淺析古建筑防雷設(shè)計(jì)

王 芬 王友乾

（中科天際科技股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

中國(guó)古代建筑技術(shù)高超、藝術(shù)精湛、風(fēng)格獨(dú)特。其建筑結(jié)構(gòu)上主要是木架構(gòu)結(jié)構(gòu)，結(jié)合彩繪、雕刻及工藝美術(shù)造型給人以美的感受，其蘊(yùn)含著燦爛的歷史文化和光輝的建筑藝術(shù)成就。具有重要的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值、科學(xué)價(jià)值；為我國(guó)建筑藝術(shù)發(fā)展和歷史研究提供重要支撐，同時(shí)也是研究古代社會(huì)生活和風(fēng)俗的寶貴資料。古建筑木構(gòu)架建筑木材易朽、易燃。由于建筑物年代久遠(yuǎn)且周邊生態(tài)環(huán)境不斷變化，木質(zhì)材料長(zhǎng)期暴露在外部受溫度、濕度等氣候條件影響其絕緣性能變差，遭受雷擊時(shí)，雷電高電壓可能擊穿木質(zhì)材料引起火災(zāi)。一旦損毀無(wú)法復(fù)得，因此對(duì)古建筑加裝相應(yīng)適配的防雷保護(hù)裝置，建立完善的防雷保護(hù)系統(tǒng)，提高古建筑對(duì)雷電的防御能力，防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡、文物和財(cái)產(chǎn)損失[6]。

1 防雷勘察

古建筑防雷設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察后對(duì)防雷裝置安裝方法和位置提出設(shè)計(jì)建議，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況了解實(shí)施施工室外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，分析施工中的難點(diǎn)及解決對(duì)策?？辈斓木唧w信息應(yīng)獲取古建筑文物級(jí)別、外形尺寸、與周圍建筑群的關(guān)系；明確古建筑的類別、屬性、功能；屋頂形式及現(xiàn)狀并明確古建筑屋頂外露設(shè)施及特性；掌握古建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑材料特性、古建筑裝飾工藝及材料；了解古建筑內(nèi)部常住人員和流動(dòng)人員情況、古建筑出入口狀況和疏散的方便程度、內(nèi)部陳列品的特性；查閱古建筑所在地區(qū)的地理、氣象（雷暴）、水文地質(zhì)資料；充分調(diào)查古建筑內(nèi)部及周圍的現(xiàn)代系統(tǒng)（如設(shè)施、管道）的狀況、周圍環(huán)境或者土壤的腐蝕性物質(zhì)或污染物性物質(zhì)等。分析最易受雷擊的部位和受雷擊損壞的部位，可能影響、妨礙影響雷擊路徑的其他建筑物或障礙物狀況；最終記錄完整古建筑文物建筑實(shí)地勘察現(xiàn)狀，為設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，采取對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)措施及實(shí)施辦法。

2 防雷裝置

目前，多數(shù)古建筑群因?yàn)榘踩雷o(hù)問(wèn)題會(huì)適當(dāng)通網(wǎng)、通電并引進(jìn)電子設(shè)備等。因此古建筑防雷工程設(shè)計(jì)不僅需要考慮由外部防直、側(cè)擊雷裝置。還需要考慮雷電波對(duì)古建筑內(nèi)線纜及電子設(shè)備的防護(hù)。

2.1 外部防雷裝置

2.1.1 接閃器

接閃器可設(shè)置接閃帶、接閃線、接閃網(wǎng)、攔截閃擊的接閃桿及金屬屋面、金屬構(gòu)件等裝置。古建筑可采用一種或者組合形式以實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)。接閃器通常在自然的上行先導(dǎo)形成前，會(huì)率先產(chǎn)生一個(gè)先導(dǎo)，迅速地向雷電方向傳播直至捕獲雷電，并將其導(dǎo)入大地。古建筑推薦使用的接閃器有接閃網(wǎng)、接閃帶、接閃桿。古建筑防直擊雷裝置設(shè)計(jì)要根據(jù)古建筑的特點(diǎn)及屋頂形制，選擇適合于在易受雷擊部位安裝接閃器[5]。例如屋脊、檐、角等位置，周圍有高大粗壯樹(shù)木的可在樹(shù)木上安裝接閃桿。其應(yīng)能保護(hù)古建筑的所有表面及表面的獸飾，實(shí)現(xiàn)全覆蓋。同時(shí)，在滿足保護(hù)條件的情況下，應(yīng)盡可能地減少裝置數(shù)量，減輕對(duì)古建筑外貌的影響。針對(duì)古建筑防雷接閃器做法列舉如下。

接閃帶做法中接閃網(wǎng)格應(yīng)根據(jù)古建筑防雷分級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)規(guī)格的網(wǎng)格，如10m×10m，20m×20m等[1]。其做法通常敷設(shè)古建筑正脊、垂脊、戧脊部位，如圖1和圖2所示。

圖1 獸頭及屋脊接閃帶做法示意

圖2 挑檐接閃帶做法示意

單支接閃桿應(yīng)采用滾球法計(jì)算確定保護(hù)范圍如圖3所示，滾球半徑根據(jù)防雷分級(jí)選定[2]，做法如圖4所示。

圖3 單支接閃桿保護(hù)范圍

圖4 接閃桿做法示意圖

當(dāng)接閃桿高度h小于或等于hr時(shí)：1）距地面hr處作一平行于地面的平行線。2）以桿尖為圓心，hr為半徑作弧線交于平行線的A、B兩點(diǎn)。3）以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，弧線與桿尖相交并與地面相切。弧線到地面為其保護(hù)范圍。保護(hù)范圍為一個(gè)對(duì)稱的錐體。4）接閃桿在hx高度的xx'平面上和地面上的保護(hù)半徑，應(yīng)按公式（1）和公式（2）計(jì)算。

在圖3及公式（1）和公式（2）中：rx為接閃桿在hx高度的xx'平面上的保護(hù)半徑（m）；hr為滾球半徑（m）；hx為被保護(hù)物的高度（m）；r0為接閃桿在地面上的保護(hù)半徑（m）。

2.1.2 引下線

引下線將雷電流從接閃器傳導(dǎo)至接地裝置。引下線均勻?qū)ΨQ分布于建筑本體和高大樹(shù)木側(cè)立面。材料屏蔽絕緣導(dǎo)線，其應(yīng)具有良好的絕緣隔熱性質(zhì)及泄放雷電流能力，有利于文物建筑及人員安全保護(hù)，且使用年限長(zhǎng)，避免反復(fù)更換對(duì)文物建筑造成損傷。引下線在古建筑木結(jié)構(gòu)上敷設(shè)時(shí)，其金屬制成架必須采用隔熱層與木結(jié)構(gòu)之間隔離。引下線設(shè)置根數(shù)應(yīng)根據(jù)古建筑防雷分級(jí)和建筑物外輪廊周長(zhǎng)尺寸確定，且宜優(yōu)先布置在宜遭雷擊的部位，其間距沿外墻周長(zhǎng)計(jì)算，防雷分級(jí)一級(jí)不宜大于18 m，二級(jí)不宜大于25 m[1]。引下線安裝位置不宜在古建筑正面敷設(shè)，盡量在側(cè)墻或后墻位置引下，明敷在地面上時(shí)，應(yīng)采取絕緣及防機(jī)械損傷的措施。為保障人身安全，防止雷電造成的接觸電壓，古建筑明敷引下線在距離地面2.7 m及以下的部位[1]，采用絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高壓絕緣保護(hù)管進(jìn)行套護(hù)。針對(duì)古建筑防雷引下做法如圖5和圖6所示。

圖5 引下線貼墻或立柱做法

圖6 引下線離墻或立柱做法

2.1.3 接地裝置

接地裝置用于傳導(dǎo)雷電流并將其流散入大地，有水平接地體和垂直接地極組成。在現(xiàn)場(chǎng)條件滿徐的情況下，同一古建筑的不同引下線的接地極宜相互連接。單體古建筑中存在多種系統(tǒng)的接地裝置時(shí)，宜采用共用接地，共用接地體的接地電阻值應(yīng)為各系統(tǒng)要求接地電阻的最小值[1]。接地裝置的選擇與文物建筑周圍巖土性質(zhì)有直接關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在文物建筑周圍小面積開(kāi)挖，減少地面開(kāi)挖量，有利于文物建筑保護(hù)。設(shè)計(jì)接地裝置采用埋地并添加降阻劑方式施工。防雷分級(jí)一級(jí)接地電阻小于10Ω，二級(jí)小于30Ω[1]。接地引線處設(shè)置接地標(biāo)識(shí)。接地裝置接地電阻值計(jì)算如公式（3）所示。

式中：R為單根接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為接地體長(zhǎng)度，m；d為接地體等效直徑；K為接地極降阻系數(shù)，產(chǎn)品系數(shù)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)考慮人身安全，要在建筑物外人員可經(jīng)過(guò)或停留的引下線與接地體連接處3m范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置護(hù)欄、警告牌等，或地面采用一定厚度的瀝青層或礫石層等措施防止跨步電壓對(duì)人員造成傷害。

2.2 內(nèi)部防雷裝置

因雷電放電時(shí)對(duì)古建筑內(nèi)安全防護(hù)設(shè)備電纜線路作用而產(chǎn)生的雷電波（閃電電涌）沿管線侵入屋內(nèi)，對(duì)古建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾、破壞，或者使周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生大量的熱而引起火災(zāi)，危及人身及文物安全或損壞設(shè)備。內(nèi)部防雷裝置主要用來(lái)減小古建筑內(nèi)部的雷電流及其電磁效應(yīng)，防止雷擊電磁脈沖可能造成的危害。因此，內(nèi)部防雷裝置設(shè)計(jì)主要針對(duì)雷電波的防護(hù)。方法可采用電磁屏蔽、等電位連接和裝設(shè)電涌保護(hù)器(SPD)等措施中的一種或組合形式。SPD可承受雷電和感應(yīng)雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌，可將大量的浪涌電流分流到大地。根據(jù)建筑配電箱類型選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)類型。

2.3 防雷裝置材料

古建筑防雷裝置明敷材料選擇應(yīng)結(jié)合古建筑形制、觀賞價(jià)值選擇與古建筑風(fēng)貌相協(xié)調(diào)性；同時(shí)應(yīng)能滿足機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕的要求，還應(yīng)有足夠的熱穩(wěn)定性，以能承受雷電流的熱破壞作用。暗敷材料應(yīng)環(huán)保，須考慮對(duì)古建筑地基、古樹(shù)根系及周邊水源地質(zhì)的影響程度等。綜合考量選擇適宜古建筑環(huán)境條件且具有可操作性的材料。材料選擇可選用鐵、銅、銅鐵合金等。設(shè)計(jì)施工選用材料表例舉見(jiàn)表1。

表1 材料表

3 防雷實(shí)施

3.1 施工難點(diǎn)

古建筑防雷施工不同于現(xiàn)代建筑。工程做法的制定、實(shí)施須堅(jiān)持文物保護(hù)基本原則。防雷裝置安裝做到最大程度與建筑風(fēng)貌一致。因此施工整體過(guò)程需要全面探究，并采取相應(yīng)措施，如接閃帶卡箍固定要求；防雷引下線固定及設(shè)置應(yīng)盡量減少對(duì)原有墻體的損傷等[3]。

如接閃帶的安裝須考慮與屋頂瓦片、吻獸的連接可靠性、耐久性，須考慮外觀色彩、敷設(shè)線條與原風(fēng)貌的一致性；引下線安裝在原有墻體和立柱上時(shí)要考慮原有墻體、立柱、臺(tái)基不被損壞，沿墻敷設(shè)時(shí)須考慮隱蔽性、安全性和可實(shí)施性；接地裝置埋地同樣須考慮建筑臺(tái)明及地面古磚的鋪設(shè)樣式，周邊存在古樹(shù)時(shí)對(duì)古樹(shù)根系的影響等。

3.2 施工工藝

接閃器固定支架與屋面固定處采用金屬頂絲加緩沖墊片，避免頂絲直接施力于瓦面給古建筑帶來(lái)傷害，同時(shí)也防止熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致接閃帶張力拉開(kāi)瓦片。接閃連接導(dǎo)體之間的連接應(yīng)采用搭接焊、熱熔焊、 螺絲扣連接和專用連接件等方法。接閃帶敷設(shè)時(shí)，屋頂須鋪設(shè)棉被防止屋頂瓦面因踩踏等造成的損壞；接閃帶支架通過(guò)卡箍的方式敷設(shè)、禁止挪動(dòng)瓦片或鉆孔；支架完成敷設(shè)后須刷仿古油漆。

引下線沿墻體敷設(shè)時(shí)，應(yīng)首先安裝頂端和底端支架，盡量減少對(duì)墻體的損傷。引下線兩端應(yīng)分別與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接，安裝應(yīng)平正順直，焊縫飽滿，無(wú)虛焊、漏焊，距離附近其他已建電氣線路安全距離不小于1 m。引下線采用明敷，引下線上加裝的絕緣護(hù)套管顏色要與建筑外墻顏色一致。引下線之間的連接應(yīng)采用搭焊、熱熔焊、螺絲扣連接和壓接等方法。

接地裝置中設(shè)計(jì)方案首選對(duì)建筑基礎(chǔ)影響最小的A型接地，受場(chǎng)地限制，以垂直接地體為主[4]。垂直接地極采用深埋方式安裝，對(duì)部分位置難以實(shí)現(xiàn)要求深度的，可適度降低深度要求。將垂直接地極連同焊好的接地線共同焊接好后，回填土壤時(shí)用專用工具分層夯實(shí)。垂直接地極與水平接地母線之間采用放熱焊接，焊縫不能有氣孔、夾渣、裂紋、咬肉、虛焊等缺陷，焊縫必須飽滿并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，，焊接處的藥皮處理干凈后，刷瀝青做防腐處理。接地裝置屬于地埋工程，在施工過(guò)程中，挖溝、破土方等工程要求先將地面、臺(tái)明處磚與磚之間灰縫內(nèi)的抹灰清除，使其分離，再進(jìn)行剔除、挖補(bǔ)，盡量避免對(duì)文物建筑地面、臺(tái)明造成破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

與新建現(xiàn)代建筑做防雷設(shè)計(jì)與施工不同，古建筑防雷基本是在已有的建筑物上增加防雷措施。全面完整地保護(hù)、延續(xù)文物的真實(shí)歷史信息和價(jià)值。在滿足防雷需求的前提下，設(shè)計(jì)應(yīng)按照對(duì)文物建筑本體和景觀環(huán)境原貌影響最小的原則進(jìn)行。保護(hù)古建筑并研究古代建筑設(shè)計(jì)方法、建筑規(guī)劃、布局、原理和表現(xiàn)形式，對(duì)發(fā)揚(yáng)、延續(xù)和實(shí)踐古代建筑的卓越成就及科學(xué)水平具有深遠(yuǎn)的意義。任何破壞、損傷后都將無(wú)法彌補(bǔ)，不可恢復(fù)、不可再生。因此古建筑防雷設(shè)計(jì)具有重要的意義。