一种建筑物避雷保护范围确定方法与流程

本发明属于建筑物防雷技术领域，具体涉及一种建筑物避雷保护范围确定方法。

背景技术：

许多山顶及空旷地带的建筑物极易招致雷电袭击，继而引起的建筑物火灾事故发生。因此，准确确定建筑物避雷设施的保护范围，是有效验证主要建筑及设备是否在避雷设施有效保护范围之内的重要工作。传统的《建筑物防雷设计规范GB50057-2010》附录D，即是《建筑物防雷设计规范GB50057-2000》附录四中滚球法涉及到很多公式，以及很多高度及位置符号，计算比较繁琐。虽然有学者和技术人员针对滚球法编写出计算机程序，可以很快计算出各高度的滚球半径数值。这些计算程序建筑设计施工技术人员不易获得，并且程序计算的准确性对于不懂编程的相关技术人员也无法考证，计算结果简单的数值对于相关技术人员没有太大的指导意义。传统的《建筑物防雷设计规范》提供的代数计算方法对于原本就是几何问题的滚球法避雷保护范围的描述不够直观。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种建筑物避雷保护范围确定方法。

本发明的技术方案是：

一种建筑物避雷保护范围确定方法，包括以下步骤：

步骤1：根据建筑物避雷等级确定避雷针的滚球半径，从而确定各个避雷针作为独立避雷针的保护范围；

步骤2：根据各个避雷针作为独立避雷针的保护范围确定各个避雷针在地面独立保护范围圆和各个避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆；

步骤3：确定建筑物周围所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围包络线；

步骤3.1：确定相邻两个避雷针的外接滚球在建筑物高度水平面的投影圆，该投影圆与其相邻的两个避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆的两个切点之间的凹弧即为该相邻两个避雷针的联合保护范围线；

步骤3.2：按照步骤3.1的过程依次确定所有相邻两个避雷针的联合保护范围线，将相邻两个避雷针的联合保护范围线与各避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆所构成的最大保护范围曲线作为所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围包络线；

步骤4：判断建筑物高度是否在任意两个避雷针的联合保护范围内，若是，则当前所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围即为当前建筑物避雷保护范围，否则，增加避雷针个数或添加避雷线，返回步骤1。

所述判断建筑物高度是否在任意两个避雷针的联合保护范围内的具体方法如下所示：

(1)判断建筑物高度是否在任意相邻两个避雷针的联合保护范围内：

将滚球在相邻两个避雷针形成的平面内的投影圆与该相邻两个避雷针之间形成的凹弧作为该相邻两个避雷针的剖面联合保护范围线，若该剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，则建筑物高度在该相邻两个避雷针的联合保护范围内；

(2)判断建筑物高度是否在任意对角两个避雷针的联合保护范围内：

以对角两个避雷针外接滚球球心为圆心，以滚球半径为半径在对角两个避雷针形成的平面内确定一个圆，该圆与对角两个避雷针之间形成的凹弧作为该对角两个避雷针的剖面联合保护范围线，若该剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，则建筑物高度在该相邻两个避雷针的联合保护范围内。

本发明的有益效果：

本发明提出一种建筑物避雷保护范围确定方法与传统《建筑物防雷设计规范》提供的代数计算方法技术相比，具有如下优势：避免了传统的《建筑物防雷设计规范》提供的代数计算方法涉及到的很多公式，很多高度数值及位置符号，繁琐的计算；保持了滚球法解决问题的几何思维，并且将三维滚球概念简化为二维平面作图方法，绘制结果直观、简单、清晰明了。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中避雷针A与避雷针B外接滚球三维示意图；

图2为本发明具体实施方式中避雷针A与避雷针B作为独立避雷针的保护范围三维示意图；

图3为本发明具体实施方式中避雷针A与避雷针B作为独立避雷针的保护范围三维效果图；

图4为本发明具体实施方式中建筑物与避雷针在地面位置平面图；

图5为本发明具体实施方式中建筑物避雷保护范围确定方法流程图；

图6为本发明具体实施方式中避雷针A、B、C、D在地面独立的保护范围圆；

图7为本发明具体实施方式中避雷针A、B、C、D在建筑物高度水平面独立保护范围圆；

图8为本发明具体实施方式中避雷针A与避雷针B在建筑物高度水平面的联合保护范围线平面图；

图9为本发明具体实施方式中所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围包络线示意图；

图10为本发明具体实施方式中判断建筑物高度是否在任意相邻两个避雷针的联合保护范围内示意图；

图11为本发明具体实施方式中判断建筑物高度是否在对角两个避雷针的联合保护范围内示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

为了便于理解，首先建立三维立体概念，本发明采用Pro/Engineer三维建模软件绘制了避雷针A与避雷针B的外接滚球O，如图1所示，避雷针A与避雷针B联合保护范围示意图如图2所示，避雷针A与避雷针B联合保护范围填充效果图如图3所示。有了三维立体概念，下面以一个实例详细叙述如何将三维立体概念转变为二维平面绘制避雷保护范围包络线图。

本实施方式中，以一个长l₁＝40m，宽l₂＝20m的一类防雷建筑物为例，如图4所示，建筑物四角共有A、B、C、D四个避雷针，且避雷针距离建筑物的距离为5M。A避雷针和B避雷针之间的距离为l₁＝40m，C避雷针和D避雷针之间的距离为l₃。

一种建筑物避雷保护范围确定方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：根据建筑物避雷等级确定避雷针的滚球半径，从而确定各个避雷针作为独立避雷针的保护范围。

本实施方式中，建筑物的避雷等级为一类避雷保护建筑物，确定的滚球半径h_r为30米。

步骤2：根据各个避雷针作为独立避雷针的保护范围确定各个避雷针在地面独立保护范围圆和各个避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆。

本实施方式中，通过作图软件AutoCAD绘制避雷针A、B、C、D在地面独立保护范围圆，如图6所示，图中，h_r为避雷针A与避雷针B的外接滚球半径，H₁为避雷针高度，h₁为避雷针A在地面独立保护范围圆的半径，地面保护范围圆交点为相邻避雷针外接滚球球心水平投影。

避雷针A、B、C、D在建筑物高度水平面独立保护范围圆如图7所示，图中H₂为建筑物高度，h₂为避雷针A在建筑物高度水平面独立保护范围圆半径。

步骤3：确定建筑物周围所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围包络线。

步骤3.1：确定相邻两个避雷针的外接滚球在建筑物高度水平面的投影圆，该投影圆与其相邻的两个避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆的两个切点之间的凹弧即为该相邻两个避雷针的联合保护范围线。

本实施方式中，如图8所示，以避雷针A和避雷针B的外接滚球的球心O在建筑物高度水平面的投影点为圆心O_H1，以避雷针A在地面保护范围半径h₁与避雷针A在建筑物高度水平面的独立保护范围圆半径h₂的差值h₃为半径画出投影圆，h₃为投影圆半径，h₃＝h₁-h₂。投影圆O_H1与避雷针A和避雷针B在建筑物高度水平面的独立保护范围圆的切点之间的凹弧即为避雷针A和避雷针B的联合保护范围线。

步骤3.2：按照步骤3.1的过程依次确定所有相邻两个避雷针的联合保护范围线，将相邻两个避雷针的联合保护范围线与各避雷针在建筑物高度水平面独立保护范围圆所构成的最大保护范围曲线作为所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围包络线，如图9所示。

步骤4：判断建筑物高度是否在任意两个避雷针的联合保护范围内，若是，则当前所有避雷针在建筑物高度水平面的联合保护范围即为当前建筑物避雷保护范围，否则，增加避雷针个数或添加避雷线，返回步骤1。

本实施方式中，判断建筑物高度是否在任意两个避雷针的联合保护范围内的具体方法如下所示：

(1)判断建筑物高度是否在任意相邻两个避雷针的联合保护范围内：

将滚球在相邻两个避雷针形成的平面内的投影圆与该相邻两个避雷针之间形成的凹弧作为该相邻两个避雷针的剖面联合保护范围线，若该剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，则建筑物高度在该相邻两个避雷针的联合保护范围内。

本实施方式中，如图10所示，图10剖面图中，O″为滚球球心O在避雷针A和避雷针B形成的平面内的投影点，h₄为投影点O″到避雷针A或者避雷针B的距离，也即滚球球心O为球心的滚球在避雷针A和避雷针B形成的平面内的投影圆的半径。由图10中剖面图可以看出，避雷针A和避雷针B的剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，建筑物在避雷针A和避雷针B的联合保护范围内。同理验证建筑物高度是否在避雷针B和避雷针D联合保护范围之内，是否在避雷针D和避雷针C联合保护范围之内，是否在避雷针C和避雷针A联合保护范围之内。本实施方式中，建筑物处于各个相邻避雷针联合保护范围之内。

(2)判断建筑物高度是否在任意对角两个避雷针的联合保护范围内：

以对角两个避雷针外接滚球球心为圆心，以滚球半径为半径在对角两个避雷针形成的平面内确定一个圆，该圆与对角两个避雷针之间形成的凹弧作为该对角两个避雷针的剖面联合保护范围线，若该剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，则建筑物高度在该相邻两个避雷针的联合保护范围内。

本实施方式中，如图11所示，图中l_cb为避雷针B到避雷针C之间的水平距离，O_CB为避雷针B和避雷针C的外接滚球球心。以O_CB为圆心，以滚球半径h_r为半径在剖面图中绘制避雷针B和避雷针C的剖面联合保护范围线。由图10中剖面图可以看出，避雷针B和避雷针C的剖面联合保护范围线在建筑物高度水平线以上，建筑物在避雷针B和避雷针C的联合保护范围内。同理验证建筑物高度是否在避雷针A和避雷针D联合保护范围之内，本实施方式中，建筑物处于避雷针A和D联合保护范围之内。