雷打不動

北京奧運會的舉行時間為2008年8月8日至8月24日，根據常年統計結果顯示，奧運會期間正值北京多雨時節，平均每3天要下一場雨，并有四分之一的天數為雷暴雨。一說到雷雨，人們會很自然地聯想到可怕的電閃雷鳴，想到有房屋或大樹被雷電劈倒、家用電器被雷擊毀等事故。僅在1957年，北京市就發生過兩大雷擊事故，明十三陵長陵棱恩殿遭受雷擊，劈掉西部吻獸，劈裂兩根直徑1.17m，高14.3m的大楠木柱子，死一人，傷三人，中山公園內的一棵大樹落雷，音樂堂的配電室、舞臺和觀眾廳大頂棚被燒毀。至今，兩起事故聽起來仍令人不寒而栗。那么，奧運會恰逢雷暴雨集中的日子，高大的場館、密集的人群，在電閃雷鳴中能安然無恙嗎?

答案是肯定的。

因為防雷技術的發展不但使人類擺脫了在雷電災害面前束手無策、“被動挨擊”的尷尬，而且隨著現代綜合防雷技術的發展和在建筑中的廣泛應用，通過在建筑物上設置合適的避雷設施，人類已經完全有能力對付通常的雷電，可以化干戈為玉帛。

所以，到那時，人們只管盡情地觀看比賽，任憑場外風吹雨打、電閃雷鳴，場館將巋然不動，館內機電設備和人只會有驚而無險。

從避雷針到避雷網

1752年，美國人弗蘭克林發明了避雷針。從此，歷史翻開了新的一頁。面對兇猛的雷電，人類不再無助，不再恐懼，也不用再祈求神靈的保佑。一根小小的避雷針，使人們免遭雷電的肆虐，房屋也不再那么輕易被劈倒擊毀，人類取得了對雷電斗爭的勝利。

弗蘭克林避雷針的工作原理很簡單，就是將大地作為一個近乎無限大的理想導體，通過避雷針把電流引入大地。通常稱作避雷針的裝置其實是避雷裝置的接閃器，常設置于高大的建筑物頂端，通常形狀為一支或數支桿狀金屬，也可做成鐵塔形狀。后來避雷針逐漸發展演變為多種形式，包括避雷線、避雷帶和避雷網等。

仔細觀察一下我們周邊建筑物的頂部，不難發現此類避雷裝置。有些古建筑如故宮等屋頂上布設的用鋼線制作的種種獸形物，就是所謂的避雷線，有的家屬樓屋頂一圈固定的鋼筋，就是所謂的避雷帶，首都體育館也是這種形式-有的超高層建筑則在屋頂高高聳立著一個小型鐵塔，這就是特殊形式的避雷針。另外，在一些年代較久的建筑物的外墻面，會看到從屋頂引下來的一根金屬線，這就是引下線，與避雷針、避雷線或避雷帶連在一起，把電流引到地下的接地體。比較現代一點的建筑基本上看不到引下線，因為它們是利用了建筑結構內的鋼筋作為引下線了。可別小看了這些不起眼的針啊、線的，正是有了它們，我們才可以在雷雨交加的日子里，坦然地工作、學習和生活。

自從1752年弗蘭克林發明避雷針至今。避雷針和由它發展的避雷帶及籠式避雷網已成為規范化的、國內外普遍采用的主要防雷手段。

隨著鋼筋混凝土結構在建筑物中的廣泛應用，在20世紀中葉前后，建筑物上的傳統避雷針一般被“籠式避雷網”所代替，“籠式避雷網”利用建筑物本身的鋼筋網作引下線和接地體，把建筑物內的鋼筋通過焊接連為一體，建筑物周圍的電磁脈沖場會大大減弱，對建筑物包括其內的弱電設備都起到保護作用。“籠式避雷網”比傳統的弗蘭克林避雷針有了更多的優點，是現代建筑使用最廣泛的一種避雷技術。奧運場館基本上都是采用的“籠式避雷網”，只是在細節上有所不同。

上述避雷技術多是針對直擊雷(即雷電直接作用于建筑物)的。近年來高精尖設備受雷擊的事故日益增多，是因其內部電子設備耐壓很低，非常怕感應雷(即雷云對建筑物的各類金屬管、線上產生的雷電脈沖，會威脅到建筑物內人員及各種電氣設備的安全)。因此，感應雷成為現代防雷的重點。采取的措施是建筑物內各種設備要有良好接地和布線系統，安全距離，根據各種線路的情況安裝相應的避雷器或采取屏蔽措施。比如：在有些公共建筑里，采暖設備、給排水水管道上都另外連著一根銅線；計算機房或語音室的地板都是采用了特殊的地板材料。這些都是為了防雷而設置的。

近年來，基于“中和為綱”的思想，國內外紛紛研制消雷器，其結構形式類似避雷針，接閃器采用特殊材料制成，能在雷電到達建筑物之前中和一部分云層中的電荷，減小雷電的能量。如美國LoEoA公司推出的多短針雷電消雷裝置。法國依麗達公司推出的高效脈沖避雷針，還有放射性消雷裝置等等。在我國出現了導體消雷器、半導體消雷器、DK型門派的消雷器。

從“鳥巢”到“水立方”——讓雷電無隙可乘

城市現代化及北京城市綜合減災研究表明，影響“安全奧運”的五大災害排序中，極端自然災害(五級以上破壞性地震、暴雨洪澇，雷電、高溫熱浪、霧害等)被排在第一位。奧運會要向全世界進行實況轉播，如果場館的防雷設備不完善或沒有達到專業要求的防護等級，一旦發生雷電災害，造成停電或者傳輸信號中斷，后果將不堪設想。

那么，奧運場館究竟是如何防雷的，都采取了哪些防雷技術呢?

筆者對參與奧運場館設計的設計師進行了走訪，并深入一些施工現場了解，發現奧運場館(尤其是“鳥巢”和“水立方”)雖然已以獨特的設計構造馳名中外，但在防雷方面并沒有多少特殊之處，一點都不神秘。原因很簡單，防雷原理是不變的，不像建筑設計，建筑師們有無窮的想象空間。

俯瞰“鳥巢”，人們會發現它的屋面比較平坦圓滑，不像一般建筑物的屋面那樣安裝有桿狀或鐵塔裝的避雷針，也沒有避雷帶之類的東西，這是為什么呢?難道“鳥巢”沒有什么防雷措施嗎?

當然不是。世界上跨度最大的鋼結構建筑——“鳥巢”(國家體育場)堪稱世界建筑史上的神話，怎么可能沒有防雷設施呢!

據中國建筑設計研究院參與“鳥巢”設計的工程師介紹，“鳥巢”的防雷設計采用的是最傳統的防雷技術。充分利用建筑結構自身的有利條件，將“鳥巢”的金屬屋面、鋼結構中的鋼構件、鋼筋混凝土中的鋼筋等通過焊接等方式進行有效連接，整個“鳥巢”的“鋼筋鐵骨”部分構成了一個理想的“籠式避雷網”。為防止雷擊時對人體的傷害，在場館內人能觸摸到的部位，比如鋼柱等，都相應作了等電位連接；“鳥巢”內的幾乎所有設備與“籠式避雷網”都有可靠連接，保證雷電來臨瞬間產生的巨大電流能通過“籠式避雷網”導入地下，以此最大限度地保證場館自身、儀器設備和人身的安全。

按常規的防雷做法，建筑物的屋面都要安裝避雷針、避雷帶或避雷網的，但“鳥巢”的屋面卻完全沒有這些設施，這是為什么呢?

原來，“鳥巢”的屋面是金屬材料的，防雷設計就巧妙地利用這么一個大的金屬屋面板充當了接閃器。因此，“鳥巢”的接閃器的形式不再是通常的針、網或帶，而是一個巨大的“避雷面”。難怪“鳥巢”的屋面是平坦的。

“籠式避雷網”就像一個巨大的籠子，呵護著“鳥巢”。當雷電降臨的時候，巨大的電流就會順著“籠式避雷網”上一根根鋼筋和一塊塊鋼板連成的“高速公路”，迅速傳到地面，“鳥巢”內的設備和人則有驚無險，安然無恙。

“水立方”與“鳥巢”相似，也是采用了傳統的防雷技術。“水立方”的地下及基礎部分是鋼筋混凝土結構，地上部分是鋼網架，鋼結構與鋼筋混凝土結構中的鋼筋通過焊接連接，共同形成了一個立方體的籠子。屋面上。鑲嵌、固定一塊塊充氣枕的是槽形的鋼構件，鋼構件又寬又厚，與“水立方”四壁的鋼網架焊接為一體。支撐著整個屋頂。雷雨天氣里，這些鋼構件的作用更是非同小可。它們一方面作為天溝，收集、排除屋面的雨水；同時又充當了接閃器，及時將雷電流引到“籠式避雷網”，保護整個建筑物的安全。這是一個非常理想的“籠式避雷網”，完全依靠建筑物自身結構中的材料。無須單獨架設避雷針、做引下線或接地體，屋面沒有突出的避雷針或避雷帶，既經濟美觀又安全可靠。

五棵松體育館防雷雙保險

“鳥巢”和“水立方”的防雷方案可以說是經濟、簡單、易行，相比之下，五棵松體育館的防雷在方案確定階段則是費盡周折，雖然在形式上并不復雜。

據北京市建筑設計研究院參與五棵松體育館設計的工程師介紹，五棵松體育館的防雷設計方案經過了一個非常痛苦的選擇和爭論的過程。

首先考慮的是采用避雷帶，因為五棵松體育館長寬各120米，屋頂面積大，正好發揮避雷帶覆蓋范圍大的優勢，但是，由于屋頂是9層復合材料做成的輕型屋面。避雷帶需要一百多處支撐點在屋面“生根”，與防水層之間處理不好，就會出現大量的滲漏點，影響屋面的工程質量，因此這一方案被排除。

其次考慮采用避雷針，但按國內傳統標準制作的話，需四根高達幾十米的避雷針，而體育館地面以上的高度僅25米，高高的避雷針不但影響建筑外觀效果，而且“生根”比避雷帶更難，傳統做法實在行不通。設計師大膽提出采用預放電式避雷針，這種避雷針采用半導體電子元件制成，能在雷電到達建筑物之前中和一部分云層中的電荷，減小雷電的能量，最大優點是體積小而保護面大，五棵松體育館只需4根3.5—4米高的避雷針即可。由于預放電式避雷針技術來自國外，國內尚無相應規范和標準，國際上通常采用法國的標準，因此，有關方面的專家對此方案意見不一，爭論頗大。奧組委和北京市氣象局為此方案舉行了多次專家論證會，最終采取了一個折中的方案——采用4根預放電式避雷針，增加5根傳統的避雷針，總共9根。

工程師介紹說，本來4根預放電式避雷針就能滿足要求，為了安全起見，綜合各方面的意見，又增加了5根傳統避雷針，可謂是雙保險了。

9根避雷針作接閃器，體育館四周的20根鋼柱作引下線，與下部鋼筋混凝士中單做的引下線相連，最后與接地體可靠連接，可有效保證體育館和人身的安全。

通過上面的介紹不難看出，“鳥巢”和“水立方”是對傳統的完美繼承，五棵松體育館是別無選擇的創新，無論是繼承傳統還是創新，其基本的原理是一樣的，都是對250多年前弗蘭克林防雷思想的貫徹，就是利用金屬導體把強大的雷電流引導到地面，使建筑免受雷電的傷害。

值得一提的是，五棵松體育館采用的預放電式避雷針技術來自國外，雖然國內目前尚無相應的規范和標準，但隨著時代的發展、新材料的廣泛應用和現代建筑風格的演變，新的防雷技術和設備將有廣闊的發展空間，必然會得到越來越廣泛的重視和實際應用。