古建筑防雷設(shè)計(jì)的探討

姚東升, 高 超,劉 通,胡 旻,李曉磊

(1.陜西省防雷中心，西安 710014；2.西安北方光電科技防務(wù)有限公司，西安 710043)

中國(guó)古建筑與其他歷史文物一樣，其價(jià)值就在于它的歷史遺留性，不可能再生產(chǎn)、再建造，一經(jīng)破壞往往無(wú)法挽回。從大量案例來(lái)看，我國(guó)古建筑主要面臨火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、水浸風(fēng)險(xiǎn)、腐蝕蟲蛀風(fēng)險(xiǎn)等[1]。其中，雷電是造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的重要原因。千百年來(lái)古建筑物因遭雷擊,或因雷電起火被焚毀的事件不勝枚舉。雷電災(zāi)害作為自然界十大災(zāi)害之一，具有發(fā)生頻次多、范圍廣、危害嚴(yán)重、社會(huì)影響大的特點(diǎn)。對(duì)古建筑而言，雷電危害巨大，雷電防護(hù)更是具有重要意義。

1 基本原則

古建筑防雷應(yīng)在保持古建筑原貌和藝術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)在認(rèn)真調(diào)查地理、土質(zhì)、氣象、環(huán)境、雷電活動(dòng)規(guī)律以及被保護(hù)物特點(diǎn)等條件的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究防雷裝置的形式及其布置方式[2]，并在外觀方面兼顧古建筑的原始風(fēng)貌和藝術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合相關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范和多年雷電防護(hù)設(shè)計(jì)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出古建筑防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1.1 防雷裝置

結(jié)合古建筑的建筑類型、屋頂制式和周邊環(huán)境，優(yōu)先采用對(duì)古建筑影響最小的方法[3]，如獨(dú)立接閃桿、架空接閃線(網(wǎng))。如條件不允許時(shí)，需在古建筑物本體上安裝防雷裝置，可考慮以下措施。

(1)接閃器。安裝在易受雷擊的部位，常規(guī)以短接閃桿(帶)為主，可使古建筑物防護(hù)直接雷擊。①接閃桿常置于古建筑正脊吻獸兩側(cè)，與引下線可靠連接。②接閃帶通常布設(shè)于正脊、垂脊、戧脊、檐角處，一般高度為10～15 cm，用卡子卡牢。保護(hù)范圍不包括檐頭時(shí)，應(yīng)順脊延續(xù)至翼角和檐頭，并將垂獸、戧獸、翼角的小獸等都包括在內(nèi)。③材質(zhì)和規(guī)格符合規(guī)范接閃器要求的(如銅寶頂、金屬鏈、鐵剎等)，可直接利用其做為接閃器。

(2)引下線。應(yīng)從古建筑上接閃器下端焊接牢固后沿山墻、后檐墻、墻角或塔身、檐柱順直引下[3]，并設(shè)置防旁側(cè)閃絡(luò)和接觸電壓的相應(yīng)措施。由于古建筑外部輪廓復(fù)雜，引下線彎曲段避免折成直角或銳角。

(3)接地裝置。應(yīng)選擇土壤電阻率較低處布設(shè)，避開(kāi)主要出入口，以避免或減少跨步電壓產(chǎn)生的影響和危害。受場(chǎng)地條件限制無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)考慮防跨步電壓措施。

1.2 古樹(shù)防雷

古建筑(群)附近一般都種植有高大古樹(shù)，古樹(shù)易遭雷擊，可能成為古建筑(群)的防雷重大隱患。因此應(yīng)注意采取以下措施：①在樹(shù)頂安裝接閃桿，沿樹(shù)干敷設(shè)引下線，下部埋設(shè)接地裝置；②枯朽樹(shù)木的洞穴應(yīng)用灰膏封堵嚴(yán)密，防止積水，導(dǎo)致樹(shù)木接閃；③樹(shù)木本身或根部不得纏繞鋼筋，樹(shù)下不堆放金屬物體。另外，古建筑周圍栽種樹(shù)木時(shí)，應(yīng)保持一定安全距離，樹(shù)干應(yīng)距建筑物不小于5 m，樹(shù)冠不小于3 m。

2 案例分析

以陜北一古建筑防雷設(shè)計(jì)為例，具體討論古建筑防雷設(shè)計(jì)。

2.1 概況

該古建筑所在地區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，主要?dú)庀鬄?zāi)害有干旱、霜凍、大風(fēng)、冰雹和暴雨，以干旱威脅最大。年平均氣溫8.3 ℃，年平均最高氣溫15.6 ℃，年平均最低氣溫1.9 ℃。年降水總量365.4 mm，日最大降水量為105.7 mm，降水主要集中在7—8月[4]。建筑周圍土壤以沙土為主，兼有建筑垃圾回填土，最大凍土深度為1.48 m。實(shí)測(cè)土壤電阻率在450 Ω·m。當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諡?9.2 d/a[5]。

該建筑建成于明代，磚木結(jié)構(gòu)，屋頂制式為重檐歇山式，長(zhǎng)19.6 m，寬15 m，樓高11.6 m, 為省重點(diǎn)文物保護(hù)單位。獨(dú)立院落，位置高聳，周邊建筑均為不超過(guò)二層的低矮建筑。計(jì)算得出該建筑年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.06次/a，依據(jù)《文物建筑防雷技術(shù)規(guī)范》[3]《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，其屬于第一類防雷文物建筑。

2.2 防雷設(shè)計(jì)

2.2.1 接閃器 建筑物本體高大，周邊建筑低矮，無(wú)法采用獨(dú)立于建筑物外的防雷裝置，故選用經(jīng)濟(jì)可靠，對(duì)原有景觀影響最小的防直擊雷措施，即在建筑物本體上安裝短接閃桿和接閃帶。

短接閃桿采用Φ16銅棒，長(zhǎng)度1 m，安裝于正脊吻獸兩端，兼顧防雷作用的同時(shí)盡量保持古建筑的原始風(fēng)貌。接閃帶用2 mm×40 mm的紫銅帶隨形敷設(shè)于正脊、垂脊、屋檐上方，使用卡子固定。所有卡子兩側(cè)均需涂刷丙烯酸防水膠，每點(diǎn)涂刷不少于三遍，膠體顏色與建筑物部位顏色一致。

2.2.2 引下線 引下線采用外皮為黑色的50 mm2絕緣電纜，易于著色，布設(shè)效果更自然美觀，便于施工維護(hù)。設(shè)4根引下線，沿東、西側(cè)廊柱均勻?qū)ΨQ布設(shè)。每根引下線距地面2.7 m處設(shè)置斷接卡。距地面2.7 m以下的引下線均采用能耐受100 kV沖擊電壓(1.2/50 μs波形)的4 mm厚交聯(lián)聚乙烯管隔離[3]，并制作警示牌，使人不得靠近或進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。交聯(lián)聚乙烯管外套等長(zhǎng)的DN50鍍鋅鋼管對(duì)引下線和絕緣管做機(jī)械保護(hù)。

2.2.3 接地裝置 第一類防雷文物建筑接地裝置的沖擊接地電阻應(yīng)不大于10 Ω。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。

考慮到當(dāng)?shù)刈畹屯寥离娮杪蕿?50 Ω·m，建筑四周地面為青磚地面，過(guò)大的接地網(wǎng)施工會(huì)帶來(lái)拆除和恢復(fù)青磚地面面積大、費(fèi)用過(guò)高等一系列問(wèn)題，普通鋼材接地體在小場(chǎng)地內(nèi)難以有效降低接地電阻，故采用長(zhǎng)效離子接地極做垂直接地體，水平接地體采用3 mm×40 mm紫銅帶。相較于普通鋼材接地體不到10年的使用壽命,離子接地體的有效使用壽命為30年以上。

依據(jù)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A[7]，當(dāng)采用2根3 m長(zhǎng)的長(zhǎng)效離子接地極，和9 m長(zhǎng)的3 mm×40 mm銅帶水平接地體時(shí)，計(jì)算得出其理論總工頻接地電阻為11.6 Ω，換算為沖擊接地電阻為8.35 Ω，滿足不大于10 Ω的要求。如實(shí)際施工中不能滿足要求,可采取其他降阻措施,如使用降阻劑、換土等。項(xiàng)目采用A型接地，在每根引下線終端接地，每組接地使用2根垂直接地極，接地極間距6 m，受場(chǎng)地限制時(shí)可適當(dāng)縮小。距離建筑外墻3 m外，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件合理布設(shè)，接地體埋深為室外地坪下1.5 m。

為防止跨步電壓對(duì)游人和文物建筑管理人員造成傷害，接地體3 m范圍內(nèi)鋪設(shè)5 cm厚的瀝青層，使地面電阻率大于50 kΩ·m，防護(hù)層不得影響古建基礎(chǔ)和地面恢復(fù)。接地極采用放熱焊接，若施工現(xiàn)場(chǎng)禁用明火，可采用螺栓緊固的卡夾器、壓接銅管等方式連接。

3 結(jié)語(yǔ)

古建筑的觀賞取決于其建筑美感及歷史藝術(shù)價(jià)值。雷電防護(hù)難免需要增設(shè)接閃桿、接閃帶、引下線和接地體；因此，防雷設(shè)計(jì)需充分考慮古建筑外形、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等因素，盡可能保持古建筑的原始風(fēng)貌和藝術(shù)特點(diǎn)，外形和古建筑輪廓線盡量一致不突兀，選材、色調(diào)等與古建筑盡量保持接近，技術(shù)方面應(yīng)符合現(xiàn)行防雷相關(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。