李凌楓

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)

引 言

福州鼓嶺是位于福州東郊的避暑勝地，1886年由西方傳教士開辟，距福州約13km，山高800多米，夏日最高氣溫不超過30℃，吸引了許多不耐福州酷暑的西方人士。1935年時(shí)，這里擁有200多幢風(fēng)格各異的避暑別墅，還有教堂、醫(yī)院、運(yùn)動(dòng)場、游泳池、萬國公益社等公共建筑。三十年代郁達(dá)夫曾到此避暑。是江西廬山牯嶺、浙江莫干山、河南雞公山之外又一處有影響的避暑地。

2012年2月15日，美國友好團(tuán)體在華盛頓萬豪飯店舉行午宴，歡迎習(xí)近平到訪美國。演講中，習(xí)近平向來賓講述了一對(duì)美國夫婦對(duì)中國一個(gè)叫鼓嶺的地方充滿了眷念與向往，渴望故地重游而未能如愿的故事。就是這個(gè)故事，把全世界的目光吸引到了“鼓嶺”——這個(gè)不知名的福建小鎮(zhèn)。

2012年5月，福州市政府出資，對(duì)鼓嶺進(jìn)行大面積改造、修繕。其中鼓嶺景區(qū)宜夏老街項(xiàng)目就包括了六處重要的文物保護(hù)單位:李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅。

1 現(xiàn)場勘查

李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅多為單層石木結(jié)構(gòu)，走廊寬大，最寬的達(dá)4m，作為乘涼和懸掛秋千的場所。室內(nèi)建有壁爐，每幢向北一面均用石塊砌成防風(fēng)墻，最厚的墻基達(dá)4m。建筑物采光、通風(fēng)條件均良好。屋頂采用傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，屋面灰瓦覆頂。

圖1 宜夏別墅

2012年6月上旬，我院組織防雷專業(yè)技術(shù)人員就鼓嶺景區(qū)宜夏老街地理、地質(zhì)、土壤、環(huán)境等方面進(jìn)行現(xiàn)場勘察，并查閱當(dāng)?shù)貧v史氣象和雷擊資料。勘察分析情況報(bào)告如下:

鼓嶺景區(qū)宜夏老街項(xiàng)目位于福州市晉安區(qū)宜夏村，為處于山坳間的一座村莊，項(xiàng)目中心所在經(jīng)緯度:119°23＇31.45″，26°05＇34.70″，海拔高度在 680m 至720m之間。據(jù)福建省防雷中心對(duì)該項(xiàng)目雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中指出，經(jīng)查閱歷史上該區(qū)域雷擊資料(1961-2006)，年平均雷暴日為53d，最多年份為77d，最少年份24d。

2 防雷等級(jí)的劃分

鼓嶺景區(qū)宜夏老街項(xiàng)目所占地面積較大，第一期古街項(xiàng)目總長600m、寬3.5m;六幢古建筑中，占地面積較大、高度最高為李世甲故居，下面針對(duì)該建筑計(jì)算其年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)并進(jìn)行防雷類別的劃分。

(1)年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算

以李世甲故居為例，計(jì)算年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N值。其中景區(qū)所在區(qū)域年平均年暴日為53天/a。

根據(jù)GB50057-2010的計(jì)算公式:年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)N=k×Ng×Ae

式中:N——建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a);

k——校正系數(shù)(因位于曠野選取2);

Ng——雷擊大地的年平均密度(由下式確定);Ng=0.1×Td(其中:Td為鼓嶺年平均雷暴日數(shù)，53天);

Ae——建筑物等效面積(由下式確定);

L、W、H —— 分別為建筑物的長、寬、高。現(xiàn)已知李世甲故居長 19.1m，寬 14.48m，最高點(diǎn)8.64m。

故 Ng=0.1×Td=0.1×53=5.3，k=2

經(jīng)計(jì)算可得，該單體建筑年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

N=k×Ng×Ae

=2×5.3×0.0082

=0.087(次/a)

(2)據(jù)建設(shè)單位提供情況，該六幢建筑目前正在申報(bào)省級(jí)文物保護(hù)建筑，但尚未批復(fù)，因此，在防雷類別計(jì)算時(shí)暫按一般性建筑考慮。

(3)景區(qū)雷閃密度情況

根據(jù)福建省防雷中心提供的評(píng)估報(bào)告稱，2004-2011年景區(qū)內(nèi)共出現(xiàn)雷閃579次，雷電流最大達(dá)111KA，最小為 1.2KA，平均 12.07KA，雷電頻率較高，出現(xiàn)雷擊概率大。同時(shí)，據(jù)計(jì)算景區(qū)百年一遇最多年雷暴日數(shù)可達(dá)79.51天。

根據(jù)上述四方面情況分析，結(jié)合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010、福建省防雷中心提供的《福州鼓嶺景區(qū)宜夏老街雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告》的相關(guān)內(nèi)容和條文規(guī)定，該宜夏老街綜合防雷整改工程項(xiàng)目各單體建筑均劃分為第三類防雷建筑物。

3 屋面防雷裝置設(shè)計(jì)方案

李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅(下稱“六幢古建筑”)，由于其結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、墻體為石頭，屋面(頂)為純木質(zhì)組成。經(jīng)過大量的研究分析，在設(shè)計(jì)開始階段，提出了三個(gè)方案:

●方案一:

為防雷防火安全和建筑美觀起見，不設(shè)置避雷帶保護(hù)，而設(shè)置專門獨(dú)立避雷針防護(hù)。避雷針采用三形鋼管避雷針?biāo)叨雀鶕?jù)建筑所在位置不同確定。

避雷針?biāo)梢杂袖摻钏?、鋼管塔和角鋼塔三種形式，為了美觀起見，本方案采用鋼管避雷針?biāo)?，其?yōu)點(diǎn):一是基礎(chǔ)占地面積小，約3×3m;二是采用三角形固定，牢固安全;三是圓形設(shè)立，外觀較美觀，并且受風(fēng)壓較小。

避雷針采用法國INDELEC避雷針，型號(hào)為S2.10。其優(yōu)點(diǎn)是堅(jiān)固性強(qiáng)、接閃性能好、具有提前預(yù)放電功能。

●方案二:

接閃器采用Φ12mm鍍鋅圓鋼沿屋角、屋脊、屋檐等易受雷擊的部位明敷設(shè)，在整個(gè)屋面形成不大于20m×20m或24m×16m的網(wǎng)格。

具體做法詳見國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集D501-1～4第2-10頁《古建筑物防雷做法》。

●方案三

接閃器采用純銅板(紫銅):厚度不小于0.5mm，規(guī)格比瓦片略大，扣住瓦片固定;所有屋角突出部位設(shè)置，其余部位布設(shè)按間距不大于3m一塊進(jìn)行設(shè)置，并與暗敷接閃帶進(jìn)行有效機(jī)械或焊接連通，連接處做好防腐措施。

接閃帶采用截面積為50mm2的銅芯線進(jìn)行布設(shè)，并穿 PVC絕緣管防護(hù)，沿 屋檐、屋脊、屋角暗敷設(shè)，并固定在木質(zhì)梁上。接閃帶網(wǎng)格大小不大于20m×20m或24m×16m。

具體做法參見IEC62305-3《雷電防護(hù)——第三部分 建筑物的實(shí)體損壞和生命危險(xiǎn)》。如(圖1):

圖1 隱藏屋頂建筑物上的LPS設(shè)計(jì)實(shí)例

4 方案分析對(duì)比

方案一:最大的特點(diǎn)是完整地保持了建筑本體。提前預(yù)放電功能的避雷針是完全獨(dú)立于建筑之外設(shè)置的，最大程度地保持了建筑自身的風(fēng)貌。對(duì)于古建筑保護(hù)，是一個(gè)很有利的做法。但是，由于提前預(yù)放電功能的避雷針仍處于使用的初步階段，對(duì)于其安全性及穩(wěn)定性，暫時(shí)還沒有確切的認(rèn)定。目前實(shí)施的一些工程，僅僅是把它作為防雷的輔助手段，而不是主要手段。所以在使用過程中，仍需謹(jǐn)慎。

方案二:最大的特點(diǎn)是安全可靠。這種做法被廣泛地應(yīng)用到古建筑修復(fù)工程中，例如北京故宮、沈陽故宮等等。在施工工藝上也相對(duì)的成熟，是被業(yè)界廣泛推崇的做法。但是其最大的缺陷就是破壞了建筑的本體。而不同于北京故宮、沈陽故宮這些北方的官式建筑。鼓嶺的古建筑體量相對(duì)較小，高度較低，站在地面上就可以直接看到屋面。接閃器采用明敷設(shè)的方式，嚴(yán)重的破壞了建筑自身。

方案三:集合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，在最大程度上完整地保持了建筑本體，同時(shí)保證了安全性與可靠性。這里重點(diǎn)提出的是，本次采用的材料為紫銅，而不是常用的鍍鋅扁鋼。根據(jù)IEC62305-1《雷電防護(hù)——第一部分 總則》中表 D.3統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示(表1)，在截面積同為50 mm2的情況下，遇到雷擊，不銹鋼的最大溫升達(dá)到了940，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了木材的燃點(diǎn)。如果直接用不銹鋼將接閃帶敷設(shè)在屋面瓴條上，在遇到雷電襲擊時(shí)，非常容易引起火災(zāi)。當(dāng)然，可以通過加大不銹鋼的截面積來達(dá)到降低溫升的效果。但是，截面積加大會(huì)大大增加施工的難度，在工程造價(jià)方面也會(huì)大大提高。所以最終還是選擇銅作為接閃器的材料較為合適。

表1 不同截面積的導(dǎo)體和比能(W/R)函數(shù)下的溫升

綜合考慮，方案三最為符合本工程的要求。它既達(dá)到防雷防火安全的效果，又滿足了建筑美觀的要求。所以，推薦方案三作為該項(xiàng)目的實(shí)施方案。

5 施工方案

2012年6月16日，鼓嶺管委會(huì)召開《鼓嶺歷史建筑修復(fù)(重建)與鼓嶺古街道路及配套基礎(chǔ)設(shè)施工程防雷方案評(píng)審會(huì)》，邀請(qǐng)林維勇(中國中元國際工程公司總工 教授級(jí)高工)、陳漢民(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院總工 教授級(jí)高工)、曾金全(福建省防雷中心主任高工)組成專家組，就設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)審論證。

專家組在聽取了鼓嶺景區(qū)規(guī)劃、建筑、防雷設(shè)計(jì)方案，并勘查現(xiàn)場，最終通過了方案三的設(shè)計(jì)。

在施工過程中，采用了250mm×240mm×2mm(略大于瓦片230mm×220mm)的純銅片，運(yùn)用爪鑲的工藝扣住瓦片作為接閃器。在屋角、屋脊、屋檐的位置，每隔2.5m敷設(shè)一塊純銅片，銅片之間采用截面積為50mm2的銅芯線，穿 PVC絕緣管防護(hù)連接。銅芯線敷設(shè)在瓦片之下，形成不大于20m×20m或24m×16m的接閃網(wǎng)格。這樣，明敷設(shè)的銅片與暗敷設(shè)的銅芯線形成了一套完整的屋面防雷系統(tǒng)。

6 結(jié)語

這是一次很好的古建筑防雷設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在今后設(shè)計(jì)中可以借鑒。目前，工程已竣工且投入使用。根據(jù)使用方的反饋，新形式的屋面防雷做法起到了很好的效果。相信在今天，這種設(shè)計(jì)方案會(huì)被大量的運(yùn)用到古建筑防雷設(shè)計(jì)中去。

[1]GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50054-95，低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]IEC62305 ，雷電防護(hù)[S].

[4]福建省防雷中心.福州市鼓嶺景區(qū)宜夏老街雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告[R].

[5]D501-1～4，防雷與接地安裝(2003年合訂本)[S].