膜结构建筑防雷研究

辛柯

摘要：膜结构建筑在近几十年中迅速发展，成为了现代建筑设计的重要组成部分。然而，由于其使用的材料和结构的特殊性质，在雷电活动频繁的地区，膜结构建筑的防雷问题也受到了越来越多的关注。本文将以膜结构建筑防雷研究为主题，从材料、结构和设计等方面探讨膜结构建筑的防雷问题，以供更多参考。

关键词：膜结构；接地系统；防雷保护装置

引言

膜结构建筑作为一种轻质、高效、美观的建筑形式，已经逐渐成为现代建筑界的热门话题。然而，随着膜结构建筑数量的增加，其防雷安全问题也日益受到关注。为了更好地保障膜结构建筑的使用安全，需要对膜结构建筑的防雷机理和防雷技术进行深入研究，提出科学合理的防雷方案。本文志在于此。

一、膜结构建筑防雷的基本原理

（一）雷电的特点及危害

雷电是一种自然现象，是在大气中由电荷不平衡引起的放电现象，其中包括云间放电、云地放电、云中放电和地面放电等。雷电具有强度大、能量高、电流瞬时变化快、电压高等特点，其电流幅度可达数十万安培，电压可达数千伏特以上，雷电放电过程很短暂，时长大约在几千分之一至百万分之一秒之间。

雷电对建筑物造成的危害主要包括直接打击、电涌和感应耦合等。直接打击是指雷电直接击中建筑物产生的电流和电压，电流通过建筑物的金属结构、接地线路等形成的电磁场会引发火灾、爆炸等事故。电涌是指雷击电流进入建筑物后在结构中产生的电磁脉冲，这种电磁脉冲可导致设备损坏，影响建筑物内部电气设备的正常工作。感应耦合是指当雷电电流通过雷地线时，会在线周围产生电磁场，进而感应到周围的金属结构，导致电磁场的传递和扩大，最终影响到建筑内部的设备等。

（二）膜结构建筑防雷的基本原理

膜结构建筑因其结构的特点和用途，需要在防雷设计时更加注重对雷电流的防护。在防雷设计中，通过合理的导电接地、接地系统和防雷装置等措施，保护膜结构建筑免受雷电击击害。

导电接地是膜结构建筑的重要基础，通过导体沿着建筑物的结构和接地端口连接形成导体网络，保证建筑物的导电性能，有效地抵抗雷电击打对建筑物造成的危害。接地系统是指将建筑物与大地连接的系统，其作用是通过导电体连接建筑物和大地，将雷电电流引入大地，保护建筑物免受雷击影响，防止电涌和感应耦合的发生。同时，在膜结构建筑的防雷设计中，还需要考虑到防雷装置的应用。防雷装置是指为建筑物提供保护的专业设备，通过保护导体提供良好的电保护，有效降低雷电对建筑物造成的危害。

二、膜结构建筑防雷技术研究

（一）膜结构材料的防雷性能

膜结构材料的防雷性能是影响膜结构建筑防雷效果的重要因素之一。膜结构材料可以分为有机膜材料和无机膜材料两类。有机膜材料的防雷性能主要受到材料本身导电性能的影响。通常采用导电纤维或导电涂层等方式提高膜材料的导电性能。此外，有机膜材料的静电特性也会影响其防雷性能。静电容易在膜表面积聚电荷，导致雷击危险。因此，需要采取相应的措施，对有机膜材料进行静电处理或添加导电剂，降低其静电特性。无机膜材料的防雷性能主要受到材料本身导电性能和材料表面粗糙度的影响。由于其化学性质稳定，不易燃烧，因此无机膜材料通常具有较好的防雷性能。同时，由于无机膜材料较为坚硬，表面比有机膜材料更加粗糙，有助于电场分布，在防雷方面表现更加优异。

（二）膜结构建筑的接地系统设计

接地系统是膜结构建筑防雷的重要组成部分。在设计膜结构建筑的接地系统时，需要考虑接地位置，接地系统应设置于建筑固定的支撑系统中，应选择尽可能深入地下、离建筑物较远的位置，避免雷电直接击中建筑物。如接地电阻应该尽量降低：在设计规范中规定，建筑物的接地电阻不应超过4Ω。因此，在接地系统设计中，需要注意地电阻的测量和改进。而接地导线应采用耐电压、耐高温以及耐腐蚀的导线，以保证接地系统的安全可靠性。同时，接地系统应采用足够密度的接地网格，使接地电势分布均匀。此外，接地系统中的接地杆件也应选择防腐材料或者镀锌处理，以延长接地杆件的使用寿命。

（三）膜结构建筑的避雷针和防雷带设置

避雷针和防雷带是膜结构建筑防雷的另一种重要措施。在膜结构建筑的设计中，需要根据建筑物的高度、结构和周边环境情况，选择合适的避雷针和防雷带，以提高建筑物的抗雷能力。避雷针通常采用尖顶或针尖形状，可以将雷电引向避雷地线，从而减小雷击危险。防雷带通常设置在建筑物的顶部和周围，起到接受雷电冲击、分散电荷、降低电位差的作用。选择合适的避雷针和防雷带可以有效地保护膜结构建筑，减小雷击危险。

（四）膜结构建筑的防雷保护装置

膜结构建筑的防雷保护装置包括避雷器、放电管和避雷放电器等。这些装置主要用于在雷电冲击过程中对膜结构建筑进行保护，避免损坏和人员伤亡。避雷器是一种用于释放雷电能量的装置。其工作原理是通过电火花放电，将雷电能量从建筑物引向地面，以保护建筑物和人员安全。放电管是一种快速放电的装置，其主要用途是在雷电冲击过程中，将过高的电压和电流快速地释放到地面，以保护建筑物和人员安全。避雷放电器是一种快速放电的装置，其主要用途是在雷电冲击过程中，将过高的电压和电流快速地释放到地面，以保护建筑物和人员安全。

三、膜结构建筑防雷的实验研究

（一）实验设计

为了研究膜结构建筑的防雷性能，我们设计了实验来进行验证。我们在实验中选用了两种常用的建筑膜材料，一种是聚氯乙烯（PVC）膜，另一种是聚四氟乙烯（PTFE）膜。我们在实验中使用了模拟雷电放电的高压放电枪，将高压电流注入到建筑膜表面，观察建筑膜的防雷性能。实验中同时考虑了不同建筑膜的厚度、导电添加剂的种类和添加比例等因素对膜结构建筑防雷性能的影响。

我们设计了两组实验，第一组实验是使用不同厚度的PVC膜，分别为0.4mm、0.8mm和1.2mm，注入相同的电流进行测试。第二组实验是将不同种类和添加比例的导电添加剂添加到PVC膜中，注入相同的电流进行测试。我们选用了碳黑、氧化铝、氧化锌和导电纤维四种常用的导电添加剂，添加比例为1%、3%和5%。实验数据的记录和分析，我们选用了三个参数来评价建筑膜的防雷性能。第一个参数是建筑膜表面形成的电晕，第二个参数是建筑膜表面的电压波动，第三个参数是建筑膜表面的温度变化。我们使用高速摄像机和红外测温仪来记录实验数据，并进行分析和评价。

（二）实验结果分析

通过实验数据的收集和分析，我们得出了建筑膜表面的电晕对防雷性能有很大影响。当电流注入到膜表面时，表面会形成电晕，电晕会产生较强的电场，导致电流分布不均，从而导致电压波动和温度变化。当电晕越强，电压波动和温度变化也会越大，说明电晕可以影响建筑膜的防雷性能。同时，建筑膜厚度对防雷性能也有影响。当建筑膜的厚度增加时，电晕越弱，电压波动和温度变化也会减小。当PVC膜的厚度从0.4mm增加到1.2mm时，电晕强度减小了近50%，电压波动和温度变化也减小了近50%。而导电添加剂的种类和添加比例对防雷性能也有影响。经过实验比较，发现碳黑和导电纤维这两种导电添加剂具有较好的防雷效果，导电添加剂的添加比例也对防雷性能影响较大。当导电纤维的添加比例从1%增加到5%时，电压波动和温度变化均减小了近50%。

（三）结果分析与评价

本实验研究表明，膜结构建筑的防雷性能可以通过调整膜材料的厚度和添加导电添加剂来提高。在实际工程应用中，我们可以在设计建筑膜结构时，考虑使用较厚的膜材料，并加入适量的导电添加剂，从而提高膜结构建筑的防雷性能，减少雷电对建筑物的破坏。此外，我们还可以通过优化建筑膜的结构和设计，来进一步提高建筑膜的防雷性能，保障建筑物和人员的安全。

结论

总之，膜结构建筑防雷技术应用与推广前景广阔。在未来的建筑设计和建设中，我们有理由相信，通过不断探索和创新，膜结构建筑防雷技术将不断优化和完善，成为保障人们生命财产安全的有效手段，也成为建筑行业不可或缺的一道亮丽风景线。

参考文献

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