古建筑雷電防護技術研究＊

于瑞平 ,陳勇偉 ,王 琦 ,金建輝 ,魏晨楓 ,黃鵬程

（1.甘肅民安現代防雷技術有限公司，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省氣象服務中心,甘肅 蘭州 730020）

中國古代建筑在世界建筑史上以其獨特的結構、無法估量的歷史價值而占有特殊的地位。其承載的建筑思想、建筑美學和營造方式貫穿于秦漢以致明清兩千余年，是幾千年中國古老文明的寶貴遺產[1]。古建筑全面體現了中華民族的智慧、自然科學知識、文化藝術與精神文明。嘉峪關關城位于甘肅省嘉峪關市向西5 km 處，是明代長城西端起點的第一重關，也是古代“絲綢之路”的交通要沖。它是萬里長城沿線建造規模最為壯觀，保存最為完好的一座古代軍事城堡。始建于明洪武五年（公元1372年），距今已有640 年的歷史。1961 年嘉峪關關城被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位，1987年這座雄關和東部的山海關，被聯合國列入《世界遺產目錄》。

雷電是強烈的大氣放電現象，在短時間內能釋放出大量的電荷并產生很強的沖擊電壓和很高的電弧溫度。通常雷擊主要有以下幾種形式[2]：一是雷直接擊在建筑物上發生熱效應作用和電動力作用，稱為直擊雷；二是雷云放電時，在附近導體上產生的靜電感應和電磁感應，稱為感應雷擊；此外，還有較為少見的球形雷。雷電的電動力效應、機械效應與熱效應將對古建筑造成不可復原的破壞，從張華明等[3]對古建筑雷擊事故的調查研究中可以看出：雷擊古建筑引起的危害主要表現在吻獸的損壞與火災，分別占古建筑雷擊次數的30%與26.25%。因此，加強古建筑的雷電防護，對保護古建筑安全與文化遺產的傳承具有重要意義。

文章利用關城景區2009—2013 年年平均雷暴日與閃電定位資料，結合關城關樓的結構特點與地質環境。對關樓的雷電防護設計與施工工藝進行了全面的闡述，為后續古建筑的防雷技術提供參考依據。

1 嘉峪關氣候特征與關城景區地質條件

1.1 嘉峪關氣候特征

嘉峪關位于青藏高原和內蒙古高原之間的走廊地帶，是著名的“河西走廊”最西端，地勢南高北低并由東南向西北傾斜。由于地處內陸，山脈、戈壁、沙漠多；植被稀疏、降水很少、蒸發量大、風沙多、日照長，冬季嚴寒、夏季酷熱，是典型的大陸性氣候。嘉峪關各季節的氣候特色比較明顯，春季升溫迅速，冷暖變化大，多大風、風沙天氣；夏季炎熱，雨量相對集中；秋季涼爽少雨，降溫快，風沙很少；冬季嚴寒干燥。

1.2 關城景區雷電環境

文章利用甘肅省閃電定位資料，對關城景區2009—2013 年的雷暴日分布與閃電時分布進行了統計分析。關城景區年平均雷暴日數在11.7 d，最多雷暴日數為17.5 d，如圖1 所示。

圖1 關城景區2009—2013 年雷暴日年分布圖

關城景區的雷電活動的時間段主要分布在5月與8 月中旬，9 月份的雷電活動較少，如圖2 所示。這主要受嘉峪關氣候活動特征與季節的影響，5 月份天氣逐漸變暖，到6、7、8 月為嘉峪關最炎熱、大氣對流過程最為活躍的時期，也是雷電活動最頻繁的時間。

圖2 關城景區2009—2013 年閃電月分布圖

關城景區閃電的時分布主要集中在12 時與21時之間，從圖3 可以看出關城景區的閃電時分布具有明顯的兩個高峰期。閃電最容易發生的時段在夏季極度升溫的午后，而嘉峪關的晝夜溫差較大，12時到16 時白天溫度最高、17 時到21 時溫度又會降低。所以這兩個時間段的大氣對流活動也最為活躍，閃電也主要發生在大氣的強對流過程中。

圖3 關城景區2009—2013 年閃電逐時分布圖

關城景區旅游最為舒適的時間是5 月到10 月中旬、9 時到19 時，從圖2、圖3 可以看出旅游旺季也是雷電的高發期。因此，加強關城景區的雷電防護，對保護游客人身安全與古建筑文化遺產的安全具有重要意義。

1.3 關城景區地質條件

嘉峪關地貌由戈壁與耕地相間構成，戈壁是由砂石和砂礫構成，耕地主要是黏土。關城景區地貌主要由戈壁與砂石組成，從地面到地下4.5 m 深處均為砂石與鵝卵石構成。由于地質結構與氣候的影響，關城景區土壤電阻率較高。

2 關城景區關樓防雷設計

2.1 關樓結構特點與雷擊損壞分析

關樓矗立在羅城正中的“嘉峪關”門的樓臺上，由兵備道李端澄于明弘治八年（公元1495 年）主持修建。樓臺面積556 m2，清同治十二年（公元1873年）左宗棠題“天下第一雄關”匾懸于樓上。關樓為中軸第一座建筑，平面面寬五間，進深四間。建筑長約17 m，寬約11 m，高約17 m，屋頂坡度大于0.5°，為木構架三重檐周圍廊歇山式布瓦頂建筑。

古建筑絕大多數為磚木結構，一旦遭受雷擊，極易引起木質構件燃燒[4]。由于關樓為關城景區最高的古建筑，且頂層扣脊寶頂裝有金屬裝飾構件。雷電極易擊中帶有金屬構件的高聳建筑，而關樓的寶頂則會成為接閃點。在沒有避雷帶、引下線與接地裝置的情況下，關樓遭受雷擊的概率非常高。

2.2 關樓屋面避雷帶設計

古建筑的防雷設計應根據規范技術要求與建筑的雷擊風險分析、結構特點進行綜合設計，充分考慮建筑的防雷安全、文物安全與人身安全。嘉峪關關樓屬于第一類防雷文物建筑物[5]，按照第一類防雷設計要求，在關城關樓的吻獸、寶頂、正脊、垂脊、戧脊、一、二、三層屋檐上敷設避雷帶，使避雷帶網格尺寸不大于12 m×8 m。關樓屋面避雷帶設計與引下線位置如圖4 所示。

圖4 關樓屋面避雷帶與引下線設計圖

古建筑的避雷帶設計應在符合技術規范的前提下，盡量體現古建筑與防雷設計的完美結合。對古建筑的防雷保護既要考慮實用性，也要保證其美觀性[6]。防雷設計指導防雷施工的實施，因此古建筑的防雷設計既要確保文物的防雷安全又不影響古建筑的藝術景觀和觀賞性。

2.3 關樓正立面避雷帶與引下線設計

引下線是將雷電流引至接地裝置的外部防雷裝置之一[7]，根據關樓的結構特點在關樓的側立面前檐角向內沿第二根柱子處各敷設一條引下線；在關樓的背立面兩側后檐角向內沿第二根柱子各敷設一條引下線，關樓共計敷設四條引下線，如圖5 所示。

圖5 關樓正立面引下線與避雷帶設計圖

3 古建筑防雷選材與施工工藝

3.1 避雷帶選材與施工

古建筑的防雷選材應充分考慮美觀性與耐久性，嘉峪關關樓屋面避雷帶選用純度為99.93%的ф8 cm 紫銅棒。純度較高的紫銅棒柔軟性好易于施工，且在施工完成后，氧化較快對古建筑的景觀影響最小。避雷帶施工時依關樓的吻獸、寶頂、正脊、垂脊、戧脊、一、二、三層屋檐進行敷設，避雷帶與吻獸、屋脊與屋檐之間的距離為0.15 m 左右。紫銅棒避雷帶用不銹鋼固定支架進行固定，紫銅棒與不銹鋼固定卡片接觸部位用ф10 cm 黃蠟管進行絕緣處理，以防止紫銅棒與不銹鋼發生電化學腐蝕。關樓屋面的避雷帶固定安裝如圖6 所示。

圖6 關樓屋面避雷帶安裝圖

3.2 引下線選材與施工

引下線是接閃器與接地體間的重要連接裝置，引下線在引流過程中由于雷電流的熱效應會產生很高的溫度。因此，古建筑的引下線材料應充分考慮耐熱性與穩定性，同時應做好引下線與古建筑之間的隔熱設計與施工。關樓柱子引下線選用ф8 cm 紫銅棒，從城臺引至接地裝置的引下線選用BV95 mm2銅絞線。隨柱子敷設的引下線穿PVC 絕緣護套管做隔熱與絕緣處理，引下線應布設在相對隱蔽的位置。關樓引下線布設如圖7 所示。

圖7 關樓引下線設計圖

3.3 接地極選材與施工

接地裝置是將雷電流引入大地的重要防雷設施，接地裝置的性能直接影響建筑物的防雷效果。嘉峪關關城地質結構復雜，土壤干燥且電阻率高接地電阻很難達到規范要求[8]。同時結合關樓所處的地質特點，接地材料選用銅質電解離子接地極。古建筑的接地施工需在室外地面處進行開挖，銅質電解離子接地極使用年限在30 年以上，可以最大限度地減少由于接地裝置劣化而進行接地裝置的更換頻率。高土壤電阻率地區的防雷接地是一個比較復雜的問題，而電解離子接地極在土壤電阻率較高的地區有著較好的降阻效果。關樓接地極設計與安裝施工如圖8 所示。

圖8 關樓接地裝置安裝圖（單位：mm）

4 結語

嘉峪關關城兩翼的城墻橫穿沙漠，自古為甘肅河西第一隘口。關城景區的古建筑體現了中華民族的智慧、文明與建筑藝術，對古建筑進行科學的保護是傳承智慧、文明與民族精神的前提保障。文章通過對嘉峪關關城景區地理條件、氣候特點與閃電資料的詳細分析，并結合關樓的結構特點。對關城關樓的防雷設計、古建筑防雷選材與施工工藝進行了細致的闡述，為其他古建筑的雷電防護技術提供相關的參考。