Discussion on Construction and Relative Issues ofLightning Protection

Engineering of NationalGrand Theatre

周卫新  北京双圆工程咨询监理有限公司100022

Zhou Weixin

(Beijing Shuangyuan Engineering Consult and Supervision Co.,Ltd. 100022 China) 

Abstract The paper presents detaily schedule expounding, testrequirements and construction process of lightning protectionengineering of National Grand Theatre. Some relative issues arealso analyzed and discussed.

摘要：对国家大剧院防雷工程的方案论证、检测要求和施工过程进行了详细阐述并对相关问题进行了分析、探讨。

Key words National Grand Theatre Lightning protectionConstruction

关键词:国家大剧院防雷施工 

国家大剧院位于北京人民大会堂西侧总建筑面积十九万多m²其中剧院面积149 520m²地下车库面积44 678m², 建筑高度46.285m。国家大剧院是国家新时代的标志性建筑是中国最高艺术表演中心是具有世界一流水平的大型艺术殿堂。其建筑效果见下图。

国家大剧院由北京城建、上海建工、香港建设联合体总承包。鉴于大剧院工程的重要性联合体对工程的质量特别是安全性能十分重视。在了解到南方某剧院屋面局部部位有遭雷击的先例后负责屋面施工的联合体屋面分部对屋面防雷设计和施工倍加重视专门聘请叶建筑物防雷设计规范GB50057-94以下简称叶设计规范的主要编制人和北京市避雷装置安全检测中心以下简称检测中心的专家对大剧院屋面防雷方案进行了讨论并根据论证结论修改了防雷方案经检测中心审批后付诸实施。

1 大剧院防雷工程概况

国家大剧院由歌剧院、音乐厅、戏剧场三部分组成一个椭圆形的大球将三者罩在其中椭圆平面的长轴为212.2m短轴为143.64m地上高46.285m。大球盖屋面由钢结构、保温防水隔声层、铝合金支撑、钛金属板和玻璃幕墙等组成其中屋面的表面包括南北贯通的玻璃幕墙和东西两部分钛金属板。每块钛金属板有一个高于球面85mm的金属装饰件蘑菇头在椭圆形球面的纬度方向每隔约2.2m有一条环状分布的铝合金导轨屋面清洗小车轨道导轨高出球面55mm。

国家大剧院屋面的构造表明只要屋面有可靠的防雷措施三个剧院就处在其保护范围之内设计将大剧院定为二类防雷建筑物根据防雷设计规范的要求只需将屋面的玻璃幕墙框架、导轨、钛金属板、蘑菇头等金属部件和防雷接地装置可靠相连就可以满足防雷要求。

2 屋面防雷方案论证和检测要求由防雷专家参加的关于屋面防雷方案讨论会的结论如下。

2.1 屋面工程钛金属板部分

装饰件蘑菇头要钛金属板要保温防水隔声层Kal-zip系统要主体钢结构之间全部由金属部件连接而成而且并联的螺栓数量有一万八千多个主体钢结构又与结构基础有可靠的接地措施整个结构体系具有了良好的电流导通性能。屋面接闪器主要靠蘑菇头和铝合金导轨环状贯通的铝合金导轨间距约2.2m 一条每隔约800mm 布置的蘑菇头在屋面上约有一万八千多个如此形成的避雷网完全满足叶设计规范的要求。

屋面在遭雷击时会产生一些小火花而周围没有易爆易燃物品并不产生危险。

2.2 玻璃幕墙部分

玻璃幕墙的铝合金框与主体钢结构有良好的连接。

2.3 铝合金导轨

铝合金导轨在整个屋面纬度方向组成53个环形贯通的圆圈每个圆圈和主体钢结构有可靠的连接。因此现在采用的屋面结构体系毋需另加措施即可满足叶建筑物防雷设计规范要求。

2.4 竣工验收检测要求

检测中心批准了屋面分部按论证结论呈送的屋面防雷方案并提出了竣工验收检测要求院

a.铝合金导轨与主体钢结构接地间的过渡电阻应不大于0.03 欧姆。

b. 蘑菇头与主体钢结构接地间的过渡电阻应不

大于0.03 欧姆。

c. 玻璃幕墙的金属框与主体钢结构接地间的过

渡电阻应不大于0.03 欧姆。

d. 基础的接地电阻应达到设计值。

e. 所有进入大剧院的金属管道、电缆线的金属外护层要与基础内的钢筋连接。

3 大剧院工程防雷施工

3.1 防雷施工的难点

              a. 虽然大剧院工程从防雷理论来说不算复杂但从其建筑结构来说没有先例加上该工程的重要程度因此所有参与人员都给予了充分重视。

              b. 论证时的模型和实物不完全相同。从论证的结论来说是十分合理的而论证的依据只是屋面分部的介绍和一个示意的模型。大剧院的屋面构造是十分复杂的相互连接的关系各式各样如论证中举出并联的螺栓有一万八千多个但螺栓连接之间不一定导通因此在防雷施工时必须考虑每项施工是否符合防雷要求。

              c. 屋面工程由于其复杂性造成了边设计、边施工、边使用如防雨、保温功能的情况。除玻璃幕墙部分外钛金属板部分结构反复改变特别是为了防震和隔声的需要在许多连接部分都增加了绝缘垫这对防雷措施中电流导通或电气连接可靠的要求来说是背道而驰的。

              d. 在施工过程中交叉使用铜导体、铝合金、钢和钛金属必须解决连接之间的电化腐蚀问题。

              e. 论证的结论和审批意见不完全一致一方面是毋须另加措施另一方面又提出了过渡电阻应不大于0.03 欧姆的要求试问一下毋须另加措施能满足电阻不大于0.03 欧姆的要求吗？

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95 mm² 和240 mm² 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95 mm² 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95 mm² 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95 mm² 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95 mm² 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6-8mm T 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2 200mm -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。

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。