海寶塔防雷設(shè)計(jì)的研究

摘 要：直擊雷造成的古建筑物、古塔、古樹木等的毀壞時(shí)有發(fā)生，古建筑是中華民族的歷史文化遺產(chǎn)，具有極高的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值，古建筑的防雷尤為重要。在古建筑防雷設(shè)計(jì)與施工中的難點(diǎn)是如何盡量維持建筑原狀與如何不破壞文物美觀和價(jià)值。本文通過(guò)海寶塔的防雷設(shè)計(jì)，為同類型的古建筑的防雷提供參考。

關(guān)鍵詞：直擊雷；土壤電阻率；接閃器

中圖分類號(hào)：TU 895 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

全球氣候異常，地震、洪澇、雷擊等各類自然災(zāi)害頻繁地發(fā)生。在對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)損害的同時(shí)，也對(duì)古建筑這類不可移動(dòng)文物造成了損害，引起了廣泛關(guān)注。古建筑遭受雷擊侵襲的事件時(shí)有發(fā)生。本文以全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位海寶塔防雷設(shè)計(jì)為例，分析討論有關(guān)古建筑的防雷設(shè)計(jì)以及應(yīng)采取的防雷措施。

1 海寶塔的概況

海寶塔位于寧夏銀川市興慶區(qū)民族北街路西（北塔湖北側(cè)）的海寶塔寺內(nèi)，是一座有1500多年歷史的古剎，1983年被國(guó)務(wù)院確定為漢族地區(qū)佛教全國(guó)重點(diǎn)寺院，它不僅是銀川唯一的全國(guó)重點(diǎn)開放寺院，也是旅游觀光的名勝風(fēng)景點(diǎn)。

海寶塔建在一個(gè)方形臺(tái)基上，臺(tái)高5.7m，邊長(zhǎng)19.2m，塔通高53.9m，是一座方形9層11級(jí)樓閣式磚塔。塔座高4.2m，邊長(zhǎng)15m，這種富有變化的通道反映了我國(guó)古代高超的建筑藝術(shù)。塔門面東，兩側(cè)為暗道階梯，沿階梯可直登塔座。塔身平面呈方形，四壁出檐，每層四面設(shè)券門，均向外略有突出，構(gòu)成鮮明的十二角形。塔身內(nèi)為上下相通的方形空間，各層之間以木板相隔，沿木梯可登至頂層。塔上端為磚砌四角攢尖頂，頂上置方體桃形綠色琉璃塔剎。海寶塔建筑風(fēng)格獨(dú)特，方形的塔身，四面的券門，眾多的棱角，四角的尖頂，為中國(guó)古塔所罕見，被視為中國(guó)古代建筑的杰作。海寶塔已作為佛教活動(dòng)場(chǎng)所開放，并成為銀川市著名的游覽勝地。

海寶塔于1961年3月4日被國(guó)務(wù)院公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

2 海寶塔所在地的地理、土壤性質(zhì)、氣象環(huán)境以及雷電活動(dòng)規(guī)律情況

2.1 海寶塔所在地的地理

海寶塔所處的銀川平原為黃河上游河套平原的一部分，為黃河沖積平原和賀蘭山山前洪積傾斜平原地形，地勢(shì)平坦，其西依自西南至東北走向的賀蘭山山脈，東傍內(nèi)蒙古高原的南緣鄂爾多斯，面對(duì)廣闊的黃土高原；黃河于偏東側(cè)自南向北縱貫其間。

海寶塔位于寧夏銀川市興慶區(qū)民族北街路西（北塔湖北側(cè)）的海寶塔寺內(nèi)。海寶塔寺院占地2.2萬(wàn)m2，海寶塔占地368.64m2。周圍地勢(shì)平坦開闊，海拔約為1118m，東經(jīng)106°16′647″，北緯38°29′669″。西距賀蘭山27km，東距黃河20km，西面1km處有漢唐以來(lái)就開鑿使用的唐徠渠流過(guò)。

2.2 海寶塔所在地的土壤性質(zhì)

銀川地區(qū)賀蘭山至西干渠之間主要為山地灰鈣土、草甸土和灰褐土，東部沖積平原主要為長(zhǎng)期引黃灌溉淤積和耕作交替而形成的灌淤土，局部低洼地區(qū)有湖土和鹽土分布，灌淤土土質(zhì)適中，理化性好，有機(jī)質(zhì)含量高，保水保肥適種性好，土壤類型的多樣性非常適合發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和多種經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)[1]。地質(zhì)構(gòu)造單元主要為賀蘭山褶皺隆起帶，土地廣闊，地勢(shì)平緩，土壤黏重，地下水位高，土地鹽堿和鹽漬化較嚴(yán)重，土壤以灌淤土、鹽土、堿土為主。海寶塔所處地點(diǎn)為鹽堿土質(zhì)，在文物建筑四周不同位置進(jìn)行實(shí)測(cè)，具體測(cè)試位置如圖1所示。

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 附條文說(shuō)明[另冊(cè)]》（GB 50736—2012）附錄A查表知，銀川市最大凍土層厚度為0.88m。根據(jù)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51017—2014）4.5.4第3條海寶塔的接地極埋深在凍土層以下，埋深為1.0m。

在海寶塔不同位置進(jìn)行實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)見表1。

2.3 氣象環(huán)境及雷電活動(dòng)規(guī)律

每年的4月—10月是寧夏雷電活動(dòng)的高發(fā)期，其大多數(shù)集中發(fā)生在7月—8月，這一時(shí)期，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，水汽豐富，地面增溫明顯，水汽抬升，從而引起天氣多變，容易引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。緯度上表現(xiàn)為南多北少，峰值區(qū)域出現(xiàn)在河流流域、山地以及森林覆蓋率較高的區(qū)域。寧夏回族自治區(qū)地處內(nèi)陸地區(qū)，年降水量南多北少，雷電出現(xiàn)頻率較高[2]。

海寶塔所屬銀川市年平均雷暴日為19.7d/a，該地區(qū)發(fā)生雷電等強(qiáng)對(duì)流極端天氣頻次較高，易發(fā)生雷擊事件。雷電流可達(dá)數(shù)十千安培，甚至數(shù)百千安培，產(chǎn)生巨大的破壞力和強(qiáng)大的電磁干擾。雷云對(duì)地放電時(shí)，對(duì)地面上的建筑物、設(shè)施和人員構(gòu)成嚴(yán)重危害。海寶塔塔體高聳，所處位置地勢(shì)空曠，無(wú)其他明顯至高建筑物。

3 海寶塔防雷設(shè)計(jì)

3.1 防雷類別確定

因?yàn)楹毸槿珖?guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，所以根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將海寶塔按第一類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。海寶塔防雷系統(tǒng)主要由外部防雷裝置及雷電預(yù)警2個(gè)部分組成。通過(guò)設(shè)計(jì)加裝的外部防雷裝置，在雷擊發(fā)生后能夠迅速將雷電流泄放到大地，通過(guò)安裝在引下線及接地裝置上的終端記錄預(yù)警設(shè)備采集防雷裝置的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)了解防雷系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)報(bào)警方式及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。雷電記錄和預(yù)警可提前獲取雷電活動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)警信息，通過(guò)準(zhǔn)確地預(yù)警、預(yù)報(bào)，在雷電來(lái)臨前采取預(yù)防性措施，提高雷電災(zāi)害的應(yīng)急處理。

設(shè)計(jì)中保留高精度閃電定位預(yù)警儀的定位端口，當(dāng)后期達(dá)到可定位條件時(shí)，進(jìn)行有效組網(wǎng)，通過(guò)與預(yù)警端口的有效結(jié)合，達(dá)到對(duì)雷電活動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)定位預(yù)警。外部防雷系統(tǒng)和高精度閃電定位預(yù)警儀有機(jī)結(jié)合，真正地構(gòu)建全過(guò)程、全維度雷電防護(hù)。設(shè)計(jì)在海寶塔周圍布設(shè)了閃電定位預(yù)警儀。

3.2 防直擊雷裝置設(shè)計(jì)

按照國(guó)標(biāo)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)和施工，主要使用接閃帶、引下線及良好的接地裝置，通過(guò)接閃帶對(duì)文物建筑進(jìn)行防護(hù)，保護(hù)建筑外部不受雷擊的破壞，為海寶塔周邊的人提供一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境。

3.2.1 接閃器設(shè)計(jì)

在海寶塔上層檐口處易受雷擊部位敷設(shè)接閃帶，在塔頂安裝古塔專用接閃桿。設(shè)計(jì)的接閃帶選用?10mm紫銅棒制作，安裝在海寶塔頂層。接閃帶固定方式采用專用不銹鋼墻卡安裝，在磚縫處鉆?6mm孔洞即可進(jìn)行安裝固定。并采用可調(diào)節(jié)支架固定，采用放熱焊的方式進(jìn)行連接，不需要進(jìn)行防腐處理。紫銅棒熔點(diǎn)高、耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、安裝方便，又具有良好的可塑性、導(dǎo)電性，且材質(zhì)顏色與文物建筑相協(xié)調(diào)，對(duì)文物建筑影響最小；可調(diào)節(jié)支架固定與接閃帶專用連接卡便于拆裝，有利于古建筑二次修繕維護(hù)，工藝美觀、安裝簡(jiǎn)單，減少了明火焊接作業(yè)，有利于施工過(guò)程中對(duì)古建筑的保護(hù)，降低施工難度。古塔專用接閃桿采用特制支架在塔頂上方安裝，塔頂與接閃桿支架進(jìn)行可靠連接。

海寶塔設(shè)計(jì)的接閃桿的材質(zhì)為仿古色304不銹鋼，強(qiáng)度高，抗腐蝕，消減雷電流能量明顯，質(zhì)量輕（針體質(zhì)量≤1.0kg），最大放電電流≥300kA，最大抗風(fēng)強(qiáng)度40m/s。長(zhǎng)度0.8m，下端直徑?30mm，安裝在海寶塔塔頂；接閃桿采用M8 304不銹鋼6角螺栓搭配?40mm壁厚25mm的紫銅管穿孔、螺釘固定，并設(shè)置接閃桿抗風(fēng)穩(wěn)定器安裝于塔頂，塔頂與接閃桿支架進(jìn)行可靠連接，對(duì)文物本體不造成任何破壞。由于在海寶塔上層檐口處易受雷擊部位敷設(shè)接閃帶，因此在屋頂中部突出物高出接閃網(wǎng)的部分安裝古塔專用接閃桿，利用滾球法驗(yàn)證海寶塔的接閃桿保護(hù)范圍，取相應(yīng)的滾球半徑為45m的一個(gè)球體，在屋頂滾動(dòng)，球體只接觸到接閃桿和接閃帶，而接觸不到海寶塔文物建筑本體。此時(shí)將海寶塔屋面作為地面看待，而塔頂?shù)奈菝嬉延媒娱W網(wǎng)方法進(jìn)行保護(hù)，塔頂?shù)耐怀鑫镌诮娱W桿的保護(hù)范圍內(nèi)。

3.2.2 接閃帶設(shè)計(jì)

接閃帶采用?10mm紫銅棒，在海寶塔頂層安裝。接閃帶固定方式采用專用不銹鋼墻卡安裝，在磚縫處鉆?6mm孔洞即可進(jìn)行安裝固定。接閃帶采用放熱焊的方式進(jìn)行連接，不需要進(jìn)行防腐處理。紫銅棒熔點(diǎn)高、耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、安裝方便，又具有良好的可塑性、導(dǎo)電性，且材質(zhì)顏色與文物建筑相協(xié)調(diào)，對(duì)文物建筑影響最小的接閃帶安裝圖如圖2所示。

3.2.3 引下線設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，塔底單面邊長(zhǎng)為10.86m，塔體最大周長(zhǎng)為43.45m，根據(jù)要求單體古建筑的專設(shè)防雷引下線不應(yīng)少于2根，因此設(shè)計(jì)2根引下線，材料采用絕緣導(dǎo)線。引下線采用明敷的方式，沿塔本體隨形引下，便于檢修。引下線在塔體南北兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)引下，為防止雷雨天氣帶來(lái)的接觸電壓對(duì)人員造成傷害，在引下線地面上2.7m至臺(tái)明處以及地面下0.3m處應(yīng)安裝?50mm耐高壓絕緣套管，套管刷仿古漆，與建筑本體顏色協(xié)調(diào)一致。

在引下線上距地面1.8m處安裝斷接卡，便于日后檢測(cè)、維護(hù)，接地?cái)嘟涌ú捎眉冦~材質(zhì)，套管在斷接卡位置設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行檢測(cè)。引下線采用絕緣導(dǎo)線，均勻?qū)ΨQ分布在塔體外立面。高壓絕緣線其良好的絕緣隔熱性質(zhì)及泄放雷電流能力有利于古塔及人員安全保護(hù)，且高壓絕緣線使用年限長(zhǎng)，避免反復(fù)更換對(duì)古建筑造成損傷[3]。在海寶塔南北兩側(cè)安裝引下線，敷設(shè)引下線時(shí)應(yīng)避開建筑物出入口、人行通道、水道、地下管線等，并以最短路徑敷設(shè)到接地體，敷設(shè)應(yīng)平正順直、無(wú)急彎。建筑臺(tái)明上的引下線宜采用明敷并穿耐高壓絕緣套管保護(hù)，套管刷仿古漆與臺(tái)明地磚顏色協(xié)調(diào)一致。

在海寶塔南側(cè)引下線上設(shè)置雷電流信息記錄儀，用于記錄雷擊的時(shí)間、次數(shù)、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。在北側(cè)引下線上設(shè)置接地電阻測(cè)試儀，能夠有效地對(duì)建筑物接地電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，測(cè)試隱蔽于地下的接地裝置，當(dāng)發(fā)生報(bào)警信號(hào)可及時(shí)通知維保人員到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維護(hù)，確保接地裝置有效、正常運(yùn)行。

3.3 防側(cè)擊雷裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[4]，海寶塔高度為53.9m，應(yīng)采取防側(cè)擊雷措施，主要是在海寶塔約45m及以上的塔身突出邊緣部位敷設(shè)一圈接閃帶，采用?10mm紫銅棒，并與引下線相連，對(duì)塔體進(jìn)行有效防護(hù)并滿足規(guī)范要求。

3.4 等電位連接設(shè)計(jì)

海寶塔每層券門處安裝鐵質(zhì)防護(hù)欄桿，根據(jù)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51017—2014）第4.2.2條、4.4.4條相關(guān)規(guī)定[4]，鐵質(zhì)防護(hù)欄桿須與防雷裝置作等電位連接，本次等電位連接設(shè)計(jì)將等電位連接線一端通過(guò)端子孔與鐵質(zhì)欄桿連接，另一端通過(guò)穿刺線夾與引下線連接，滿足規(guī)范要求。

3.5 接地裝置設(shè)計(jì)

按照《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50065—2011）的附錄A土壤中人工接地極工頻接地電阻的計(jì)算，均勻土壤中垂直接地極的接地電阻如公式（1）所示。

（1）

式中：R為單根接地體電阻；ρ為土壤電阻率；l為接地體長(zhǎng)度，l=3m；d為接地體等效直徑，d=0.05m；K為電解離子接地極降阻系數(shù)（產(chǎn)品系數(shù)指標(biāo)），K=0.45。

經(jīng)計(jì)算，如果R≤10Ω，那么每組接地裝置下安裝1根電解離子接地極可以將電阻限制在10Ω以下；如果R＞10Ω，那么需要將R代入公式（2）（n為每組接地裝置下安裝電解離子接地極數(shù)量），代入求得接地電阻Rn。

Rn＝R/0.75n （2）

垂直接地極的接地電阻計(jì)算表見表2。

均勻土壤中不同形狀水平接地極的接地電阻如公式（3）所示。

（3）

式中：Rh為水平接地極的接地電阻；L為水平接地極的總長(zhǎng)度；H為水平接地極的埋設(shè)深度；D為水平接地極的直徑或等效直徑；A為水平接地極的形狀系數(shù)，如圖3所示。

水平接地極的接地電阻計(jì)算見表3。

由水平接地極連接的n根垂直接地極組成的接地裝置，其沖擊接地電阻如公式（4）所示。

（4）

式中：Rvi為每根垂直接地極的沖擊接地電阻；R'hi為水平接地極的沖擊接地電阻。

由垂直接地體和水平接地體組成的接地系統(tǒng)的接地電阻R=9.07Ω。

古建筑防雷裝置及其部件使用的材料應(yīng)符合環(huán)保要求，且應(yīng)使用耐腐蝕的或經(jīng)過(guò)合格防腐處理的材料。選用XIT電解離子接地棒，它具有導(dǎo)電能力強(qiáng)、接地效果穩(wěn)定、耐腐蝕、使用年限長(zhǎng)、使用方便、對(duì)環(huán)境無(wú)影響、對(duì)樹木根系無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)，更大優(yōu)勢(shì)是可以減少地面開挖量，有利于文物建筑保護(hù)，基于以上優(yōu)點(diǎn)，XIT電解離子接地棒在文物建筑防雷接地中得到廣泛應(yīng)用。引下線入地后以水平接地體連接XIT離子接地極，連接點(diǎn)要用2個(gè)銅并勾相連，并且一定要放入專用回填料中。接地棒位置要距離建筑散水或基礎(chǔ)1000mm。在XIT離子接地極選定位置打1個(gè)直徑為120mm、深4300mm的鉆孔。將XIT離子接地極固定在鉆孔內(nèi)，接地棒最少要高于鉆孔底50mm。水平接地體與XIT離子接地極進(jìn)行可靠連接。將回填料與水比例1∶4.5混合，不斷攪拌，直至顯現(xiàn)為泥漿的狀態(tài)。把混合后回填料灌注在XIT離子接地極周圍，回填料高度不可超越紅色標(biāo)簽以上。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在維持古建筑原狀的原則下進(jìn)行古建筑防直擊雷裝置設(shè)計(jì)與現(xiàn)代建筑尤為不同，主要使用接閃帶、引下線及良好的接地裝置，通過(guò)接閃帶對(duì)海寶塔進(jìn)行防護(hù)，保護(hù)海寶塔外部不受雷擊的破壞，本文對(duì)海寶塔的防雷設(shè)計(jì)，希望能為同類型的塔類古建筑的防雷提供設(shè)計(jì)參考。

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