3.1 钢筋混凝土结构和钢结构的防雷设计

3.1.1  按现行国家标准《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344和《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定，建筑物的结构形式可分为砌体结构、混凝土结构、钢结构和木结构四种，其中混凝土结构又可分为素混凝土结构、钢筋(钢管)混凝土结构和预应力混凝土结构三种。农村民居的直击雷防护技术措施中最省工、省费用和安全可靠的方法是利用钢筋(钢管)混凝土结构或预应力混凝土结构中的钢材作为外部防雷装置的接闪器、引下线和接地装置，当然这些钢材之间必须电气贯通。在建筑工程界常使用“砖混结构”一词，经查砖混结构也可分为素混凝土和钢筋混凝土两种，前者是“无钢筋或不能置受力钢筋的混凝土”与砖砌结构，因无钢材可以利用，本规范将其划在3.2节中，后者划入本节之中。

3.1.2  金属屋面和屋面上的金属构件一般指屋面彩钢板、屋面上的金属护栏(可作为接闪带)、旗杆(可作为接闪杆)、饰物(可作为接闪带的一部分或接闪杆)等。

3.1.3  现行国家标准《民用建筑设计术语标准》GB/T 50504中按层数将住宅分为低层住宅(1层～3层)、多层住宅(4层～6层)、中高层住宅(7层～9层)和高层住宅(10层及以上)。当低层住宅利用暗敷在屋面或女儿墙内的钢筋作为接闪器时，若遭受雷击，可能会造成屋面防水层损坏，事后只需修补一下即可。如雷闪击在女儿墙，可能会将一块砖或水泥块击落到地面，因坠落的高度较低，一般不会造成大的伤害，因此低层住宅的接闪器宜采取省工省钱的暗敷方式，按每层3m多的层高，规定了10m这一界限。多层及以上住宅因存在高处坠落物伤人的危险，宜在易受雷击的部位明敷接闪器。在强雷区宜设置一些短接闪针，这一方法在广东省雷州半岛和海南岛等地已实施多年，效果较好且成本较低。

3.1.4  金属板之间电气贯通的连接可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓等。

3.1.5  使用彩钢板作为屋面及接闪器的情况在沿海地区较为普遍。本规范第3.1.4条对使用金属屋面作为接闪器的情况作了规定，其中第3款要求金属板下方有易燃物品时，金属板要有较大厚度，一般情况下较难实现。因此引用了现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010中第5.2.7条的条文说明和现行国家标准《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》GB 50601-2010中第B.1.2条第3款关于使用双层彩板以及本规范设置水泥或石膏隔板的规定。

    易燃物品的定义比较复杂。在现行国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058中为“易燃物质-指易燃气体、蒸汽、液体或薄雾”，在农村民居中一般不会存在易燃物质，但常有棉花、柴草或其他容易被点燃的生活用品，这些物品有可能被雷击金属屋面产生的金属熔化物点燃而发生火灾，因此将该条定为强制性条文。

    双层彩钢板的夹层中保温材料要求的不燃或难燃材料指现行国家标准《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB 8624中的A级(不燃材料，多采用岩棉、玻璃棉、泡沫陶瓷、发泡水泥、闭孔珍珠岩等)和B1级(难燃材料，多采用经特殊处理后的聚苯板、聚氨酯、酚醛树脂、胶粉聚苯粒等)。当采用这些不燃或难燃材料作夹层内保温材料时，就算上层钢板被雷击穿，熔化物也不会点燃保温材料，下层钢板又起到阻隔作用，火灾事故就不宜发生。

3.1.6  在《Protection against lightning-Part 3：Physical damage to structures and life hazard》IEC 62305-3：2010中第5.2.2条规定接闪器的设计可采用适用于所有场所的滚球法，适用于外形简单，但接闪杆高度有所限制的保护角法以及适用于保护平面的网格法三种。其中保护角法较为复杂，接闪杆的保护角随雷电防护水平(LPL，可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)和接闪杆高度的变化而变化，因此在我国除电力系统外多未采用。而滚球法和网格法则被现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057所采用，但现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057与IEC 62305-3：2010尚有区别。IEC 62305-3：2010推荐的方法是首先对被保护建筑物进行雷击风险评估，根据评估的结果决定采用的雷电防护水平等级，并规定Ⅰ级的滚球半径取20m，网格尺寸取5m×5m，Ⅱ级的滚球半径取30m，网格尺寸取10m×10 m，Ⅲ级的滚球半径取45m，网格尺寸取15m×15m，Ⅳ级的滚球半径取60m，网格尺寸取20m×20 m。而现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057根据我国建筑规模大小的客观实际，为简化防雷设计过程，根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，直接应用IEC雷击风险评估中的一些具体计算方法将建筑物分为第一、二、三类防雷建筑物，这三类防雷建筑物的滚球半径分别规定为30m、45m和60m，没有20m这一档，网格尺寸则取5m×5m、10m×10m和20m×20m，没有15m×15m这一档。我们认为，GB 50057将我国客观实际与IEC理论有机结合，具有先进性、科学性、可操作性，且对大幅降低设计成本起到巨大作用。本规范的滚球半径取60m，与GB 50057中第三类防雷建筑物的规定相同。在规范编制过程中曾考虑选用75m或100m这一较宽松的值，但经计算，选用60m滚球半径时造价并没有较多的增加，因此从安全可靠的角度出发，确定为60m。

    通过表3的计算说明，10m高的接闪杆在采用不同滚球半径时保护范围是有差别的，但差值不大，特别是在较高的位置处。

表3  10m高接闪杆在采用不同滚球半径时各高度的保护范围

3.1.10  防雷设计中，规定接地装置的冲击接地电阻值的目的是使接闪后引下的雷电流畅通地泄入大地，防止因高电阻与大电流形成的高电位发生闪络危险和接触电压危险。原国家标准《建筑物防雷设计规范》GBJ 57-83中规定第一类民用建筑物和第二类民用建筑物中重要的公共建筑物防雷接地装置的冲击接地电阻不应大于10Ω，一般第二类民用建筑物接地电阻不宜大于30Ω。原国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94将工业和民用建筑合在一起以后，规定第二类防雷建筑物的接地电阻不应大于10Ω，第三类防雷建筑物的接地电阻不宜大于30Ω，同时规定第二类防雷建筑物“当土壤电阻率ρ小于或等于3000Ω·m时，在防雷的接地装置同其他接地装置和进出建筑物管道相连的情况下，防雷的接地装置可不计及接地电阻值”的条件(第3.3.6条)。这些规定与原国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94(2000年版)内容基本相同。现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057中第二、三类防雷建筑物的防雷接地电阻值不作具体要求，规定共用接地装置的接地电阻应按50Hz电气装置的接地电阻确定，不应大于按人身安全确定的接地电阻值。在农村民居中虽有电气系统的安全接地，但大多达不到现行国家标准《低压配电设计规范》GB 50054的要求。因此，本条仍按原国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94中的规定对防雷接地电阻值提出“不宜大于30Ω”和共用接地系统的接地电阻值要求。防雷装置的接地装置冲击接地电阻值可不计及的条件简化为环形接地所包围的面积大于或等于79m²。

3.1.11  接地装置的接地电阻值和接地体与土壤的接触面积(包括接地体的尺寸及形状)、接地体自身的电阻及接触电阻以及周围土壤的导电性能(即土壤电阻率)有关。本条规定的外引、深埋、换土及采用降阻剂这4种方法均与上述降阻因素相关。但防雷接地的外引长度有限，即超过有效长度后作用会明显降低。因此，外引的有效长度应符合现行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057中附录C的规定。

3.1.12  突出屋面的大尺寸金属物一般为太阳能热水器支架、天线支架、金属水箱等。太阳能热水器(系统)在农村应用较广，近年来光伏建筑物一体化的太阳能发电系统也在逐渐推广之中。因热水器或光伏电池的安装高度大多高于屋面的接闪带，因此常常遭雷击损坏甚至发生将雷电流引入室内造成人员伤亡的事故。我国现行国家标准中对热水器或光伏电池的防雷规定比较简单，如现行国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB 50364中的要求“钢结构支架应与建筑物接地系统可靠连接”，没有顾及雷电流即闪电电涌沿金属水管侵入的问题，从人身安全考虑，本条规定“太阳能热水器宜安装单独的接闪杆”。

3.1.13  目前我国农村除少数经济发达地区外，引进农村民居的电气和通信系统主要有低压线路和照明、电视、冰箱、电话等设备。引进线路多为低压线、电话线和电视信号三种。因条件限制，这些线路大多是架空引入而不是埋地引入的。因此，《Protection against lightning-Part 1：General principles》IEC 62305-1：2010中S3型(闪击到架空线上造成损害和损失)、S4型(闪击在架空线附近因感应造成的损害和损失)雷灾在农村较为普遍。原国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94(2000年版)第3.4.9条条文说明中介绍“沿低压架空线侵入高电位而造成的事故占总雷害事故的70％以上”，因此，将架空线改为埋地线是最有效的措施，但在建筑民居分散的农村实现起来困难很大，因而第3.4.9条推荐了另一方法：或将架空线的木杆换为金属杆(或钢筋混凝土杆)，或将木杆上的铁横担(或绝缘子铁脚)接地，且应在入户后前三杆均采取接地措施，此时入户的闪电电涌因在前三杆对地闪络分流而衰减，使S3型或S4型的损害和损失降低。经济发达地区农村民居内重要电气和电子系统的防雷，尚应符合相关国家标准的规定。其他用电设备引入室内的低压配电线和信号线指广播线、电视接收天线、电源线、电话线等。