹，用φ1.5不绣钢丝网层托与檩条上缘部位。玻璃丝棉属于A级建筑材料，导热系数为小、阻燃、无毒、化学性能稳定，完全满足规范不易燃烧的要求。同时据土建专业介绍，轻钢结构建筑物的围护系统连接方式施工中采用咬合与搭接，塔接长度至少要达到一个波峰或波谷，超过100m是完全满足规范要求的。

另外，第4.1.4条提到的“金属板无绝缘被覆层”，屋面采用的热浸镀铝锌钢板为良好的导体，而表面涂的薄油漆保护层按规范注释说明也不算是绝缘被覆层，所以满足规范要求。 综上所述，在该工程中，屋顶轻钢结构的金属面板可以做为接闪器，不仅美观大方，工程造价有所降低，安装起来方便，而且也不影响整个建筑物效果。 做好金属板屋面防雷系统的设计，除了要选择好防雷形式，选用一个好的接闪器，还要做好引下线及接地工作。

引下线

对于轻钢结构建筑物，彩色压型板的种类很多，分为单板和复合型板，本车间采用复合板。施工中我们要求土建专业与电气专业配合，保证屋顶金属压型板、屋架、檩条与钢柱可靠连接，于是施工中均利用钢柱做为引下线。建筑物的消防梯、钢柱等金属构建宜作为引下线。

接地装置

目前设计中，我们往往利用基础钢筋作为自然接地体，用40X4的镀锌扁钢将其联通，并实施总的等电位联结。在此次设计中，我们并没有严格要求用40X4的镀锌扁钢，而是利用钢柱间条形基础与钢柱独立基础可靠焊接形成电气通路。对于轻钢结构的建筑物，钢柱独立基础施工时要土建预埋地脚螺栓，这样当钢柱就位时将地脚螺栓、螺母和钢柱连接在一起。要求注意的是地脚螺栓和钢柱基础钢筋在地下是不相连的！所以，电气设计人员要要求土建专业在设计说明中注明施工中用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接，并在焊接处做防腐处理，以便接地用。这样从屋顶到钢柱、再到基础形成可靠连接，保证雷电流具备完整的泄放通道。

此外，不要忘了在室外适当位置预留接地连接板，防止施工中当接地电阻达不到要求时，方便施工单位连接人工接地装置和测试接地电阻。

结束语

金属屋面建筑物防雷是个较难处理的工程，但在此类建筑中，只要厚度达到0.5mm的轻钢结构建筑物的屋面夹芯板（或压型钢板）可以作为接闪器，利用钢柱做引下线，基础钢筋做自然接地体并通过镀锌扁钢或地圈梁可靠联结并做等电位连接。

★ 钢结构防雷知识问答

问：利用型钢作为防雷引下线，型钢裸露，这样如果建筑物落雷的时候，雷电流会不会对周围的设备或人反击，造成伤害。如何避免？

答：利用型钢作为防雷引下线，当雷电流通过引下线时周边产生的运动变化磁场，必然污染附近的电子设备，在周边导电体上感应出不同的电位，如果室内人员同时触摸具备很高电位差的导电体时，就造成人身安全事故了。

解决方法：

1） 人身安全：在人能够触摸到的一切与大地有直接联系和间接联系的金属导电体直接实施以消灭电位差为目的的等电位电气连接，最大限度的保护人身安全。

2） 依据GB50057、GB50343等等国家标准对设备及微电子设备实施SPD保护。

反击的概念：所谓雷电反击现象是雷电袭击接闪器[包括各种型钢]，引下线将雷电高电压改变成电流的形式泄放到大地，到大地后是以电荷的形式出现建筑物主接地系统上，[大地是可以平衡出50万库伦负电荷的零电位体----现代物理学的基本奠基标定值]地下的电荷此时打破了一个大地电位系统平衡点，但是土壤具备电阻、电容等诸多参数，不可能马上出现相反等量电荷与其中和[需要一定时间]，此时雷电流产生的电荷大部分以电压的形式表现在建筑物附近的地面上，此时建筑物附近地下有：暖气管、煤气管、自来水管、设备接地线、中型点接地等等与建筑物内部有联系的导电体，这些导电体之间在地下有一定的距离，由于地表具备较高的电位[最高电位点为主接地极附近]，距离差产生电位差，这个电位差便反击到建筑物内，造成事故----这就是雷电高压反击现象。

假设1：反击时如果某人左手触摸自来水管道，右手触摸电子设备外壳，则电位差超过一定安全限度，就出现人身安全事故。

假设2：如果电子设备外壳独立接地，电子设备中线接地与外壳接地之间[在地下存在接地距离]这个反击电位差将与火线220/380产生电位差，如果电位差较大将烧毁设备。

问：钢结构建筑，利用裸露的型钢作为引下线，就算做了全面的等电位，但是落雷的时候，强大的雷电流，难道不会把周围的空气击穿？对引下线附近或接触引下线的人造成伤害？这个问题我一直非常担心。

答：落雷的时候，强大的雷电流可以沿着引下线向大地传送电位，但是一定要知道引下线是有电感的，这个电感的大小在一定的时候可以阻拦雷电流的正常下泄，从而寄存电位，这个电位在一定大时将与某个小电位之间产生足够击穿一定距离空气或其它介质而发生放电现象。有标准称也发生侧闪现象。

这一点一定要计算一下引下线电感。另外一种现象，引下线上快速运动雷电流必然产生运动磁场，这个运动磁场提供了可以切割磁力线产生过电压的基本条件，切割磁力线产生的过电压同样可以击穿空气、击穿电器介质[包括半导体介质]、击穿一切可以提供电位差的直接、间接导电体[半导体]，影响我们的工作和生活。据悉天津某某工厂[在汉沽地区]发生某女工上班时开启电源空气开关，造成电源线上产生的过电压击穿塑料开关外壳进入手掌再通过身体与大地短路死亡事故。湖南某村庄某居民在室内发生灯泡电源线上具备了雷电电磁脉冲感应过电压击穿空气与人头顶形成通路[回路]死亡现象。引下线附近或接触引下线的人造成伤害原因是人体的某两个部分是否产生电位差，这个电位差是他致命的要素。比如我们一只手触模引下线，另外一只手触模暖气管，暖气管接地点假设远离建筑物主地网，那么距离差产生电位差，当这个电位差达到一定数值时就可以造成人员伤亡。不要老是考虑人身安全电压还要考虑人身安全电流。不知道我的建议是否对你有帮助。

问：是否可以得出这样的结论：空旷地区的大面积厂房（50米X80米），屋面是铁皮，用裸型钢作柱子兼防雷引下线是相当危险的？

答：非常危险,你考虑跨步电压啊!整体考虑吧,要因地制宜的学习和利用标准,不要太单一考虑费用,人命关天啊!

问：还想请教一个问题，既然落雷时距离引下线越近的地方感应磁场越大，那么通信设备，消防主机，配电箱是否都应尽量避开引下线？

答：如果你有条件,一定远离!如果1个10/350--100KA[好象是200KA记不清了]的83米半径的裸露条件下,可以达到2.4GS的干扰电磁脉冲强度,2.4GS可以使无保护的微电子设备达到永久性损坏.

问：我手头正在进行一个钢结构厂房的施工，因为设计单位没有考虑防雷，我需要重新考虑补救措施。此钢结构厂房高35米，长宽为9*17米，全钢结构，屋面及墙壁采用0.5mm的双层彩钢瓦覆盖（内夹不可燃的保温棉)，三类防雷结构。我准备采取的措施是：

1.因为所有钢柱基础已被混凝土覆盖，无法检查其钢筋捆扎与焊接质量，所以我用40*4mm的镀锌扁钢将所有钢柱的最下端（靠近基础部位）连接，并与全厂接地网相连；

2.考虑到屋面彩钢瓦作接闪器的操作难度与可靠性，我将在屋顶使用10mm的圆钢安装一条环屋顶四周的避雷带，圆钢与钢柱焊接；

3.利用钢柱作引下线。请问我还该怎样完善其防雷措施？

答：1. 补救是可以但是要多点接地焊接啊1如果有条件可以在上端也进行电气连接这样安全!在裸露地方测地阻,原则上处处相等就可以,但是这只是一种补救啊!

2. 屋面彩钢瓦应该多点与钢珠进行电气连接,多块金属瓦之间也要电气连接避免电弧产生.

3. 接地电阻小于4欧姆,所有钢梁\钢拄接地电阻处处相等主接地系统要参照GB50057要求!

（金属幕墙板，彩钢岩棉夹芯板，聚氨酯彩钢板，聚氨酯夹芯板，聚氨酯墙面板，聚氨酯屋面板，聚氨酯岩棉夹芯板，聚氨酯玻璃丝棉板，聚氨酯封边岩棉夹芯板，聚氨酯封边玻璃丝棉板，聚氨酯板，聚氨酯PU板

本文选自河南千万间新型建筑材料有限公司，侵删）