高层建筑雷灾风险评估

高层建筑雷灾风险评估

简巍王晓伟董晓宁

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

摘要：本文主要介绍了高层建筑雷灾风险的来源、影响因素和风险评估方法，通过雷电基础知识的研究和评估实例的综合分析，为雷击风险评估提供更合理的依据。

1背景

雷电是一种美丽而又迷人的大气放电现象，虽然放电时间短，但是在放电时所产生数万伏至数十万伏冲击电压，放电电流可以达到几十到几十万安培，电弧温度也可以达几千度以上，对建筑群中高耸的建筑物及尖形物，空旷区内孤立物体以及特别潮湿的建筑物，屋顶内金属结构的建筑物和露天放置的金属设备等有很大的威胁，可能引起倒塌，起火等事故。随着社会经济和科学技术的不断发展，城市建设中的高层建筑大量涌现，其智能化的水平也随之不断提高。因其内部电子设备密集，人员集中，发生雷击的概率很高，且雷击事故所带来的灾害比普通建筑物大的多。因此高层建筑的防雷问题日益成为亟待解决的重要问题。然而目前防雷工程的重点仍然停留在建筑物的防雷设计和施工问题上，对于雷击事故发生后所引起的灾害和损失没有足够的预警系统，不能有效的做到防患于未然。

雷电灾害作为一种不可预测的风险，进行科学管理并降低或消除风险是防治灾害的重要措施。因此，如何对高层建筑的雷电灾害进行风险评估已经成为一个备受关注和需要迫切解决的重大问题。

2高层建筑雷灾风险分析

2.1高层建筑雷灾风险的来源

一般而言，高层建筑的雷击率相对平地要大一些。高层建筑由于高度，位置突出，屋面设施多，其诱发闪电的能力会大大高于周围的低矮建筑，也就是说，在相同的雷击大地密度下，高层建筑遭雷击风险要大得多。而且由于其内部人员密度大，大量的抗雷击电磁脉冲能力极低的电子设备的使用，使发生雷击事故所造成的经济损失和人员伤亡极为严重。因此，对高层建筑物及其内部电子信息设备的雷电防护工程应引起人们的重视。高层建筑雷灾风险的来源主要分为如图所示的4种情况。

（1）雷电直接击中建筑物（S1），这是最严重的一种情况。当雷击中建筑物时，立即由雷电流产生直接机械损害，火灾火灾爆炸；局部雷电流通道上的电阻耦合和电感耦合产生的过电压导致的火花也会引发火灾和爆炸；由电阻和电感耦合引起的接触电压和跨步电压会伤害生命体；雷击电磁脉冲（LEMP）会使电力或者电子系统失灵或者故障。

（2）雷电击中建筑物附近的地面（S2）。这会造成有感应耦合过电压LEMP，使电力或者电子系统失灵或故障等。

（3）雷电直接击中引入设施（S3）。这会造成由进入建筑物的外部电源线过电压的火花诱发的火灾或者爆炸，由进入建筑物的外部线路过电压和过电流造成的人身伤亡，以及由进入建筑物的外部线路过电压产生的电力或者电子系统的失灵与故障。

（4）雷电击中引入设施附近的地面（S4）。这会造成进入建筑物的外部线路感应过电压产生LEMP，使电力或电子失灵或故障。

建筑物的特性不同，发生雷击时引起的损害也不尽相同。基本上可以分为3类：接触电压和跨步电压导致的生物伤害D1，建筑物或者其他物体的物理伤害D2以及电涌导致的电气和电子系统的实效D3。

2.2高层建筑雷灾风险分量

高层建筑的雷灾风险是指对建筑物和服务设施造成的年度可能损失。对于建筑物和服务设施中可能出现的各种类型损失，应对其相应的风险进行分析和计算。根据IEC62305-2《雷电防护》，GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷规范》和GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》，高层建筑发生上述S1-S4这几种雷灾风险时，产生的损失类型可分为4类：生命损失L1，公众服务的电力和通信设备的损失L2，文化遗产损失L3，经济损失L4。与损失类型相对应的风险也可分为4种：生命损失风险R1，为公众服务的电力和通信设备的损失风险R2、文化遗产损失风险R3和经济损失风险R4。

每种风险都是其对应风险分量的总和。根据高层建筑雷灾风险的来源和损害的类型，将风险分量进行分组，则需要计算的风险分量为RA，RB，RC、RM、RU、RV、RW、RZ。

（1）RA。建筑物外3m以内区域中因接触和跨步电压造成生命体伤害有关的风险分量，

可造成L1、L4类型的损失

（2）RB。与建筑物发生雷击时，由危险火花放电引起火灾或爆炸导致的损害有关的分险分量。因其会危及周围环境，造成的损失类型包括L1-L4。

（3）RC。与LEMP造成内部系统失效有关的风险分量。产生的损失类型一般为L2和L4型，在某些情况下还可能导致L1型损失

（4）RM。当建筑物附近地面遭受雷击时，由LEMP感应的过电压引起的内部电气和电子装置的失效对应的风险分量。损失类型包括L2和L4型，在某些情况下还可能导致L1型损失。

（5）RU。与建筑物内雷电流流人人户设施（如金属管道、线路等)产生的接触电压对生命体的伤害所对应的风险分量。可能会出现的损失类型为L1和L4型。

（6）RV。与雷电流经过入户设施(金属管道、线路等)产生的物理损害(入户设施和金属部件之间的火花放电引起的火灾或爆炸，通常位于入户设施处)有关的风险分量，造成的损失类型为L1～L4。

（7）RW。雷击建筑物入户设施(金属管道、线路等)时，在其上感应的过电压传输到建筑物内部引起内部系统失效所对应的风险分量。产生的损失类型一般为L2，和L4型，在某些情况下还可能导致L1型损失。

（8）RZ。与建筑物引入设施上感应出的以及传输到建筑物内的过电压引起内部系统失效有关的风险分量。产生的损失类型一般为L2和L4型，在某些情况下还可能导致L1型损失。

2.3高层建筑雷灾风险分量的影响因子

建筑物雷击损害的概率不仅取决于建筑物，服务设施以及雷电流的特性，还取决于所采取的保护措施的类型和效能。防雷设施存在的问题，如缺少防雷电波侵入措施，防侧击雷措施，接地设置不合理，局部均压不彻底等，所有这些都对高层建筑防雷安全构成了威胁。有的高层建筑的屋面设计中根本没有防雷措施，一旦发生雷击，后果不堪设想，问题更为严重。目前在高层建筑的防雷设计中应重点考虑建筑物防雷措施的接闪功能，分流影响，屏蔽作用，均衡电位，接地和合理布线等因素，采取如下图所示的整体防护措施：

对于新建建筑设计过程中采取的防护措施是否能够达到安全、有效的防护目的，能否降低雷击风险，减小雷灾损失，还需通过风险评估的计算来进行检测。

3高层建筑雷灾风险评估的方法[1]

高层建筑雷灾风险的各个分量的计算均可用以下一般表达式实现：Rx=NxPxLx

式中Nx为年平均危险事件的次数，Px为损害的概率，Lx为雷灾损失。

3.1雷击次数N

雷击次数是指特定的雷灾对象在一年内可能受到雷电袭击的次数。其值主要取决于建筑物的尺寸、特性、建筑物引入设施、建筑物所处环境的特征和建筑物所在地区的雷电活动强度等。

式中k是修正系数，在一般情况下取1；位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1，7；位于河边、湖边、山坡下或山地种土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1。5。

Td年平均雷暴日，可根据当地气象台资料确定。

Ad建筑物等效接收面积。对于位于平地上的孤立建筑物来讲，等效面积A可定义为：通过建筑物顶部(与其接触)倾斜度为1／3的直线沿建筑物旋转一周在地面上划出的面积，单位为km，如图3所示

表1中，是从所考虑的建筑物到第一个分支点或至相邻建筑物的长度，单位为m，最大值为1000m，当L未知时，应设其为1000m。ds单位为m，数值上取决于建筑物附近的土壤电阻率，最大值为500m[3]。

3.2雷灾损害概率Px

雷灾损害概率的数值主要取决于雷灾对象的特性、雷电特征和雷电防护措施的种类及其效率。建筑物特性包括建筑物类型、用途与内容、内部装置类型和引入设施类型。雷电特征取决于雷电流的强度、陡度、电荷、单位能量和持续时间及其分布规律。具体计算关系如表2所示[4]。

3.3雷灾损失Lx

雷灾损失指特定的雷灾对象受到雷击时可能造成的潜在性损失。雷灾损失取决于雷击造成的损害程度和后续效应，其数值取决于处于危险场所的人数与总人数、公共服务的类型及其重要性、财产价值等。雷灾损失随着所考虑的4种损失类型(L1、L2、L3和L4)而变化，对于每一种损失的类型，还随着导致损失的损害类型(D1、D2和D3)而变化。具体计算如表3所示。其中，接触和跨步电压导致伤害的损失为Lt，物理损害导致的损失为Lf；内部系统失效导致的损失为L0由上述关系计算出相应的R并与最大可承受风险值进行比较，以确定应采取的防雷措施。尤其对于新建建筑物进行雷电防护工程实施前，进行全面的雷击风险评估，可帮助防雷设计工程

由上述关系计算出相应的Rx并与最大可承受风险值进行比较，以确定应采取的防雷措施。尤其对于新建建筑物进行雷电防护工程实施前，进行全面的雷击风险评估，可帮助防雷设计工程师决定此建筑物是否需要采取防雷措施，如果需要，如何经济合理地选择防雷措施。然而对已安装防雷设施的建筑物评价其防雷设施的防护功能是否达到最佳效果，也可帮助解决是否需要对防雷设施进行必要的补充和完善。对高层建筑进行雷灾风险评估在安全可靠、技术先进、经济合理的

前提下，可为建筑物及其内部电子信息系统设计、安装雷电防护措施提供有价值的参考依据。因此，雷电灾害风险评估是防雷工程广泛和深入发展的需要，也是科学、全面防雷的一项重要工作。

4高层建筑雷灾风险评估研究展望

（1）加强雷电基础知识的研究和评估实例的综合分析，为雷击风险评估提供更合理的依据。

（2）对于雷击风险评估参数的确定，不可以仅仅依赖于经验值，要敢于创新。

（3）提高风险评估的一个重要途径是评估参数的定量化，应加强对雷击次数，雷灾概率，雷电承受能力等参数进行定量研究。

（4）因为建筑物所处地区的环境的变化，不可以只简单对建筑物做一次或者两次风险评估，应缩短评估周期，甚至每年对建筑物进行一次评估。

参考文献

[1]ICE62305-2FDISProtectionAgainstLightningPart2：RiskManagement[S]．

[2]GB50057-1994建筑物防雷设计规范(2000年版)[S]．

[3]GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷规范[S]．

[4]彭筱虹，陈明先．雷电损害风险评估浅析[J]．高电压技术，2006(3)：120—122．