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装配式建筑防雷设计关注点

装配式建筑防雷设计关注点

打印 0条评论来源:建筑电气杂志

装配式建筑的建造方式有别于传统建筑,是一种用预制构件在工地装配而成的建筑。按照结构形式可分为装配式混凝土结构建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑及各类装配式组合结构建筑。以装配式混凝土建筑为例,预制构件包括预制梁、预制柱、预制叠合板、预制楼梯、预制阳台、预制空调板、预制女儿墙、预制外墙板等,这些标准化设计的预制构件均在工厂内生产加工完成,运输至现场后由施工单位经装配化施工工艺组装成各类建筑。现浇钢筋混凝土结构建筑的防雷设计,通常是利用钢筋混凝土结构内互相贯通的钢筋作为防雷接地装置;而装配式混凝土建筑中,预制构件的生产和装配工作并不能完全保证构件与构件之间的钢筋形成电气通路。


针对这种新型建造形式的装配式建筑防雷设计,电气设计师需要重点关注哪些问题及采取怎样的措施呢?本文结合国标图集20D804《装配式建筑电气设计与安装》的编制,归纳、总结装配式建筑防雷设计关注点,供设计师参考。


装配式建筑的结构系统及特点


建筑物防雷设计需要结合建筑物的结构特点、基础形式和施工步骤进行系统性的设计,以保证雷电防护装置的合理性和有效性。装配式建筑是通过标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修等流程来进行建造,这就要求防雷设计人员充分了解这种建筑的结构系统,构件的拆分、生产情况,施工流程及施工工艺等,并制定合理的雷电防护设计方案,让雷电防护装置真正发挥作用。因此,建筑物的结构系统是装配式建筑防雷设计首先需要关注的重点。


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装配式建筑的结构系统


根据GB / T 51231 - 2016《装配式混凝土建筑技术标准》第2.1.6条术语,装配式建筑的结构系统是指结构构件通过可靠的连接方式装配而成,以承受或传递荷载作用的整体。常见的装配式建筑分为3大类:装配式混凝土结构建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑,而各类建筑根据其结构形式不同又可细分为多种类型。笔者根据各类装配式建筑目前常见构件种类、构件间的连接方式、钢筋的自然连续性等方面,对装配式建筑结构系统特点简单归纳如下,见表1。


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>>>> 装配式混凝土建筑应充分利用预制构件内的钢筋作为雷电防护装置(LPS)部件


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》(以下简称《雷电防护  第3部分》)第4.2节关于LPS的设计总则要求:“如果LPS的设计、施工步骤能与需保护建筑物的设计、施工步骤相互协调,则可以获得无论技术上还是经济上都是最优的LPS设计。特别地,建筑物本身的设计应利用建筑物内的金属部件作为LPS部件”。


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预制构件之间钢筋的电气连续性认定


国家相关标准、规范中,对钢筋混凝土结构中钢筋间电气连续性认定有如下规定:


a. 《雷电防护  第3部分》第4.3节规定:“在钢筋混凝土建筑物内部,如果垂直连接带和水平连接带主要连接部分经过了焊接或进行其他可靠连接,可认为钢结构在电气上是连续的。垂直连接带应焊接、夹接或互搭(重叠部分尺寸最少应为其直径的20倍)和绑扎或进行其他可靠连接。”


b. GB 50057 - 2010《建筑物防雷设计规范》(以下简称《雷规》)第4.3.5 条第6款规定:“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。单根钢筋、圆钢或外引预埋连接板、线与构件内钢筋应焊接或采用螺栓紧固的卡夹器连接。构件之间必须连接成电气通路。”


c. 《雷电防护  第3部分》附录E.4.3.3图E.5给出了在允许的前提下,混凝土中钢筋的典型连接方法,其中a)为焊接、b)为夹接、c)为绑扎连接,这3种施工方法符合雷电流要求,可以用于雷电防护装置的钢筋连接;d)为捆绑连接,只符合EMC要求,不符合雷电流要求。


>>>>各类装配式建筑结构系统中构件间连续性的特点


根据1.2、1.3节内容,对表1中各类装配式建筑结构系统中构件间连续性特点总结如下:


a. 装配式混凝土建筑的结构系统与传统建筑有较大的差异,采用灌浆套筒连接的竖向构件其构件内的钢筋是不连续的。预制构件间的横向连接多采用后浇带或边缘构件现场浇筑,可实现预制构件间结构钢筋水平连接的电气连续性,与传统混凝土建筑无异。对于剪力墙结构建筑,可直接利用预制剪力墙的现浇钢筋混凝土边缘构件内钢筋作为防雷引下线,预制剪力墙内采用灌浆套筒连接的主筋可不做电气连接,满足防雷规范要求。采用预制柱的装配式框架结构建筑,如要利用其预制柱内主筋作为防雷引下线,需在灌浆套筒处设置附加导体将上、下层柱内主筋进行电气连接。


b. 装配式钢结构建筑的钢构件通常采用带螺栓接头的工字梁进行互相连接,如果螺栓已拧紧达到一定的机械强度,则认为通过螺栓连接的钢体部件实现了电气互连。所以装配式钢结构建筑可以直接利用建筑自身钢结构作为外部防雷装置,与传统钢结构建筑无异。


c. 装配式木结构建筑的结构系统分为纯木结构和混合木结构,装配式纯木结构和传统木结构建筑差别不大,装配式混合木结构建筑可根据其结构形式参照钢结构或混凝土结构建筑特点进行防雷设计。


装配式建筑接闪器的设置


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预制女儿墙顶上明设接闪器的做法


装配式混凝土建筑大多采用预制女儿墙,女儿墙的安装方式可分为内嵌式和外挂式。在各段预制女儿墙水平连接部位设置现浇段的连接方式,称为内嵌式;预制女儿墙通过金属连接件外挂于结构梁、柱的安装方式,称为外挂式。无论预制女儿墙采用何种安装方式,在没有任何预留条件的情况下,将接闪带(或接闪器)直接安装于女儿墙顶面的做法(如采用膨胀螺栓安装)都是不可取的,这样会损坏预制墙板,破坏防水,导致施工质量无法保证。故在预制构件生产时,需在女儿墙板顶面靠近室外侧预埋连接钢板,用于固定接闪带(或接闪器)支架,以避免现场安装作业对预制墙板的损伤,此钢板间距需满足《雷规》表5.2.6要求,即当接闪带采用扁钢导体和绞线时,固定间距不大于500 mm;采用单根圆钢导体时,固定间距不大于1 000 mm。


基于美观、可实施性强、满足防水要求的目的,很多预制女儿墙顶设置有金属压顶,当该金属压顶满足《雷规》第5.2.7条中最小厚度要求时,可利用其作为自然接闪器;并要求在金属压顶的水平连接处,通过软连接导体将金属压顶连成电气通路。见图1。


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屋面接闪网的做法


屋面板采用叠合楼板或现浇楼板的装配式混凝土建筑,屋面接闪网格可明设于屋面板上或暗敷在屋面整浇层内,与传统做法无异。若为种植屋面,根据《雷规》第4.3.5条第1款,可直接利用屋顶钢筋网作为接闪器,该接闪网格需焊接成满足建筑防雷等级要求的尺寸。


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预制女儿墙顶接闪器(带)与屋面接闪网及引下线的连接


内嵌式预制女儿墙通过设置现浇连接段的方式实现女儿墙板之间的水平连接和女儿墙的固定安装。外挂式女儿墙有分体式和连体式两种:分体式预制女儿墙指女儿墙与下一层建筑外墙分段设置,通过外设于屋面的后浇柱进行安装固定;连体式外挂女儿墙指女儿墙与下一层建筑外墙连体设置,通过外挂金属件固定于现浇结构梁上。


实际工程应用中,可以通过对预制女儿墙固定安装方式的研判,来确定接闪器(带)与屋面接闪网及引下线的连接方法。通过上面对女儿墙安装方式的分类描述可以看出,内嵌式预制女儿墙与外挂分体式女儿墙的固定安装都有一个共同特点,就是将女儿墙板固定安装于现浇的结构体上,前者的结构体是现浇连接段,后者的结构体是现浇混凝土柱(或称后浇柱),而现浇结构体内的钢筋,通常是可以作为防雷装置的一个部分。基于这一特点,女儿墙顶的接闪器(带)与屋面接闪网及引下线的连接位置均可选择在这个现浇结构体上,通过设于该结构体上的预埋件,即可实现接闪器(带)、屋面接闪网、下部引下线柱内钢筋之间的可靠连接。图2所示为内嵌式女儿墙上明设接闪器与屋面接闪网及引下线的连接做法节点,序号5即是现浇混凝土柱上的预埋件。图3所示为外挂分体式女儿墙顶明装接闪器与屋面接闪网及引下线的连接做法节点,序号4即是现浇混凝土柱上的预埋连接板。


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内嵌式女儿墙通过预制段之间的后浇段固定,女儿墙顶接闪器和引下线、接闪网格的连接可直接暗设在现浇段内。图2所示为直接利用与引下线柱连接的后浇段内两根 ≥ Φ10的主筋作为引下线与接闪器的节点,适用于剪力墙结构的内嵌式女儿墙做法;如为预制柱框架结构建筑,接闪带与引下线连接与图3类似。


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外挂连体式女儿墙通过金属连接件直接装设于结构梁上,既要关注预制女儿墙内钢筋与建筑主体结构钢筋的连接,还要关注接闪器(带)和引下线的连接。


一般来说,外挂连体式女儿墙较矮,通常仅高出屋面0.4 m,多用于非上人屋面,屋面接闪网格可采用明设也可采用暗设,女儿墙上接闪器(带)可通过附加导体(如 - 25 × 4镀锌扁钢)与屋面接闪网及引下线可靠焊接,如图4所示。


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装配式建筑的防雷引下线


>>>> 引下线分类


引下线是用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体,有自然引下线和专设引下线之分。按照《雷规》4.3.5 条条文说明,自然引下线是指“建筑物的电气贯通的钢筋混凝土框架的金属体”;“当无建筑物钢筋混凝土中的钢筋或钢结构柱可作为防雷装置的引下线时,应专设引下线。”


从本文第1章知道,采用了预制柱的装配式框架结构建筑,纵向受力预制构件(主要是预制柱)间纵向钢筋采用套筒灌浆连接,不满足LPS的电气连续性要求,需要采取附加专用导体来对主钢筋进行连接实现钢筋的电气连续性。为了方便分析对比,区别于传统直接利用建筑钢筋的自然引下线,本文将这种对建筑物钢筋做了电气连续性处理的引下线,称为专用引下线。


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装配式框架结构建筑的引下线选择


设有预制柱的装配式框架结构建筑,是选择专用引下线还是专设引下线呢?这个问题是所有防雷设计人员关心的问题。


首先,来了解下预制柱的特点。根据GB / T 51231 - 2016《装配式混凝土建筑技术标准》第5.6.3条的规定,预制柱内纵向受力钢筋直径通常不小于20 mm,柱的纵向受力钢筋集中于四角并对称布置。如图5所示是预制柱正视图及横断面示意,受力主筋在四角,共12根,上下预制柱间钢筋通过灌浆套筒进行连接。


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目前实际工程中预制柱内防雷引下线做法有2种:专设引下线和专用引下线。专设引下线一般采用预制柱内单独设置圆钢或扁钢,专用引下线则是利用2根钢筋绑扎或焊接在一起作为一组引下线,见图6。


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引下线的直流电阻计算


防雷引下线的两种做法都需要采用附加导体将上、下预制柱内引下线做电气连接,究竟哪一种更能满足规范要求?更加适合工程应用呢?


笔者以一栋高度为80 m的装配式框架建筑为例分别计算两种引下线的直流电阻。该建筑为框架-现浇核心筒结构,框架柱全部为预制柱,建筑层数20层。图7为预制柱内引下线示意图,方案一为专用引下线,利用预制柱内2根Φ20钢筋作为防雷引下线;方案二为专设引下线,采用一根Φ10圆钢或一根 - 25 × 4扁钢作为防雷引下线。


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两个方案中,均在预制柱面设置预埋连接板,并采用附加导体(- 25 × 4扁钢)将上、下层引下线进行连接,连接点电阻应计入引下线的直流阻值。《雷电防护 第3部分》第4.3节规定:对使用钢筋混凝土(包括预制的、预应力的钢筋混凝土模块)的建筑,钢筋连接带的电气连续性可以通过其最上部和地面之间的电气测量来确定,测试直流电阻不应大于0.2 Ω。为检测连接点暴露在空气中的腐蚀情况(连接点焊接后涂防腐漆),笔者对连接点的电阻值进行了为期一年的跟踪测量,每个季度做一次测量记录,如表2所示(表中除连接点阻值数据外,其他电阻值为计算数据)。


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从表2数据可以看出:无论是专用引下线还是专设引下线,其直流电阻均能满足不大于0.2 Ω的要求;其中专用引下线由于利用了2根主筋,其直流电阻值更小。


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自然引下线、专用引下线与专设引下线的比较


自然引下线、专用引下线、专设引下线的特点及适用场所比较见表3,表中的专用引下线指满足本文“引下线分类”定义的引下线。


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从表3可看出,采用专用引下线方案具有与自然引下线相同的优点,同时成本较专设引下线小,可靠性更高;而且,充分利用了预制柱内钢筋及相互间的连接(土建施工的连接方式),有利于减小对间隔距离的要求,国标图集推荐采用。


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引下线防腐问题


表2中连接点阻值的测试表明,在成都的气候条件下,暴露在半室内空气中一年,引下线连接点电阻从0.57 mΩ增加到1.2 mΩ,虽然增加的绝对值不大,但是增加的幅度还是很高,因此,连接点的防腐也是需要关注的一个问题。


对于混凝土中的金属,由于相似的碱性环境,钢或镀锌钢会使金属自然电位更稳定,因此,混凝土中的钢筋不会出现明显的腐蚀问题。但对于预制柱内引下线的连接,如果将连接板设于预制柱面上,则面临着暴露于空气中的腐蚀问题,同时还可能存在引下线外露的风险,因此应采取适当措施来保证安全,重点措施是对连接点进行密封处理。具体做法是:将连接板设置在预留的凹槽内,采用比构件混凝土标号高一级的细石混凝土或Ⅰ、Ⅱ类水泥基灌浆砂浆补槽抹平,将连接的镀锌扁钢与预埋连接板密封在结构件内;或将连接点刷两遍常规的防腐漆,再采用普通抹灰砂浆进行补槽抹平,连接部位做上永久性明显标记。连接点大样见图8。


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装配式建筑的侧击雷防护


根据《雷规》第4.3.9条、4.4.8条规定,高于60 m的建筑物,其上部占高度20 %并超过60 m的部位应考虑防侧击雷措施。对于装配式建筑,外墙上的预制构件形式多种多样,常见的构件有:预制阳台、预制空调板、预制凸窗、预制外墙板、金属玻璃幕墙等。了解预制构件的形式和装配工艺,并采取适当措施确保其内部钢筋与建筑主体结构钢筋可靠连接,是做好装配式建筑防侧击雷设计的关键。外墙上常见的预制构件可分为以下4类:


a. 第1类,建筑的金属外墙板、金属幕墙。防雷连接措施为:在各楼层现浇梁板内预埋防雷连接板,采用附加导体将金属构件与主体结构内作为防雷装置的钢筋可靠连接,而金属外墙板、金属幕墙通过金属连接件与该防雷连接板可靠连接,该措施与传统建筑无异。


b. 第2类,外墙上的预制空调板、预制阳台、预制凸窗。这些构件的防雷设计要解决两个问题:其一是固定于构件上的金属物,如金属百叶、金属栏杆、金属窗框等与构件内防雷附加导体的连接;其二是附加导体与主体结构钢筋的连接。附加导体和预埋板的设置,是实现这些连接的关键。在构件制造过程中,嵌入附加连接导体,一端与构件表面预埋连接钢板连接,用于与金属物(如金属栏杆、空调板金属百叶等)连接,另一端引出与建筑主体结构钢筋连接(见图9),或与预制构件的金属连接件连接(见图10)。对于凸出外墙的构件本身,如凸窗、阳台板、空调板等不再另设防直击雷的人工接闪器。


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c. 第3类,预制PC外墙板上金属窗框防雷。PC外墙板按照安装方式分为外挂式和内嵌式。其中,外挂式墙板通过金属连接件安装、固定于主体结构上,故预制外墙板内金属窗框可通过预埋连接板、墙板内钢筋、金属连接件等互相连接后,再与主体结构的梁、板内主筋等防雷装置连接,预埋连接板、金属连接件应在预制构件生产时,与其内部主筋相互连接(见图11)。内嵌式预制外墙板通过与后浇段的水平连接进行固定,预制外墙板内金属窗框可通过预埋连接板、附加连接导体与后浇段内主筋可靠连接后实现与主体结构内防雷装置的连接(见图12)。


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d. 第4类,增压加气混凝土外墙板(AAC板)上的金属窗框防雷。增压加气混凝土外墙板通常是采用外挂或内嵌式,安装、固定于建筑周边的叠合梁上,通过叠合梁上的预埋件及角钢将外墙板固定;同时,为满足外墙的稳定性要求,该外墙板上还设置有金属骨架,金属窗框边设置金属加固框,这些金属连接件、骨架、加固框,非常适合用作金属窗框与主体结构防雷装置的连接,见图13。


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装配式建筑的雷电等电位连接和电气绝缘


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雷电等电位连接


根据《雷电防护  第3部分》附录E.6.2,对高于30 m的建筑,建议在20 m及以上每隔20 m进行等电位连接,即应将外部引下线、内部引下线和金属部件连接在一起,形成内部LPS的保护性电位均衡法拉第笼。同时,第4.3节要求“预制钢筋混凝土建筑内,各相邻预制混凝土模块间应建立电气连接。”


装配式建筑应按上述要求做好雷电等电位连接。装配式剪力墙结构建筑,每层设有现浇结构边梁,可以利用外边梁内主筋作为环形导体来实现等电位连接;装配式框架结构建筑,可以采用叠合梁现浇层内钢筋连接成电气通路作为环形导体,并与叠合楼板现浇层内钢筋可靠连接成电气通路。环形导体实现电气通路的方法可参照本文“预制构件之间钢筋的电气连续性认定”一节措施。


等电位连接环形导体应将LPS与其他金属部件(金属装置、建筑内部系统、建筑外部导电部件、管线)进行等电位连接形成电气通路。设于外墙上的预制构件,均可通过楼层均压环将其内部钢筋与建筑主体结构钢筋可靠连接。对高于60 m建筑设置的等电位连接环形导体,也可兼作防侧击雷的接闪器。


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电气绝缘


装配式框架建筑,是否与传统混凝土建筑一样,需要利用所有预制柱内钢筋作为专用引下线呢?按《雷规》第4.3.8条、4.4.7条,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距离可无要求;在其他情况下,金属物或线路与引下线之间的间隔距离应按下式计算:


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根据以上规定,当采用全部预制混凝土柱作为防雷引下线柱并与楼层梁、板内钢筋做可靠连接实现电气贯通后,间隔距离可以不做要求;当未采用全部预制混凝土柱作为防雷引下线柱时,为避免反击,需要复核是否满足间隔距离要求。


为让建筑内设备布置尽量少受引下线位置的限制,建议装配式框架结构建筑应尽量多地利用建筑四周柱内主筋作为引下线,保证引下线数量n为10根及以上;同时每两层将结构叠合外边梁现浇层内钢筋焊成电气通路作为环形导体,此时间隔距离可以忽略不计。


结语


装配式建筑的防雷设计关注要点归纳如下:


a. 装配式建筑的结构系统是防雷设计首先要关注的重点,充分了解各类装配式建筑的结构系统及特点是做好装配式建筑防雷设计的关键。


b. 预制女儿墙上明设的接闪带,需在预制构件生产时,在女儿墙板顶面靠近室外侧预埋连接钢板,用于固定接闪器支架,以避免现场安装作业对预制墙板的损伤;预制女儿墙上的接闪器与接闪网及引下线的连接方法需根据预制女儿墙的安装方式确定。


c. 应优先利用建筑物内钢构件作为雷电防护装置的自然部件;装配式框架结构建筑,其预制柱内作为引下线的钢筋在楼层连接、与接闪器的连接、与基础连接等处,应采用附加专用导体来对主钢筋进行连接,并形成可靠的电气通路。


d. 预制钢筋混凝土建筑内各相邻预制混凝土自然构件间应建立电气连接。设于外墙上的预制构件,如:预制阳台、预制空调板、预制凸窗、预制外墙板等,应与其上安装的金属物(如金属栏杆、空调板金属百叶等)做可靠连接,同时与建筑主体结构钢筋连接,或与预制构件的金属连接件连接。


e. 对采用预制柱的装配式框架结构建筑,为防止雷电反击,应尽量多地利用建筑四周柱内主筋作为引下线(建议全部利用且不少于10根柱子),并每两层将建筑物周圈的叠合梁现浇层内主钢筋焊成电气通路作为环形导体,以减小对间隔距离的要求,同时满足对接触电压和跨步电压的防护要求。


f. 预制构件生产及现场施工时,应重点关注防雷设施在建筑全生命周期的电气连续性。针对不同地域、不同环境应采用合适的防雷材质和防腐处理措施。


(责任编辑:何雯丽)



延伸阅读:

装配式混凝土建筑的施工质量验收 预制装配混凝土桥梁发展现状及热点 装配式混凝土木混合结构体系简述

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[责任编辑:Susan]

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