2010年幕墙的防雷设计审查交流
武汉勘察设计协会技术咨询部 谢华珍
一、设计依据：规范及标准
二、防雷及类别
三、防雷措施
四、接地及安全措施
感谢主办方武汉建筑装饰协会给与机会和大家一起探讨幕墙（或网架）防雷设计及审查，在理解规范标准中达成共识，以提高幕墙防雷设计质量。
下面重点介绍民用建筑第二、三类防雷建筑物中的幕墙或网架相关的防雷设计审查。
一、设计依据：规范及标准
1.《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
第4.4.13条：玻璃幕墙的防雷设计应符合国家现行标准《建筑防雷设计规范》GB50057-2005和《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008的有关规定。幕墙的金属框架应与主体结构的防雷体系可靠连接，连接部位应清除非导电保护层。
2. 《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
第4.4.2条：金属与石材幕墙的防雷设计除应符合现行国家标准《建筑防雷设计规范》GB50057的有关规定外，还应符合下列规定：
1.在幕墙结构中应自上而下地安装防雷装置，并应与主体结构的防雷装置可靠连接；
2.导线应在材料表面的保护膜除掉部位进行连接；
3.幕墙的防雷装置设计及安装应经建筑设计单位认可。第7.3.10条：幕墙安装施工应对下列项目进行验收：其中第4款：幕墙的防雷接点的安装；（见《工程建设标准强制性条文》房屋建筑部分（2009年版）第九篇8装饰装修工程章节；《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001中对该条无条文说明。）
3.《建筑防雷设计规范》GB50057-2005
建筑物的防雷分类：属第2.0.1~ 2.0.4条；建筑物的防雷措施：属第3章。
4.《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
民用建筑物防雷属第11章、接地和特殊场所的安全防护属第12章。
说明：1.《建筑防雷设计规范》、《民用建筑电气设计规范》中对幕墙防雷没有具体、明确地规定，应按照行业性专业规范执行。
2. 正确理解规范中的用词，以便在执行中区别对待。
执行规范条文时，对于要求严格程度的用词说明如下：
１）表示很严格，非这样做不可的用词：
正面词采用“必须”；反面词采用“严禁”。
２）表示严格，在正常情况下均应这样做的用词：
正面词采用“应”； 反面词采用“不应”或“不得”。
３）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的用词：
正面词采用“宜”或“可”；反面词采用“不宜”。
二、防雷及类别
1.什么叫防雷？
雷电是一种自然现象，弄不好会给人们带来灾难。先人研究了雷电，十八世纪时[美]富兰克林、[英]法拉第等科学家通过科学实验，找到了防止建筑物受雷击的方法：在被保护的建筑物上安装接闪器，将接收的雷电流通过引下线流到接地装置，通过接地极导流到大地。还发明了避雷针。
介绍几个概念：闪电造成短时雷击情况很复杂，要定性分析时需采用如下概念：
1）基于雷闪数学模型：在高度hr = 9.4 x I2/3 与相对应的电流I = （hr/9.4）1.5
计算出：当hr =30m时， I =5.7kA
当hr =45m时， I =10.5kA
当hr =60m时， I =16.1kA
当hr =100m时， I =34.7kA
当hr =150m时， I =63.75kA
2）滚球法：是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器或只触及接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护。
2.防雷分类：
见《建筑防雷设计规范》GB50057-2005第2.0.1~2.0.4条
1)建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类。第一类防雷指有爆炸危险环境的建筑物；民用建筑一般属第二、三类。
第二类防雷建筑物：指国家重点建筑，例如：国家级的会堂、办公建筑物、大型展览和博览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家级档案馆、国家级计算中心、国际通讯枢纽等特别重要的建筑物。
第三类防雷建筑物：指省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。
2)按照预计雷击次数来划分：建筑物年预计雷击次数应按下式确定：
（1）计算公式
N=kNgAe
式中 N－－建筑物预计雷击次数（次／a）：
K－－校正系数，在一般情况下取1，
在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1．7；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：
Ng－－建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·a）］；
Ng与年平均雷暴日Td为非线性关系，Ng=0.024Td1.3 ；
按武汉市年平均雷暴日Td=34.2（d /a）计算，
Ng=2.368≈2.37
Ae－－与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）；建筑物的等效面积Ae应为其实际平面积向外扩大后的面积。其计算：式中L、W、H—为建筑物的长、宽、高（米）
（a）当建筑物高度H小于100m时，Ae=[LW+2(L+W)·R+ πR2 ]·10-6
式中建筑物每边的扩大宽度R=√H(200-H)（米）
（b）当建筑物高度H等于或大于100m时，Ae=[LW+2 (L+W)·H +πH2 ]·10-6
（2）计算年雷击次数划分防雷类别：
预计雷击次数大于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物；预计雷击次数大于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物为第二类防雷建筑物。
预计雷击次数大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物；预计雷击次数大于或等于0.06次/a，且小于或等于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物为第三类防雷建筑物。
3）如果民用建筑物不可能遭直接雷击（预计雷击次数小于0.012次/a）时，可不采取防直击雷措施，可仅按各自类别采取防雷电感应（指一类和部分二类）和防雷电波侵入的措施。
说明：从上面的叙述中，可以看出防雷的类别，不是根据建筑物的高低来划分，而是依据主体建筑物使用的重要性
或遭雷击的可能性来划分。在幕墙审图中，只说明幕墙高度小于45m，或者说只有裙房部分做有幕墙，就可以不作防雷，是不科学的。实际上，幕墙的专业规范中有防雷要求：只要是幕墙，幕墙结构中立柱应与主体结构的防雷装置可靠连接。
3.建筑物易受雷击的部位：
a)平顶；b)建筑坡度≤0.1；c） 0.1＜建筑坡度＜ 0.5；
d)建筑坡度≥0.5。
金属幕墙如果位于女儿墙外侧时，就属于屋面周边，属于易受雷击部位，尤其是转角处为雷击率最高部位。
三、防雷措施
- 建筑物的综合防雷
现在对防雷都很重视，建筑物的防雷按照规范，形成综合防雷系统，它包括：
1）外部防雷措施：指接闪器（针、网、带、线）、引下线、接地装置（接地极）、共用接地系统（接地基础网） 。
2）内部防雷措施：共用接地系统（接地基础网）、屏蔽（隔离）、等电位联结、安装SPD浪涌保护器、合理布线。
防雷措施中还有防雷电感应、防雷电波侵入、防侧击雷、防雷击电磁脉冲等。
本次重点结合幕墙的要求介绍外部防雷措施。
下面是建筑物的防雷立面图：
2.《建筑防雷设计规范》GB50057-2005第一节 -般规定
第3.1.1条 各类防雷建筑物应采取防直击雷和防雷电波侵人的措施。第一类防雷建筑物和部分（本规范第2.0.3条四、五、六款所规定的）第二类防雷建筑物尚应采取防雷电感应的措施。
第3.1.2条 装有防雷装置的建筑物，在防雷装置与其它设施和建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位连接。
3. 防直击雷
1）接闪器、引下线
防直击雷宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器。
材料：避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢￠≥8mm。扁钢S≥48mm2其厚度≥4mm。（除利用混凝土构件内钢筋作暗敷避雷带外）避雷带应热镀锌或涂漆。在腐蚀性较强的扬所，尚应采取加大其它防腐措施。
引下线不应少于2根，应沿建筑物四周均匀或对称布置，间距见下表。
做法：（1）、防雷建筑物
接闪器、引下线布置
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建筑物防雷
类别
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滚球半径hr（m）
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避雷网网格尺寸（m）
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引下线间距（m）
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第一类防雷建筑物
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30
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≤5x5或≤6x4
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≤12
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第二类防雷建筑物
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45
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≤10x10或≤12x8
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≤18
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第三类防雷建筑物
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60
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≤20x20或≤24x16
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≤25
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（2）、金属屋面的建筑物（除第一类防雷建筑物外）宜利用其屋面作为接闪器，并应符合下列要求：见《建筑防雷设计规范》GB50057-2005第4.1.4条：
一、金属板之间采用搭接时，其搭接长度不应小于100mm；
二、金属板下面无易燃物品时，其厚度不应小于0.5mm；
三、金属板下面有易燃物品时，其厚度，铁板不应小于4mm，铜板不应小于5mm，铝板不应小于7mm；四、金属板无绝缘被覆层。
说明：薄的油漆保护层或0.5mm厚沥青层或1mm厚聚氯乙烯层均不属于绝缘被覆层。
（3）、带玻璃的网架，是金属结构（可替代接闪器），不再装接闪器，但应和建筑物屋面防雷装置（引下线）相连接（采用焊接、连接线○￠10或—25x4）；
（4）、金属幕墙与建筑物女儿墙齐高时，女儿墙与金属幕墙间的封修采用金属板，可利用其做接闪器。兼有防雷功能的幕墙压顶板宜采用厚度≥3mm的铝合金板（幕墙≥150m H时，截面≥70mm2 ，幕墙＜150m H时，截面≥50mm2）；幕墙压顶板与主体结构屋顶的防雷系统应有效的连通。才能符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第4.4.13条要求。
4. 防侧击雷
1）均压环的设置：见《建筑防雷设计规范》GB50057-2005第3.2.4（4）条（款）
建筑物应装设均压环，环间垂直距离不应大于6、12m（见下表），所有引下线、建筑物的金属结构和金属设备的接地均应连到环上。均压环可利用电气设备的接地干线环路。
施工时，每隔3层沿建筑物四周将圈梁内的2根主筋（￠＞10，一般￠12、￠16）焊接起来，并与接地引下线焊接。
均压环布置
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建筑物防雷类别
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防侧击雷起始高度 (m)
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均压环垂直间距(m)
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第一类防雷建筑物
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30
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≤6 约1~2层
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第二类防雷建筑物
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45
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≤12 约3层
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第三类防雷建筑物
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60
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≤12 约3层
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2）第二类防雷建筑物中第3.3.10条：高度超过45m的钢筋混凝土结构、钢结构建筑物，尚应采取以下防侧击和等电位的保护措施：
一、钢构架和混凝土的钢筋应互相连接。钢筋的连接应符合本规范第3.3.5条的要求；
二、应利用钢柱或柱子钢筋作为防雷装置引下线；
三、应将45m及以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接；
四、竖直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端与防雷装置连接。
3）第三类防雷建筑物中第3.4.10条：高度超过60m的建筑物，其防侧击和等电位的保护措施应符合本规范第3.3.10条一、二、四款的规定，并应将60m及以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接。
4）玻璃、金属幕墙按照在主体结构的侧面，应采取以下防侧击和等电位的保护措施：
做法：幕墙是附属于主建筑的围护结构，一般不作单独的 防雷接地，而是利用主结构作防雷体系，在主体建筑有水平均压环的楼层，对应导电通路立柱（以钢结构为主骨架）的预埋件采用圆钢（￠≥12）或扁钢（截面≥5x40）与水平均压环（带）伸出的预埋件焊接(圆钢搭接焊长度≥6￠、扁钢搭焊接长度≥2b)连通(参考国标图集接地装置安装)，焊缝和连线应涂防锈漆，形成有效的防雷通路。
玻璃幕墙防侧击雷示意图
5．其它构筑物的防雷
1）加油站的罩棚防雷
加油、加气站因属易燃易爆危险场所，罩棚按二类防雷设计。
2）玻璃、金属雨篷，因在墙面有外露的金属构架，也应将主建筑的连接预留钢板和内部结构防雷装置连接。
当遭到雷电感应或累积有静电时能有泄流通路。这是防雷电感应的措施。
3）有人问：幕墙何时、何地可以不设计与主体结构的防雷连接呢？
回答是：执行幕墙的2个行业规范，都要求应与主体结构的防雷连接。用词“应”表示严格执行。
四、接地及安全措施：
1.接地种类：
有工作接地（变压器中性点接地）、设备保护接地、系统接地、重复接地（L＞50m）、隔离接地、静电接地、过电压保护接地（SPD浪涌保护器）等。
与幕墙有关的接地：主要是防静电接地。
2. 防静电
幕墙的静电感应来自雷电感应和接触带电。
雷电感应主要指雷云放电时，雷电流迅速变化，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近金属导体上产生很 高的电动势，要求就近泄入地中。对玻璃和金属幕墙，将其构架与主体结构中作为防雷装置的柱子和圈梁的钢筋应自上而下地可靠连接。
单独的防静电接地电阻不应大于100Ω。
接触带电是指两物体摩擦产生电荷。如窗帘擦幕墙时会产生静电感应；处理方法：保持距离，防止接触，或接触时降低摩擦速度，减少带电现象；采用静电接地方案。
3.总等电位联接：
见《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第12.6.6条
总等电位联结应符合下列规定：
1)民用建筑物内电气装置应采用总等电位联结。下列导电部分应采用总等电位联结导体可靠连接，并应在进入建筑物处接向总等电位联结端子板：
——PE(PEN)干线；
——电气装置中的接地母线；
——建筑物内的水管、燃气管、采暖和空调管道等金属道；
——可以利用的建筑物金属构件。
2)下列金属部分不得用作保护导体或保护等电位联结导体：
——金属水管；
——含有可燃气体或液体的金属管道；
——正常使用中承受机械应力的金属结构；
——柔性金属导管或金属部件；
——支撑线。
3)总等电位联结导体的截面不应小于装置的最大保护导体截面的一半，并不应小于6mm2。
当联结导体采用铜导体时，其截面不应小于25mm2；当为其他金属时，其截面应承载与25mm2铜导体相当的载流量。
通常玻璃幕墙的铝合金立柱，在不大于10m范围内宜有1根柱采用柔性导线在框架间的缝隙处上下连通，铜质导线截面≥25mm2, 铝质导线截面≥30mm2。才能符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第4.4.13条要求。
4.接地电阻：
《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第12．4．8条：建筑物的各电气系统的接地宜用同一接地网。接地网的接地电阻，应符合其中最小值的要求。
下面摘自《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008
• 建筑物防雷装置每根引下线的冲击接地电阻不宜大于10Ω；
• 高压与低压电气装置共用的接地网的接地电阻不宜超过4Ω；
• 配电变压器高压侧工作于不接地、消弧线圈接地和
• 高电阻接地系统，当该变压器的保护接地接地网的接地电阻不超过4Ω；
• 低压线路每处重复接地网的接地电阻不应大于10Ω。
• 电子设备接地电阻值不宜大于4Ω。电子设备接地宜与防雷接地系统共用接地网，接地电阻不应大于lΩ。
