按照叶设计规范防雷装置由接闪器、引下线和接地装置组成下面分别叙述大剧院防雷装置的施工情况。
3.2接地装置接地网
大剧院工程强电、弱电和防雷系统共用接地装置设计要求工频接地电阻不大于1欧姆由总承包联合体机电分部施工。
接地网由建筑物基础内的铜导线网和基础钢筋网重叠组成。在两网交汇处采用放热熔焊连接埋入混凝土中的为普通裸铜线埋入土中的铜导线需镀锡。铜接地网在基础底板最深处-32.50m底板底筋的上面用95mm2的裸铜线组成30m-40m的网格所有的上引裸铜线均由此网格引出。在建筑物四周用95mm2裸铜线敷设一圈与相应95mm2裸铜引下线相连接。底板钢筋网由大于椎16的两根钢筋焊接而成网格为8m-8m左右接地网最深-32.50m最浅-13.50m。基础底板最厚处达
1.6m用椎14圆钢将上下两个钢筋网片连接成一整体。为降低接地电阻铜接地网还和护坡桩中的工字钢相连。接地网至建筑物的接地使用点一律采用铜线其规格是院引至9个变配电室和弱电控制室接地点各采用一组95mm2和240mm2的铜线引至10个接地电阻测量点在建筑物周围水池之外各采用两根95mm2的铜线。另外有40根95mm2的铜线
引至屋面主体钢结构的下端40个点沿椭圆形钢结构均匀分布并与钢结构焊接这是大剧院建筑的防雷引下线的一部分。目前5个变配电室已施工完毕由变配电室接地点测得的接地装置的工频接地电阻在0.2-0.25欧姆之间符合设计要求。
3.3防雷引下线
上面已经交代40根95mm2铜线是一部分防雷引下线另外与40根95mm2铜线同时引上的80根椎32主筋是另一部分引下线二者共同组成40组防雷引下线。40根95mm2铜线和80根主筋在依0处与主体钢结构焊接钢结构底部椭圆长轴约212m短轴约143m由于40组引下线是沿椭圆均匀分布的故可以算出引下线的间距满足叶设计规范间距不大于18m的要求。为防止雷电电流途经区域的反击情况发生每根95mm2铜线在进入建筑物混凝土柱时都和两根椎32主钢筋可靠焊接。在-14.70m处每根95mm2铜线和两根主钢筋中途再焊接一次.
3.4接闪器
大剧院椭圆形的屋面都属于接闪器的范围,由于屋面工程十分复杂以下采用由内到外的顺序详细叙述屋面防雷施工的情况。
3.4.1主体钢结构部分
主体钢结构在球形屋面内侧约50cm的位置由六千多吨各种型号的钢材焊接成一个网状的椭圆形球面又称主体钢结构以承受屋面的重量。主体钢结构实际上就是屋面内部的防雷网它完全满足叶设计规范中避雷网的要求院第一它的焊接质量可靠并连成一个整体。第二钢结构形成的球面网格一般在2m-3m左右满足设计规范二类防雷野不大于10m-10m或12m-8m的网格冶要求。第三组成网格的金属钢材的截面积也满足叶设计规范中野圆钢直径不应小于8mm扁钢截面不应小于48mm2的要求。主体钢结构是一个导电性能十分良好的导体它的下端和40组防雷引下线连接上端和屋面上各种金属部件连接主体钢结构网下的空间从防雷角度来说是十分安全的。
3.4.2玻璃幕墙部分
如前所述大剧院屋面的表层由透明部分的玻璃幕墙和不透明部分的钛金属板组成玻璃幕墙部分的面积约占整个球面积的1/8对称分布在南北两侧。对于防雷施工来说玻璃幕墙部分比较简单。玻璃幕墙的防雷施工应特别注意幕墙框架的导电性能也就是必须保证铝合金框架和主体钢结构电气导通这就出现两种不同金属的连接问题。两种不同金属的转换是通过十字支撑件也称球头调节螺栓完成的该支撑由铝合金组成位于四块玻璃的交汇处并和铝合金框架连接。十字支撑的垂直方向有一个由不锈钢制成的一端为球形、一端为方形的支撑体方形的一端和伸出主体钢结构球面约40cm的钢牛腿用螺栓连接球形另一端事先已嵌入组装十字支撑的球形凹面中。这种独特的构造既保证了玻璃幕墙形成的球面相对于主体钢结构牛腿的转动要求又解决了钢和铝通过不锈钢的连接问题。滑动连接之间的导电性能是由钢化玻璃幕墙的重压每块玻璃重六百余kg和大面积的接触面来保证的。另外整个屋面纬度方向的53条铝合金导轨在通过玻璃幕墙部分时直接和纬度方向的铝合金框架固定保证了导轨在该区域和主体钢结构连接的问题。可见该部分的防雷施工满足了叶玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003中玻璃幕墙应形成自身的防雷体系并与主体钢结构的防雷体系可靠连接的要求。
3.4.3金属钛板部分
钛金属板部分对称地分布在东西两侧钛金属板距主体钢结构网约50cm其间结构相当复杂是屋面工程中结构连接最复杂的部分。该部分由内到外分为防水保温隔声层、铝合金支撑、金属钛板三部分。
3.4.3.1防水保温隔声层
该部分也称Kal-zip系统由2mm厚的镀锌钢板、铝合金T形码、100mm厚保温玻璃棉和1mm厚铝合金锤纹防水板组成。镀锌钢板用不锈钢自攻螺丝固定在主体钢结构附属檩条由方钢焊接所组成的球形网格上镀锌钢板上是数以万计的被称为T码的铝合金件T码在球面上的位置经纬方向都成直线。T码的截面类似于加高的铁轨高约120mm下部长约60mm宽约50mm腰厚6-8mmT码上部的菱形头便于防水板锁边。T码用不锈钢自攻螺丝穿过镀锌钢板固定在主体结构的檩条上符合不同金属连接要求T码间的钢板上敷设100mm厚的保温玻璃棉上面再敷设铝合金防水板。相邻的铝合金防水板在T码菱形头处野欧姆冶形重叠用锁边机将防水板锁紧在T码菱形头上也称直立锁边锁边完成后T码部分高出由铝合金板形成的防水层20mm用以固定铝合金支撑。由上述构造可知T码是保温隔声最薄弱的环节因此T码和镀锌板之间、自攻螺丝和T码接触部分都加了橡胶垫使T码和主体钢结构之间处于绝缘状态也就是阻断了防水板对雷电电流的导通这是绝对不允许的。解决办法是在不大于5m-5m的球面网格中去掉交叉处T码和自攻螺丝的橡胶垫。在两块钛金属板的屋面中总计约有一千六百个T码去掉了橡胶垫以保证防水保温隔声层的导通。防水层施工完成后检测中心对防水保温隔声层的防雷性能进行了检测结论是院钢结构和钢板、T码、防水铝合金板之间的过渡电阻值最小为0.01欧姆最大为0.03欧姆其连接电阻符合论证审核意见的要求。
3.4.3.2铝合金支撑系统
该部分由扣夹、导轨支座支撑件、钛板檩条由铝管组成、钛板支座等铝合金件组成连接顺序如下：
3.4.3.3金属钛板层
金属钛板一般尺寸为2200mm-800mm是一种复合板厚4mm四周弯70mm的边固定在铝合金框架上铝合金框再与钛板支座用螺栓连接。4mm的复合板内层为0.3mm的不锈钢层中间为3.4mm的扣夹的夹具将被锁边的防水铝板紧固在T码凸出部分并使扣夹、防水铝板、T码形成电气通路由于扣夹的紧固螺栓不穿过防水铝板故对防水功能没有影响。由支撑系统的连接顺序可以看出支撑件之间的构造是十分复杂的但对防雷施工来说所要求的是它们之间的导电性能。而为了防震隔声的需要扣夹和导轨支座支撑件之间导轨和导轨支座之间钛板支座和钛板檩条之间都采用了橡胶垫这就要分析连接部分的导电性能如果在接触面和紧固螺栓平垫之间都加了橡胶垫就破坏了其间的导电性。解决的办法是去掉绝缘垫或者直接用铜导线跨接。当时有一个用25mm2铜导线将导轨、钛板直接和扣夹连接的方案需用导线一万八千余根这种方案最可靠但工程量较大。通过研究最后确定了在10m-10m点阵网格中用4个3mm厚、2mm宽的铝片直接将钛板与扣夹的螺栓连接。
蘑菇头的铝合金支架通过两个不锈钢铆钉铆接在钛板侧边上接触面加绝缘垫解决了铝和钛金属的连接问题由于只是接触面加垫并不影响蘑菇头支架和钛板内侧的铝合金框的电气导通。
在一万多个蘑菇头中有506个蘑菇头内装有发光灯这种蘑菇头又称蘑菇灯其防雷措施和蘑菇头相同。
1其他的防雷措施
2防雷电波侵入
高压10kV的进户电缆从电缆沟引入雷电波直接侵入的可能性比较小为了防止各种过电压仍在高压进线柜中装了MWD-15型避雷器。给路灯供电的低压电缆其金属外皮一端接在控制柜的PE线上出建筑物时电缆的金属外皮作等电位连接等电位连接板和建筑物外墙的钢筋相连。进出建筑物的金属管道在进出口处作等电位连接燃气管进户加一段绝缘管绝缘管户内端的金属管道作等电位连接绝缘管两侧接放电间隙。
3.4.4.2防侧击雷
由于屋顶高度已超过45m按照叶设计规范防侧击雷和等电位的要求敷设在钛金属板和防水层之间高于45m的金属风管、清洗用金属水管以及由铝管组成的钛板檩条应和防雷接地装置相连。大剧院施工中整个屋面内的风管、水管、钛板檩条两端都采取了和防雷装置相连的措施即分别采用6mm2的软铜线直接和扣夹的紧固螺栓相连。
4有关大剧院防雷问题的探讨
从防雷施工的各个环节来看大剧院建筑的防雷措施是可靠的。由于大剧院工程的特殊性和复杂性在防雷部分也出现了不少需进一步探讨的问题。
4.1大剧院屋面防侧击雷的问题
设计规范要求45m以上的二类防雷建筑采取防侧击雷和等电位的保护措施。大剧院工程为椭圆形的球面建筑按照二类防雷用滚球半径45m的圆球确定保护范围的理论滚球和椭圆形球面大约交汇在24m处。因此我们认为大剧院屋面球面24m以上的部分都应有防侧击和等电位的措施。在大剧院施工中我们要求屋面中的水、电、风管的金属外皮都和防雷装置即金属防水层上的扣夹相连这是根据叶设计规范的内在要求作出的突破了叶设计规范中高于45m的规定。
4.2大剧院建筑的接闪器
如前所述防雷装置由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。大剧院建筑的接闪器是指哪一部分大剧院防雷有关文件认为屋面最突出的部分即幕墙部分的铝合金框架、金属装饰件蘑菇头和清洗小车导轨是接闪器而将铝合金支撑系统、防水板、T码等称为雷电引下线这种概念是值得商榷的。我们认为按照设计规范关于引下线的要求暗敷时圆钢直径不小于10mm扁钢截面不应小于80mm2大剧院建筑防雷引下线应是主体钢结构至基础接地网的40根95mm2的铜线和80根椎32主筋。整个主体钢结构及其支撑的屋面都属于接闪器的范围只有采用这种理解方式才能解释为什么允许T码在5m-5m的范围内去掉绝缘垫时仍能满足防雷的要求而铝合金支撑系统、防水板、T码等只是接闪器内部的雷电电流通路。
4.3金属钛板的厚度能否满足防雷要求
按照设计规范用屋面金属板作接闪器的要求金属板下面无易燃物品时其厚度不应小于
0.5mm大剧院屋面金属钛板作为防雷接闪器的前端其板厚0.3mm不符合上述要求。
我们认为4mm的金属复合板由两层金属组成上面为0.3mm钛金属层下面为0.3mm不锈钢层中间虽有3.4mm的氧化镁绝缘层分开但每块板两层金属之间有36处相接已包括固定蘑菇头的两个铆钉从导电性能来说可以认为两者是一个整体0.6mm的金属层厚度能满足叶设计规范的要求可以作为防雷接闪器的接闪点。但据此条文的解释院已证实铁板遭雷击时其与闪击通道接触处由于熔化而烧穿仅当其厚度小于4mm时才可能。因此钛板层在遭雷击时可能熔化而烧穿。而根据屋面的结构破坏范围仅在防水保温隔声层以上的空间主体钢结构球面以下的空间是安全的。
4.4如何理解过渡电阻不大于0.03欧姆的要求
检测中心审核意见对竣工验收的检测项目和电阻值提出了要求所检测的三项过渡电阻不大于0.03欧姆。过渡电阻的要求出现在叶设计规范防雷电感应措施中指金属物体每个连接处当连接处的过渡电阻大于0.03欧姆时连接处应用金属导线跨接。在条文解释中还举例对有5根螺栓连接的法兰盘检测的结果是其过渡电阻小于0.03欧姆因此不用导线跨接就可满足其导通性能。按照上述解释在串联情况下有关的过渡电阻如下：
a.铝合金导轨和主体钢结构连接顺序为院铝合金导轨要导轨支座要导轨支座支撑件要扣夹要防水铝板要T码要主体钢结构最大过渡电阻0.03*6=0.18欧姆。
b.蘑菇头和主体钢结构连接顺序为院蘑菇头要钛金属板要钛板支座要钛板檩条要导轨支架支撑件要扣夹要防水铝板要T码要主体钢结构最大过渡电阻为0.03*8=0.24欧姆。
C.玻璃幕墙金属框架和主体钢结构连接顺序为院玻璃幕墙金属框要十字支撑件要球头螺栓要主体钢结构最大过渡电阻为0.03*3=0.09欧姆。
实际上上述连接顺序中大部分都是多路的并联有的多达一千多个连接点故施工后最后的检测结果能达到过渡电阻0.03欧姆的要求这个阻值可作为参考但作为一项验收指标是不合适的。
4.5电阻测量点和防雷电阻的要求
电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB50169-92第2.5.1条指出建筑物上的防雷设施采用多根引下线时宜在各引下线距地面1.5-1.8m处设置断接卡电阻测量点。大剧院工程此位置是主体钢结构40根引下线和主体钢结构焊接处在公共大厅装饰墙内不能设置断接卡无法测量每根引下线的冲击接地电阻。
引下线冲击接地电阻是否满足要求可测量设在大剧院建筑水池外的10个接地电阻测量井内的电阻测量点的电阻每个测量点通过两根95mm2的铜线和接地网相连其距离和引下线的长度差不多测量点的冲击接地电阻可视为引下线的冲击接地电阻。本工程采用联合接地装置接地装置的工频接地电阻要求不大于1欧姆如果达到这个数值防雷冲击接地电阻肯定能达到要求。
综上所述该工程防雷装置由接闪器屋面、引下线、接地装置接地网组成。由于接闪器内部的连接电阻值、接闪器和引下线相连的电阻值相对于10欧姆的冲击电阻值可以忽略不计根据叶设计规范我们认为大剧院防雷电阻要求如下:
a.联合接地装置工频接地电阻不大于1欧姆。
b.每根引下线的冲击接地电阻不大于10欧姆。
c.屋面表层金属物和引下线之间应形成电气通路屋面表层上任一金属物的防雷接地冲击电阻不大于10欧姆。
