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建筑物内自然构件之间保持电气连续，且截面满足要求的金属部分，如互连金属框架、混凝土中的钢筋、建筑表面的金属部分等，均可作为防雷装置。电气连续在GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》中称为电气贯通。 金属构件电气贯通 GB / T 21714.3 - 2015 / IEC 62305 - 3:2010《雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》第5.1.3条指出，永久保留、固定安装的建筑物自然金属构件可作为防雷装置（LPS）部件。自然金属构件主要包括以下两种形式：① 建筑物中的金属框架；② 钢筋混凝土建筑物内的互连钢筋。 根据GB / T 21714.3 - 2015 / IEC 62305 - 3:2010第3.25条，互连钢筋指在电气上连续的混凝土建筑物内的钢筋体。 IEC 1024 - 1 - 1990《建筑物防雷 第1部分：通则》第1.3条中，“电气贯通”有明确的要求，满足以下条件的钢筋混凝土建筑物的钢筋体被认为在电气上是贯通的： a. 大约50 %垂直钢筋与水平钢筋的交叉点是采用焊接或可靠绑扎连接； b. 垂直钢筋的连接是焊接或搭接长度至少为其直径的20倍，并可靠绑扎； c. 各预制混凝土自然构件与各相邻预制混凝土自然构件之间有钢筋体保持电气连续。 GB / T 21714.3 - 2015 / IEC 62305 - 3:2010第4.3条对钢筋混凝土建筑物内钢筋电气贯通做了如下修改： a. 大部分（major part）垂直钢筋和水平钢筋的连接点采用焊接或其它可靠的连接。 b. 垂直钢筋应焊接、卡夹或搭接（重叠部分至少为其直径的20倍）和绑扎或进行其它可靠的连接。 c. 预制钢筋混凝土建筑物内，各相邻预制混凝土自然构件间应建立电气连接。 d. 对新建建筑物钢筋之间的连接，应由施工人员、工程师进行合作，由设计人员或安装人员来确定。对钢筋混凝土（包括预制的、预应力的钢筋混凝土）建筑物，钢筋之间的电气连续性可通过其最上部和地面之间的电气测量来确定，测试直流电阻值不应大于0.2 Ω。 注：major part可理解为大部分，50 %以上。 通过以上两个版本标准的比较，可见要满足钢筋混凝土建筑物内钢筋的电气贯通，关键要满足两个要求： a. 垂直钢筋都应可靠连接； b. 大部分垂直钢筋和水平钢筋的交叉点应可靠连接。 相邻预制混凝土自然构件之间的电气连接已包含在水平或垂直自然构件连接的范围内。围绕这两个要求，在建筑物设计和建设之初应当统筹协调考虑；当不明确自然构件电气贯通性能时，可以通过测量钢筋构件两端的直流电阻来确定。 自然构件电气贯通的实现 建筑工业化是建筑业发展的方向，将建筑业的手工操作进化为工业化集成建造。随着工业化建筑的持续推进，对利用建筑物自然构件作为防雷装置提出了更高的要求，关键在于解决预制构件中钢筋的电气贯通。装配式建筑主要包括装配式混凝土框架结构建筑、装配式混凝土剪力墙结构建筑和装配式混凝土框架—剪力墙结构建筑。由于建筑物的顶层和底层的混凝土构件大部分依然采用现浇方式，因此，需要解决的主要是中间楼层预制混凝土自然构件的电气贯通。 装配式混凝土建筑物自然构件的电气贯通，要求垂直构件和水平构件各自和相互之间实现电气连接。其中，垂直自然构件作为自然引下线，水平自然构件作为防雷等电位连接带（均压环），两者也兼作建筑物侧面的防雷网格。引下线和接闪器，以及引下线和接地体的连接与现浇混凝土建筑物差别不大。装配式建筑利用作为防雷装置的自然构件见表1。 垂直钢筋的连接，GB / T 21714.3 - 2015 / IEC 62305 - 3:2010第E.4.3.6条明确，不少于3根主钢筋捆绑形成了电气连续，即所有主钢筋是电气互连的。GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.5条第6款要求，构件内有箍筋连接的钢筋或成网状的钢筋，其箍筋与钢筋、钢筋与钢筋应采用土建施工的绑扎法、螺丝、对焊或搭焊连接。普通混凝土建筑垂直柱内钢筋采用普通土建施工的绑扎即可满足防雷装置要求。 a. 装配式混凝土框架结构建筑。 装配式混凝土框架结构上、下预制柱之间钢筋通常采用灌浆套筒连接，不容易实现电气连续性。借鉴GB / T 21714.3 - 2015 / IEC 62305 - 3:2010图E.11（续）的做法，可在相邻框架柱对角处分别设置一处凹槽，内设100 mm × 100 mm × 5 mm接地连接板，安装时采用 - 25 × 4扁钢焊接或机械连接即可方便地实现电气贯通，连接完成后随安装缝、后浇段一起封堵，凹槽也可采用防水水泥砂浆封堵及压抹，预制柱垂直钢筋电气连接示意图和预制柱预埋连接板示意图分别见图1和图2。 b. 装配式混凝土剪力墙结构建筑。 装配式剪力墙结构建筑，可采用预制墙间现浇剪力墙内的竖向钢筋通长焊接或机械连接作为引下线。GB / T 51231 - 2016《装配式混凝土建筑技术标准》第5.7.6条第4款要求：非边缘构件位置后浇段内应设置不少于4根竖向钢筋，钢筋直径不应小于8 mm；边缘构件处后浇段竖向钢筋直径不应小于12 mm。后浇段内竖向钢筋均符合引下线材料和最小截面要求，做法和非装配式剪力墙结构建筑基本一致。 普通混凝土建筑水平、垂直自然构件连接可参见《 建筑电气》2012年第10期“防雷等电位连接系统探析”。 a. 装配式混凝土框架结构建筑。 装配式混凝土框架结构建筑，预制柱内竖向附加连接的钢筋和叠合梁后浇段内纵筋之间应附加机械连接或焊接。中间层预制柱中间支座垂直、水平钢筋连接示意图见图3，中间层预制柱边支座垂直、水平钢筋连接示意图见图4。 b. 装配式混凝土剪力墙结构建筑。 装配式混凝土剪力墙结构建筑，作为自然引下线的垂直后浇段内竖向钢筋和叠合梁后浇段内纵筋应附加机械连接或焊接。根据相关文献，中间层剪力墙中间支座垂直、水平钢筋连接示意图见图5，中间层剪力墙边支座垂直、水平钢筋连接示意图见图6。 自然构件电气贯通相关标准讨论 对于接触电压和跨步电压防护措施，IEC 62305 - 3 ED3 FDIS《Protection against lightning — Part 3：Physical damage to structures and life hazard》第8.1条和第8.2条要求，The“natural”down⁃conductor system consists of at least 10 columns of the extensive metal framework of the structure or of at least 10 pillars of interconnected steel of the structure,with the electrical continuity ensured。该内容和GB 50057 - 2010第4.5.6条要求基本一致。这里有3个关键词：“natural”down⁃conductor，“extensive”“at least”10 columns，即应同时满足以下3个要求：① “自然”引下线；② 建筑物内有“大量的”金属架构或“大量的”互连钢筋；③ “不少于”10根柱子。 以上3个要素其实是相互联系、相互统一的关系：若采用专设引下线，则不太可能实现和建筑物金属架构或混凝土内钢筋的互连；“大量的”互连钢筋进入防雷装置，有利于降低电位差，降低发生侧闪危害的概率；“不少于”10根柱子并非只需要选取10根柱子，而是宜选取全部柱子，至少包括与水平构件连接处的柱子。 GB 50057 - 2010对于第二类和第三类防雷建筑物没有明确要求设置防雷等电位连接带，但是提出应满足间隔距离的要求，即第4.1.2条第2款，除本条第1款的措施外，外部防雷装置与建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统之间，尚应满足间隔距离的要求。间接地提出了防雷等电位连接带的验证方法，可参见《建筑电气》2017年第3期“屋顶金属设备隔离防雷措施分析”。 当建筑物内大部分垂直钢筋与水平钢筋的交叉点实现电气贯通，相当于每隔一层设置防雷等电位连接带，不需要再另外设置防雷等电位连接带。 自然构件电气贯通时的间隔距离 IEC 62305 - 3 ED3 FDIS 第6.3.1条指出：In structures with metallic or electrically continuous connected reinforced concrete framework according to 5.3.5,a separation distance is not required。即根据第5.3.5条，在金属框架或电气连续的钢筋混凝土框架结构中，不需要间隔距离。GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条也有类似的要求，为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气和电子系统线路的反击，应符合下列规定：在金属框架的建筑物中，或在钢筋连接在一起、电气贯通的钢筋混凝土框架的建筑物中，金属物或线路与引下线之间的间隔距离可无要求。 IEC标准的赞成票要求不应少于66.6 %，但是，IEC 62305 - 3 ED3 FDIS投票中的实际赞成票只有47.8 %。主要原因是，投反对票的多数成员国认为上述第6.3.1条存在“technically wrong”，应当替换为“In structures with metallic or electrically continuous connected reinforced concrete framework a separation distance is not required, assuming that a bonding network according to IEC 62305 - 4 clause 5.3 is installed”，即将前提“具有金属框架或互联钢筋”替换为“安装了符合IEC 62305 - 4第5.3条的连接网络”。 早在2015年11月，发布IEC 62305 - 3 ED3 CD文件时，德国代表就提出“在金属或电气连续连接的钢筋混凝土框架结构中，不需要间隔距离”这段表述“is too general”，并提出更高的措施“It must be ensured,that only in case of a real electromagnetic shielding of the structure a separation distance is not necessary”。即只有确保建筑物满足真正的电磁屏蔽的情况下，不必考虑间隔距离。 上述第6.3.1条问题在于简单地处理外部防雷的间隔距离和内部系统的电磁屏蔽措施。对于装置外金属部分来说，可以只考虑侧闪造成火花放电的危害，在金属框架或电气连续的钢筋混凝土框架结构中，不需要间隔距离；对于电气或电子系统，则应确保处于连接网络的范围内。如果大部分设备的抗扰度较高，敏感设备只设于局部范围内，也可仅设置局部的连接网络。 建筑物金属部件和内部系统的所有导电部分（带电导体除外）相互连接形成连接网络，实现低阻抗的电气连接，和接地装置一起组成共用接地系统。连接网络的主要功能是： a. 系统内避免出现危险的电位差，尤其对雷击过电压起到均衡电位的作用； b. 增强电磁屏蔽，减小磁场强度。 利用建筑物自然构件的连接网络示例，见图7。钢筋网格的典型间距为1 m，附加的网格导体典型间距5 m。这种连接网络对平面波的屏蔽系数可增加6 dB,磁场强度相应减小一半。连接网络通常包括侧面、屋顶和基础的连接网格，形成三维的网格结构。所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属件都应等电位连接在一起，并应与防雷装置相连。 电气和电子设备的外露导电部分（如机柜、机箱和机架等）和保护接地导体（PE）应按照相应的配置结构接入连接网络。根据系统规模、设备类型、工作频率等具体情况，配置结构主要分为S型和M型；连接网络为干扰噪声提供低阻抗的故障路径，为电气或电子系统提供稳定的工作电平。从对设备的保护以及系统正常工作的角度，连接网络比特定的接地电阻值更重要。 结论 建筑物自然构件电气贯通对建筑物防雷意义重大，并应注意以下几点： a. 装配式建筑的设计阶段应尽可能考虑全部垂直自然构件，以及和大部分水平自然构件之间的电气连接； b. 接触电压和跨步电压的防护，并非仅设置不少于10根柱子作为自然引下线，而应以自然构件电气贯通为前提； c. 在自然构件电气贯通的前提下，第二类和第三类防雷建筑物不必专门设置防雷等电位连接带； d. 装置外金属部分处于金属框架或电气连续的钢筋混凝土框架结构中时，可不考虑间隔距离； e. 对于电气或电子系统，需要确保在连接网络的范畴内选择相应的配置结构；接入连接网络比选择特定的接地电阻值更重要。 当建筑物自然构件无电气贯通时，引下线的典型间距应按照专设引下线设置，并选用其它防接触电压和防跨步电压措施；同时，为了满足外部防雷装置间隔距离的要求，建议建筑物上方每隔20 m设置防雷等电位连接带。
作者： 陈谦，男，山东意匠建筑设计有限公司，工程技术应用研究院，电气总工程师，机电所所长。 |
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