一種古建筑群的等效雷擊截受面積計算方法

郝建新，徐其威，李建科，王春明

（陸軍工程大學，南京 210007）

雷電是一種發生在大氣中的聲、光、電物理現象，是自然界中的雷云之間或者是雷云和大地之間的一種空氣放電現象。雷電的特點是電壓高、電流大、能量釋放的時間短。從雷云出現到雷擊放電現象發生，整個過程的時間很長，雷云有充分的時間去積累大量的電荷，這些電荷就會形成局部高電壓。當雷云的電壓達到一定值時，會擊穿空氣，形成放電通道。雷云的放電會對建筑物以及其內部電氣設備產生熱效應、電磁效應等破壞作用，從而引發火災或造成建筑物倒塌、電氣設備損毀，對建筑物的內部人員和文化遺產構成嚴重的危害。

古建筑是古人遺留給現代人的一種特殊的寶貴財產，被雷擊損毀后，具有無法再生性。特別是雷擊引起火災，對古建筑群造成的危害更大，這就決定了古建筑群防雷保護工作的重要性。與現代的建筑物相比較，古建筑群在防雷安全保護的工作上有著完全不同的特性。在進行防雷保護之前對古建筑群做一個精確細致的防雷級別判定是做好防雷保護的重中之重。

近年來，學者們對雷擊風險評估方法作出了一些探索[1-4]，也對雷擊風險評估現場勘查誤區作出了總結[5]，提出了古建筑群防雷安全隱患及其對策[6]。在此基礎上，以江蘇省重點文物保護單位——南通市南關帝廟巷明清住宅為例，給出了一種較為系統的評估示例，對各類古建筑群防御雷電災害的規劃具備很好的參考價值，也是我們根據實際情況去設計科學合理的雷電防護技術路線的重要依據。

1 古建筑防雷級別方法

古建筑防雷級別分為第一級和第二級，劃分方法見表1[7]。

表1 古建筑防雷級別劃分

除高度不低于15 m 的非重點文物保護單位的古建筑外，未受過雷擊的省級文物保護單位和非重點文物保護單位的古建筑均需計算預計年平均受雷擊次數。

2 預計年均雷擊次數的計算方法

古建筑的預計年均雷擊次數N（次/a）按下式計算。

式中：Ng為平均地閃密度，約等于0.1Td（當地平均雷暴日），次/（km2·a）；Ad為等效雷擊截受面積，m2；Cd為位置因子。

根據古建筑所在地的氣象資料容易得到平均地閃密度Ng和位置因子Cd，但等效雷擊截受面積Ad的計算要根據實際情況確定。

2.1 孤立的長方體古建筑

孤立的長方體古建筑的等效雷擊截受面積Ad按下式計算

式中：L為長方體古建筑的屋頂最大外廓的長度，m；W為長方體古建筑的屋頂最大外廓的寬度，m；H 為長方體古建筑的屋頂距室外地面的高度，m。

2.2 形狀復雜的古建筑

形狀復雜的古建筑的等效雷擊截受面積以古建筑最小高度按孤立的長方體古建筑的等效雷擊截受面積與屋面突出部分的等效雷擊截受面積之間的較大者作為古建筑的近似雷擊截受面積。

屋面突出部分的等效雷擊截受面積Ad按下式計算

式中：HP為突出部分的高度，m。

2.3 斜坡屋頂古建筑

1）屋頂坡度不大于1/3 時，古建筑的雷擊截受面積按孤立的長方體古建筑的計算方法計算。

2）屋頂坡度大于1/3 時，等效雷擊截受面積Ad按下式計算

式中：L為古建筑的屋頂最大外廓的長度，m；H為古建筑的屋頂距室外地面的高度，m。

2.4 攢角頂、三角攢尖、四角攢尖等屋頂以及碉樓、塔等古建筑

1）屋頂坡度不大于1/3 時，古建筑的雷擊截受面積按孤立的長方體古建筑的計算方法計算。

2）屋頂坡度大于1/3 時，等效雷擊截受面積Ad按下式計算

式中：H為古建筑的屋頂尖距室外地面的高度，m。

2.5 古建筑群

2.5.1 等高古建筑群

1）古建筑間外墻的最近水平距離大于3H（H為古建筑的屋頂距室外地面的高度）時，根據建筑的屋頂形式，按照上述方法計算單個古建筑等效雷擊截受面積。

2）古建筑間外墻的最近水平距離不大于3H（H為古建筑的屋頂距室外地面的高度）時，根據建筑的屋頂形式，將古建筑群視為單棟建筑，按照上述方法計算等效雷擊截受面積。

2.5.2 非等高古建筑群

采用滾球法計算高的古建筑屋頂接閃器的保護范圍。

1）低的古建筑在高的古建筑屋頂接閃器的保護范圍內，則只計算高的古建筑的等效雷擊截受面積，只設計高的古建筑的防雷裝置。

2）低的古建筑不或部分在高的古建筑屋頂接閃器的保護范圍內，則非等高古建筑群的等效雷擊截受面積按等高古建筑群的計算方法計算。

3 防雷等級判定示例

以江蘇省重點文物保護單位——南通市南關帝廟巷明清住宅為例。

3.1 地理、地質情況

古建筑群位于南通市崇川區。南通市地處江蘇省東南部，南與上海、蘇州隔江相望，西與泰州市接壤，北與鹽城市接壤，除狼山低丘群外，都為海拔5～6 m 以下的平原，平均海拔為4 m 左右，處于沿海經濟帶與長江經濟帶T 型結構交匯點和長江三角洲洲頭的城市只有2 個，一個是國際大都市的上海，另一個就是與其一衣帶水、處于長江北岸的南通。“據江海之會、扼南北之喉”，隔江與中國經濟最發達的上海及蘇南地區相望，北接廣袤的蘇北大平原，通過鐵路與歐亞大陸橋相連；從長江口出海口可通達中國沿海和世界各港；溯江而上，可通蘇、皖、贛、鄂、湘、川6 省及云、貴、陜、豫等地。蘇通長江公路大橋建成以后，已進入上海一小時經濟圈。南通市面臨海外和內陸兩大經濟輻射扇面，素有“江海明珠”“揚子第一窗口”之美譽。

3.2 古建筑群氣候環境

古建筑群所在地地處長江下游沖積平原，海洋性氣候明顯，氣候溫和，四季分明，春秋兩季比較短，屬北亞熱帶濕潤性氣候區，季風影響明顯，光照充足，雨水充沛，無霜期長。由于地處中緯度地帶、海陸相過渡帶，常見的氣象災害有洪澇、干早、梅雨、臺風、暴雨、寒潮、高溫、大風、雷擊和冰雹等，是典型的氣象災害頻發區。按最近30 年資料統計，年平均氣溫在15 ℃左右，年平均日照時數達2 000～2 200 h，年平均降水量1 000～1 100 mm，且雨熱同季，夏季雨量約占全年雨量的40%～50%。常年雨日平均120 d 左右，6—7 月常有一段梅雨期。年平均雷暴日為32.1 d，屬于中雷區。

3.3 古建筑群土壤情況與雷擊災害史料

對古建筑群的5 個不同方向和位置進行現場測量，計算其土壤電阻率平均為102.42 Ω·m。

測試儀表：K2127B 土壤電阻率測試表（在鑒定有效期內），測試結果見表2。

表2 古建筑群土壤電阻率測試表

天氣狀況：多云轉晴；測試溫度：18～24 ℃；風力：微風。

經查詢檔案資料了解，古建筑群近年來未曾發生過直擊雷與感應雷入侵的情況。4—10 月為多雨期，此期間是該地區的多雨季節，屬于雷電的高發期。該文物建筑無任何防雷裝置，存在較大的雷擊風險。因此對該文物建筑采取防雷措施，可有效地防止或減少因雷擊所發生的人身傷亡和文物、財產的損失。

3.4 古建筑群的基本情況

古建筑群位于南通城區西南營南關帝廟巷10 號、11 號，包括東西并列的2 組民居建筑群，是南通寺街、西南營歷史街區重要的文物建筑遺存。

建筑群總體格局保存較好，建筑造型及細部做法具有典型的南通地區傳統民居特色，其中正廳等建筑保留有明后期特征做法，也是南通城市發展歷史的重要實物佐證。文物建筑是傳承歷史的重要符號，是民生民俗的重要載體，是進行弘揚地方特色文化的寶貴資源。

建筑群布局莊重有序，院落寬敞，建筑嚴謹樸素，空間含蓄有層次感，細部裝飾內外有別，具有典型的明清建筑特色。在后期改建過程中，在望樓、圍墻門、木門窗、吊頂等部位又摻入了民國時期地方特色做法。

建筑群保留著南通地區明清民居的建筑特點，在功能布局、結構形式、建筑材料、施工方法等方面均為研究江蘇傳統民居建筑的地域特征和相互影響提供了鮮活的例證。建筑材料以磚木為主，磚筑臺基，采用抬梁式、穿斗式混合結構，木柱底部多采用木柱櫍（覆盆式或鼓磴式），梁柱交接處置有雀替。

南通作為國家歷史文化名城，寺街、西南營是其重要的歷史文化街區之一，而南關帝廟巷明清住宅正是西南營街區中最為重要的民居建筑群。

南關帝廟巷明清住宅是未遭受過雷擊的省級重點文物保護單位，平面如圖1 所示，分為東西二組宅院，均采用南通地區俗稱的“一進五堂”式布局，從入口處依次布置門廳（倒座）、轎廳、客廳、大廳、正房，正房北側為后罩房。主院與跨院、廂房之間用圍墻、備弄（俗稱火巷）等隔開。轎廳、客廳等會客建筑用料考究、雕飾精美，正房等居住建筑更關注生活舒適便利，多采用木地板并吊頂，細部裝飾樸實而不奢華。

圖1 古建筑群平面圖

3.5 防雷等級判定

防雷級別為第一級的古建筑滾球半徑為45 m，防雷級別為第二級的古建筑滾球半徑為60 m。建筑高度為8.1 m 的東跨院樓廳為古建筑群中的最高建筑，按第二級計算，屋頂接閃器在5.5 m 的保護半徑為

可見，最高古建筑屋頂接閃器無法保護周圍的古建筑。

古建筑群均為斜坡屋頂古建筑，且屋頂坡度大于1/3。由圖1 和圖2 可知，古建筑間外墻的最近水平距離均不大于3H。古建筑群的等效雷擊截受面積為

圖2 古建筑正立面圖

古建筑群的預計年均雷擊次數N為

因此，該古建筑群防雷級別應為第二級。

4 結束語

預計年均受雷擊次數是判別省及以下等級古建筑的防雷等級的重要依據，其中等效雷擊截受面積的計算是預計年均受雷擊次數計算的基礎。文獻[7]中規定了古建筑的等效雷擊截受面積的計算方法，但未考慮古建筑群的等效雷擊截受面積的計算。本文給出了古建筑群的等效雷擊截受面積計算的一種方法，并以某古建筑群的防雷級別判定為例進行了計算。對需計算預計年平均受雷擊次數的古建筑群的防雷等級判定具備很好的參考價值。