考慮周邊物體時(shí)計(jì)算建構(gòu)筑物各部位雷擊概率的方法
【專利摘要】考慮周邊物體時(shí)計(jì)算建構(gòu)筑物各部位雷擊概率的方法。本發(fā)明對(duì)大自然中復(fù)雜的雷電環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)化，根據(jù)電氣幾何模型，將絕對(duì)平坦大地上的一個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的概率設(shè)為一個(gè)雷擊單元，據(jù)此來計(jì)算建筑物上任何一個(gè)部位遭受雷擊的概率大小。具體方法是將建筑物所在的三維空間按照一定的尺度劃分為空間網(wǎng)格，根據(jù)公式K＝A*G3/R來計(jì)算，其中，K是建筑物上某個(gè)部位的雷擊倍率，A是對(duì)應(yīng)于該部位的R/I雷擊點(diǎn)的數(shù)量，G是網(wǎng)格的尺寸（單位：米），R是滾球半徑（單位：米）。本發(fā)明還提出了等效截收體積的概念，指出，相比等效截收面積，用等效截收體積來衡量建筑物遭受雷擊的可能性更為科學(xué)合理，并給出了等效截收體積的兩種可能的定義方式。
【專利說明】考慮周邊物體時(shí)計(jì)算建構(gòu)筑物各部位雷擊概率的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利是一種考慮周圍物體(該物體可以是建筑物、構(gòu)筑物或其它任何高于地面的有固定位置的設(shè)施或裝置)時(shí)定量計(jì)算建筑物(包括構(gòu)筑物，為簡(jiǎn)明起見，以下均統(tǒng)稱為建筑物)的不同部位遭受雷擊的概率的方法，適用于雷電防護(hù)行業(yè)，可供建筑工程設(shè)計(jì)院、各省區(qū)市氣象局防雷中心、防雷公司、防雷辦等相關(guān)單位對(duì)建筑物進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷電防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及檢測(cè)工作。

【背景技術(shù)】
[0002]雷電是對(duì)建筑物威脅最大的自然災(zāi)害之一。計(jì)算建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)是雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及雷電防護(hù)工作的重要組成環(huán)節(jié)。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB50057)以及GB50343-2012 ((以下簡(jiǎn)稱GB50343))的規(guī)定，建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算公式如下:
N = k X Ng X Ae(公式 I )
在公式I中，#是建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)'k是校正系數(shù)，一般取為I ;餘.是建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度(簡(jiǎn)稱地閃密度)-Ae是地面上與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效截收范圍(以下簡(jiǎn)稱截收范圍)的面積(等效截收面積，簡(jiǎn)稱截收面積)。關(guān)于Ae的計(jì)算，GB50057和GB50343規(guī)定:長(zhǎng)方體形態(tài)的建筑物，其在地面上的截收范圍的平面圖如附圖1所示，是一個(gè)四角為圓角的矩形，該圓角矩形的長(zhǎng)度為，寬度為^^9，四個(gè)圓角的半徑為久其截收面積按下列公式計(jì)算:
Ae = [ LXW + 2(L+V) XD + πif JX 1(Γ6 (公式 2)
公式2中'L、F、D —分別是長(zhǎng)方體建筑物的長(zhǎng)度、寬度和擴(kuò)大寬度(單位:米)；
所謂建筑物的擴(kuò)大寬度隊(duì)指的是建筑物的截收范圍與其在地面上的周邊范圍相比，所擴(kuò)大出去的寬度。擴(kuò)大寬度隨建筑物的高度#而變；當(dāng)建筑物的高度#小于100米時(shí)，按下列公式得到D:
D = [ HX (200-Η ) ] °.5(公式 3)
當(dāng)建筑物的高度"等于或大于100米時(shí)，按下列公式得到D:
D=H(公式4)
以上為GB50057和GB50343中的規(guī)定。在不同的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中對(duì)擴(kuò)大寬度的定義有所不同，比如GB21714.2《雷電防護(hù)第2部分:風(fēng)險(xiǎn)管理》中規(guī)定:不論建筑物的高度是多少，擴(kuò)大寬度都按照三倍的高度取值，即按下列公式得到^:
D = 3Η(公式 5)
由于擴(kuò)大寬度的定義有所不同，所以同一座建筑物，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范計(jì)算截收面積，得到的結(jié)果可能是不一樣的。為了區(qū)分，在GB50057和GB50343中截收面積用Ae表示,而在GB21714中截收面積用Ad表示。這里沒有明確區(qū)分Ae和Ad，一般統(tǒng)稱截收面積。下面所舉的案例是按照GB50057和GB50343中的定義Ae來進(jìn)行的。
[0003]上面介紹的是形狀為長(zhǎng)方體的建筑物的截收面積的計(jì)算公式；長(zhǎng)方體建筑物也叫規(guī)則建筑物，可以直接套用公式來計(jì)算其截收面積；對(duì)于形狀不是長(zhǎng)方體的不規(guī)則建筑物，沒有一個(gè)統(tǒng)一的公式來計(jì)算其截收面積，一般用CAD繪圖或計(jì)算機(jī)軟件建模的方式來計(jì)算，計(jì)算原理都是一樣的。
[0004]上面介紹的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容。截收面積用來衡量建筑物可能遭受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，一般來說，在不考慮其它因素的前提下，截收面積和雷擊風(fēng)險(xiǎn)是成正比的，建筑物的截收面積越大，雷擊風(fēng)險(xiǎn)就越大。但是，反過來，雷擊風(fēng)險(xiǎn)大的建筑物，截收面積卻不一定大，比如下面這個(gè)例子:
目前的國(guó)標(biāo)所存在的問題:一
福建客家地區(qū)有一種叫土樓或者圍屋的傳統(tǒng)民居，這種建筑物的外部形態(tài)就仿佛是一座圓形的(也有方形的，但比較少見)城堡，如附圖2所示。土樓的結(jié)構(gòu)比較奇特，其周邊一圈是最高的，有五六層樓的高度，而中間的部分并不高，一般是廣場(chǎng)或平房。土樓內(nèi)部的情形如附圖3所示。
[0005]假設(shè)有這樣一座土樓，其周邊一圈圓環(huán)的高度為20米，圓環(huán)的外徑為80米，內(nèi)徑為50米；由于20米高度的建筑物其擴(kuò)大寬度為60米，大于圓環(huán)的內(nèi)徑，因此土樓的截收范圍在地面上的投影是一個(gè)完整的圓形(而不是圓環(huán))，該圓形的半徑是R = 80 + 20*3 =140米，圓形的面積是η *R2 = 61575平方米。這就是該土樓的截收面積。
[0006]現(xiàn)在假設(shè)該土樓建成多年以后，土樓的居民們因?yàn)樽》烤o張，決定在土樓圓環(huán)所環(huán)抱的中心區(qū)域再新建一座高樓，其高度為100米，長(zhǎng)度和寬度各為40米。這座高樓建成以后的三維形態(tài)如附圖4所示。按照GB50057和GB50343的規(guī)定，由于高度為100米的建筑物其擴(kuò)大寬度也是100米，并沒有超出原來土樓的截收范圍，所以在新建了這座百米高樓以后，高樓和土樓整體的截收面積仍然是61575平方米。也就是說，新建百米高樓以后，截收面積沒有任何變化。
[0007]當(dāng)然，如果按照GB21714.2中的規(guī)定，高度為100米的建筑物其擴(kuò)大寬度是300米，這樣其截收面積就增大了，但是這個(gè)問題在其它尺寸的土樓上依然可能出現(xiàn)，這里就不贅述了。
[0008]上面所述的是一個(gè)虛擬的案例。在實(shí)際生活中，出于古建筑保護(hù)以及消防等方面的要求，在土樓內(nèi)部新建一座高樓這樣的事情是不可能發(fā)生的，但是從技術(shù)的角度來對(duì)此進(jìn)行探討，還是有必要的。
[0009]出現(xiàn)這種問題的原因
從這個(gè)案例可以發(fā)現(xiàn)，不論是只對(duì)原來的土樓單獨(dú)計(jì)算，還是在建成高樓以后，將高樓和土樓作為一個(gè)整體來計(jì)算，這兩種情況下所得到的截收面積是相同的。換句話說，不論這座土樓的中間有或沒有這樣一座高樓，其截收面積都是一樣的，沒有任何變化。
[0010]但問題是，原來土樓的高度只有20米，建成高樓以后建筑物整體的高度大幅增加到100米，其遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)毫無疑問是大大增加了，但是用截收面積來衡量雷擊風(fēng)險(xiǎn)，卻沒有任何變化。這肯定是有問題的。
[0011]實(shí)際上，用截收面積來衡量雷擊風(fēng)險(xiǎn)的大小，這種做法的正確性，是建立一個(gè)假設(shè)成立的前提下的:假設(shè)雷擊大地的密度與地面上的建筑物無關(guān)，或者說，不論地面上的建筑物數(shù)量多少和高矮程度，地閃密度都不會(huì)受到其影響。在這個(gè)假設(shè)成立的前提下，建筑物高度密集的區(qū)域，雖然建筑物的數(shù)量很多，但是其截收范圍相互重疊，因此，總的截收面積并沒有增大，地閃密度也并沒有增多，因此雷擊風(fēng)險(xiǎn)不變，比如上面所介紹的土樓的案例。
[0012]上面的這個(gè)假設(shè)很明顯是錯(cuò)誤的。通過世界各地的閃電定位系統(tǒng)的觀測(cè)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn):雷擊大地的密度確實(shí)受到地面上的建筑物的影響，一般來說，區(qū)域內(nèi)的建筑物數(shù)量越多，高度越高，則該區(qū)域的地閃密度就越大；同樣一塊區(qū)域，在未建設(shè)開發(fā)之前是一片空地，建成以后高樓林立，開發(fā)前后的地閃密度孰高孰低，是毋庸置疑的。因此，以截收面積的大小來衡量雷擊風(fēng)險(xiǎn)，是有問題的。
[0013]產(chǎn)生這個(gè)問題的根本原因是:建筑物所遭受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)是在三維立體空間內(nèi)發(fā)生的，而截收面積卻只是一個(gè)平面二維的概念。用一個(gè)平面二維的概念去衡量三維立體的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，無疑是不充分不完全的。這是目前國(guó)標(biāo)中存在的一個(gè)問題。
[0014]目前的國(guó)標(biāo)所存在的問題:二
另外，現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)無法對(duì)建筑物各部位遭受雷擊的概率(簡(jiǎn)稱雷擊率)進(jìn)行定量的計(jì)笪
[0015]關(guān)于雷擊建筑物的概率，有一些基本常識(shí)，比如:建筑物越高，遭受雷擊的概率就越大；建筑物不同部位遭受雷擊的概率不同，建筑物的上部遭受雷擊的概率要大于其下部；如果旁邊有更高的物體，則建筑物遭受雷擊的概率會(huì)降低，等等。這些基本常識(shí)是毋庸置疑的，幾乎每個(gè)從事防雷工作的技術(shù)人員對(duì)此都是熟知的。
[0016]雖然這些基本常識(shí)是正確的，但這些表述卻是含糊的，是定性而不是定量的。比如，在上面所舉的土樓的案例中，用截收面積來衡量雷擊風(fēng)險(xiǎn)，顯然是不成功的；建筑物的上部雷擊概率大于下部，但是具體大多少？怎樣來衡量？旁邊有更高的建筑物時(shí)，雷擊概率會(huì)下降，但具體下降多少？怎樣來計(jì)算？關(guān)于這些問題，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范并沒有提供一個(gè)可以定量計(jì)算雷擊概率的方法。
[0017]GB50057對(duì)此有所關(guān)注并試圖解決這些問題，其附錄B中列舉了建筑物易受雷擊的部位，比如附圖5所示的平面圖，左邊的(a)是一個(gè)矩形的平屋面，右邊的(b)是一個(gè)坡度不大于1/10的雙坡屋面。對(duì)于這兩種屋面而言，四個(gè)屋角是雷擊率最高的部位，其次為四條屋檐；在雙坡屋面的坡度比較緩的情況下(坡度不大于1/10)，雖然其屋脊是屋頂上最高的部位，但是并不易遭受雷擊。
[0018]附圖6是坡度大于1/10但小于1/2的雙坡屋面的平面圖，其四個(gè)屋角和屋脊的兩端是雷擊率最高的部位，其次是屋檐和屋脊。
[0019]附圖7是坡度不小于1/2的雙坡屋面的平面圖，其四個(gè)屋角、屋脊的兩端最易受雷擊，其次為屋脊和位于高處的屋檐；由于坡度較陡，這種屋面位于低處的兩條屋檐不易遭受雷擊，。
[0020]通過上面的描述可以發(fā)現(xiàn)，GB50057將建筑物不同部位的雷擊率分為三個(gè)等級(jí)，從高到低分別是:雷擊率最高、易受雷擊、不易受雷擊，并根據(jù)這三個(gè)等級(jí)對(duì)常見的平屋頂和雙坡頂建筑物的屋面的情況進(jìn)行了分析。
[0021]GB50057的這種分類方法，存在著以下問題:
對(duì)于坡屋頂?shù)钠露?，只分為三種情況(小于1/10、大于1/10且小于1/2、大于1/2)是明顯不夠的；
建筑物的形態(tài)有很多，遠(yuǎn)不止平屋頂和雙坡屋頂這兩種形態(tài)，GB50057對(duì)其它形態(tài)的建筑物沒有進(jìn)行考慮； 除了屋角、屋檐、屋脊等突出部位外，建筑物的屋面也可能遭受雷擊(雖然其雷擊率比較小)，但GB50057對(duì)此沒有考慮；
GB50057也沒有考慮周邊的其它建筑物對(duì)本建筑物的雷擊率的影響；而且，即使是同一幢建筑物的同一個(gè)部位，遭受不同強(qiáng)度的雷擊的概率也是不同的。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，雷電流按照其強(qiáng)度大小呈指數(shù)分布，大電流的雷擊發(fā)生概率小，小電流的雷擊發(fā)生概率大，因此當(dāng)我們說雷擊概率時(shí)，應(yīng)該考慮雷電流的強(qiáng)度。
[0022]因此，GB50057的這種分類方法，從本質(zhì)上來說也是定性不定量的。
[0023]上面是我們所說的第二個(gè)問題，即現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)無法定量計(jì)算建筑物各個(gè)部位的雷擊概率。
[0024]背景知識(shí)
上面介紹了目前的國(guó)標(biāo)中存在的一些問題，下面來介紹我們的解決方案。首先是一些背景知識(shí)的介紹。
[0025]在現(xiàn)代雷電防護(hù)理論中，根據(jù)電氣幾何模型建立的滾球法(Rolling SphereMethod)是直擊雷防護(hù)的理論基礎(chǔ)，其原理就是模擬一個(gè)大球，沿建筑物的外表面滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及到接閃器或只觸及接閃器和地面，而無法觸及到建筑物的某個(gè)部位時(shí)，則認(rèn)為該部位得到接閃器的保護(hù)。
[0026]建筑物的防雷類別不同，采用的滾球半徑也不同，分別對(duì)應(yīng)于不同的雷電流強(qiáng)度。IEC62305-1的2010版的第36頁上列出了滾球半徑R與雷電流強(qiáng)度I的計(jì)算公式如下:
R = 10 * 10.65
這個(gè)公式也可表示為:I = (R/10)1.54(公式6)
上面這個(gè)公式中，R是滾球半徑，也是雷擊的最后閃絡(luò)距離(簡(jiǎn)稱雷擊距)，單位為m ；1是相對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度，單位為kA。由于本發(fā)明的內(nèi)容與滾球法關(guān)系不大，在下文中，R均指的是雷擊距。
[0027]根據(jù)上面的公式，可以得到雷擊距R與雷電流強(qiáng)度I的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下表所示:
表I雷擊距R與雷電流強(qiáng)度I的對(duì)應(yīng)關(guān)系防雷類別 I雷擊距R (米)I雷電流強(qiáng)度I (kA)
第一類防雷建筑 30_5J_
蛋三類防雷建筑一4510.1
第三類防雷建筑 60_15.8_
￥、棉等露天堆場(chǎng) IlOO丨34.7—
與R相對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度為I，在下文中，我們將雷電流強(qiáng)度I等于(R/10) 154的雷閃稱之為R/Ι雷閃。
[0028]上面是相關(guān)的背景知識(shí)，下面是我們的發(fā)明創(chuàng)造的具體內(nèi)容。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]基于上述理論基礎(chǔ)，我們提出了考慮周邊物體時(shí)計(jì)算建構(gòu)筑物各部位雷擊概率的方法。在具體應(yīng)用這方法時(shí)，需要對(duì)大氣雷電環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化，下面是三個(gè)假設(shè)條件:
假設(shè)一:在露天的大氣環(huán)境中，任何一個(gè)空間點(diǎn)產(chǎn)生雷閃的可能性都是可判斷的；對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)任何一個(gè)空間點(diǎn)都是可以產(chǎn)生雷閃的；我們將產(chǎn)生雷閃的這個(gè)空間點(diǎn)稱之為起閃點(diǎn)； 假設(shè)二:任何一個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生雷閃的雷電流的強(qiáng)度的分布情況都是可計(jì)算的，或者說，可預(yù)測(cè)的；對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)任何一個(gè)起閃點(diǎn)產(chǎn)生雷閃的可能性都是相同的，所產(chǎn)生的雷閃的雷電流強(qiáng)度的分布情況也完全相同，也就是說，所有的起閃點(diǎn)都是相同的；
假設(shè)三:任何一個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的任何一個(gè)雷閃，假設(shè)其雷電流強(qiáng)度為I，與之相對(duì)應(yīng)的雷擊距為R=1 * 1°_65，則在該起閃點(diǎn)的周邊上下左右前后距離小于R的空間范圍內(nèi)，如果存在有建筑物或地面(包括地面上的物體，比如樹木等)，則該起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的R/I雷閃將會(huì)打在該建筑物或地面上距離該起閃點(diǎn)最近的那個(gè)點(diǎn)(稱為接閃點(diǎn))上；如果在距離R的空間范圍內(nèi)沒有建筑物或地面存在，則該起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的R/I雷閃將會(huì)和其它起閃點(diǎn)發(fā)生云間閃而被消耗掉，不會(huì)打到任何一個(gè)接閃點(diǎn)上。換句話說，任何一個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的R/I雷閃，如果在距離為R的空間范圍內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)接閃點(diǎn)存在的話，將會(huì)打在距離最近的一個(gè)接閃點(diǎn)上。
[0030]注意，上面提到的多個(gè)接閃點(diǎn)，不一定是屬于同一棟建筑物的。也就是說，如果在起閃點(diǎn)的附近有多棟建筑物且距離都小于R時(shí)，R/I雷閃會(huì)打在距離最近的一個(gè)建筑物的接閃點(diǎn)上。
[0031]以上三條假設(shè)將大自然中復(fù)雜的雷電環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)化，當(dāng)然，也可以按照某些已知的自然定律或法則來考慮更為復(fù)雜的情況。比如，第一條假設(shè)，可以增加一些條件，規(guī)定在距離地面多少高度的空間范圍內(nèi)不可能發(fā)生雷閃，或者，規(guī)定在什么樣的氣象條件下不可能發(fā)生雷閃；第二條假設(shè)，可以規(guī)定各個(gè)起閃點(diǎn)產(chǎn)生雷閃的可能性與其距離地面的高度成正比，或者，與當(dāng)時(shí)的某個(gè)氣象要素(比如:大氣氣壓、空氣濕度、大氣電場(chǎng)強(qiáng)度等)有關(guān)；第三條假設(shè)，可以規(guī)定各個(gè)接閃點(diǎn)接收雷閃的可能性和該接閃點(diǎn)所處區(qū)域的土壤電阻率的大小有關(guān)等等。這樣的附加條件可以列舉出很多條，如果將每一條都列舉出來的話，將會(huì)非常的繁瑣和啰嗦，同時(shí)，由于在大氣環(huán)境中雷電的產(chǎn)生機(jī)理到目前為止還有很多問題沒有搞清楚，在技術(shù)上也是不可行的。
[0032]出于簡(jiǎn)化理論和突出重點(diǎn)的目的，我們?cè)谶@里對(duì)這些比較復(fù)雜的情況都沒有考慮，只按照最簡(jiǎn)單的情況進(jìn)行考慮。我們不排除在以后隨著各方面研究的逐步深入，對(duì)我們所發(fā)明的計(jì)算方法加入一些附加條件的可能，但不論是采用簡(jiǎn)單的或者復(fù)雜的假設(shè)條件，不論是否加入某些附加條件，都不影響我們本項(xiàng)發(fā)明的完整性和獨(dú)立性。
[0033]在以上三條假設(shè)成立的前提下，建筑物上每個(gè)部位所遭受雷擊的概率是可以計(jì)算出來的。在不考慮氣候、氣象條件、地理、土壤、濕度、大氣環(huán)境、建筑物各部位導(dǎo)電性能等所有其它相關(guān)因素的前提下，這個(gè)雷擊概率只與建筑物本身及其周邊建筑物的空間形態(tài)有關(guān)。
[0034]基本概念:雷擊單元和接閃倍率
在進(jìn)一步進(jìn)行闡述之前，先介紹一個(gè)基本的概念:雷擊單元。
[0035]假設(shè)一片絕對(duì)平坦的大地，一望無垠，地面上沒有任何建筑物或樹木，此時(shí)可以認(rèn)為地面上任何一點(diǎn)遭受雷擊的概率都是相同的。根據(jù)以上三條假設(shè)，地面上任何一點(diǎn)的垂直上空距離R的范圍內(nèi)所產(chǎn)生的R/I雷閃，都將打在地面這個(gè)點(diǎn)上，或者說，平坦大地上的每個(gè)點(diǎn)都能夠接收到在其垂直上空距離R的范圍內(nèi)發(fā)生的所有R/I雷閃，例如:距離地面30米范圍內(nèi)的各個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度不小于5.4kA的雷電流，都將打在起閃點(diǎn)垂直下方的地面上，而在30米范圍以外的起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的不大于5.4kA的雷電流，不會(huì)打在地面上；同理，距離地面60米范圍內(nèi)各個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的不小于15.SkA的雷電流，都將打在起閃點(diǎn)垂直下方的地面上，而在60米范圍以外發(fā)生的不大于15.SkA的雷電流，不會(huì)打在地面上。示意圖如附圖8所示。
[0036]由于平坦大地上的每一個(gè)點(diǎn)都具有這樣的接閃特性，因此可以將位于平坦大地上的一個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的概率，稱之為一個(gè)雷擊單元。雷擊單元是衡量雷擊概率的基本單位。根據(jù)雷擊單元，可以進(jìn)一步得到雷擊倍率的概念。雷擊倍率表示某個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的可能性是多少個(gè)雷擊單元，或者說，是平坦大地上的一個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的可能性的多少倍。雷擊倍率也可以稱之為接閃倍率。
[0037]接閃倍率可用來直觀地衡量某個(gè)點(diǎn)遭受某個(gè)雷電流強(qiáng)度的雷擊的可能性，比如說某個(gè)點(diǎn)對(duì)R/Ι雷閃的接閃倍率是10，表示這個(gè)點(diǎn)遭受R/Ι雷擊的可能性是10個(gè)雷擊單元，或者說，相當(dāng)于平坦大地上的一個(gè)點(diǎn)遭受R/Ι雷擊的概率的10倍。接閃倍率可以大于1，也可以小于1，甚至可以為0，比如，建筑物內(nèi)部或地下室里面的點(diǎn)，其接閃倍率就是O。接閃倍率至少為0，不可能小于O。
[0038]注意:雖然這里所說的N倍的接閃倍率，某種程度上可以理解為這個(gè)點(diǎn)的截收面積相當(dāng)于平坦大地上N個(gè)點(diǎn)的截收面積，但是，由于數(shù)學(xué)概念上的點(diǎn)是沒有面積的，點(diǎn)與點(diǎn)之間不能比較面積的大小，所以，對(duì)于數(shù)學(xué)概念上的點(diǎn)，接閃倍率是沒有單位的。
[0039]但實(shí)際上，在我們下面的描述中可以看到，如果將建筑物以網(wǎng)格形式來表示的話，則這里所說的一個(gè)點(diǎn)并不是數(shù)學(xué)概念上的點(diǎn)，其實(shí)指的是建筑物上的一個(gè)部位，是有面積的。在這種情況下，接閃倍率也是有單位的，其單位也是面積，一個(gè)單位面積就是一個(gè)網(wǎng)格的面積。
[0040]雷擊某一片區(qū)域的總的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，和這一片區(qū)域各個(gè)點(diǎn)的平均的接閃倍率有關(guān)，理論上來說，這兩者是成正比的。假設(shè)我們能夠獲取一片面積足夠大的絕對(duì)平坦的大地，以此作為基準(zhǔn)(稱為基準(zhǔn)大地)，另外還有一塊區(qū)域，除了地面的平坦程度不同外，其它各方面條件(氣候、氣象、地理環(huán)境、地質(zhì)因素等)都和基準(zhǔn)大地相同。假設(shè)基準(zhǔn)大地的多年的年平均雷擊大地的密度為NO，后者的年平均雷擊大地的密度為NI，則可以知道后者各點(diǎn)的平均的接閃倍率是N1/N0。
[0041]但這只是理論上的。事實(shí)上，由于現(xiàn)代社會(huì)中建筑物高度密集，想獲取一片面積足夠大的絕對(duì)平坦的大地來作為基準(zhǔn)基本上是不可能的，即使有的話，也不一定能準(zhǔn)確觀測(cè)到它多年的年平均雷擊密度。而且，不同的區(qū)域之間，氣候、植被、地理環(huán)境、土壤等各方面因素都不可能完全相同，無法進(jìn)行這樣的比較。所以說接閃倍率只是一個(gè)理論上的數(shù)值，是只考慮建筑物的空間形態(tài)而不考慮其它因素得到的一個(gè)參考值。
[0042]通過一根旗桿的案例來研究接閃倍率:三種情況的分析
我們來進(jìn)一步研究接閃倍率。假設(shè)有一根旗桿，其高度為h米，孤零零地樹立在一片絕對(duì)平坦的大地上。下面來研究這根旗桿的頂端(簡(jiǎn)稱為旗桿頂)上一個(gè)點(diǎn)對(duì)R/Ι雷閃的接閃倍率?？梢苑譃閹追N情況分別討論:
情況一:如果這根旗桿的高度h = 0，則該旗桿頂其實(shí)就是平坦大地上的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)遭受雷擊的概率就是一個(gè)雷擊單元，其接收R/Ι雷閃的情況如附圖8所示。
[0043]情況二:如果這根旗桿的高度h大于O但小于R，此時(shí)以地面為X軸，以旗桿本身為Y軸，可以繪制出旗桿頂?shù)囊卓臻g的剖面圖，如附圖9所示。旗桿頂?shù)囊卓臻g，在三維空間中的形態(tài)類似于一個(gè)平底鍋的形態(tài)，其鍋底為圓形，圓形的圓心是旗桿頂，圓形的半徑就是旗桿的高度h;下面我們來計(jì)算鍋沿的曲線方程式:
在剖面圖上，以旗桿的基點(diǎn)(旗桿與地面的交點(diǎn))為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，則旗桿頂?shù)淖鴺?biāo)為(O，h)。按照我們上面的三個(gè)假設(shè)，為了保證旗桿頂?shù)慕娱W空間內(nèi)的各個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的雷電打到旗桿頂上而不是地面上，平底鍋的鍋沿以內(nèi)的點(diǎn)到旗桿頂?shù)木嚯x要比到地面的距離近，同理可知，鍋沿以外的點(diǎn)到旗桿頂?shù)木嚯x要比到地面的距離遠(yuǎn)。由于鍋沿是鍋內(nèi)鍋外的分界線，因此鍋沿上的各點(diǎn)(坐標(biāo)為X、y)到旗桿頂(坐標(biāo)為O、h)的距離等于鍋沿上的各點(diǎn)到地面的垂直距離(y)，根據(jù)這個(gè)已知條件可以得到鍋沿的曲線方程式，如下:
(X-O)2 + (y-h)2 = y2(公式 7)
將其簡(jiǎn)化可得:X2 - 2hy + h2 = O，這就是剖面圖中鍋沿的曲線方程式。該曲線分為左右兩條，分別位于Y軸的兩側(cè)，左右對(duì)稱，起于平底鍋的鍋底(即直線y = h，其中h是旗桿的高度)，分別向上延伸，直到遇上直線y = R為止。
[0044]直線y = R是平底鍋與鍋蓋的分界線。鍋蓋是旗桿頂?shù)囊卓臻g的上半部分。由于鍋蓋以內(nèi)的點(diǎn)到旗桿頂?shù)木嚯x小于滾球半徑R，鍋蓋以外的點(diǎn)到旗桿頂?shù)木嚯x大于R，因此可以知道，這個(gè)鍋蓋就是以旗桿頂為球心，以R為半徑所建立的一個(gè)球體的一部分，即高度高于R的那部分。將y = R代入公式7，可得X= 土(2hR — h2)°_5，這就是剖面圖上鍋沿和鍋蓋的分界點(diǎn)的X坐標(biāo)。
[0045]將上面計(jì)算得到的平底鍋和球形鍋蓋相閉合，所得到的空間體，就是旗桿頂相對(duì)應(yīng)R/Ι雷閃的接閃區(qū)域(也叫引雷空間)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的R/Ι雷閃，都將打在旗桿頂上。將這個(gè)空間稱之為旗桿頂?shù)腞/Ι雷閃空間，將位于這個(gè)空間內(nèi)的這些起閃點(diǎn)稱之為旗桿頂?shù)腞/1雷閃起閃點(diǎn)。
[0046]引雷空間的概念，在其他人的文獻(xiàn)中曾經(jīng)提起過，比如康春華在“基于引雷空間的建筑物雷擊特性研究” 一文中，介紹了根據(jù)引雷空間來預(yù)測(cè)建筑群中單體建筑物的雷擊率和整個(gè)群體的雷擊特性的方法；邵逸遠(yuǎn)在“建筑物雷擊概率特性研究” 一文中，介紹了利用引雷空間來預(yù)測(cè)計(jì)算建筑物的雷擊概率的方法，但是，在前人的研究中，“引雷空間法只能計(jì)算建筑物整體的雷擊概率，……，無法對(duì)建筑物各部位的雷擊概率進(jìn)行區(qū)分”。而我們的創(chuàng)造發(fā)明，雖然與引雷空間有關(guān)，但是可以計(jì)算建筑物各部位的雷擊概率。
[0047]情況三:當(dāng)這根旗桿的高度h超過了滾球半徑R時(shí)，可以旗桿頂為球心，以滾球半徑R為半徑，在三維立體空間內(nèi)得到一個(gè)球體，將這個(gè)球體截去下半部分，只留下上半部分，如附圖10所示。這里也可以借用上面所介紹的平底鍋的概念，只是這個(gè)平底鍋沒有鍋沿，其鍋底半徑為R。
[0048]由于這第三種情況比較有代表性，下面我們專門對(duì)這種情況進(jìn)行討論。以下所列舉的所有計(jì)算實(shí)例，都是針對(duì)這種情況而進(jìn)行的。
[0049]針對(duì)其中的第三種情況進(jìn)行討論
已知這上半個(gè)球體的空間范圍，就是旗桿頂?shù)腞/Ι雷閃空間，在這個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生的R/I雷閃，都將打在旗桿頂上。我們可據(jù)此來計(jì)算旗桿頂對(duì)于R/Ι雷閃的接閃倍率。假設(shè)旗桿的頂端是個(gè)小圓球(以下均稱為小圓球，注意與R/Ι雷閃空間的球體的區(qū)分)，半徑為r，則上半個(gè)小圓球的表面積為4 31 r2/2 = 2 31 r2 ,上半個(gè)小圓球的體積為2 π r3/3 ;旗桿頂所對(duì)應(yīng)的R/I雷閃空間的球體的半徑為R+r，其體積為2Ji(R+r )3/3 ;則小圓球上半部分的表面上任何一點(diǎn)遭受R/Ι雷擊的接閃倍率為雷閃空間半球體的體積除以上半個(gè)小圓球的表面積:
〔2 31 (R+r ) 3/3 — 2 31 r3/3 ) / 2 π r2 =〔 (R+r )3 - r3 ) / 3r2
=(R3+3R2r+3Rr2+r3 — r3) /3r2 = (R3+3R2r+3Rr2) /3r2
根據(jù)上面的計(jì)算式，假設(shè)旗桿頂小圓球的半徑為0.1米，則可以得到不同的R/I雷閃的情況下旗桿頂小圓球上任意一點(diǎn)的接閃倍率:
表2不同的R/Ι雷閃下旗桿頂小圓球的接閃倍率
滾球半徑R I對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度I I接閃倍率
100_347_334334
60~ ~8 120601
45~ToTl67951
~丨5.4丨30301
從上表中可以發(fā)現(xiàn)，R/Ι雷閃的雷電流強(qiáng)度越小，旗桿頂遭受R/Ι雷擊的概率就越小，
比如:滾球半徑為30米時(shí)(對(duì)應(yīng)于雷電流強(qiáng)度5.4kA)的接閃倍率只有滾球半徑100米時(shí)
(對(duì)應(yīng)雷電流強(qiáng)度34.7kA)的0.09左右；也就是說，旗桿頂對(duì)于大電流雷擊的接閃效果要好于對(duì)小電流雷擊的接閃效果，這和實(shí)際工作中所觀測(cè)到的繞擊率的現(xiàn)象也是相吻合的。
[0050]所謂繞擊率，就是按照某個(gè)防雷類別設(shè)防時(shí)，雷電流強(qiáng)度低于該類別的R/Ι雷閃的閃電仍可能繞過接閃器而打到被保護(hù)物上，比如，按照第三類防雷建筑設(shè)防時(shí)，滾球半徑R = 60米，R/Ι雷閃的電流強(qiáng)度是34.7kA，則強(qiáng)度低于34.7kA的閃電仍可能繞過接閃器而打到建筑物上。
[0051]下面我們繼續(xù)來討論。當(dāng)R/Ι雷閃的雷電流強(qiáng)度為固定值而旗桿頂小圓球的半徑r為不定值時(shí)，計(jì)算得到的情況列表如下:
表3旗桿頂小圓球的半徑r為不定值時(shí)的接閃倍率_
滾球半徑R I旗桿頂小圓球半徑r|R/I接閃倍f
600.1120601
600.230301
600.54921
60|l|l261
由上表可以發(fā)現(xiàn)，由于這里討論的是旗桿頂小圓球上一個(gè)點(diǎn)的接閃倍率，所以，當(dāng)R/I
雷閃固定時(shí)，旗桿頂小圓球的半徑r越大，則小圓球上某一點(diǎn)遭受R/Ι雷擊的概率就越??；
這一點(diǎn)很好理解，當(dāng)r增大時(shí)，旗桿頂小圓球的表面積增大，則相對(duì)而言其中某一點(diǎn)遭受雷擊的概率就降低(當(dāng)然，由于小圓球的表面積也增加了，所以小圓球作為一個(gè)整體遭受雷擊的概率并沒有降低，反倒有所增大)?？梢约僭O(shè)一種極端的情況，旗桿頂小圓球的半徑變得非常非常大，和地球的半徑一樣大，則其表面上任意一點(diǎn)遭受雷擊的概率就和平坦的大地地面一樣了，其接閃倍率為I，也就是只有一個(gè)雷擊單元。當(dāng)然作為整體而言，象地球這么大的物體，其遭受雷擊的概率是非常非常大的(事實(shí)上，每時(shí)每刻，地球表面上都有閃電在不間斷地發(fā)生著)。
[0052]上面討論的，不是旗桿頂小圓球作為一個(gè)整體的接閃倍率，而是其上表面上任意一點(diǎn)的接閃倍率，是純理論性的探討。因?yàn)閿?shù)學(xué)概念上的點(diǎn)是沒有面積的，所以，無論多么小的旗桿，旗桿頂上這樣的點(diǎn)都有無數(shù)個(gè)。實(shí)際上，由于旗桿頂不可能做得很大(哪怕是再大再高的旗桿，雖然其底部可能做得很粗壯，但是旗桿頂都是很小的)，對(duì)于旗桿頂這樣表面積很小的物體而言，只要其遭受雷擊，不管雷打在哪一個(gè)點(diǎn)上，都將對(duì)整個(gè)旗桿頂造成損害，所以，純理論性的探討意義不大，實(shí)際應(yīng)用中的做法是應(yīng)該將整個(gè)旗桿頂作為一個(gè)整體來考慮，或者說，將整個(gè)旗桿頂當(dāng)成一個(gè)點(diǎn)來計(jì)算。在這種實(shí)際應(yīng)用的情況下，所說的一個(gè)點(diǎn)其實(shí)指的是建筑物或者構(gòu)筑物上的某一個(gè)部位，此時(shí)簡(jiǎn)稱實(shí)際應(yīng)用中的點(diǎn)。要注意和數(shù)學(xué)概念上的點(diǎn)相區(qū)分。
[0053]用網(wǎng)格的方法來計(jì)算
在實(shí)際應(yīng)用中，可以將旗桿及其周邊的立體空間劃分為一個(gè)個(gè)空間網(wǎng)格，每個(gè)空間網(wǎng)格用其中心點(diǎn)代替，然后對(duì)每個(gè)空間網(wǎng)格分別進(jìn)行計(jì)算。劃分網(wǎng)格時(shí)需要注意，網(wǎng)格的尺寸不能太大，也不能太小。如果空間網(wǎng)格的尺寸太大的話，雖然計(jì)算所需的時(shí)間較少，但是計(jì)算的結(jié)果會(huì)比較粗；如果尺寸太小的話，雖然計(jì)算的結(jié)果會(huì)比較精確，但是計(jì)算所需的時(shí)間會(huì)比較多，另外，對(duì)于旗桿頂這樣的小物件而言，尺寸太小是不行的，如果網(wǎng)格的尺寸小于旗桿頂?shù)某叽?，則會(huì)將旗桿頂劃分為多個(gè)不同的點(diǎn)，因此，網(wǎng)格尺寸不能小于旗桿頂小圓球的尺寸，同時(shí)還要注意不要將旗桿頂小圓球劃分到不同的網(wǎng)格中，這樣才可以實(shí)現(xiàn)將整個(gè)旗桿頂作為一個(gè)點(diǎn)來考慮的目的。如附圖11所示的這兩種劃分方式，都是錯(cuò)誤的。
[0054]對(duì)于網(wǎng)格尺寸的劃分，沒有統(tǒng)一的規(guī)定，用戶可以根據(jù)自己的需要靈活掌握這個(gè)尺度。一般情況下，建議按照I米的網(wǎng)格尺度劃分。
[0055]下面來計(jì)算雷擊距R = 60米時(shí)不同的網(wǎng)格尺寸下旗桿頂作為一個(gè)整體的接閃倍率。由于這一項(xiàng)工作比較繁瑣，所以最好是用軟件編程的方式進(jìn)行，具體方法是將旗桿頂周圍的三維立體空間按照不同的尺寸打上網(wǎng)格(網(wǎng)格的尺寸為G)，然后分別判斷每一個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)到旗桿頂?shù)木嚯x是否小于60米，如果是的話，則認(rèn)為這個(gè)網(wǎng)格屬于旗桿頂?shù)慕娱W空間；對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格依次計(jì)算，如果屬于旗桿頂?shù)慕娱W空間，則將其總數(shù)加一，最后可知道總共有多少個(gè)網(wǎng)格是屬于旗桿頂?shù)慕娱W空間的，其總數(shù)用雷擊點(diǎn)數(shù)A表示?？傻孟卤?
表4網(wǎng)格化計(jì)算得到的接閃倍率(R = 60米時(shí))
'網(wǎng)格尺寸G I屬于旗桿頂?shù)腞/Ι雷擊點(diǎn)數(shù)A [K = A*G3/R~
60—310800
20—668800
15— 1508550
10—5098500
5— 38468025
4—74017888
3— 173547812
2— 579447724
I—4577177629
0.5—36416737586
0.25—290495497565
0.1—4530641657551
0.05 |3622120243丨7546
在上表中可以看到，隨著網(wǎng)格尺寸G的逐漸縮小，旗桿頂引雷空間內(nèi)的起閃點(diǎn)的數(shù)量A逐漸增大，這一點(diǎn)很好理解，網(wǎng)格尺寸小的情況下，網(wǎng)格的數(shù)量自然就多。因此，顯然不能直接用數(shù)值A(chǔ)來表示旗桿頂?shù)慕娱W倍率。
[0056]我們知道，不管按照什么樣的尺寸劃分網(wǎng)格，旗桿頂?shù)慕娱W倍率都應(yīng)該是一個(gè)固定值。經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)用參數(shù)K = A*G3/R來表示接閃倍率是合適的。在上表中，隨著網(wǎng)格尺寸G的逐步縮小，參數(shù)K逐漸收斂，最后趨向于一個(gè)固定值；因此，可用這個(gè)參數(shù)K來表示旗桿頂?shù)慕娱W倍率。如果網(wǎng)格尺寸G取為I米，這個(gè)公式還可簡(jiǎn)化為K = A/R，這就是建筑物上某個(gè)點(diǎn)相對(duì)于R/Ι雷擊的接閃倍率的計(jì)算公式。
[0057]從上表中還可以發(fā)現(xiàn)，由于A是沒有單位的，G和R的單位都是米，所以雷擊倍率K = a*g3/r的單位是平方米。換言之，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的點(diǎn)，由于其代表的是建構(gòu)筑物上的某個(gè)部位，是有表面積的，此時(shí)雷擊倍率的單位也可用面積來表示，一個(gè)雷擊單元就是一個(gè)單位面積的平坦大地；雷擊倍率，就是表示這里的雷擊概率相當(dāng)于多少個(gè)單位面積的平坦大地。
[0058]當(dāng)然，對(duì)于數(shù)學(xué)概念中的點(diǎn)，由于其是沒有面積的，所以雷擊倍率也是沒有單位的。注意區(qū)分。
[0059]從上面的計(jì)算還可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)格空間計(jì)算得到的實(shí)際的接閃倍率與理論值是相當(dāng)接近的，比如:在表3中，當(dāng)旗桿頂小圓球的半徑為0.1米時(shí)其上任意一點(diǎn)的接閃倍率為120601，此時(shí)上半個(gè)小圓球(不需要考慮下半個(gè)小圓球)的表面積為2 π r2 = 2*3.14*0.01=0.0628平方米，所以上半個(gè)小圓球總的接閃倍率為120601*0.0628 = 7573，這是理論值；而在表4中，按照0.1米的網(wǎng)格尺寸，計(jì)算得到的接閃倍率為7551，這是實(shí)際值。理論值和實(shí)際值相當(dāng)接近(誤差只有千分之三)，說明我們的理論和計(jì)算方法是經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)的。
[0060]用軟件編程的方法來具體實(shí)現(xiàn)
以上計(jì)算的只是一個(gè)形態(tài)非常簡(jiǎn)單的旗桿頂端小圓球的接閃倍率。對(duì)于形態(tài)更為復(fù)雜的建筑物或構(gòu)筑物，以及周邊有其它建筑物的情況，也都可以用該方法計(jì)算建筑物不同部位的接閃倍率。由于這一計(jì)算過程非常繁瑣，用手工來計(jì)算基本上不可能的，所以最好用軟件編程的方式來實(shí)現(xiàn)，具體方法如下:
分別對(duì)本棟建筑物及周邊的其它建筑物進(jìn)行測(cè)量并建模，然后按照一定的網(wǎng)格尺寸G對(duì)建筑物及周邊的三維立體空間進(jìn)行劃分，每個(gè)空間網(wǎng)格用一個(gè)空間點(diǎn)來代替。
[0061]這樣至少可以得到兩個(gè)集合P和Q，都是空間點(diǎn)的集合。其中，集合P是整個(gè)三維立體空間內(nèi)的各個(gè)空間點(diǎn)的集合，是一個(gè)有窮集合。
[0062]如果當(dāng)前只有一棟建筑物，則組成這棟建筑物的各個(gè)空間點(diǎn)的集合就是集合Q，顯然，Q集合是P集合的一個(gè)子集。
[0063]如果有不止一棟建筑物,可以對(duì)每棟建筑物分別建立一個(gè)集合，分別稱為Q1、Q2、…、Qn集合。此時(shí)，Q1、Q2、…、Qn集合都是P集合的子集，但相互之間沒有任何的交集。
[0064]對(duì)P集合中的每一個(gè)空間點(diǎn)P進(jìn)行這樣的操作:依次歷數(shù)各個(gè)Q集合中的每一個(gè)點(diǎn)q，找出距離P最近的一個(gè)點(diǎn)q，如果P與q之間的距離小于滾球半徑R，則認(rèn)為P這個(gè)空間點(diǎn)是屬于q的引雷空間的，將對(duì)應(yīng)于q的引雷空間點(diǎn)的數(shù)量增加一個(gè)。
[0065]對(duì)P集合歷數(shù)完畢以后，可以得到各個(gè)Q集合中每一個(gè)點(diǎn)q所對(duì)應(yīng)的引雷空間點(diǎn)的數(shù)量，也就是屬于每一個(gè)q點(diǎn)的R/Ι雷閃起閃點(diǎn)的數(shù)量A，進(jìn)而可以得到參數(shù)K = A *G3/R，就是q這個(gè)點(diǎn)所代表的建筑物這個(gè)部位對(duì)于R/Ι雷閃的接閃倍率。
[0066]將組成一棟建筑物的所有空間點(diǎn)的接閃倍率累加起來，得到一個(gè)數(shù)據(jù)TotalK，這樣，在該棟建筑物遭受雷擊的前提下，雷擊打在建筑物的某一個(gè)部位的概率就是K /TotalK ;如果該棟建筑物遭受雷擊的概率是X，則建筑物的這個(gè)部位遭受雷擊的概率就是X*K / TotalK;如果該棟建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)是N，則建筑物的這個(gè)部位的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)就是N * K / TotalK。
[0067]以上計(jì)算，在網(wǎng)格尺寸越小的情況下，計(jì)算結(jié)果就越精確，但是相應(yīng)所耗費(fèi)的時(shí)間就越多。
[0068]由于每一個(gè)云地閃都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的雷電流強(qiáng)度，如果經(jīng)過了長(zhǎng)期的觀測(cè)，掌握了某一個(gè)區(qū)域的云地閃的雷電流強(qiáng)度的分布情況，則可以據(jù)此對(duì)建筑物的各個(gè)部位的雷擊概率進(jìn)行更精確的計(jì)算。這里所謂的雷電流強(qiáng)度的分布情況，指的是該區(qū)域內(nèi)不同的雷電流強(qiáng)度的云地閃各自所占的比例是多少。經(jīng)過長(zhǎng)期的觀測(cè)和科學(xué)合理的數(shù)據(jù)分析，可以得到當(dāng)?shù)氐睦纂娏鲝?qiáng)度的分布情況。
[0069]我們知道，同一個(gè)點(diǎn)在不同的雷電流強(qiáng)度下，接閃倍率是不一樣的，如上面的表2所示。假設(shè)建筑物所處的區(qū)域，當(dāng)?shù)厮l(fā)生的雷電流強(qiáng)度普遍都比較大，則顯然對(duì)于旗桿頂這樣位于高處的物體，其接閃倍率是比較高的，而對(duì)于那些處于較低位置的物體，其接閃倍率就比較低一些，兩者之間的差異會(huì)很大；但如果該區(qū)域發(fā)生的雷電流強(qiáng)度普遍都比較小，則兩者之間的差異可能就不是很大。因此，可以根據(jù)不同雷電流強(qiáng)度的云地閃所占的比例對(duì)相應(yīng)的接閃倍率進(jìn)行加權(quán)平均，這樣根據(jù)當(dāng)?shù)乩纂娏鲝?qiáng)度的分布情況而得到的接閃倍率，稱為綜合的接閃倍率。綜合的接閃倍率更加貼近當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。
[0070]用等效截收體積來衡量建筑物的雷擊風(fēng)險(xiǎn)
與此同時(shí)，還可以得到等效截收體積的概念。根據(jù)前面所介紹的土樓的案例，我們已經(jīng)知道，由于雷擊是發(fā)生在三維立體空間內(nèi)的，因此，用等效截收面積來衡量建筑物遭受雷擊的可能性，是有缺陷的，相比之下，用三維立體的等效截收體積來衡量，更為合適。
[0071]所謂等效截收體積，是建筑物在三維立體空間內(nèi)截收相同雷擊次數(shù)的等效體積，其數(shù)值單位是體積，立方米。等效截收體積也可以理解為截收體的體積。我們?cè)谝郧吧暾?qǐng)的發(fā)明專利(專利號(hào):201210182588.8)中曾經(jīng)介紹過截收體的概念。
[0072]等效截收體積的計(jì)算方法可以有多種，下面是兩種可能的方法:
定義一:與等效截收面積的定義相匹配。對(duì)于平坦大地上的孤立建筑物，從建筑物頂部周邊的邊緣各點(diǎn)(高度設(shè)為H)向外側(cè)的地面按照一定的斜率Η/D進(jìn)行投射，得到一個(gè)空間體，該空間體以地面為底面，以建筑物的頂面為頂面，以各條投射線共同組成的面為側(cè)面，該空間體的體積就是建筑物的等效截收體積。關(guān)于投射線的斜率H/D，在不同的規(guī)范中可以有不同的規(guī)定，比如GB50057和GB50343中規(guī)定，當(dāng)建筑物的高度H小于100米時(shí):
D = [ HX (200-H ) ] 1/2
當(dāng)建筑物的高度H等于或大于100米時(shí):
D = H
GB21714.2中規(guī)定，不論H是多少，都是:
D = 3H
以上三個(gè)公式中，H是建筑物上頂部各點(diǎn)的高度，D是從頂部各點(diǎn)向外投射時(shí)得到的擴(kuò)大寬度，Η/D就是投射線的斜率，在不同的公式下該斜率有所不同，但不管用哪一個(gè)公式來計(jì)算，等效截收體積的定義都是各條投射線所包圍起來的截收體的體積。附圖12是一座長(zhǎng)方體建筑物的截收體的剖面圖，附圖13是某圓柱形建筑物的截收體的立體圖。
[0073]根據(jù)這種方法得到的等效截收體，其在地面上的投影即國(guó)標(biāo)中規(guī)定的截收范圍。
[0074]定義二:假設(shè)在建筑物周邊高于地面的空間內(nèi)有一個(gè)空間點(diǎn)P，如果P到建筑物上任意一點(diǎn)的距離小于雷擊距R，則這個(gè)空間點(diǎn)P就屬于該建筑物的截收體，由所有這些P點(diǎn)共同組成建筑物的截收體，其體積就是等效截收體積。附圖14是照此定義的某一座圓柱形建筑物的截收體的立體圖，其形態(tài)類似于宇宙飛船的返回艙。
[0075]如果空間點(diǎn)P附近有不止一座建筑物，P點(diǎn)到這些建筑物的距離都小于R，在這種情況下，根據(jù)P點(diǎn)分別到這些建筑物的最短距離來判斷，離哪一座建筑物最近，則P點(diǎn)就屬于該建筑物的截收體。用這種方法，可以在建筑物密集的情況下，對(duì)不同建筑物的截收體進(jìn)行分界，在計(jì)算截收體積是考慮到了周邊有其它建筑物的情況。
[0076]至于R，在不同的雷擊距時(shí)可以有不同的定義，比如，按照第一類防雷建筑設(shè)防時(shí)，R= 30米；第二類防雷建筑，R = 45米；第三類防雷建筑，R = 60米，等等。在不同的防雷等級(jí)下，R的大小有所不同，所對(duì)應(yīng)的R/Ι雷閃也有所不同，所得到的等效截收體積也有所不同。因此，按照這種方法來計(jì)算等效截收體積時(shí)，需要明確所對(duì)應(yīng)的R/Ι雷閃。具體計(jì)算時(shí)，可以用網(wǎng)格的方法來計(jì)算，如果已知屬于某座建筑物的R/Ι雷閃的起閃點(diǎn)的數(shù)量為A，網(wǎng)格尺寸為G，則A*G3就是這座建筑物的等效截收體積。
[0077]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0078]圖1是長(zhǎng)方體建筑物在地面上的截收范圍的平面圖；
圖2是客家土樓外部的實(shí)景照；
圖3是客家土樓內(nèi)部的實(shí)景照；
圖4是加蓋高樓以后的土樓的立體圖；
圖5是建筑物易受雷擊的部位(I)；
圖6是建筑物易受雷擊的部位(2)；
圖7是建筑物易受雷擊的部位(3)；
圖8是平坦大地地面上的一個(gè)雷擊單元；
圖9是高度低于R的旗桿頂?shù)慕娱W空間；
圖10是高度高于R的旗桿頂?shù)慕娱W空間；
圖11是劃分空間網(wǎng)格的兩種錯(cuò)誤方式；
圖12是長(zhǎng)方體建筑物的第一種截收體積的剖面圖；
圖13是圓柱形建筑物的第一種截收體積的立體圖；
圖14是圓柱形建筑物的第二種截收體積的立體圖。
【權(quán)利要求】
1.一種計(jì)算建構(gòu)筑物的各個(gè)不同部位的雷擊概率的方法，包括對(duì)建構(gòu)筑物本身及周邊其它物體進(jìn)行測(cè)量和建模的過程，特征是將絕對(duì)平坦大地地面上的一個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的可能性作為一個(gè)基本單位，將建筑物上某個(gè)點(diǎn)遭受雷擊的可能性與之做比較，以此來衡量建筑物的各個(gè)不同部位遭受雷擊的可能性的大小。
2.權(quán)利要求一所述的方法，特征是建筑物的各個(gè)不同部位遭受雷擊的概率與雷電流強(qiáng)度I有關(guān)，根據(jù)公式R = 10 * 1°_65可以得到不同的雷電流強(qiáng)度時(shí)的雷擊距R，根據(jù)不同的雷擊距R來計(jì)算雷擊概率。
3.權(quán)利要求一所述的方法，特征是假設(shè)在露天的大氣環(huán)境中，各個(gè)空間點(diǎn)產(chǎn)生雷閃的可能性和電流分布情況是可計(jì)算的。
4.權(quán)利要求一所述的方法，特征是假設(shè)在大氣環(huán)境中，任何一個(gè)起閃點(diǎn)所產(chǎn)生的R/I雷閃，如果在其周邊距離為R的空間范圍內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)不一定屬于同一棟建筑物的接閃點(diǎn)存在，將會(huì)打在距離其最近的一個(gè)接閃點(diǎn)上；如果在距離為R的空間范圍內(nèi)沒有接閃點(diǎn)存在，將會(huì)發(fā)生云間閃，不會(huì)打到任何一個(gè)建筑物或地面上。
5.權(quán)利要求一所述的方法，特征是將建構(gòu)筑物本身及周邊物體的形態(tài)以網(wǎng)格的形式表示，網(wǎng)格的尺寸可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，以各個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)代表這個(gè)網(wǎng)格在建筑物上所處的部位，用公式K=A*G3/R來計(jì)算建筑物的各個(gè)不同部位對(duì)R/I雷擊的接閃倍率，其中R是雷擊距，A是對(duì)應(yīng)于這個(gè)部位的R/I雷閃起閃點(diǎn)的數(shù)量，G是網(wǎng)格尺寸。
6.權(quán)利要求一所述的方法，特征是將組成一棟建筑物的所有空間點(diǎn)的接閃倍率進(jìn)行累力口，得到TotalK，則在該棟建筑物遭受雷擊的前提下，雷擊打在建筑物的某一個(gè)部位的概率就是K / TotalK;如果該棟建筑物遭受雷擊的概率是X，則該部位遭受雷擊的概率就是X*K/ TotalK ;如果該棟建筑物的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)是N，則建筑物的這個(gè)部位的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)就是 N * K / TotalK0
7.權(quán)利要求一所述的方法，特征是根據(jù)建筑物所處區(qū)域不同雷電流強(qiáng)度的云地閃各自所占的比例對(duì)建筑物各個(gè)部位的接閃倍率進(jìn)行加權(quán)平均，以得到綜合的接閃倍率。
8.一種衡量建構(gòu)筑物作為一個(gè)整體遭受雷擊的可能性的方法，特征是用等效截收體的體積來衡量這種可能性的大小。
9.權(quán)利要求八所述的方法，特征是從建筑物的頂部周邊的邊緣向外側(cè)地面按照一定的斜率作投射線，得到一個(gè)空間體，該空間體以地面為底面，以建筑物的頂面為頂面，以各條投射線共同組成的面為側(cè)面，該空間體就是建筑物的等效截收體。
10.權(quán)利要求八所述的方法，特征是假設(shè)在建筑物周邊高于地面的空間內(nèi)有一個(gè)空間點(diǎn)P，如果P到建筑物上的任意一點(diǎn)的距離小于雷擊距R，則這個(gè)空間點(diǎn)P就屬于該建筑物的截收體，由所有這些P點(diǎn)共同組成該建筑物的等效截收體；如果有不止一座建筑物，P點(diǎn)到這些建筑物的距離都小于R，則根據(jù)P點(diǎn)分別到這些建筑物的最短距離來判斷，離哪一座建筑物最近，則P點(diǎn)就屬于該建筑物的等效截收體。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104133936SQ201410304492
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】高磊 申請(qǐng)人:高磊