仿古建筑中式别墅屋面防雷措施及设计方法

  • 发布时间:2019-04-12
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  0 引言
  
  雷电灾害是一种比较严重的自然灾害,威力巨大且不可控。雷击会对建筑物本身、电气设备的正常运行及电子信息系统等造成严重的影响,甚至威胁人身安全。但是只要采取适当的防雷措施,接地系统以及雷击电磁脉冲装置就可以有效预防和降低雷电灾害所带来的损失。
  
  随着艺术的进步,建筑与艺术日趋紧密地结合在一起,对建筑外观的美观性和艺术性要求越来越高,当美观性与安全性产生冲突时,需要找到两者的融合点,让建筑既满足美观性的要求,又不失安全性。
  
  1 总则
  
  根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录B,坡度大于1/10且小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角、屋檐应为其易受雷击的部位;坡度不小于1/2的屋面,屋角、屋脊、檐角应为其易受雷击的部位。
  
  从理论上讲,雷云对地的闪击会受到地面影响。GB50057-2010条文说明附录F中指出“对平原和低建筑”是典型的向下闪击;条文说明4.3.9中指出,小雷击电流击到高度低于60m建筑物垂直侧面的概率足够低,所以不需要考虑这种侧击。屋顶和水平突出物应按IEC62305-2风险计算确定的防雷装置(LPS)级别加以保护。且中式别墅屋面构造复杂,其中正脊、戗脊上的戗角以及外侧屋檐为易受雷击部位。中式别墅名词术语及滚球剖面图如图1所示。
  
  2 中式别墅防雷设计要点
  
  中式别墅中存在大量的屋檐、垂檐、飞檐、翼角、挑檐,均为易受雷击部位。中式别墅的防雷设计如按传统设计(直接采用热镀锌扁钢明敷组成的避雷网格作为防雷接闪器),则接闪带极不协调,非常影响建筑外立面美观,但若暗敷接闪带,则起不到应有的接闪效果。暗敷接闪带从保护范围来看并不能保护到屋角、屋檐,众多的雷击实例也说明雷电都是击在屋面上而不是直接击在暗敷接闪带上,装设暗敷接闪带的作用只是减轻雷击造成的屋面崩塌危险。另外,中式别墅屋面采用瓦片覆盖,当遭受雷击时容易击碎而掉落,有一定危险性。
  
  国家建筑标准设计图集15D505《古建筑防雷设计与安装》第6.3.9条中也提供在古建筑屋顶设多根接闪杆,采用滚球法确定接闪杆不同间距时,多根接闪杆的低高度选择表。如按表中接闪杆高度设计,由于联排别墅屋面高低搭接,垂檐斗拱错落有致,屋面复杂,大多无法满足中式别墅屋面的防雷保护要求。
  
  3 中式别墅的防雷设计
  
  以别墅群中的别墅单体为例,每栋单体均由大小不一、形态不一、数量不一的单栋别墅拼接而成。以每个单体作为一个整体建筑进行防雷等级考虑,单体建筑年预计雷击次数均达到第三类防雷要求,故按三类防雷建筑设防。第三类防雷建筑物的滚球半径为60m,为保证其屋面的完整性和美观性,采用接闪短杆和暗敷接闪带组成的避雷网格作为防雷接闪器。中式别墅中的亭台楼阁、飞檐斗拱错落有致,所以按每条正脊为基础进行防雷接闪杆的设置。
  
  3.1 别墅屋檐的保护
  
  别墅建筑群各单体高度相差不大,取其平均的正脊标高,根据滚球法确定单支接闪杆的保护范围,确保大部分1/2通扩面对应的屋檐在其保护范围内。此做法避免屋檐落入地面,而被靠近屋檐边的滚球击中,而1/2通扩面处为单根接闪杆保护的远端。根据综合计算,该项目中取650mm高的12mm热镀锌圆钢作为接闪杆(根据GB51017-2014《古建筑防雷工程技术规范》第4.5.2.5条第2款,60mm<杆高≤100mm时,热镀锌圆钢、圆铜直径不应小于12mm)。单支接闪杆的保护范围剖面如图2所示。正脊上接闪杆对屋檐的保护半径平面图如图3所示。

  正脊AB(建筑标高为8.765m,结构标高为8.295m),正脊CD、EF(建筑标高为8.030m,结构标高为7.560m)在其两端各设一根接闪杆A、B、C、D、E、F,其中接闪杆A和B针对外沿屋檐(建筑标高为6.68m)的保护半径为4.757m,接闪杆C、D、E、F针对外沿屋檐(建筑标高为6.68m)的保护半径为3.575m,在A、B两点处做保护半径4.757m的圆,可以发现大部分的屋檐均可保护到,其中C1、D1屋檐由接闪杆C、D保护,E1、F1屋檐由接闪杆E、F保护。
  
  此外,在正脊上架设接闪杆除保护范围大外,也易于固定安装,同时可以方便与暗敷在混凝土内的暗敷接闪带和引下线焊接连通。屋檐处尽量避免装设接闪杆,除影响美观外,中式别墅的屋檐多为挑檐,不利于受力安装,也不利于与暗敷接闪带和引下线焊接连通。若建筑为木质结构(属于易燃材料),不应在其上直接装设接闪器,接闪器的支撑架应采用隔热层,与易燃材料隔离。
  
  3.2 别墅屋脊的保护
  
  当正脊两端架设接闪器后,可以利用2只等高接闪杆的保护范围来验证是否能保护整条屋脊。根据GB50057—2010附录D.0.2中式(D.0.2-2),可以计算出距2根接闪杆中心线任一距离x处,其在保护范围边线上的保护高度
  
  保护高度计算公式,其中hr为滚球半径,h为接闪杆高度,D为2支接闪杆距离。
  
  当x=0,hx=0时,可以计算出0.65m的接闪杆对高度为8.765m的保护距离为64.533m。不同的建筑高度,可以利用该公式进行校验。此项目中的正脊均置于正脊两端接闪杆的保护范围内。
  
  3.3 别墅戗脊和戗角的保护
  
  正脊接闪杆对戗脊、戗角的保护剖面图如图4所示。按滚球法确定单根接闪杆的保护范围,可以发现戗脊和戗角是否在正脊接闪杆的保护范围内,是以屋面的坡度、戗脊和戗角的角度以及挑起的高度决定的,这存在有些戗角不在保护范围内的情况(图4右边戗角无法受到保护),如果存在此种情况,可以由如下几种方案解决:
  
  (1)加高正脊上接闪杆的高度,以保证戗角在接闪杆的保护范围内,此种做法对接闪杆高度增加幅度不大时非常直接有效;但如果接闪杆高度过高时需要附加接闪杆的支撑件,并增大接闪杆的截面,以确保接闪杆的固定。
  
  (2)在戗角高点加设接闪短杆,保证戗角的保护范围,此种做法会影响建筑整体的视觉效果。
  
  (3)利用扁铁、扁铜、铜带等金属材料作接闪器,直接铺设在保护范围外的戗脊和戗角上,其好处是如果喷上和屋脊瓦当一样的颜色,便可以隐蔽其存在;或是利用“异型”接闪器,如戗角上有类似于正吻、垂兽等装饰物,可利用其做成金属构件作为接闪器,美观又安全、可靠。但此类做法会增加投资成本。
  
  因此,中式别墅因造型多样性,防雷设计时一定要综合考虑,才能安全、可靠。
  
  4 中式别墅防雷设施效果
  
  该项目中采用650mm高的12mm热镀锌圆钢的接闪杆和暗敷接闪带组成的避雷网格作为防雷接闪器。别墅屋顶的防雷设计实际效果如图5所示。图5(a)中,正脊边上装设接闪杆;图5(b)中,不在正脊接闪杆保护范围内的戗角采用铝合金包裹,并喷上与屋檐一样的颜色,从视觉效果上可以隐蔽其存在。
  
  5 结语
  
  不管是中式别墅还是其他各种类型的建筑,人们都希望建筑风格能够丰富多彩,因为建筑承载人们对美观和艺术的追求。中式别墅防雷设计时应把防雷装置融入建筑风格,使得建筑从整体上达到安全、美观、和谐和统一。

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