轻钢结构设计的建筑物防雷设计

轻型钢结构（以下简称“轻钢结构”）建筑物造型美观大方，色彩多样，耐大气腐蚀，隔热隔声阻燃，空间利用率高，建设周期短，工程造价低，因而得到广泛的应用，如各类工业厂房、超市、仓库、展览馆、体育馆、飞机库、机场等各式各样的现代建筑物如百花争艳地展现在人们的眼前。由于轻钢结构独特的建筑体系，采用金属板做屋顶面使得其更容易遭受雷击，所以此类建筑和普通砖混结构、框架结构建筑物的防雷工程设计和施工有较大的差异。笔者通过工程设计、现场验收的实际经验总结，对轻钢结构建筑物防雷设计的相关问题作一些粗浅的探讨。
1、轻钢结构建筑物的建筑体系
　　轻钢结构建筑物基础分为钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础，前者在地质情况较好的场地使用，后者则应用于地质情况较差的场地。施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后和钢柱相连。
　　轻钢结构建筑物采用预制构件，不允许现场钻孔、焊接。主钢架（梁、柱）为焊接型钢或热轧型钢，以充分发挥高强度钢材的力学性能。次构件（檩条）为高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型或Z型钢，和主钢架采用螺栓连接。
　　轻钢结构建筑物的围护系统（墙体、屋顶）分为彩钢压型板和彩钢夹芯板，大多采用自攻螺栓和檩条（屋面檩条或沿墙檩条）连接。压型钢板是以彩色涂层钢板或镀锌钢板为基材，经辊压冷弯成型的建筑用围护板材，其保温及隔热层为离心超细玻璃丝棉卷毡。此种板材现场制作，有利于解决大范围内面板搭接易于出现的接缝不严的情况，现场复合使整个大面积的屋面成为一个整体，更加坚固、易排水、防漏、保温，而且建筑外形更加统一、协调、美观。而夹芯板是将彩色涂层钢板面板及底板与保温芯材通过粘接剂（或发泡）复合而成的保温复合围护板材，按保温芯材的不同可分为硬质聚氨脂夹芯板、聚苯乙烯夹芯板、岩棉夹芯板。夹芯板一般为工厂预制。围护系统连接方式一般为咬合连接或者搭接连接。
　　一般而言，墙体的做法先是砌1.2m高、厚0.37m （严寒地区）的砖墙，其上才是夹芯板或者压型板。
2、轻钢结构建筑物的防雷及接地
2.1 接闪器
　　根据轻钢结构建筑物的特点，显然，高大沉重的避雷针不适合在此类建筑物上安装，而《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.1.4条给出了金属屋面作为建筑物（第一类防雷建筑物除外）防雷接闪器的四个要求。
　　规范针对金属板下面有无易燃品的不同情况，对金属板的厚度做了不同的要求，明确规定“金属板下面无易燃品时，其厚度不应小于0.5mm”。让我们看看四种保温芯材的物理特性。硬质聚氨脂属B1级建筑材料，导热系数为0.016~0.025，为难燃体；聚苯乙烯属阻燃型材料，氧指数不小于30，导热系数为0.029，为阻燃自熄型；岩棉属于不燃烧材料，导热系数为0.044；玻璃丝棉属A级建筑材料，导热系数为0.038~0.042，为非燃烧体。另外，保温芯材所用粘胶剂也是阻燃型。所以，轻钢结构建筑物的围护系统为非燃体，当利用金属板做接闪器时，厚度不应小于0.5mm即可。
　　从结构专业角度出发，屋面板的厚度选择一般考虑三个因素：第一是风荷载；第二是雪荷载；第三是檩距。所以，不同地域可能所选的屋面板厚度就不一样，电气设计人员需要和结构专业及时沟通，厚度满足规范要求时，再考核其他条件。在新疆区域内，设计的轻钢结构体系中，檩距在1.5m左右时，屋面面板厚度一般不小于0.6mm，底板厚度一般不小于0.5mm，是满足规范的厚度要求的。若厚度不满足要求怎么办？则应该参考国家标准图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》（01J925-1）做避雷带，其中压型钢板屋面避雷带的细部做法参见48页，夹芯板屋面避雷带的细部做法参见66页。此图集是建筑专业图集，电气设计人员较少接触，而国家标准图集《建筑物防雷设施安装》（99D501-2）和《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》（03D501-3）都没有轻钢结构屋面避雷带的细部做法。所以，电气设计人员引用标准做法时应注意。避雷带网格大小应该按规范的要求和各类建筑物的防雷类别严格对应，施工图纸应当按规范划分的标准准确标注。
　　轻钢结构建筑物的围护系统连接方式一般为咬合或者搭接。无论是压型钢板还是夹芯板，其外观都是瓦楞形的。在施工中，采用搭接时的搭接长度至少要达到一个波峰或波谷，超过100mm则完全满足规范的要求。#p#分页标题#e#
　　另外，规范注释提到“薄的油漆保护层”不算是绝缘被覆层。因此，可以认为彩色涂层钢板无绝缘被覆层，而镀锌钢板则更是电的良好导体。所以，笔者以为《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.1.4条的第四个要求也是满足的。
　　综上所述，笔者认为厚度达到0.5mm的轻钢结构建筑物的屋面夹芯板（或压型钢板）可以作为接闪器。
2.2 引下线
从前面轻钢结构建筑物的建筑体系的介绍可以看出，主钢架、次构件、围护系统在施工中已经作了可靠的连接，形成了持久的电气通路。因此，只要设置了可靠的接地装置，就可以按跨度将钢柱作为引下线。这一点，《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.2.3条已经作了规定。当然，规范对各类防雷建筑物的引下线间距做了要求，不过在土建施工时，只要所有的钢柱和接闪器、接地装置做了可靠连接，那么它们都是引下线，实际效果超过了规范的标准。
针对《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000版）第4.2.5条的规定，即是否要对地上1.7m至地下0.3m一段作为引下线的钢柱采取保护措施，笔者认为没必要。第一，不用担心钢柱容易受到机械损坏；第二，从轻钢结构的建筑体系看，距地有1.2m高的砖墙或者加气混凝土砌块，对人身接触有一定的防护；第三，钢柱本身做了防腐处理，含绝缘被覆层，也起到一定的防护作用。
但利用型钢作为防雷引下线，当雷电流通过引下线时周边产生的运动变化磁场，必然污染附近的电子设备，在周边导电体上感应出不同的电位，如果室内人员同时触摸具备很高电位差的导电体时，就造成人身安全事故了。解决方法：
1） 人身安全：在人能够触摸到的一切与大地有直接联系和间接联系的金属导电体直接实施以消灭电位差为目的的等电位电气连接，最大限度的保护人身安全。
2） 依据GB50057、GB50343等等国家标准对设备及微电子设备实施SPD保护。
2.3 接地装置
　　在现行设计中，一般将基础钢筋作为自然接地体，用40X4的热镀锌扁钢将其连通，并施行总等电位联结。这样进行处理，接地电阻很小，一般容易达到设计要求。在设计中应当注意，应在室外合适位置预留接地连接板，做法可以参考国家标准图集《接地装置安装》(03D501-4)。这样，当接地电阻值达不到要求时，施工单位可以方便地连接人工接地体和测试接地电阻值，这一点应当在设计图纸中有所体现。
　　另外，在设计图纸中，不能泛泛而谈“利用建筑物基础钢筋做自然接地体”。前面已经提到，轻钢结构建筑物在基础施工时需预埋地脚螺栓，加垫片后才能和钢柱相连。须知：预埋的接地螺栓本身和基础钢筋是没有电气连接的！所以，土建施工时可用不小于φ10钢筋或圆钢将基础钢筋和接地螺栓可靠焊接，具体做法参见国家标准图集《利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装》（03D501-3）的17页。这样，从接闪器到引下线，再到接地装置，雷电流才具备完整的泄放通道。这样做还不够，还应该用短钢筋和基础钢筋可靠焊接，并引出基础外，供联结接地环网，方有利于降低自然接地体的接地电阻值和实施有效的等电位联结。这一点对于设置独立基础的轻钢结构建筑尤其重要，所以有必要在设计图纸中交待清楚。
　　如果忽视了轻钢结构建筑物接地装置的特殊性，即基础钢筋和接地螺栓本身并没有电气连接这一事实，造成的后果则是整个建筑物没有可靠的接地网。采取的补救措施是用40X4的热镀锌扁钢做等电位环网，热镀锌扁钢过钢柱时应和柱底脚板下侧可靠焊接，这样，热镀锌扁钢充当了接地极和接地线的双重角色。
　　除等电位接地环网沿建筑物外围敷设一周外，在建筑物内还应该按跨度设置均压网格，不但降低跨步电压，保护人身安全，而且有利于各个工程电气及生产设备就地实施等电位联结，缩短等电位联结线的长度。
3、结束语
　　以上是对轻钢结构建筑物防直击雷措施的总结, 结论是：厚度达到0.5mm的轻钢结构建筑物的屋面夹芯板（或压型钢板）可以作为接闪器，利用钢柱做引下线，利用基础钢筋做自然接地体并通过热镀锌扁钢连接成可靠的等电位接地环网。