建筑物屋面防雷设计常见问题的探讨

刘冬冬 吴 彬 徐子颖

(宜兴市气象局，江苏 宜兴 214200)



建筑物屋面防雷设计常见问题的探讨

刘冬冬 吴 彬 徐子颖

(宜兴市气象局，江苏 宜兴 214200)

依据GB 50057—2010建筑物防雷设计规范要求，结合多年来的建筑物防雷设计审核经验，对设计审核中常见的几点屋面防雷设计问题进行了分析探讨，以避免建筑物屋面防雷设计中出现不合理、不准确的现象。

屋面防雷设计，防雷类别，暗敷设计，突出物

0 引言

一直以来，建筑物的防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。新建建筑物防雷设计往往由设计院电气专业设计人员统一完成，各设计院对建筑物防雷设计的重视程度或设计人员对设计规范的理解程度不同，导致建筑物屋面防雷设计中出现一些不准确、不合理或不符合设计规范的情况，甚至给后期施工带来不必要的麻烦。

1 判断建筑物防雷类别所使用的数据不准确

依据GB 50057—2010第3.0.3条第9款～10款、第3.0.4条第2款～4款的规定，部、省级办公建筑物、一般性民用建筑物(住宅、办公楼等)或一般性工业建筑物、烟囱、水塔等孤立的高耸建筑物和其他重要或人员密集的公共建筑物及火灾危险场所需要计算预计雷击次数来确定建筑物的防雷类别。

GB 50057—2010附录A中，建筑物年预计雷击次数应按下式计算：

N=k×Ng×Ae。

其中，N为建筑物年预计雷击次数，次/年；k为校正系数，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为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次/(km2·年)；Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2。

公式简单，但实际设计中，设计人员数据运用并不准确。1.1 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积Ae值的确定

与建筑物截收相同雷击次数的等效面积应为其实际面积向外扩大后的面积。其计算方法以最常见的建筑物高度小于100 m为例，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算：

其中，D为建筑物每边的扩大宽度；L，W，H分别为建筑物的长、宽、高，m。

根据Ae的计算公式可知，Ae值取决于D，L，W，H。而由图1可知，D为以建筑物外围每边为界向建筑物外的扩大宽度，即计算参数D所使用的高度值H应为建筑物外围的高度(如建筑物外围女儿墙高度或坡屋面的屋檐高度)，而非建筑物的最高高度，也不应是局部突出屋面部分的高度。在设计图审中常碰到部分设计人员错将建筑物的最高高度或局部突出物的高度代入公式中计算年预计雷击次数，有可能错将三类防雷建筑物判为二类防雷建筑物，从而导致设计不够经济合理。现代建筑艺术要求越来越高，建筑造型复杂多样，要想准确的得出Ae的取值，一些不规则的复杂造型建筑还需按GB50057—2010附录A考虑不同情况做出更精确的计算，本文暂不作探讨。

1.2 校正系数k取值的确定

在设计图审中，常常碰到校正系数k的取值问题被设计人员忽略或欠考虑。设计人员在设计过程中有时并未考虑建筑物的周边环境，例如水库等大型水域边的建筑，山地或空旷地域的建筑等，而直接取k=1,则有可能将二类防雷建筑物误判为三类防雷建筑物，从而导致设计不符合规范要求，可能无法达到保护效果。

1.3 雷击大地的年平均密度Ng取值的确定

雷击大地的年平均密度Ng一般由建筑物所在地年平均雷暴日Td计算得出。近几年，随着气象事业的发展，很多气象数据已经逐渐细化，更加准确。以笔者所在地江苏宜兴为例，早些年，对于建筑物防雷类别的判定所使用的年平均雷暴日Td=41.1，该值为无锡地区统一使用的数据，而近几年当地气象部门公开的数据已经更新为宜兴地区Td=36.0，设计人员常常仍然使用41.1，则有可能将三类防雷建筑物误判为二类，从而导致设计不够经济合理。

2 建筑物屋面接闪器暗敷设计需谨慎

建筑物屋面接闪器明敷为接闪器最常见也是相对最安全的敷设方式，而在设计图审中，接闪器能否暗敷也是最常见的争议问题。

暗敷接闪器和明敷接闪器在其相对应的滚球半径范围内对建筑物整体的保护效果并无十分明显的差别。但就建筑物屋面及易受雷击部位的保护，暗敷接闪器则存在一些安全隐患。由于雷电具有机械效应和热效应，暗敷接闪器一旦接闪，则有可能因机械效应或热效应的瞬间升温膨胀，使覆盖其表面的混凝土层或砖瓦炸裂坠落，对建筑物周边的行人、设施或车辆造成损伤。

2.1 多层建筑接闪器的暗敷设计

设计规范GB50057—2010中第4.3.5条及第4.4.5条中明确规定：“本规范第 3.0.3条2款～4款、第9款、第10款的建筑物，当其女儿墙以内的屋顶钢筋网以上的防水和混凝土层允许不保护时，宜利用屋顶钢筋网作为接闪器；本规范第3.0.3条2款～4款、第9款、第10款的建筑物为多层建筑，且周围很少有人停留时，宜利用女儿墙压顶板内或檐口内的钢筋作为接闪器”，如此，对于暗敷接闪器附加了条件。

部分设计人员对多层建筑物接闪器的暗敷设计并未考虑建筑物周围环境或规范上所要求的附加条件，尤其是一些繁华地带的建筑、商业街、景区建筑等，不应采用暗敷的方式。同时需要注意的是，暗敷接闪器埋设在混凝土或砖瓦下，倘若埋设过深，则有可能使雷电流无法快速找到泄流通道泄放入地，从而影响保护效果。因此对于建筑物的暗敷设计需要谨慎，采用暗敷设计时，设计人员应对暗敷接闪器的埋设深度提出要求。同时，笔者认为对于校正系数k取值中所列举出的如土壤电阻率较小处、水域边、山谷风口处等相对易遭受雷击的多层建筑物，在不能确定其是否满足附加条件时，不应采用暗敷的方式。

2.2 高层建筑接闪器的暗敷设计

高层建筑接闪器的敷设，相关设计规范并未明确不允许暗敷，但考虑到高空坠物动量随高度增加，造成的损害也随之增大，故不应暗敷。当平屋面的高层建筑外围女儿墙较高，且屋顶防水和混凝土层允许不保护时，可将屋面接闪网格暗敷。坡屋面的高层建筑，应禁止暗敷。同时可依据设计规范按照建筑物高度情况进行更合理的设计。

中国GB50352—2005民用建筑设计通则中建筑高度的计算：

1)当为坡屋面时，应为建筑物室外设计地面到其檐口的高度。笔者认为，当坡屋面建筑物屋脊高度超过高层建筑所定义的高度时，因从防雷角度考虑屋脊屋角部位为易受雷击部位，应将接闪器明敷。

2)当同一座建筑物有多种屋面形式时，建筑高度应按上述方法分别计算后取其中最大值。局部突出屋顶的瞭望塔、冷却塔、水箱间、微波天线间或设施、电梯机房、排风和排烟机房以及楼梯出口小间等，可不计入建筑高度内。笔者认为，当同一座建筑物有多种屋面形式时，或高层建筑有低层(多层)裙楼时，可将超过高层建筑定义高度的屋面接闪器明敷，低于高层建筑定义高度的屋面在满足GB50057—2010暗敷附加条件时可暗敷，以达到经济合理的设计目的。

3 屋面突出物的防雷设计太笼统

屋面突出物包括突出屋面的金属物体和非金属物体。设计人员在防雷设计时往往考虑不全面或设计过于含糊笼统，给后期施工带来困惑或不能有效保护。

3.1 屋面突出的非金属物体的防雷设计

设计规范GB50057—2010第4.5.7条第2款规定：“不处在接闪器保护范围内的非导电性屋面物体，当它没有突出由接闪器形成的平面0.5m以上时，可不要求附加增设接闪器的保护措施。”此条款为设计规范2010年版修订后新增的内容，可理解为：

1)处在接闪器保护范围内的非导电性屋面物体可以不增设接闪器保护措施。例如屋面有突出高耸的金属物体可作为接闪器时，计算得出其保护范围内的非导电性屋面物体可不设保护措施；

2)不处在接闪器保护范围内且高出接闪器形成的平面0.5m以上，需增设接闪器。例如屋面突出的混凝土或PVC管排气孔在此情况时应增设接闪器。

在设计图审中，设计人员往往对突出屋面的截面面积相对较大的非金属物全部设计敷设接闪器，对于屋面截面面积较小的柱状突出物不做防雷保护设计，导致施工材料浪费或保护不到位。同时需要注意的一种情况是，设计院在设计图纸的时候，各个专业设计人员的沟通协调不及时或不到位，建筑结构图中屋面的一些突出物在屋面防雷平面图上没有反映，因而没有设计防雷保护措施，或者电气设计人员未将建筑物艺术造型需求所增加的屋面突出物考虑在内，而导致屋面突出物的防雷设计的疏漏。

3.2 屋面突出的金属物体的防雷设计

设计人员对于屋面突出的金属物体的防雷设计比较笼统，往往只在设计说明中写一句“屋面金属物体应就近与避雷带连接”或在屋面防雷平面图中以画图的方式将金属物体与避雷带连接起来。但并非所有金属物体都可以仅与接闪带连接就能达到保护效果。

3.2.1 屋面金属物体在接闪器保护范围以内

当屋面金属物体在接闪器保护范围内，为防止雷击时发生反击或雷击时长金属导体上产生感应电荷而需接地泄流，应将其与接闪器就近连接。

3.2.2 屋面金属物体不在接闪器保护范围以内

建筑物防雷设计中，屋面很多金属物体往往是高于接闪器，不在接闪器保护范围内的，如金属栏杆，消防水箱，风机，金属爬梯，广告牌、太阳能热水器等。而高于接闪器的金属物体可分为两类：

1)金属物体的规格满足作为接闪器使用的要求。如消防水箱、风机、金属爬梯、广告牌等其本身材质规格符合GB 50057—2010第5.2.1的规定，其规格可以代替接闪器接闪，则可以仅就近与接闪器连接。

2)金属物体的规格不能满足作为接闪器使用的要求。建筑物设计中屋面设计为美观需求或使用需求，经常在屋面设计金属护栏或其他金属构件，其往往高于接闪带并且紧靠接闪带，部分设计人员在屋面防雷设计中将其与接闪带就近连接，却未考虑或未标注其规格。当其规格不能满足作为接闪器的使用要求时，金属护栏或金属构件先于接闪带接闪，若雷电直接击中将其熔断，雷电流无法或不能及时泄流入地，屋面接闪器将形同虚设。此种情况若出现在高层建筑，则可能带来很大的安全隐患。

太阳能热水器大部分是由金属材质制成，如不锈钢、铝合金、加厚钢板喷塑等，且经常安装于屋面或屋脊较高处，但其使用的金属材质的规格却并不一定满足作为接闪器的使用要求，当太阳能热水器被雷击时，雷电流还有可能沿水管或金属导线引入室内，造成人身伤亡。故仅仅将太阳能与接闪带连接的防雷设计并不合理，在不能确定其材质规格符合作为接闪器使用要求的情况下，应该设计接闪杆或接闪带作为保护措施。

3.3 屋面存放物体的防雷设计

部分建筑物在设计时，屋面会有使用需求，如一些厂房屋面存放物品，汽车4S店、大型商场屋面作为存放车辆使用等情况，部分设计人员在设计时并未考虑屋面的用途或沟通不到位，而未对屋面存放物品设计防雷保护措施。

设计规范GB 50057—2010第4.5.7条第1款规定“没有得到接闪器保护的屋顶孤立金属物的尺寸不超过以下数值时，可不要求附加的保护措施：1)高出屋顶平面不超过0.3 m。2)上层表面总面积不超过1.0 m2。3)上层表面的长度不超过2.0 m。”需注意的是，即使屋面金属物体满足此款条件，可不要求附加的保护措施，但考虑雷击时反击或雷电感应等因素，仍需就近与接闪器连接。

4 结语

随着经济的发展，建筑物复杂多样，建筑物防雷也逐渐成为一个复杂的系统工程。设计人员应当重视建筑物防雷在经济生活中的重要作用，在建筑物防雷设计中，应当充分理解和正确运用规范相关条款，而不应仅仅只是套用规范，应考虑各方面客观因素及细节，使防雷设计真正做到安全可靠、经济合理。

[1] GB 50057—2010，建筑物防雷设计规范[S].

[2] 梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京：气象出版社，2004.

[3] 林维勇.高层建筑物防雷[J].建筑电气，1997(4)：10-17.

[4] 王 荣.利用屋顶建筑构件内钢筋作接闪器的探讨[J].建筑电气，2010(3)：42-44.

On common problems in roof lightning protection of buildings

Liu Dongdong Wu Bin Xu Ziying

(Yixing Meteorological Bureau, Yixing 214200, China)

Referring to GB 50057—2010BuildingLightningDesignPlanningandDemands, the paper explores the roof lightning design problems in the design checking by combining with the checking experience for the lightning design of buildings, so as to avoid the unreasonable and inaccurate defects in the roof lightning design of buildings.

roof lightning proof design, lightning types, concealed laying, protrusion

1009-6825(2016)30-0040-03

2016-08-15

刘冬冬(1986- )，男，助理工程师； 吴 彬(1982- )，男，助理工程师； 徐子颖(1980- )，男，助理工程师

TU895

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