楊 曉 東

(江蘇筑森建筑設計有限公司, 江蘇 常州 213000)

屋面露天場所的直接雷擊防護

楊 曉 東

(江蘇筑森建筑設計有限公司, 江蘇 常州 213000)

設置在屋面的露天活動場所,即使按照規(guī)范要求已設置接閃器,但依據(jù)滾球法和雷閃數(shù)學模型的原理,屋面人員仍可能直接遭受雷擊而產生傷亡。針對此情況,進行了風險評估的計算分析。依據(jù)計算結果,采用風險管理的方法提出相應的防護措施,以降低雷擊的傷害。

屋面露天場所; 直接雷擊; 接閃器保護范圍; 風險管理

0 引 言

由于城市用地緊張及成本上升,越來越多的建筑開始開發(fā)屋頂,作為停車場、運動場或用于經營活動。屋面人員在這樣的屋面露天場所長時間活動,有可能遭受直接雷擊而造成傷亡,所以須加以適當?shù)姆雷o。

1 規(guī)范對屋面露天場所的相關要求

JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》中第11.5.5條要求:屋面露天汽車停車場應采用避雷針、架空避雷線(網)作接閃器,且應使屋面車輛和人員處于接閃器保護范圍內。該條文僅針對屋面的露天汽車停車場。

2 接閃器保護范圍的含義

接閃器的保護范圍可采用網格法和滾球法來確定。上述場所中,由于使用需要或美觀要求,很多情況下不采用架空接閃帶(線)作接閃器,而只會設置不定數(shù)量和形狀的接閃桿、接閃帶或金屬構件,此時一般采用滾球法。

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》第5.2.12條規(guī)定:用許多防雷導體(通常是垂直和水平導體)蓋住需要防雷的空間,即用一定半徑的球體滾過上述防雷導體時不會觸及需要防雷的空間,通常被稱為滾球法。滾球法基于雷閃數(shù)學模型(電氣—幾何模型),其關系式為

(1)

式中:hr——雷閃的最后閃絡距離(擊距),即滾球半徑,m;

I——得到保護的最小雷電流幅值,kA。

當雷電流≥I時,閃電將擊于接閃器,即被接閃器截收;當雷電流

3 屋面人員直接遭受雷擊的情況分析

即使按GB 50057—2010規(guī)定的滾球半徑來設置接閃器,保護范圍覆蓋了整個建筑(包括屋面),也還是有部分閃電會穿過接閃器。這部分閃電的電流幅值較小,擊中建筑物后對結構主體和建筑物內的人、物產生的危害較小,造成損失的概率較低。所以,發(fā)生這種情況的風險往往是可以承受的。

但是,對于暴露于屋面露天場所的人員,這部分閃電穿過接閃器的攔截后,就可能直接擊中人體。雖然其電流幅值屬于閃電中較小的,但人體已不能承受(與45 m滾球半徑對應的雷電流幅值為10 kA)。一旦被擊中,就可能受傷甚至死亡。

所以,有必要對屋面露天場所的人員直接遭受雷擊的風險進行評估,即使人員都在接閃器的保護范圍內。

4 常用雷擊風險評估方法

風險評估是指為了衡量風險而對特定風險做評價與估算的過程。風險管理依據(jù)風險評估的結果,結合各種技術、經濟、社會及其他有關因素對風險進行管理決策,并采取相應控制措施的過程。

按雷擊點的不同位置,雷擊造成損害的原因分為以下四種。S1:雷擊建筑物;S2:雷擊建筑物附近;S3:雷擊服務設施;S4:雷擊服務設施附近。

雷擊引起的基本損害類型分為以下三種。D1:人畜傷害;D2:物理損害;D3:電氣和電子系統(tǒng)故障。

雷擊引起的損失類型分為以下四種。L1:人身傷亡損失;L2:公眾服務損失;L3:文化遺產損失;L4:經濟損失。

建筑物各類損失風險需考慮的各種風險分量如表1所示。

表1 建筑物各類損失風險需考慮的各種風險分量

各種風險分量都分別有計算方法,以RA1為例:

RA1=NDPALA

(2)

式中:RA1——雷擊建筑物造成的損失概率;

ND——雷擊建筑物年均危險事件次數(shù);

PA——雷擊建筑物造成人畜傷害的概率;

LA——人畜傷害的損失率。

人身傷亡損失風險R1=RA1+RB1+RC1+RM1+RU1+RV1+RW1+RZ1,標準容許的人身傷亡損失概率RT=10-5/a。在雷擊風險管理中,如果R1≤RT,則無需增加防護措施;如果R1>RT,則還需增加適當?shù)姆雷o措施來降低R1。

5 屋面人員直接遭受雷擊的風險評估方法

根據(jù)屋面人員直接遭受雷擊的具體狀況,對計算方法進行調整,對雷擊風險評估采用的參數(shù)進行重新定義和取值。

RF=NDPALA

(3)

式中:RF——雷擊屋面活動空間造成人員傷亡損失的概率;

ND——雷擊屋面活動空間年均危險事件次數(shù);

PA——雷擊屋面活動空間造成人員傷害的概率;

LA——人員傷害的損失率。

RF與RA1的區(qū)別如下:

(1)RA1為雷擊建筑物造成的損失概率,RF為雷擊屋面活動空間造成的損失概率,兩者計算的雷擊部位不同。

(2)RA1為雷擊建筑物后因危險的接觸電壓和跨步電壓導致的損失概率,RF為屋面活動空間內的人員直接遭受雷擊造成的損失概率,兩者計算的損失原因不同。

RF、RA1和其他風險分量一起計入R1,再與標準容許的人身傷亡損失概率RT進行比較,以此決定是否還需增加防護措施。

需注意,由于屋面人員可接近防雷裝置(或直接接觸),容易因接觸電壓和跨步電壓而遭受電擊,計算RA1時要做相應調整,或有針對性地增加保護措施,如對引下線做遮攔或絕緣處理、對地面加電位均衡措施等。

6 ND計算方法

ND=NGADCD/106

(4)

NG=0.1TD

AD=LW+6H(L+W)+9πH2

式中:NG——每年每平方公里雷擊大地的次數(shù);

AD——雷擊截收面積;

TD——當?shù)氐哪昶骄妆┤?取35.7;

CD——建筑物的位置因子;

L、W——建筑物屋面的長度、寬度;

H——建筑物屋面的高度加2.5 m。

所需計算的活動空間是屋面至其上方2.5 m的高度(2.5 m為人體垂直伸展手掌時,人體站立的地方距人體手指尖的高度)。

屋面用來作為活動場所后,一般會把接閃器架高來對人員進行防護。如果周邊接閃器的高度超過屋面2.5 m,則建筑屋面投影以外的雷擊將全部被接閃器截收,不會擊中屋面活動空間,此時雷擊截收面積只考慮建筑屋面投影面積,即AD=LW。

CD按GB/T 21714.2—2008的表A.2取值。當屋面周邊接閃器的高度超過屋面2.5 m時,不再受周圍建筑物或樹木的影響,CD取1。

7 PA計算方法

PA=PTPF

(5)

式中:PT——雷擊屋面活動空間造成人員傷害的概率,無保護措施時取1,采取一些保護措施后可降低此概率;

PF分兩種情況:

(1) 接閃器安裝位置低于或等于活動空間上沿(屋面上方2.5 m)時,活動空間得不到任何保護,PF取1。

(2) 接閃器安裝位置高于活動空間上沿(屋面上方2.5 m)時,不同位置(距接閃器的距離不同)的閃電穿過接閃器的概率不同。所以,PF為對屋面各點分別計算后得到的平均概率。

8 LA計算方法

LA=LT(nz/nt)tz/8 760

(6)

式中:LT——閃電擊中屋面活動空間導致人員傷害的損失概率,按不同類型取值,運動場取1,停車場取0.1;

nz/nt——屋面活動空間內人數(shù)占整個屋面人數(shù)的比例,取1;

tz——每年人們在屋面活動空間內存在的時間,h。

關于tz,本文學校運動場取1 800(9 h/d×200 d/a),商業(yè)配套的停車場取3 650(10 h/d×365 d/a)。

9 按雷電流幅值計算雷電發(fā)生概率

對于雷電流幅值與雷電發(fā)生概率的函數(shù)關系,IEC 62305-2:2010給出了部分數(shù)據(jù)。大于某電流值的雷電發(fā)生概率如表2所示。用1減去表2中的概率值,就是小于某電流值的雷電發(fā)生概率,如表3所示。

本文的計算采用表3的數(shù)據(jù)進行插值,得到雷電發(fā)生概率對雷電流幅值的連續(xù)函數(shù)。

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表2 大于某電流值的雷電發(fā)生概率

表3 小于某電流值的雷電發(fā)生概率

10 屋面雷電發(fā)生平均概率PF的計算

根據(jù)滾球法原理,當滾球半徑為r,接閃器位置比所要保護的平面高出h時,可推得接閃器在該平面上能保護的最遠距離為

d=[r2-(r-h)2]0.5=[h(2r-h)]0.5

(7)

若滾球半徑為r,接閃器與所要保護的平面上最遠點的距離為d時,就要求接閃器位置比所要保護的平面高出為

h=r-(r2-d2)0.5

(8)

若接閃器位置比所要保護的平面高出h,接閃器與所要保護的平面上最遠點的距離為d時,對應的滾球半徑為

r=(d2+h2)/(2h)

(9)

如果接閃器已按45m滾球半徑對整個平面實施保護,根據(jù)雷閃數(shù)學模型,45m滾球半徑對應的雷電流幅值為10kA。由表3數(shù)據(jù)可知,90%的閃電被接閃器截收,其余10%的閃電(雷電流幅值<10 kA)將能穿過接閃器的攔截,擊中要保護的平面。

但上述概率只對應距接閃器最遠處(r=45 m),其他距接閃器較近處,依式(9)計算得r≤45 m,能穿過接閃器的閃電概率小于10%,須按該處的滾球半徑進行計算。

計算得各處閃電穿過接閃器的概率后,再通過積分運算就可算出整個平面上的平均概率,即風險評估需要的PF。

11 影響PF的主要因素

影響PF數(shù)值的主要因素有以下幾種:

(1) 接閃器類型。重點討論兩種,一種是兩根平行安裝在同一高度的接閃帶,另一種是四根正方形布置的等高接閃桿。其他類型和布置方式的接閃器與此類似。

(2) 接閃器的安裝間距。最大滾球半徑為45 m時,不同安裝間距下的PF值如表4所示。由表4可看出,安裝間距對PF的影響較小。

表4 不同安裝間距下的PF值

(3) 不同最大滾球半徑下的PF值如表5所示(安裝間距為10 m)。一般防雷設計時,會按某個滾球半徑(如45 m)對接閃器的保護范圍進行復核,是否能全部覆蓋,此時最不利點(距接閃器最遠)的滾球半徑最大。由表5可看出,PF受最大滾球半徑的影響較大。

表5 不同最大滾球半徑下的PF值

12 案例分析

某商業(yè)配套的屋面停車場大小為85 m×42 m×10 m(長×寬×高),已結合室外照明的燈桿裝設接閃桿,間距為8.4 m,對屋面上方2.5 m處實施保護(滾球半徑為45 m)。

ND=3.57×3 570×1/106=0.012 74

PA=1×0.016 24=0.016 24

LA=0.1×1×3 650/8 760=0.041 67

RF=0.862 1×10-5

雖然RF<1×10-5,但與其他風險分量一起計入R1后可能導致R1超標。

按滾球半徑為45 m核算保護范圍,燈桿高度只需2.9 m,如果加高到3.5 m,最大滾球半徑為18.14 m,計算得PF=0.005 085,此時RF=0.27×10-5,這為將R1控制在1×10-5以內留了余地。

某學校屋面運動場大小為90 m×19 m×15 m(長×寬×高),運動場中間無法安裝架高的接閃器,只能在屋面周邊裝設接閃帶。在女兒墻上架設圍欄,并在其上裝設接閃帶,高度為3.5 m,按滾球半徑為45 m核算,正好可保護屋面活動空間。

ND=3.57×1 710×1/106=0.006 104 7

PA=1×0.023 1=0.023 09

LA=1×1×1 800/8 760=0.205 5

RF=2.897×10-5

RF>1×10-5,但超標不多,可以想辦法將其降低。由于運動場中不能增加接閃器,圍欄高度無法再加高(已有3.5 m),前例(停車場)的方法(減小最大滾球半徑)不能采用。

可通過增加防護措施,將參數(shù)PT降低到0.1或更低,主要是采用一些管理手段,如設置警示牌、加強安全教育、專設管理人員、在多雷電的季節(jié)限制使用等,也可增加一些技術手段(如使用雷電預警系統(tǒng))。

13 結 語

要降低屋面露天場所人員直接遭受雷擊的危險,主要可通過以下三個方面的手段:

(1) 降低閃電擊中層面活動空間導致人員傷害的損失概率,在屋面上盡量只建人員少、停留時間短的場所(如停車場),少建有大量人員長時間活動的場所(如運動場)。

(2) 降低閃電穿過接閃器,擊中屋面活動空間的概率,盡可能發(fā)揮接閃器的作用,降低雷擊風險的作用,在條件允許時可提高設置標準(減小最大滾球半徑)。

(3) 降低雷擊屋面活動空間造成人員傷害的概率,采用各種手段,使人們盡量避開雷擊。

因此,在實際工程設計中,需要進行科學合理的風險評估和風險管理方法,才能有效地降低雷電的危害,保護人身安全。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設計規(guī)范[S].

[2] GB 50057—2010 建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[3] 楊偉民,李陽斌,李翠華.高層民用建筑雷擊風險評估設計思想及實例分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(5):49-52.

Direct Lightning Protection in Open Space of Building Roof

YANG Xiaodong

(Jiangsu Archi-center Architectural Design Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

According to the theory of rolling ball method and the electro-geometric model,people in open space of building roof may be injured by the direct lightning strikes,even if the lightning arrester was set up.This paper analyzed the calculating of risk evaluating.According to the calculating results,the corresponding protection measures were proposed by the risk management method in order to reduce the damage of the direct lightning strike.

open space of building roof; direct lightning strikes; protective range of lightning arrester; risk management

楊曉東(1969—),男,高級工程師,從事建筑電氣設計方面的研究。

TU 856

B

1674-8417(2015)01-0019-05

2014-10-15