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摘要：以莞惠城际轨道交通项目中的陈江站为设计实例，浅谈铁路高架站房的防雷接地系统的设计方法和体会，提出重要建筑物的屋顶防雷设计慎用金属屋面作为接闪器的观点；分析了利用钻孔灌注桩做自然垂直接地体的原因和优点；详细介绍了接地电阻的计算方法。
Abstract: This paper briefly introduced the design method and understanding of lightning-earthing system, providing the view of using metal roof as air terminal carefully when designing lightning of important buildings, analyzing the reason and advantages of using drive cast-place-pile as natural vertical earthing-system, and introducing concretely the calculating method of earthing resistance using the design of elevated railway station (Chen-jiang Station) in Dongguan-Huizhou Inter-city Rail Transportation as an example.
关键词：高架站房 防雷系统 接地系统 接地电阻
Keywords: Elevated railway station; Lightning system; Earthing system; Earthing resistance
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
近两年来，铁路站房的新、扩建项目大量涌现，特别是通信、信号专业对雷电防护措施的要求越来越严格，防雷接地系统的设计越来越受到关注和重视。本文以莞惠城际铁路项目高架站房（陈江站）设计为应用实例，浅谈防雷接地系统的设计以及接地电阻的计算方法，与同行交流探讨。
1.工程概况
陈江站为路中高架站，采用线下式与下进下出的旅客流线形式。在规划道路上空架设车站主体：站台层采用两台夹两线的布置形式，两侧设侧式站台两座；站厅层在站台层下，中间为公共区，两端为设备管理区，通过两侧过街天桥进出站；地面层设有消防控制室及消防泵房。
2.防雷系统
2.1按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）附录A建筑物年预计雷击次数的计算公式，陈江站主体建筑的预计雷击次数为0.3319次/a。依据上述规范中第3.0.3条第九款的规定，属第二类防雷建筑物。
2.2接闪器的设计
《规范》规定：“除第一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器，并应符合下列要求：（1）板间的连接应是持久的电气贯通，可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接；（2）金属板下面无易燃物品时，铅板的厚度不应小于2mm，不銹钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于0.5mm，铝板的厚度不应小于0.65mm，锌板的厚度不应小于0.7mm；（3）金属板下面有易燃物品时，不锈钢、热镀锌钢和钛板的厚度不应小于4mm，铜板的厚度不应小于5mm，铝板的厚度不应小于7mm；（4）金属板应无绝缘被覆层。
如工程能够满足上述条件，利用金属屋面作为接闪器，不仅可省去架设避雷带的麻烦，减少投资，同时还可以保持建筑物外型美观。但笔者认为，应根据建筑物的重要性来决定是否增设避雷带。
随着城际轨道交通项目的防雷系统设计越来越受到重视，防雷系统是否安全可靠比起建筑物的外形是否美观，更应当是设计人员首要考虑和研究的问题。虽然本工程主体建筑及人行天桥雨棚屋面采用的是金属屋面，但设计仍决定采用设明装避雷带作为接闪器，以确保防雷措施安全可靠，主要是基于以下两个原因：a.屋顶钢板之间的连接和柱之间是否能够连成电气通路？b.工程实施过程中屋顶钢板的厚度是否能达到防雷的要求？虽然设计图纸提出了明确要求，但施工过程中，设计单位是不可控的。
避雷带的设置采用常规做法：采用φ10圆钢，避雷带网格尺寸不大于10m*10m或12m*8m。金属顶棚应与其结构柱柱内钢筋或钢结构柱可靠连接；钢结构部分应将结构钢梁及檩条与金属屋面可靠连接，连接点间距不得大于10m。屋面上的所有金属突出物，如金属设备和管道以及建筑物的金属构件等，均应与屋面上的防雷装置可靠连接。人行天桥避雷带应与主体结构作为防雷引下线的主筋相连。
2.3利用钢筋混凝土柱内两根主筋（直径大于16mm钢筋两根，下同）及钢结构柱本身作引下线，引下线平均间距为14m，符合规范中规定的引下线间距不大于18m的要求；引下线上端与避雷带、金属屋面可靠连接，下端与结构柱主筋可靠连接。
3.接地系统
接地装置包括自然接地体和人工接地体。《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）第12.5.1条规定，在满足热稳定的条件下，交流电气装置的接地极应利用自然接地体。
3.1高架站房的防雷接地和电力系统接地、设备接地、电子设备接地、电气化接触网设施接地等共用接地装置，接地电阻要求不大于1.0Ω。本工程利用钻孔灌注桩作为自然接地体，如现场实测接地电阻不能满足要求，应在室外增设人工接地装置。
3.2接地电阻的计算
3.2.1高架站房桩基基础结构分析
高架站房的桩基基础，在结构上都是将一根根钢筋混凝土柱子深入地中，直达几十米深的岩层。桩基上做承台，承台也是用钢筋混凝土制作的，它把桩基连成一体。承台上是站房的剪力墙及柱子，站房的地面部分就坐落在承台上。如图1所示。
图1 高架站房桩基基础结构图
在钢筋混凝土基础的承力构件内，钢筋纵横交错，彼此焊接或绑扎，在混凝土浇注凝固后，与混凝土紧密接触。借助于混凝土的毛细作用，地下水渗入其中。此时，对于硅酸盐水泥来说，导电能力增强。使整个基础变成具有巨大表面积的等电位散流面，因而使得接地电阻很低。由于高架站的基础很深，有的甚至达地下岩层，常在地下水位以下，使得接地电阻终年稳定，不受季节与气候的影响。
由以上的基础结构特点分析可见，高架站房利用桩基基础作为接地极是可靠的。
3.2.2接地电阻的等效计算
依据表1最后一行，桩基的钢筋体的单个基础接地极的接地电阻计算式为
ρ—基础接地极所在地的土壤电阻率，Ω.m；
：桩基在土壤中的长度，m；
：形状系数，可由图2查出；
：钢筋体的直径，m。
表1 单个基础接地极的接地电阻（Ω）计算式
（选自《工业与民用配电设计手册》第三版P891表14-12）
基础接地极的几何形状 计算式
矩形基础板、矩形条状基础、开敞基础槽的钢筋体或整体加筋的块状基础的钢筋体
圆形条状基础的钢筋体
外墙不加筋的圆形基础板内的钢筋体
外墙加筋的圆形基础板内的钢筋体
杯口形基础的底板钢筋体
桩基的钢筋体
图2 形状系数 （选自《工业与民用配电设计手册》第三版P892图14-13）
以陈江站为例,计算过程如下:
表2 陈江站土壤电阻率测试数据
该站共有桩基38根,每根桩基平均深度为30m,直径1100mm。
单个基础接地极的电阻为：
Ω
其中， ，查图2， 取0.75；
ρ取BD2Z-CJZ-25孔位，即测试数据中电阻率最高值；
取桩基的平均深度，30m。
该站共有38根结构柱，假设单个基础接地极的电阻均为上述计算值6.05Ω，那么，该站总接地电阻依据 公式，推出，
理论计算值满足设计要求，如实际情况不满足，需补打人工接地体。
3.3高架站房利用鉆孔灌注桩做自然接地体的一个重要出发点是基于是否具备施工条件的考虑：高架站房架设于市政道路之上，如敷设人工接地体，必然破坏市政道路，必须征得市政管理部门的同意；另外，地下市政管网复杂，不仅会加大施工难度，而且不利于施工界面的划分，容易出现分歧。
3.4高架站房利用钻孔灌注桩做自然垂直接地体，要求每个结构柱主筋与钻孔灌注桩主筋、基础承台连梁主筋相连。从基础至柱子顶部，每个结构柱主筋均要求上下通长焊接。结构柱之间的连梁均需与柱内主筋焊接。
4.其他
关于弱电专业提出将信号设备接地极单独做引下线接至接地系统的要求，《铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南》一书中有明确规定：对于新建综合站房，可利用建筑物钢筋混凝土框架中的结构钢筋作为引下线。另外，笔者认为，利用柱内主筋作为引下线是最安全可靠的，钢筋不会轻易断裂，而单独引线接至接地系统，特别是高架站房，地面层是开放的市政道路，行人众多，大大增加了接地系统遭到破坏的可能性，反倒留下不安全的隐患。
5.结束语
5.1重要建筑物的屋顶防雷设计慎用金属屋面作为接闪器。
5.2在土壤电阻率条件良好的地区，充分利用钻孔灌注桩做自然垂直接地体是切实可行的。
5.3高架站房是集旅客进出站、售检票、强弱电设备用房、办公用房等为一体的综合站房，不同于铁路沿线的信号楼等单体房屋。因此，弱电设备用房，特别是信号设备的接地设计也应有所差别，不可一概而论。
参考文献
[1] JGJ 16-2008,《民用建筑电气设计规范》[S].
[2] GB 50052-1995《供配电系统设计规范》[S].
[3] GB 50054-2011《低压配电设计规范》[S].
[4] GB 344U3I-2010《防雷系统设计规范》[S].
[5] 任元会.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社，2006.
[6] 铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M].北京.中国铁道出版社，2009.
作者简介：许茁（1978- ），女，工程师，硕士，建筑电气设计
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
Abstract: This paper briefly introduced the design method and understanding of lightning-earthing system, providing the view of using metal roof as air terminal carefully when designing lightning of important buildings, analyzing the reason and advantages of using drive cast-place-pile as natural vertical earthing-system, and introducing concretely the calculating method of earthing resistance using the design of elevated railway station (Chen-jiang Station) in Dongguan-Huizhou Inter-city Rail Transportation as an example.
关键词：高架站房 防雷系统 接地系统 接地电阻
Keywords: Elevated railway station; Lightning system; Earthing system; Earthing resistance
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
近两年来，铁路站房的新、扩建项目大量涌现，特别是通信、信号专业对雷电防护措施的要求越来越严格，防雷接地系统的设计越来越受到关注和重视。本文以莞惠城际铁路项目高架站房（陈江站）设计为应用实例，浅谈防雷接地系统的设计以及接地电阻的计算方法，与同行交流探讨。
1.工程概况
陈江站为路中高架站，采用线下式与下进下出的旅客流线形式。在规划道路上空架设车站主体：站台层采用两台夹两线的布置形式，两侧设侧式站台两座；站厅层在站台层下，中间为公共区，两端为设备管理区，通过两侧过街天桥进出站；地面层设有消防控制室及消防泵房。
2.防雷系统
2.1按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）附录A建筑物年预计雷击次数的计算公式，陈江站主体建筑的预计雷击次数为0.3319次/a。依据上述规范中第3.0.3条第九款的规定，属第二类防雷建筑物。
2.2接闪器的设计
《规范》规定：“除第一类防雷建筑物外，金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器，并应符合下列要求：（1）板间的连接应是持久的电气贯通，可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接；（2）金属板下面无易燃物品时，铅板的厚度不应小于2mm，不銹钢、热镀锌钢、钛和铜板的厚度不应小于0.5mm，铝板的厚度不应小于0.65mm，锌板的厚度不应小于0.7mm；（3）金属板下面有易燃物品时，不锈钢、热镀锌钢和钛板的厚度不应小于4mm，铜板的厚度不应小于5mm，铝板的厚度不应小于7mm；（4）金属板应无绝缘被覆层。
如工程能够满足上述条件，利用金属屋面作为接闪器，不仅可省去架设避雷带的麻烦，减少投资，同时还可以保持建筑物外型美观。但笔者认为，应根据建筑物的重要性来决定是否增设避雷带。
随着城际轨道交通项目的防雷系统设计越来越受到重视，防雷系统是否安全可靠比起建筑物的外形是否美观，更应当是设计人员首要考虑和研究的问题。虽然本工程主体建筑及人行天桥雨棚屋面采用的是金属屋面，但设计仍决定采用设明装避雷带作为接闪器，以确保防雷措施安全可靠，主要是基于以下两个原因：a.屋顶钢板之间的连接和柱之间是否能够连成电气通路？b.工程实施过程中屋顶钢板的厚度是否能达到防雷的要求？虽然设计图纸提出了明确要求，但施工过程中，设计单位是不可控的。
避雷带的设置采用常规做法：采用φ10圆钢，避雷带网格尺寸不大于10m*10m或12m*8m。金属顶棚应与其结构柱柱内钢筋或钢结构柱可靠连接；钢结构部分应将结构钢梁及檩条与金属屋面可靠连接，连接点间距不得大于10m。屋面上的所有金属突出物，如金属设备和管道以及建筑物的金属构件等，均应与屋面上的防雷装置可靠连接。人行天桥避雷带应与主体结构作为防雷引下线的主筋相连。
2.3利用钢筋混凝土柱内两根主筋（直径大于16mm钢筋两根，下同）及钢结构柱本身作引下线，引下线平均间距为14m，符合规范中规定的引下线间距不大于18m的要求；引下线上端与避雷带、金属屋面可靠连接，下端与结构柱主筋可靠连接。
3.接地系统
接地装置包括自然接地体和人工接地体。《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）第12.5.1条规定，在满足热稳定的条件下，交流电气装置的接地极应利用自然接地体。
3.1高架站房的防雷接地和电力系统接地、设备接地、电子设备接地、电气化接触网设施接地等共用接地装置，接地电阻要求不大于1.0Ω。本工程利用钻孔灌注桩作为自然接地体，如现场实测接地电阻不能满足要求，应在室外增设人工接地装置。
3.2接地电阻的计算
3.2.1高架站房桩基基础结构分析
高架站房的桩基基础，在结构上都是将一根根钢筋混凝土柱子深入地中，直达几十米深的岩层。桩基上做承台，承台也是用钢筋混凝土制作的，它把桩基连成一体。承台上是站房的剪力墙及柱子，站房的地面部分就坐落在承台上。如图1所示。
图1 高架站房桩基基础结构图
在钢筋混凝土基础的承力构件内，钢筋纵横交错，彼此焊接或绑扎，在混凝土浇注凝固后，与混凝土紧密接触。借助于混凝土的毛细作用，地下水渗入其中。此时，对于硅酸盐水泥来说，导电能力增强。使整个基础变成具有巨大表面积的等电位散流面，因而使得接地电阻很低。由于高架站的基础很深，有的甚至达地下岩层，常在地下水位以下，使得接地电阻终年稳定，不受季节与气候的影响。
由以上的基础结构特点分析可见，高架站房利用桩基基础作为接地极是可靠的。
3.2.2接地电阻的等效计算
依据表1最后一行，桩基的钢筋体的单个基础接地极的接地电阻计算式为
ρ—基础接地极所在地的土壤电阻率，Ω.m；
：桩基在土壤中的长度，m；
：形状系数，可由图2查出；
：钢筋体的直径，m。
表1 单个基础接地极的接地电阻（Ω）计算式
（选自《工业与民用配电设计手册》第三版P891表14-12）
基础接地极的几何形状 计算式
矩形基础板、矩形条状基础、开敞基础槽的钢筋体或整体加筋的块状基础的钢筋体
圆形条状基础的钢筋体
外墙不加筋的圆形基础板内的钢筋体
外墙加筋的圆形基础板内的钢筋体
杯口形基础的底板钢筋体
桩基的钢筋体
图2 形状系数 （选自《工业与民用配电设计手册》第三版P892图14-13）
以陈江站为例,计算过程如下:
表2 陈江站土壤电阻率测试数据
该站共有桩基38根,每根桩基平均深度为30m,直径1100mm。
单个基础接地极的电阻为：
Ω
其中， ，查图2， 取0.75；
ρ取BD2Z-CJZ-25孔位，即测试数据中电阻率最高值；
取桩基的平均深度，30m。
该站共有38根结构柱，假设单个基础接地极的电阻均为上述计算值6.05Ω，那么，该站总接地电阻依据 公式，推出，
理论计算值满足设计要求，如实际情况不满足，需补打人工接地体。
3.3高架站房利用鉆孔灌注桩做自然接地体的一个重要出发点是基于是否具备施工条件的考虑：高架站房架设于市政道路之上，如敷设人工接地体，必然破坏市政道路，必须征得市政管理部门的同意；另外，地下市政管网复杂，不仅会加大施工难度，而且不利于施工界面的划分，容易出现分歧。
3.4高架站房利用钻孔灌注桩做自然垂直接地体，要求每个结构柱主筋与钻孔灌注桩主筋、基础承台连梁主筋相连。从基础至柱子顶部，每个结构柱主筋均要求上下通长焊接。结构柱之间的连梁均需与柱内主筋焊接。
4.其他
关于弱电专业提出将信号设备接地极单独做引下线接至接地系统的要求，《铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南》一书中有明确规定：对于新建综合站房，可利用建筑物钢筋混凝土框架中的结构钢筋作为引下线。另外，笔者认为，利用柱内主筋作为引下线是最安全可靠的，钢筋不会轻易断裂，而单独引线接至接地系统，特别是高架站房，地面层是开放的市政道路，行人众多，大大增加了接地系统遭到破坏的可能性，反倒留下不安全的隐患。
5.结束语
5.1重要建筑物的屋顶防雷设计慎用金属屋面作为接闪器。
5.2在土壤电阻率条件良好的地区，充分利用钻孔灌注桩做自然垂直接地体是切实可行的。
5.3高架站房是集旅客进出站、售检票、强弱电设备用房、办公用房等为一体的综合站房，不同于铁路沿线的信号楼等单体房屋。因此，弱电设备用房，特别是信号设备的接地设计也应有所差别，不可一概而论。
参考文献
[1] JGJ 16-2008,《民用建筑电气设计规范》[S].
[2] GB 50052-1995《供配电系统设计规范》[S].
[3] GB 50054-2011《低压配电设计规范》[S].
[4] GB 344U3I-2010《防雷系统设计规范》[S].
[5] 任元会.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社，2006.
[6] 铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M].北京.中国铁道出版社，2009.
作者简介：许茁（1978- ），女，工程师，硕士，建筑电气设计
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。