城市综合体雷电灾害风险评估方法初探

【摘 要】 城市综合体是集商业、商务、居住及娱乐等城市功能为一体的的大型项目，如高星级酒店、高档写字楼、酒店式公寓、大型综合购物中心及大型高尚居住社区等，是现在城市地产建设的主流，其中高层建筑林立、广场休闲地设置及微电子设备的广泛应用，使得因雷电导致的人员伤亡及电子信息系统损坏呈上升趋势。研究不同承载体及其布局对雷电灾害风险的影响，科学地进行雷电灾害风险评估，可以为城市规划、项目选址、建筑布局及设备布设提供技术依据。

【关键词】 单体项目易损性 隐性风险 落雷密度影响 风险评估

0 引言

针对选址综合体中单体项目易损性及高层建筑对雷击概率和落雷密度影响，从几个方面说明如何科学进行拟建城市综合体的雷电灾害风险评估。

1 概况

位于廊坊市安次区，是一个中高端商业兼住宅小区，规划用地面积为105535平米，总建筑面积32.6万平米。小区东南方向为6层花园洋房，西侧为24层高层住宅建筑，北侧为商业综合体及一栋60米高的酒店式公寓、一栋SOHO公寓。

1.1 现场数据采集

（1）用G3系列GPS定位仪在综合体所在地采集的地理位置参数为E116.7°N39.49°

（2）采用四极法对现场的土壤电阻率进行了测量，得出在深度4m及5m范围内，不同方向土壤电阻率测量结果相差较小，可作为项目拟建场地水平方向为均匀土壤。此外对项目《工程地质勘察报告》进行调阅，可知项目所在地20m深度内土壤主要为粉土及粉粘土，土壤电阻率基本相同，垂直方向上土壤较为均一。

（3）项目所在地大气雷电环境。该项目为中心，9×9公里范围内2006-2011年该区域闪电总数为984次，其中正闪61次，最大电流强度为219kA；负闪923次，最大电流强度为-142.2kA。该区域落雷密度为3.11。

全省雷电活动覆盖8个月，6-8月雷电活动频繁，1-2月、11-12月无闪电活动。其中，正地闪强度的月际变化大于负地闪，月正地闪强度最强（210.6kA，10月）与月最弱（30.7kA，5月）相差179.9kA，负地闪月强度最强（-55.41kA，9月）与最弱月（-33.49kA，5月）相差21.92kA。

1.2 图纸信息采集及已设计防雷措施

该集合体已设计防雷措施，以建筑物基础钢筋作为格栅形空间屏蔽，屏蔽体最大孔洞为建筑物门窗。对雷击建筑物及雷击临近建筑物，建筑物内磁场强度进行计算，得以下结论：

对门窗不做其它处理的情况下，在空间屏蔽有效保护范围内，计算机有永久性损坏的可能性。为有效减少建筑物内可能的雷击磁场强度，保证内部电子信息系统防雷安全，可对门窗作适当处理，处格栅宽度小于0.34m。

2 雷电电磁环境评估

2.1 项目建筑物遭直击雷时内部磁场影响分析

2.1.1 距离屏蔽体安全距离

根据钢材料格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数计算公式计算出首次雷击屏蔽系数为SF=8.9和后续雷击或首次负极性雷击屏蔽系数为SF=10.6，进而计算出安全距离首次雷击，，后续雷击或首次负极性雷击，。

2.1.2 可产生最大磁场强度

根据公式：计算出屏蔽体保护的最大磁场强度H1=1385A/m。

2.1.3 磁场强度危险性分析

根据公式：（T）由最大磁场强度H1= 1385A/m，计算出最大磁感应强度B=1.73×10-3T。对具微电子元件的计算机运行经验和实验结果表明，当雷电活动时，磁感应强度达到0.07Gs（7×10-6T），无屏蔽的计算机发生误动作，当磁感应强度超过2.4Gs（2.4×10-4T）时，计算机将发生永久性损坏。项目建筑物最大磁感应强度>2.4Gs，雷电发生时，距离楼顶及墙面均为2.65m处计算机可能发生永久性损坏[1]。要使磁场强度最强点计算机都不发生永久性损坏，对格栅形屏蔽体网格宽度进行计算，即B=2.4×10-4T，此时H=191A/m、dr=2.65m、dw=2.65m、KH=0.01（），计算得=0.34m。即格栅形屏蔽网宽度小于0.34m，距离屏蔽顶、屏蔽壁2.65m内，雷电电磁脉冲不至引起计算机永久性损坏。随着科技的不断发展，电子信息系统敏感性越来越高，即使在安全距离内，上述计算值也不能保证绝对保护，应采取安装SPD等其他措施保证电子设施防雷安全。

2.2 建筑物遭雷击时对周围建筑的影响

当项目中一栋建筑遭受直接雷击时，不仅对自身造成电磁影响，周边建筑物也将受到电磁干扰，对与建筑物水平距离最近的建筑物进行磁场强度计算，分析建筑物遭雷击时对周围建筑的影响[2]。取最小水平距离为20m进行计算，根据公式，计算得H0=1743（A/m）。对于LPZ1区内磁场H1，根据公式进行计算。W=2.5m、r=0.006m时首次雷击屏蔽系数为SF=8.9；后续雷击或首次负极性雷击屏蔽系数为SF=10.6计算得H1=625.8A/m。W=0.34m、r=0.006m时首次雷击屏蔽系数为SF=8.9；后续雷击或首次负极性雷击屏蔽系数为SF=10.6计算得H1=85A/m小于永久损坏临界值191A/m。

3 雷击易损性分析

集住宅、商务、学校为一体的城市综合体，设施齐全、高楼密布、人员密集，其高耸突出的建筑物及四通八达的管道线路都增加了雷电灾害的可能性。雷电主要的危害形式有：雷电直接击中，由于热效应、机械效应导致物理损害；雷击点及雷电流泄流通道附近，强大的雷电过电压导致接触电压、跨步电压、旁侧闪络；雷电过电压导致电气电子系统失效[3]。

4 电气电子系统电涌防护等级

综合体内预安装电子信息系统的建筑物，应进行更有效电气电子系统的雷击电涌防护等级评估[4]。这里采用GB50343-2012规定的相关条款进行计算分析，选择其中最高建筑物作为典型评估对象进行计算，评估过程如下：

4.1 建筑物及入户服务设施年预计雷击次数（N）的计算

4.1.1 建筑物年预计雷击次数

建筑物年预计雷击次数N1可按公式：（次/a）并应用作图法进行计算Ae=4.35×10-2，N1=0.14。

4.1.2 入户设施年预计雷击次数

入户设施年预计雷击次数N2可根据公式，求得N2=6.22次。

4.1.3 建筑物及入户设施年预计雷击次数N

N=N1+N2=6.36

4.2 可接受的最大年平均雷击次数NC的计算

因直击雷和雷电电磁脉冲引起电子信息设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数NC按公式，计算得Nc=0.116

4.3 拦截效率及信息系统分级

按照公式计算防雷装置的拦截效率E。E=0.982 >0.98根据以上计算，6、8#楼电子系统防护等级应按A级设防，可采用3-4级浪涌保护器进行防护。对上述计算进行分析，其它建筑物与6、8#楼配电形式相同，仅建筑物规模不同。计算时，建筑物年预计雷击次数不同，入户服务设施年预计雷击次数相同，Nc相同。取N1=0，计算得E=0.981>0.98

N1越大，E越大。故综合体建筑物电子系统均应按A级设防，可采用3-4级浪涌保护器进行防护。

5 综合体项目雷电灾害风险计算

综合体内含项目较多，应按使用性质、建筑特征，划分区域进行计算，并针对区域中典型建筑进行具体风险估算。其中包括1#、3#、11#、15#楼人员生命损失评估、雷电闪击次数计算、雷击损害概率计算、损失量的评估、雷击风险分量计算、风险组成及计算等，分别列表、画图，进行了相关统计计算。

5.1 防护措施确定

根据计算结果得雷击建筑物及服务设施导致物理损害的风险值较大，应采取提高建筑物防雷等级，安装SPD等措施降低风险，具体措施如下：

建筑物防雷：建筑物应按第二类防雷建筑物进行防护设计；

电子信息系统防雷：根据前文对电子信息系统防护等级计算，应安装三级SPD。

5.2 完善防护设计后雷击风险计算

根据损害概率取值表计算得， 雷电防护措施有效。

6 结语

城市大型商业综合体项目集商业、办公、居住、餐饮等功能为一体，且相互依存，人员密集，现代化水平高，运行维护高度依赖电子信息系统。一旦发生雷电灾害，不但正常功能可能受影响，还可能造成设备损毁甚至人员伤亡，后果非常严重。

通过先分区后综合和单体分析相结合的方法，考虑综合体项目电子系统的敏感性，增加了电子信息系统风险等级分析及雷电电磁环境的分析；考虑人员密集性增加了广场跨步电压危险性分析，同时，增加了接体系统接地电阻及腐蚀程度的研究分析，同时提出多项切实可行的改进建议。希望可以为日益增多的大型城市综合体项目本身的防雷安全提出相关改进建议和设计依据，也可以为人员密集公共场所的防雷安全工作提供有益的参考。

参考文献：

[1]中国建筑学会建筑电气分会.电磁兼容与防雷接地[M].中国建筑工业出版社，2010.

[2]梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计（第二版）[M].北京：气象出版社，2006.

[3]陈家斌，高小飞.电气设备防雷与接地实用技术[M]，水利水电出版社，2010.

[4]李景禄.现代防雷技术.水利水电出版社[M].2010.