李衣長 劉學奎 陳 林
(1.福建省三明市氣象局 福建三明 365000;2.福建省文物保護中心 福建福州 350000)
我國文物古建筑數量龐大、風格各異,以其獨特的歷史、文化價值編織著中華民族璀璨的文明發展史,其承載的建筑思想、建筑美學和營造法式貫穿于秦漢至明清二千多年,是國家的寶貴財富。遺憾的是,這些古建筑多為土木結構、磚木結構或磚木石結構,近年來時常發生因雷擊造成嚴重損毀或引發火災事故,給文物古建筑保護工作帶來難以挽回的損失。因此,文物古建筑的雷電防護安全工作非常重要。
雷電是自然界中一種極為壯觀的聲、光、電現象,在一系列復雜的大氣運動中,最終形成在云層的下端帶負電,云層的上端帶正電的雷雨云。當雷雨云與大地之間的電場強度達到一定程度時,雷雨云就會對大地放電,產生強烈的雷擊現象。文物古建筑大多位于郊區曠野,四周平坦空曠,雷電環境惡劣,自古以來,因雷擊造成嚴重損毀或起火焚毀事件不勝枚舉。如:明朝時期北京故宮前朝三大殿3次遭雷擊被焚;1969年9月,承德避暑山莊普佑寺遭雷擊起火,著名的法輪殿和周圍裙樓、配殿 94間全部付之一炬;1987年 8月,北京故宮博物院景陽殿遭雷擊引發火災,大殿局部被燒毀;2010年7月24日,內蒙古興安盟烏蘭浩特市普惠寺大雄寶殿因雷擊發生火災,等等。為防止或減少雷擊文物古建筑物所引發的人身傷亡、文物損傷和財產損失,亟需開展文物古建筑雷電防護的關鍵技術研究。
2002年4月,時任福建省省長的習近平為《福州古厝》一書作序時寫道:“保護好古建筑、保護好文物就是保護歷史,保存城市的文脈,保存歷史文化名城無形的優良傳統”,近幾年來,隨著我國對文物古建筑保護力度的不斷加大,文物古建筑的雷電防護工作也成為了一個倍受關注的安全問題。因此,本文擬通過對泰寧縣某全國重點文物古建筑所處區域雷電活動規律、文物古建筑防雷工程設計中普遍存在問題的分析,提出對文物古建筑雷電防護的一些關鍵技術措施,希望能對文物古建筑的雷電防護發揮技術指導作用[1]。
文物古建筑頻繁遭受雷擊的一個重要原因,就是文物古建筑所處地段的雷電活動活躍,雷擊環境惡劣造成的,所以在對文物古建筑的防雷工程設計時,開展雷電活動規律及其影響分析非常必要。只有在認真勘察文物古建筑所處區域的地理、地質、土壤、氣象、環境等條件和雷電活動規律基礎上,才能夠設計出“安全可靠、技術先進、經濟合理”的綜合防雷工程方案。
基此,本文以泰寧縣某全國重點文物保護單位的文物古建筑為例,采用福建省氣象局2005~2012年期間的閃電定位監測數據、人工觀測雷暴日數據,采取統計學分析法、災情解析法等分析方法,分析其所處區域的雷電活動年變化、月變化與時變化、雷電流大小與落雷方位以及雷電災害易損度區劃等,得出其所處區域的雷電活動規律及其影響,為開展防雷工程設計提供技術支撐。
通過對2005~2012年期間閃電定位監測資料分析,以泰寧縣某全國重點文物古建筑中心點位置為圓心,統計出3km范圍內監測到的雷閃總次數449次,以每年雷閃次數為基礎,繪制出雷電活動年變化統計圖(圖1)。

圖1 古建筑所處區域(3km范圍)雷電活動年變化統計圖
由圖1可知:該古建筑物3km范圍內年雷閃次數均值56.1次,但年際變化較大,2006年最大,達187次;2009 年最小,僅為 14次。通過對2005~2012年人工觀測雷暴日數據分析,該縣年平均雷暴日數56d,屬多雷區;最大值68d,出現在2010年;最小值49d,分別出現在2005年、2008年。所以,在該古建筑防雷設計時,要考慮到年雷閃次數與年平均雷暴日數最大值的影響,并結合該縣處于多雷區的實際,做出針對性的防護設計。
通過對2005~2012年期間閃電定位監測數據分析,統計出泰寧縣某全國重點文物古建筑3km范圍內平均每月發生的雷閃次數,繪制出的雷電活動月變化統計圖如圖2所示。

圖2 古建筑所處區域(3km范圍)雷電活動月變化統計圖
由圖2可知:該古建筑所處區域的雷電活動主要集中在全年的4~9月。因此,在此期間,尤其需要加強對古建筑及建筑物內人員與電氣電子設備的雷電防護,以保證人員、財產的安全。
通過對2005~2012年期間閃電定位監測資料分析,統計出泰寧縣某全國重點文物古建筑3km范圍內平均每時次發生的雷閃次數,繪制出雷電活動時變化統計圖如圖 3所示。

圖3 古建筑所處區域(3km范圍)雷電活動時變化統計圖
由圖3可知:該古建筑所處區域雷電活動主要集中在每日午后至凌晨時段(13~20時),0~12時時段,雷電活動相對較弱。因此,在雷電活動集中時段,應合理安排人員活動以保證安全,同時加強對古建筑內電氣電子設備的雷電防護。
通過對2005~2012年期間閃電定位監測資料分析,統計出泰寧縣某全國重點文物古建筑3km 范圍內的落雷情況,該區域雷電流大小分布情況如表1所示。

表1 古建筑所處區域(3km范圍)雷電流大小統計表
由表1可知:該古建筑所處區域發生的落雷強度平均為10.87 kA,最大為107.40 kA,最小為3.90kA。因此,在防雷工程設計時,就要考慮到落雷強度最大值的情況,確保防護效果。
以項目中心為中心點,按16個方位均勻劃分為16個區域,統計出古建筑3km 范圍內2005-2012 年期間每個方位的落雷頻數,繪制落雷分布玫瑰圖如圖4所示。

圖4 古建筑所處區域(3km范圍)落雷分布玫瑰圖
由圖4可知:項目雷電的主導方向為西南、偏北與東南方位。因此,在防雷工程設計時,應考慮避免在古建筑物群的西南、偏北與東南方位安裝敏感的電氣電子設備;如確實需安裝敏感電氣電子設備,應考慮增加“屏蔽”“等電位連接”“安裝SPD”等防閃電感應與閃電電涌侵入措施。
筆者根據自然災害風險評估理論,以氣象探測資料和從中國科學院資源環境科學數據中心獲取的地理信息數據、社會經濟發展規模、人口密度、土地利用現狀以及雷電災情等數據作為區劃要素,完成了三明市基于GIS圖層疊置法的精細化雷電災害易損度區劃研究[2]。基此,本研究采用這一成果,截取了泰寧縣某全國重點文物古建筑附近的雷電災害易損度區劃(圖5)。

圖5 古建筑所處區域(3km范圍)雷電災害易損度區劃圖
綜上:泰寧縣某全國重點文物古建筑所處區域為雷電災害易損度中值區,雷電活動較活躍,具有引發雷電災害的風險。所以,進行防雷工程設計時,應遵循其所處區域雷電活動規律,根據其性質、年預計雷擊次數劃分防雷類別,科學、合理設計雷電防護措施,并妥善安排游客活動,盡量避開雷電高發期和雷電主要發生時段,以趨利避害。
目前,在文物古建筑防雷工程中采用的技術依據主要有:國標《古建筑防雷工程技術規范》(GB 51017-2014)、《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)、《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB 50343-2012)、《建筑物防雷工程施工與質量驗收規范》(GB50601-2012)和氣象行業標準《文物建筑防雷技術規范》(QX 189-2013)等。本研究通過審查部分文物古建筑防雷工程設計方案,發現其中普遍存在以下幾方面問題。
在防雷工程設計中,能否正確采用防雷技術標準,直接決定所設計防雷工程的建設內容與各項技術指標是否科學有效。但筆者在對部分文物古建筑防雷設計的審查中,發現不少存在采用或引用防雷技術標準不正確的問題,如:先前采用的相關防雷工程規范GB/T 21714.3-2008現今已作廢,新修訂GB/T 21714.3-2015規范已發布實施,卻未進行標準更新;引用的技術標準未能檢索到,如:“JGJ 16-2016”未能檢索到,而“JGJ 16-2008”仍為現行有效之規范。
在《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010)中,根據建筑物的重要性、使用性質、發生雷擊事故的可能性和后果,劃分為3類防雷建筑物,文物古建筑一般可劃分為第二類或第三類防雷建筑物,并根據劃分防雷類別結果作出具體的防雷工程(外部、內部)設計要求;而在《古建筑防雷工程技術規范》(GB 51017-2014)中,卻根據文物價值、發生雷擊事故的可能性和后果等劃分為第一級、第二級兩個級別,并規定不同級別的文物古建筑采取不同的外部防雷裝置和防側雷措施。其實,以上兩部國家標準在防雷分類、分級規定上的差異,主要是由于針對確定防雷裝置的形式及其布置要求不同,防雷分類結果提出了文物古建筑綜合防雷設計的總要求,而防雷分級則主要是針對建筑物防直擊雷設計部分提出了特殊要求。
但是,部分設計人員卻將這兩項標準弄混了,也混淆了防雷分類與分級,如:在福建省漳州市某全國重點文物古建筑防雷設計中,提出“按照GB50057-2010和GB 51017-2014相關條款要求,該古建筑屬于國家重點文物保護單位,應按第一類防雷建筑物有關規定設計,將滾球半徑取32m”,出現了明確錯誤。該項目按照GB 51017-2014規定應劃分為第一級防雷古建筑;而按照GB50057-2010規定應劃分為第二類防雷建筑物,滾球半徑取45m,而不能按第一類防雷建筑物規定設計。也正由于建筑物防雷分類的錯誤,導致了后續防雷設計內容出現明顯偏差。所以,正確劃分古建筑防雷分類是防雷工程設計的前提。不少設計人員認為GB50057-2010與GB 51017-2014規定有矛盾,容易混淆,筆者認為二者并不存在矛盾。GB 51017-2014是在GB50057-2010基礎上,針對文物古建筑物特點,對直擊雷防護工程設計作出進一步細化規定和特殊的安裝要求。
在古建筑防雷工程設計中,發現“防雷接閃器、引下線、接地裝置”的設計普遍存在一些共性的問題。主要表現在以下幾個方面:
(1)接閃器設計不全面
部分古建筑接閃器設計不全面,如福建省泉州市某全國重點文物寺廟建筑防雷設計,該設計提出:“在建筑物本體上安裝接閃帶的方式進行外部防雷設計…”,而采取單一接閃帶保護,對于其屋頂面積大的古建筑,很難使其完全處于接閃器保護范圍內,如后殿(大雄寶殿),通面闊 21.7m,通進深12.7m,僅安裝接閃帶,無法使其完全處于保護范圍內(圖6)。

圖6 福建泉州市某全國重點文物寺廟建筑(后殿)屋面示意圖
而對于一些安裝有高聳屋脊等特殊造型的木結構古建筑,如以上提到的泉州市某全國重點文物古建筑中的鼓樓(圖7),確實難以安裝接閃帶保護,那么,可在設計接閃器時,安裝一些接閃短桿進行保護[3]。

圖7 福建泉州市某全國重點文物寺廟建筑(鼓樓)正立面圖
(2)防側擊雷設計不規范
部分古建筑接閃器設計,將“防側擊雷”與“防球雷”等同起來,如在福建漳州市某全國重點文物古建筑防雷工程設計中,設計人員提出:“根據實際情況,確實需要防雷的可以每隔6m沿建筑物四周設置圈式防雷均壓帶,并使均壓帶和建筑物四周的所有金屬物均與防雷接地可靠連接,防球雷的最好措施是安裝金屬屏蔽網,并可靠接地…”,該設計思路與GB50057-2010規范中第4.3.9條、第4.4.8條和GB 51017-2014第4.2.2條、第4.3.2條的要求出入較大。
(3)接地電阻值設計要求偏高
部分古建筑接閃器設計,接地電阻值設計要求偏高。如在福建省漳州市某全國重點文物古建筑防雷工程設計中,將“古建筑共用接地裝置的接地電阻值要求為不大于1Ω”,而根據GB 51017-2014第4.2.4條、第4.3.4條的要求,沖擊接地電阻不大于10Ω或30Ω即可滿足要求;根據GB50057-2010規定:“共用接地裝置的接地電阻應按50HZ電氣裝置的接地電阻確定,不應大于按人身安全所確定的接地電阻值”,防雷接地裝置與電氣設備共用接地要求不大于4Ω即可。
(4)防接觸電壓與防跨步電壓措施設計不全面
部分古建筑防雷工程設計,無“防接觸電壓”與“防跨步電壓”設計內容,或是“防接觸電壓”與“防跨步電壓”措施設計不全面。如福建泉州市某全國重點文物寺廟建筑防雷工程僅提出:“在各引下線距地面1.8m處設斷接卡,距地面2.7m以下引下線采用絕緣套管以防接觸電壓”,這與GB50057-2010第4.5.6條的要求相差較大。
大部分文物古建筑內并無大量電氣、電子設備,僅有少量的照明、監控等電氣、電子設備,但在文物古建筑防雷工程設計方案中,部分項目僅提出安裝防直擊雷措施。如龍巖市某全國重點文物土樓建筑群防雷工程設計,內有簡單的低壓電氣系統和照明系統,但未設計任何“防閃電感應”與“防閃電電涌侵入”措施,埋下土樓內人員與低壓電氣設備存在雷擊安全隱患。
通過對部分文物古建筑防雷工程設計方案的審查和分析,按照文物古建筑雷電防護措施安裝現狀,以及人員流動大、建筑保護要求高等特點,結合文物古建筑防雷工程的特殊要求,提出做好“直擊雷防護”“閃電電涌侵入防護”“閃電感應防護”“接觸電壓與跨步電壓防護”等以下幾項關鍵雷電防護技術措施。
文物古建筑設計安裝防直擊雷措施是首要任務。文物古建筑應嚴格按照GB50057-2010規定的第二類或第三類防雷建筑物,以及GB 51017-2014規定的第一級或第二級文物古建筑設計要求,規范安裝直擊雷防護措施。
3.1.1接閃器設計要求
接閃帶應安裝在古建筑屋頂的正脊、垂脊、盝頂、圍脊和戧脊上,或在古建筑物屋面突出部、屋檐或屋角部分隨形敷設接閃帶、接閃網或接閃桿混合組成的接閃器保護。對于石獅萬壽塔、福州烏塔等石塔一類的高層古建筑或屋頂面積較大的古建筑,除了可以在屋面中央突出部位安裝接閃桿外,尚應在屋檐和屋面突出部位上敷設接閃帶,并在屋面形成接閃網;同時,宜將接閃網敷設在檁條上方,以減輕屋面的負重;接閃網格尺寸宜為步架的整倍數,并使接閃網格尺寸應符合規范要求。對于雷電環境惡劣、頻頻發生雷擊現象的文物古建筑,可考慮參照第一類防雷建筑物要求采取獨立的防直擊雷裝置,將防直擊雷接地裝置與防閃電感應接地裝置分開設置,降低發生雷擊的概率[4]。
在安裝接閃器時,特別要注重對文物古建筑的保護和建筑美觀,接閃帶宜采用直徑8mm 以上的銅棒進行布設,固定支架高度應距屋面(瓦面)100~150mm,支架宜采用固定卡式支架方式[5],具體做法如圖8所示。

圖8 屋面接閃帶安裝示意圖
3.1.2防雷引下線設計要求
文物古建筑防雷引下線主要采用明敷設置,也可采用明敷與暗敷結合的形式敷設,暗敷的部位必須有利安全和檢測維護,引下線平均間距應符合該古建筑所對應防雷類別的規定。布設引下線時,應從接閃器焊接牢固后沿山墻、后檐墻、墻角、檐柱順直引下。游人較多的建筑物正面,則應盡量避免明敷。當文物建筑通面闊長度大于引下線規定的間距時,引下線盡量不要設置在文物古建筑的正面,可僅在正面墻角各敷一根引下線,可增加山墻、后檐角及墻角引下線的根數,使防雷引下線間距距離符合規范要求;當明設防雷引下線處于人員經常經過或逗留的地方,一定要嚴格按照GB50057-2010第4.5.6條規定要求做好防接觸電壓措施。
3.1.3接地裝置要求
考慮到文物古建筑保護的重要性,建議防雷接地與電氣接地、保護接地采用共用接地系統。在布設人工接地網時,對土壤電阻率高的區域,可使用深井垂直接地系統,采用鍍鋅鋼管將離子接地極與水平地網連接,并在垂直接地極孔洞四周灌注低電阻率填料,使接地體與土壤或巖石裂縫中的沉積物良好接觸,獲得“樹枝效應”,以利于降低接地電阻值。文物古建筑根據GB 51017-2014的要求,其防雷接地裝置沖擊接地電阻不大于10Ω或30Ω即可滿足要求;對于普遍采用的共用接地系統,其接地電阻不大于4Ω即可。當防雷接地裝置處于人員經常經過或逗留的地方,一定要嚴格按照GB50057-2010第4.5.6條要求采取防跨步電壓措施,如:在接地裝置地表層敷設瀝青層或礫石層、用網狀接地體對地面做均衡電位處理、設置護欄或警告牌等措施,能有效防止跨步對人員的危害[6]。
直接雷擊、閃電感應或閃電電磁脈沖引起的閃電電涌沿著入戶管線侵入建筑物,會嚴重威脅文物古建筑內的人身安全與電氣、電子設備的安全,而對入戶的各種管線采取屏蔽和接地措施,對引入古建筑的各種電源線路、信號線路安裝多級能量配合的電源電涌保護器(SPD)與適配的信號電涌保護器,能有效防范閃電電涌的侵入與危害。
3.2.1管線屏蔽與接地
由于文物古建筑內部安裝有一些電子系統,如:監控、門禁、火災報警、通信信息和管理網絡系統,這些設備耐過電壓能力弱,所以需采取防閃電感應與防閃電電涌侵入措施。對此,建議所有進出文物古建筑的金屬給排水管、消防管或其它金屬管道等均應在建筑入口處就近接地;引入文物古建筑的各種電源線、信號線應金屬鎧裝電纜或穿金屬管屏蔽埋地引入,埋地長度可按下式(1)計算,屏蔽管連接處應采用金屬線跨接,并在兩端將金屬鎧裝電纜金屬外皮或金屬屏蔽管接地。
式中:
l——鎧裝電纜或金屬屏蔽管埋地直接與土壤接觸長度(m);
ρ——埋電纜處的土壤電阻率(Ω·m)。
3.2.2安裝電涌保護器(SPD)
(1)電源SPD:在電源引入總配電箱處,安裝I級試驗的電源SPD,以防止供電線路在傳輸途中受到直接雷擊或閃電感應引起閃電電涌侵入后端設備;在各分配電箱內安裝第二級電源SPD,以防止剩留雷電流威脅以及電力網的波動、人為操作等過電壓沿電力線侵入設備;在重要電氣、電子設備前端安裝第三級電源SPD,進一步保護設備不受過電壓的干擾,多級SPD之間應做好能量配合,SPD接地線以最短的距離接地,SPD連接線應平直,導線長度不宜大于0.5m。室外配電線路應全線采用電纜直接埋地敷設,在入戶處應將電纜的金屬外皮、屏蔽鋼管接到等電位連接帶或防閃電感應的接地裝置上;對架空引入的電源線,在入戶處應轉換成一段金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入,其埋地長度應符合公式5.2的規定。
(2)信號SPD:在監控攝像頭等電子設備前端安裝信號SPD,能防護電子設備從信號線路侵入的閃電電涌,但信號SPD的造型與安裝,應優先考慮不影響電子設備的正常運行。
等電位連接是為了減少因雷電流所引起的電位差,從而保護古建筑內電氣、電子設備的安全運行,為防止因雷擊引起的閃電感應暫態高電位反擊,應將文物古建筑內的金屬設施、電氣、電子設備采取以下等電位連接措施:
(1)建筑內電源配電箱、金屬設施外殼、電源PE線及金屬屏蔽管道等均應就近接地。
(2)文物古建筑內的監控機房及其他機房,應根據設備工作頻率,選擇采用 S 型、M型或混合型等電位連接并采取接地措施。這些機房一般可采用S型等電位連接方式,將機房內的機柜、各類設備、光纖金屬加強芯等金屬裝置就近連接至等電位連接端子板并接地,連接導線應采用截面積不小于6mm2的多股銅芯線,這種等電位連接方式接線簡單方便、安全可靠;對于頻率為MHz級的機房,則應采用M型等電位連接,通過兩根接地線連接到等電位連接網絡或接地體中去,等電位連接線的長度不宜大于0.5m,其長度相差宜為20%。
文物古建筑長期有大量游客參觀、游覽,雷雨天氣時,一旦防雷裝置有接閃,在引下線、接地裝置瀉放雷電流過程中,接觸電壓與跨步電壓對人身安全的危脅很大,所以,安裝防接觸電壓與防跨步電壓措施是一項非常重要的安全工作,必須做好以下幾項防接觸電壓與跨步電壓措施:
(1)引下線3m范圍內土壤地表層的電阻率不小于50kΩ·m ,或敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層。
(2)外露引下線,其距地面2.7m以下的導體,建議采用耐1.2/50μs沖擊電壓100kV的絕緣層隔離,或用至少3mm 厚的交聯聚乙烯層隔離。
(3)用網狀接地裝置對地面做均衡電位處理。
(4)用護欄、警告牌使接觸引下線、接地裝置的可能性降到最低限度。
各文物保護單位應充分認識到加強防雷安全工作的重要性,切實加大經費投入,建設和完善雷電防護硬件設施,制定防雷安全管理制度,編制雷電災害應急預案,加強防雷科普宣傳和培訓工作,建立雷電災害事故記錄和報告制度,切實增強雷電災害防御能力,減少雷擊風險[7]。
綜上,為切實做好文物古建筑雷電防護工作,本研究提出做好防護“直擊雷”“閃電電涌侵入”“閃電感應”與“接觸電壓與跨步電壓”等關鍵雷電防護技術措施,簡要歸納總結如下:
(1)準確劃分防雷分類與分級,做好直擊雷防護措施要求
認真按照《建筑物防雷設計規范》劃分防雷類別,對文物古建筑綜合防雷設計作出明確要求;并按照《古建筑防雷工程技術規范》(GB 51017-2014)規定劃分防雷級別,對文物古建筑防直擊雷設計提出細致要求。接閃器應在古建筑屋面突出部部分隨形敷設接閃器保護;引下線盡量不要設置在文物古建筑正面,可僅在正面墻角各敷一根引下線,增加山墻、后檐角及墻角引下線的根數,使防雷引下線間距符合規范要求;防雷接地裝置沖擊接地電阻不大于10Ω或30Ω即可,采用共用接地系統的,其接地電阻不大于4Ω即可。
(2)做好閃電電涌侵入防護措施要求
對進入文物古建筑的各種管線采取屏蔽和接地措施,并對引入古建筑的各種電源線路、信號線路安裝多級能量配合的電源電涌保護器(SPD)與適配的信號電涌保護器。
(3)做好閃電感應防護措施要求
應將文物古建筑內的金屬設施、電氣、電子設備采取等電位連接措施,減少因雷電流所引起的危險電位差。對監控機房及其他機房,應根據設備工作頻率,選擇采用 S 型、M型或混合型等電位連接并采取接地措施。采用M型等電位連接時,應通過兩根接地線連接到等電位連接網絡或接地體中去,等電位連接線的長度不宜大于0.5m,其長度相差宜為20%。
(4)做好接觸電壓與跨步電壓防護措施要求
引下線3m范圍內土壤地表層,應敷設5cm厚瀝青層或15cm厚礫石層;外露引下線在距地面2.7m以下的導體,應采用絕緣層隔離;采用網狀接地裝置,要對地面做均衡電位處理,并設置護欄、警告牌,使接觸引下線、接地裝置的可能性降到最低限度。
防雷安全是文物古建筑安全工作的一項重要內容,只有通過不斷開展對文物古建筑防雷安全工作研究與應用,才能不斷提升文物古建筑的防雷安全水平,最大程度保證文物古建筑的安全。