古建筑防雷設計的探討

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有限公司，西安 710043)

中國古建筑與其他歷史文物一樣，其價值就在于它的歷史遺留性，不可能再生產、再建造，一經破壞往往無法挽回。從大量案例來看，我國古建筑主要面臨火災風險、水浸風險、腐蝕蟲蛀風險等[1]。其中，雷電是造成火災風險的重要原因。千百年來古建筑物因遭雷擊,或因雷電起火被焚毀的事件不勝枚舉。雷電災害作為自然界十大災害之一，具有發生頻次多、范圍廣、危害嚴重、社會影響大的特點。對古建筑而言，雷電危害巨大，雷電防護更是具有重要意義。

1 基本原則

古建筑防雷應在保持古建筑原貌和藝術特點的基礎上，做到安全可靠、技術先進、經濟合理，應在認真調查地理、土質、氣象、環境、雷電活動規律以及被保護物特點等條件的基礎上，詳細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貌和藝術特點。結合相關防雷技術規范和多年雷電防護設計施工技術經驗，總結出古建筑防雷設計要點。

1.1 防雷裝置

結合古建筑的建筑類型、屋頂制式和周邊環境，優先采用對古建筑影響最小的方法[3]，如獨立接閃桿、架空接閃線(網)。如條件不允許時，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，常規以短接閃桿(帶)為主，可使古建筑物防護直接雷擊。①接閃桿常置于古建筑正脊吻獸兩側，與引下線可靠連接。②接閃帶通常布設于正脊、垂脊、戧脊、檐角處，一般高度為10～15 cm，用卡子卡牢。保護范圍不包括檐頭時，應順脊延續至翼角和檐頭，并將垂獸、戧獸、翼角的小獸等都包括在內。③材質和規格符合規范接閃器要求的(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]，并設置防旁側閃絡和接觸電壓的相應措施。由于古建筑外部輪廓復雜，引下線彎曲段避免折成直角或銳角。

(3)接地裝置。應選擇土壤電阻率較低處布設，避開主要出入口，以避免或減少跨步電壓產生的影響和危害。受場地條件限制無法避開時，應考慮防跨步電壓措施。

1.2 古樹防雷

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

2 案例分析

以陜北一古建筑防雷設計為例，具體討論古建筑防雷設計。

2.1 概況

該古建筑所在地區屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，主要氣象災害有干旱、霜凍、大風、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。實測土壤電阻率在450 Ω·m。當地年平均雷暴日為29.2 d/a[5]。

該建筑建成于明代，磚木結構，屋頂制式為重檐歇山式，長19.6 m，寬15 m，樓高11.6 m, 為省重點文物保護單位。獨立院落，位置高聳，周邊建筑均為不超過二層的低矮建筑。計算得出該建筑年預計雷擊次數為0.06次/a，依據《文物建筑防雷技術規范》[3]《建筑物防雷設計規范》[6]，其屬于第一類防雷文物建筑。

2.2 防雷設計

2.2.1 接閃器 建筑物本體高大，周邊建筑低矮，無法采用獨立于建筑物外的防雷裝置，故選用經濟可靠，對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，長度1 m，安裝于正脊吻獸兩端，兼顧防雷作用的同時盡量保持古建筑的原始風貌。接閃帶用2 mm×40 mm的紫銅帶隨形敷設于正脊、垂脊、屋檐上方，使用卡子固定。所有卡子兩側均需涂刷丙烯酸防水膠，每點涂刷不少于三遍，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，布設效果更自然美觀，便于施工維護。設4根引下線，沿東、西側廊柱均勻對稱布設。每根引下線距地面2.7 m處設置斷接卡。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厚交聯聚乙烯管隔離[3]，并制作警示牌，使人不得靠近或進入危險區域。交聯聚乙烯管外套等長的DN50鍍鋅鋼管對引下線和絕緣管做機械保護。

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不大于10 Ω。設計方案首選對建筑基礎影響最小的A型接地，受場地限制，以垂直接地體為主。

考慮到當地最低土壤電阻率為450 Ω·m，建筑四周地面為青磚地面，過大的接地網施工會帶來拆除和恢復青磚地面面積大、費用過高等一系列問題，普通鋼材接地體在小場地內難以有效降低接地電阻，故采用長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《交流電氣裝置的接地設計規范》中附錄A[7]，當采用2根3 m長的長效離子接地極，和9 m長的3 mm×40 mm銅帶水平接地體時，計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，受場地限制時可適當縮小。距離建筑外墻3 m外，結合現場條件合理布設，接地體埋深為室外地坪下1.5 m。

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

3 結語

古建筑的觀賞取決于其建筑美感及歷史藝術價值。雷電防護難免需要增設接閃桿、接閃帶、引下線和接地體；因此，防雷設計需充分考慮古建筑外形、結構、材質等因素，盡可能保持古建筑的原始風貌和藝術特點，外形和古建筑輪廓線盡量一致不突兀，選材、色調等與古建筑盡量保持接近，技術方面應符合現行防雷相關技術規范標準。