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仿古建筑中式別墅屋面防雷措施及設計方法

0 引言

  雷電災害是一種比較嚴重的自然災害,威力巨大且不可控。雷擊會對建筑物本身、電氣設備的正常運行及電子信息系統等造成嚴重的影響,甚至威脅人身安全。但是只要采取適當的防雷措施,接地系統以及雷擊電磁脈沖裝置就可以有效預防和降低雷電災害所帶來的損失。

  隨著藝術的進步,建筑與藝術日趨緊密地結合在一起,對建筑外觀的美觀性和藝術性要求越來越高,當美觀性與安全性產生沖突時,需要找到兩者的最佳融合點,讓建筑既滿足美觀性的要求,又不失安全性。

1 總則

  根據GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》附錄B,坡度大于1/10且小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角、屋檐應為其易受雷擊的部位;坡度不小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角應為其易受雷擊的部位。

  從理論上講,雷云對地的閃擊會受到地面影響。GB50057-2010條文說明附錄F中指出“對平原和低建筑”是典型的向下閃擊;條文說明4.3.9中指出,小雷擊電流擊到高度低于60m建筑物垂直側面的概率足夠低,所以不需要考慮這種側擊。屋頂和水平突出物應按IEC62305-2風險計算確定的防雷裝置(LPS)級別加以保護。且中式別墅屋面構造復雜,其中正脊、戧脊上的戧角以及外側屋檐為易受雷擊部位。中式別墅名詞術語及滾球剖面圖如圖1所示。

2 中式別墅防雷設計要點

  中式別墅中存在大量的屋檐、垂檐、飛檐、翼角、挑檐,均為易受雷擊部位。中式別墅的防雷設計如按傳統設計(直接采用熱鍍鋅扁鋼明敷組成的避雷網格作為防雷接閃器),則接閃帶極不協調,非常影響建筑外立面美觀,但若暗敷接閃帶,則起不到應有的接閃效果。暗敷接閃帶從保護范圍來看并不能保護到屋角、屋檐,眾多的雷擊實例也說明雷電都是擊在屋面上而不是直接擊在暗敷接閃帶上,裝設暗敷接閃帶的作用只是減輕雷擊造成的屋面崩塌危險。另外,中式別墅屋面采用瓦片覆蓋,當遭受雷擊時容易擊碎而掉落,有一定危險性。

  國家建筑標準設計圖集15D505《古建筑防雷設計與安裝》第6.3.9條中也提供在古建筑屋頂設多根接閃桿,采用滾球法確定接閃桿不同間距時,多根接閃桿的最低高度選擇表。如按表中接閃桿高度設計,由于聯排別墅屋面高低搭接,垂檐斗拱錯落有致,屋面復雜,大多無法滿足中式別墅屋面的防雷保護要求。

3 中式別墅的防雷設計

  以別墅群中的別墅單體為例,每棟單體均由大小不一、形態不一、數量不一的單棟別墅拼接而成。以每個單體作為一個整體建筑進行防雷等級考慮,單體建筑年預計雷擊次數均達到第三類防雷要求,故按三類防雷建筑設防。第三類防雷建筑物的滾球半徑為60m,為保證其屋面的完整性和美觀性,采用接閃短桿和暗敷接閃帶組成的避雷網格作為防雷接閃器。中式別墅中的亭臺樓閣、飛檐斗拱錯落有致,所以按每條正脊為基礎進行防雷接閃桿的設置。

  3.1 別墅屋檐的保護

  別墅建筑群各單體高度相差不大,取其平均的正脊標高,根據滾球法確定單支接閃桿的保護范圍,確保大部分1/2通擴面對應的屋檐在其保護范圍內。此做法避免屋檐落入地面,而被靠近屋檐邊的滾球擊中,而1/2通擴面處為單根接閃桿保護的最遠端。根據綜合計算,該項目中取650mm高的12mm熱鍍鋅圓鋼作為接閃桿(根據GB51017-2014《古建筑防雷工程技術規范》第4.5.2.5條第2款,60mm<桿高≤100mm時,熱鍍鋅圓鋼、圓銅直徑不應小于12mm)。單支接閃桿的保護范圍剖面如圖2所示。正脊上接閃桿對屋檐的保護半徑平面圖如圖3所示。

  圖2、圖3中,正脊AB(建筑標高為8.765m,結構標高為8.295m),正脊CD、EF(建筑標高為8.030m,結構標高為7.560m)在其兩端各設一根接閃桿A、B、C、D、E、F,其中接閃桿A和B針對最外沿屋檐(建筑標高為6.68m)的保護半徑為4.757m,接閃桿C、D、E、F針對最外沿屋檐(建筑標高為6.68m)的保護半徑為3.575m,在A、B兩點處做保護半徑4.757m的圓,可以發現大部分的屋檐均可保護到,其中C1、D1屋檐由接閃桿C、D保護,E1、F1屋檐由接閃桿E、F保護。

  圖3中云線處為無法保護范圍,可以利用接閃桿C保護。

  此外,在正脊上架設接閃桿除保護范圍大外,也易于固定安裝,同時可以方便與暗敷在混凝土內的暗敷接閃帶和引下線焊接連通。屋檐處盡量避免裝設接閃桿,除影響美觀外,中式別墅的屋檐多為挑檐,不利于受力安裝,也不利于與暗敷接閃帶和引下線焊接連通。若建筑為木質結構(屬于易燃材料),不應在其上直接裝設接閃器,接閃器的支撐架應采用隔熱層,與易燃材料隔離。

  3.2 別墅屋脊的保護

  當正脊兩端架設接閃器后,可以利用2只等高接閃桿的保護范圍來驗證是否能保護整條屋脊。根據GB50057—2010附錄D.0.2中式(D.0.2-2),可以計算出距2根接閃桿中心線任一距離x處,其在保護范圍邊線上的保護高度,其中hr為滾球半徑,h為接閃桿高度,D為2支接閃桿距離。

  當x=0,hx=0時,可以計算出0.65m的接閃桿對高度為8.765m的最大保護距離為64.533m。不同的建筑高度,可以利用該公式進行校驗。此項目中的正脊均置于正脊兩端接閃桿的保護范圍內。

  3.3 別墅戧脊和戧角的保護

  正脊接閃桿對戧脊、戧角的保護剖面圖如圖4所示。按滾球法確定單根接閃桿的保護范圍,可以發現戧脊和戧角是否在正脊接閃桿的保護范圍內,是以屋面的坡度、戧脊和戧角的角度以及挑起的高度決定的,這存在有些戧角不在保護范圍內的情況(圖4右邊戧角無法受到保護),如果存在此種情況,可以由如下幾種方案解決:

  (1)加高正脊上接閃桿的高度,以保證戧角在接閃桿的保護范圍內,此種做法對接閃桿高度增加幅度不大時非常直接有效;但如果接閃桿高度過高時需要附加接閃桿的支撐件,并增大接閃桿的截面,以確保接閃桿的固定。

  (2)在戧角最高點加設接閃短桿,保證戧角的保護范圍,此種做法會影響建筑整體的視覺效果。

  (3)利用扁鐵、扁銅、銅帶等金屬材料作接閃器,直接鋪設在保護范圍外的戧脊和戧角上,其好處是如果噴上和屋脊瓦當一樣的顏色,便可以隱蔽其存在;或是利用“異型”接閃器,如戧角上有類似于正吻、垂獸等裝飾物,可利用其做成金屬構件作為接閃器,美觀又安全、可靠。但此類做法會增加投資成本。

  因此,中式別墅因造型多樣性,防雷設計時一定要綜合考慮,才能安全、可靠。

4 中式別墅防雷設施效果

  該項目中采用650mm高的12mm熱鍍鋅圓鋼的接閃桿和暗敷接閃帶組成的避雷網格作為防雷接閃器。別墅屋頂的防雷設計實際效果如圖5所示。圖5(a)中,正脊邊上裝設接閃桿;圖5(b)中,不在正脊接閃桿保護范圍內的戧角采用鋁合金包裹,并噴上與屋檐一樣的顏色,從視覺效果上可以隱蔽其存在。

5 結語

  不管是中式別墅還是其他各種類型的建筑,人們都希望建筑風格能夠豐富多彩,因為建筑承載人們對美觀和藝術的追求。中式別墅防雷設計時應把防雷裝置融入建筑風格,使得建筑從整體上達到安全、美觀、和諧和統一。

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