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铝板幕墙的防雷探讨
彭政国。。张玉熙
(一)雷电与建筑物的关系
雷电是天空云层中一种自然的放电现象 ，大气的对流和冷热变化形成了雷雨云， 在气流的作用下，雷雨云下部的水滴带负电荷，上部冰晶带正电荷，由于雷云的负电感应，使附近地面及建筑积聚着正电荷，如同电容器一样，使地面和雷云之间形成了强大的电场。随着对流的加强，电场强度增大到极限值时，超过了空气的击穿强度，于是空气电离产生云间放电并发出火花，这就是闪电。闪电主要有云际闪电和云地闪电两种，而云地闪电对人们关系较大。强大的电流把闪电通道内的空气加热到一万度以上，空气骤然膨胀，发出巨大的响声，这就是雷。 雷击有规律吗 ?凡是空气中导电微粒较多的，地面有高耸物体，地面和地下的电阻率较小的地带都易落雷，因为雷电流总是选取最易导电的途径。地面上建筑物性质和形状对雷电的发展也有影响，由于建筑物改变了地面电场强度的分布，而建筑物本身的电场强度的分布也不是均匀的，由于在建筑的尖顶及边缘棱角处感应电荷最多，电场强度最大，附近气体离子增多，最易击穿导电，往往构成了雷电发展的条件，雷电下行先导就自然被吸引向这些地方，屋顶就会由尖端放电，导致迎面先导，与云下的先导会合，形成主放电通导，强大的雷电流就会指向房屋；建筑物本身构造及其附属构件能积聚蓄电荷的多少，对雷击影响很大，如金属屋顶、金属墙面、金属天沟、幕墙外露框、金属水箱、金属栏杆…具有良好导电性能，都是易遭受雷击的部位。 雷电流是一种强度极大，作用时间极短的瞬变过程 。闪电成灾分两种，一种是直击雷，另-种是间接雷，直击雷击中建筑物时，通常会产生电效应、热效应和机械力。雷电流的瞬时电流高达几万安培，在瞬间释放出巨大能量，会把被击中金属熔化，使物体水份汽化，产生强大的机械力，或者水被分解成氢气和氧气，产生爆炸，使砖墙击碎，木结构劈裂，建筑物遭到破坏，其震动力有时可以将人震死，再有雷电的高温引起建筑物燃烧，构成火灾和引起触电。间接雷击更常见，有时比直击雷危害大得多。雷雨云中的电荷使地面金属物感应出大量异号电荷。雷雨云放电后，感生的电荷如来不及立刻消失，它会产生几万伏的高电压，会对周围放电而出现感应雷的雷击现象 。1989年8月12日发生震惊全国的黄岛油库特大雷击火灾，烧了四天四夜，大火的起因就是电磁感应造成的雷击，并非避雷针失效。 (二)铝合金幕墙特别需要注意防雷 高层或超高层建筑以及它的铝合金幕墙，使地表的电场分布发生了严重的畸变，其电场强度比一般建筑物大得多，容易构成雷电发展条件，加上离放电云层近，易遭受雷击，通常年雷击次数和当地年均雷暴日成正比，和建筑物高度的平方成正比。根据美国学者统计得出的经验公式，年平均雷击次数N可用下面公式算出： N＝O.015(1KZ)10-4·k1·k2·H2
式中IKZ一年平均雷暴日。如北京的IKZ为36.8；上海的IKZ为32.3；广州的IKZ约为90，其余城市的IKZ可查年平均雷电日数分布图及从有关气象资料中获得。
k1一落雷不均系数，对发电厂变电所k1＝8～12；一般易受雷击的建筑物，k1=1．5～2．0
k2一建筑材料影响系数。金属材料k2 =1．5非金属材料k2=0.15
H-建筑物高度(m) 由公式可以看出，楼层愈高，受雷击的雷暴日愈大。同一高度幕墙，用金属材料比用非金属材料雷暴日大十倍。 铝合金幕墙围护高层建筑物后，建筑物原防雷装置由于铝合金幕墙的屏蔽效应，不能直接起到接闪和防雷作用，闪电对建筑的雷击往往变成闪电对铝合金幕墙的雷击。对幕墙十分不利，这是因为建筑物结构材料所积蓄电荷量的多少，直接影响建筑物的接闪频率。铝合金幕墙的金属构件较多，能够积累大量电荷， 成为雷击选择性的主要因素，更容易接闪，引雷入室， 使大楼的笼式避雷网失去作用。 铝合金幕墙的金属材质由于雷电的效应 ，也会产生静电感应作用， 当天空雷云和大地形成电场时，幕墙的金属体就会积聚与雷云极性相反的大量感应电荷，当雷云瞬间放电后，云与大地的电场忽然消失，这时幕墙的金属体感应电荷不能以相应的速度流散，将会产生高达万伏以上的对地电位，这就是静电感应电压，对人和设备产生危害。这对独立的裙房幕墙以及高层建筑的铝合金门窗，需要特别注意的。 高层金属幕墙通常超过50m， 超高层幕墙超过100m，如果强大的雷电流全程通过幕墙构件时，由于持续时间极短，只有几十微秒，则每米的电位差可达万伏以上，高达100m的幕墙，在通过雷电流时可达百万伏的电位差，将会和周围的金属体之间产生反击放电和电磁感应。 雷电现象非常复杂 、与自然界许多因素有关， 如地形、地质、风向、气温、宇宙射线、大气污染、建筑物等等，随机性很大，地区差别也大，特别是铝合金幕墙大量用在建筑物上后。使得防雷设计更复杂了，这要引起我们重视。 玻璃幕墙的防雷设计应符合现行国家标准《建筑防雷设计规范》GB50057 的有关规定，玻璃幕墙应形成自身的防雷体系，并与主体结构的防雷体系可靠地连接。 通常建筑物的防雷装置有三部分：接闪器(如避雷针、避雷网、避雷环等)，引下线和接地装置，它们的作用就是把闪电吸引到自身，导入地下消散闪电的能量。在铝合金幕墙的防雷设计中，应充分利用建筑物的这些装置 ，根据国家有关规范的建筑幕墙的防雷装置， 立柱横梁应和建筑物防雷网接通，把建筑幕墙获得的巨大电能量，通过建筑物的接地系统，迅速地输送到地下，使其两部分成为一个防雷整体，共同起到保护铝合金幕墙和建筑物免遭雷电破坏的作用。 铝合金幕墙要形成自身的防雷体系，整个幕墙系统应形成连贯的电气通路，相互之间的连接不要非金属材料隔离，以免阻碍强大雷电流的通行。高层建筑幕墙顶部的接闪器，不能防止闪电电流的侧面横向发展绕击作用。虽然闪电绕击概率较少，但决不等于绕击不存在，不能忽略。 (三)不同类型铝板幕墙的防雷 铝板幕墙在用材料的不同分为：铝塑复合板幕墙、蜂窝板幕墙和铝单板幕墙。有时和铝合金玻璃幕墙配合使用。因其所用材料特殊性质不同，对防雷的要求不同。 1、铝塑复合板幕墙 铝塑复合板是内外两层为0．5mm厚的纯铝板(室内用铝塑板内外两层铝板厚度0.2-0.25mm)，中间夹层为3-4mm厚的聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)，连续辊压及单片热压而成，内外层铝板表面为氟碳表面辊涂漆，漆层厚度一般为20μ左右，该产品优点是：表面光洁，平整，同方向看不出色差，体轻有一定强度，使用寿命十年左右。多用于商店门面装修，包括室内装饰、旧楼翻新、高架走廊、人行天桥、群楼及低层幕墙。原依靠进口，现国内已大批量生产，但质量差异较大，内外层铝板厚度不一样或偏薄。复合板表面辊涂的不是氟碳漆或含KA-NAR 500达不到70％，但好的产品已达到国外同类产品标准。 铝塑复合板做幕墙板要求很严。铝塑复合幕墙板的制作，首先在复合板四边开槽，切去一定宽度和一面铝板和塑料层仅留0．5mm厚的外层铝板。四边弯90度成矩型，再用铝型材制作同一大小的矩形付框，放在铝塑板矩形槽内，付框底面用结构胶粘在铝塑板背面，复合板弯起的四边用拉铆固定在附框四边，矩形中间再用结构胶粘上一个至几个铝型材加强筋。国内确有不少公司并非按上述正规的做法制作，而是在复合板开槽后四边弯成90度，只在复合板的四个角加角铝固定，这样板面自重和所受任何外力，任何荷载均由四个边0.5mm铝板承受， 安全性很小，因为任何幕墙随时都在受不同的正负风荷载压力，板面四边O.5mm很易断裂，断裂现象已在不少城市建筑中可见 。因此铝塑复合板幕墙板制作必须加铝合金付框和加强筋。 从幕墙防雷观点来看，由于铝塑复合板是用两层0．5mm厚的铝薄板与聚乙烯加压粘合而成，由于聚乙烯是不良导体，两层铝薄板处于绝缘状态，虽在铝塑复合板制作时内层加铝合金门框，铆钉和铝复合板上弯的四边固定接通 。由于铆接面太小，更重要的是O.5mm的铝薄板太薄，在遇雷电时，大的闪电电流在建筑侧面横向发展绕击幕墙薄板时，会击穿0．5mm铝薄板，强大的雷电流也难以通过复合板接地，使建筑物遭到雷击。 铝合金材料作接闪器，国内防雷标准没有规定， 参照国际防雷技术标准(IECl024-1．1993)和日本防雷标准， 再加上国内外对高层金属幕墙的实施经验，我们认为高层建筑铝板厚度应为2.5mm-3mm 比较合适。对于雷电活动强烈地区超高层金属幕墙接闪器，为了保证安全，铝板厚度可以超过3.0mm。 2、蜂巢铝复合扳幕墙 蜂窝铝复合板简称蜂窝铝板，是用两块铝板中间加不同材料用夹胶制成的各种蜜蜂窝形状夹层，两层铝板各有不同， 用于墙外侧铝板一般厚度略厚，这是为了抵抗风压，一般为1．2-1．8mm，内侧板厚为O．8-1．2mm 。蜂巢板总厚度为10-25mm，中间蜂巢夹层材料是： 铝箔巢芯，玻璃钢巢芯，混合纸巢芯。蜂巢形状一般有：波纹条形、正六角形、长方形、十字形、双曲度形、夹芯材料要经特殊处理，否则其强度低，寿命短。 蜂巢铝板以夹铝箔芯为好，铝板表面随制作工艺和铝单板的平整度，可以制成较好的平整度，铝板背面不用加强筋，其强度和刚度亦可达到所需要的要求。蜂巢铝板根据不同建筑，地区、幕墙的高低，风压的大小。进行设计计算，然后再按设计要求，选用铝板厚薄和蜂巢的厚度，以及根据设计要求制造出不同类型的大小块，并能满足以下几项主要指标：风压指标，气密性指标，水密性指标，抗冲击性能指标，平面变形，保温、隔声等指标 。铝板表面一般用氟碳喷涂或粉沫喷涂 ，喷涂膜厚为40-60μ。 蜂窝铝板是最重要的铝板按设计尺寸制好后的封孔，否则安在墙面上，雨水会流入蜂巢芯中，一是破坏巢芯，二是造成漏水，因此铝蜂巢板的外层铝单板要比内层铝单板四周宽出蜂巢厚度，四周向内弯90度角，全面覆盖蜂巢胶合或焊接，不允许漏水。 对于高层建筑的蜂窝铝板幕墙防雷问题，也不能马虎，我们知道，蜂窝铝板的构造，是用两块厚0.8mm～1．2mm及1．2mm～l．8mm的铝板，夹住用不同材料制成的蜂巢状中间芯层而制成的 。我们应该注意到，中间蜂窝芯材夹层因材质不同，它们的导电能力也不同。考虑到幕墙的安全性，对于高层建筑的蜂窝铝板幕墙 ，我们以为采用铝箔芯蜂窝材质略好 。因为铝箔蜂窝也是用胶粘在二片铝板中间，胶不是导体，制作安装虽把铝板封孔焊接，向外面铝板厚度不能过薄，否则遇雷会把薄板击穿。 3、单层铝板幕墙 在国外铝板幕墙多应用纯铝板制成，板的厚度为3-4mm，而在我国多采用LF21(美国牌号3003)合金铝板强度比纯铝板高近一倍，虽铝板厚度比纯铝板减薄O．5mm。但板面强度仍大于纯铝板强度，并且板的重量减轻。 单层铝板在制作过程中，按设计要求的四边折弯成直角。在弯角的四周一般不用开槽可以直接弯转90度，在厚2．5mm铝板四周边开槽，减薄了铝板的弯角厚度，影响牢固度。 铝单板四边弯成90度以后，被弯的四个角的邻边均应把他们焊在-起，从强度 、美观上，虽无大的影响 。但在安装铝板后，在每块铝板之间耐候密封胶胶缝低于铝板表面 ，雨水可以从铝板不焊接的缝隙进水。 为了加强铝板板面强度，在铝板背面，必须安装加强筋，加强筋一般用同样的合金的铝带或角铝制成，铝带厚度一般为2-2．5mm，宽10-25mm 。用电栓焊在单层铝板背面，焊好铝合金螺栓，放入加强筋的孔内，用铝合金螺帽紧固。电栓焊即不破坏单层板外饰面，又安装了加强筋，从而使单层铝板能够做到较大的单块尺寸内保持足够的刚度和平整性，铝板在外界正压力的情况下，铝板不会凹陷不会鼓出，这样就避免了铝板反复里外振动而发出的振动声音。 由于单层铝板容易折弯加工成弧形的复杂形状，能够适应如今变化无穷的外墙装饰的需要，因而它的出现使铝板幕墙在加工成形和安装构造成形方面都丰富了许多。大家关心的是单层铝板的饰面平整度问题，单板幕墙的铝板平整度，取决于铝板生产厂家的质量优劣，国内可以解决。 单层铝板的表面处理，不能用阳极氧化，由于每批铝板材质成份氧化槽液均有差异，氧化后铝板表面颜色差较大，用于幕墙整体效果极差，一般用静电喷涂，静电喷涂分：粉沫喷涂和氟碳喷涂。粉沫喷涂原料为聚氨酯、环氧树脂等原料配以高保性颜料，可得到几十种不同颜色，粉沫涂层厚度一般为20-30μ，用该粉沫喷涂料喷涂的铝板表面，耐碰撞 、耐磨擦，在50公斤撞击下，铝板变形喷涂层无裂纹，唯一缺点是在长期阳光中紫外线照射下会产生自然均匀褪色。 氟碳喷涂是用以漆油的氟碳聚合物树脂，作金属罩面漆，一般分三涂或四涂(喷三次或四次)。常用的牌号为：KANAR 500。漆在铝板表面厚度为40-60μ。经得起腐蚀，能抗酸雨，各种空气污染物，不怕强烈紫外线照射，耐极热极冷性能好，可以长期保持颜色均匀，使用寿命长。 由于上述单层铝板特点，国外建筑的铝板幕墙绝大部分采用单层铝板，尤其在高层建筑上，它的使用寿命可超过50年，单层铝板如表面为氟碳喷涂，按设计要求制作好，安装施工准确方便。直接挂接在由主框横挺组成的铝合金框架上。 铝合金单板幕墙的防雷，只要铝板和主横挺组成的幕墙和建筑物接地线或防雷网接通。单层铝板幕墙在雷闪情况下， 可以作为良导电体把雷闪的巨大能量， 通过建筑物的接地系统迅速地输送到地下。使其起到保护幕墙和保护建筑物免遭雷击的作用，保证幕墙及建筑物的安全。 幕墙的防雷是较深的研究课题 。上面只介绍-般防雷常识和大家研讨。国内近二年确实在高层建筑上用了不少铝塑复合板。尤其是空旷地区唯一的一幢超过百米的铝塑复合板幕墙，周围没有高层楼房掩护，较易遭受雷击，这好比在空旷的田野上一棵树木易遭雷击一样。希望已建好的高层铝塑板幕墙根据实际情况采取必要的防雷措施，以防万一。希今后国内设计部门和全社会在幕墙设计使用中注意铝塑板防雷问题，保证我国铝板幕墙及各种幕墙的安全正常的发展。 作者：中装协铝制品委员会高级工程师
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发表于 2003-9-8 09:46:00
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