王 芬 王友乾

（中科天際科技股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

中國古代建筑技術(shù)高超、藝術(shù)精湛、風(fēng)格獨特。其建筑結(jié)構(gòu)上主要是木架構(gòu)結(jié)構(gòu)，結(jié)合彩繪、雕刻及工藝美術(shù)造型給人以美的感受，其蘊含著燦爛的歷史文化和光輝的建筑藝術(shù)成就。具有重要的歷史價值、藝術(shù)價值、科學(xué)價值；為我國建筑藝術(shù)發(fā)展和歷史研究提供重要支撐，同時也是研究古代社會生活和風(fēng)俗的寶貴資料。古建筑木構(gòu)架建筑木材易朽、易燃。由于建筑物年代久遠且周邊生態(tài)環(huán)境不斷變化，木質(zhì)材料長期暴露在外部受溫度、濕度等氣候條件影響其絕緣性能變差，遭受雷擊時，雷電高電壓可能擊穿木質(zhì)材料引起火災(zāi)。一旦損毀無法復(fù)得，因此對古建筑加裝相應(yīng)適配的防雷保護裝置，建立完善的防雷保護系統(tǒng)，提高古建筑對雷電的防御能力，防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡、文物和財產(chǎn)損失[6]。

1 防雷勘察

古建筑防雷設(shè)計應(yīng)對現(xiàn)場進行勘察后對防雷裝置安裝方法和位置提出設(shè)計建議，結(jié)合現(xiàn)場情況了解實施施工室外現(xiàn)場環(huán)境條件，分析施工中的難點及解決對策。勘察的具體信息應(yīng)獲取古建筑文物級別、外形尺寸、與周圍建筑群的關(guān)系；明確古建筑的類別、屬性、功能；屋頂形式及現(xiàn)狀并明確古建筑屋頂外露設(shè)施及特性；掌握古建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑材料特性、古建筑裝飾工藝及材料；了解古建筑內(nèi)部常住人員和流動人員情況、古建筑出入口狀況和疏散的方便程度、內(nèi)部陳列品的特性；查閱古建筑所在地區(qū)的地理、氣象（雷暴）、水文地質(zhì)資料；充分調(diào)查古建筑內(nèi)部及周圍的現(xiàn)代系統(tǒng)（如設(shè)施、管道）的狀況、周圍環(huán)境或者土壤的腐蝕性物質(zhì)或污染物性物質(zhì)等。分析最易受雷擊的部位和受雷擊損壞的部位，可能影響、妨礙影響雷擊路徑的其他建筑物或障礙物狀況；最終記錄完整古建筑文物建筑實地勘察現(xiàn)狀，為設(shè)計提供可靠依據(jù)，采取對應(yīng)的設(shè)計措施及實施辦法。

2 防雷裝置

目前，多數(shù)古建筑群因為安全防護問題會適當(dāng)通網(wǎng)、通電并引進電子設(shè)備等。因此古建筑防雷工程設(shè)計不僅需要考慮由外部防直、側(cè)擊雷裝置。還需要考慮雷電波對古建筑內(nèi)線纜及電子設(shè)備的防護。

2.1 外部防雷裝置

2.1.1 接閃器

接閃器可設(shè)置接閃帶、接閃線、接閃網(wǎng)、攔截閃擊的接閃桿及金屬屋面、金屬構(gòu)件等裝置。古建筑可采用一種或者組合形式以實現(xiàn)全面保護。接閃器通常在自然的上行先導(dǎo)形成前，會率先產(chǎn)生一個先導(dǎo)，迅速地向雷電方向傳播直至捕獲雷電，并將其導(dǎo)入大地。古建筑推薦使用的接閃器有接閃網(wǎng)、接閃帶、接閃桿。古建筑防直擊雷裝置設(shè)計要根據(jù)古建筑的特點及屋頂形制，選擇適合于在易受雷擊部位安裝接閃器[5]。例如屋脊、檐、角等位置，周圍有高大粗壯樹木的可在樹木上安裝接閃桿。其應(yīng)能保護古建筑的所有表面及表面的獸飾，實現(xiàn)全覆蓋。同時，在滿足保護條件的情況下，應(yīng)盡可能地減少裝置數(shù)量，減輕對古建筑外貌的影響。針對古建筑防雷接閃器做法列舉如下。

接閃帶做法中接閃網(wǎng)格應(yīng)根據(jù)古建筑防雷分級設(shè)計對應(yīng)規(guī)格的網(wǎng)格，如10m×10m，20m×20m等[1]。其做法通常敷設(shè)古建筑正脊、垂脊、戧脊部位，如圖1和圖2所示。

圖1 獸頭及屋脊接閃帶做法示意

圖2 挑檐接閃帶做法示意

單支接閃桿應(yīng)采用滾球法計算確定保護范圍如圖3所示，滾球半徑根據(jù)防雷分級選定[2]，做法如圖4所示。

圖3 單支接閃桿保護范圍

圖4 接閃桿做法示意圖

當(dāng)接閃桿高度h小于或等于hr時：1）距地面hr處作一平行于地面的平行線。2）以桿尖為圓心，hr為半徑作弧線交于平行線的A、B兩點。3）以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，弧線與桿尖相交并與地面相切。弧線到地面為其保護范圍。保護范圍為一個對稱的錐體。4）接閃桿在hx高度的xx'平面上和地面上的保護半徑，應(yīng)按公式（1）和公式（2）計算。

在圖3及公式（1）和公式（2）中：rx為接閃桿在hx高度的xx'平面上的保護半徑（m）；hr為滾球半徑（m）；hx為被保護物的高度（m）；r0為接閃桿在地面上的保護半徑（m）。

2.1.2 引下線

引下線將雷電流從接閃器傳導(dǎo)至接地裝置。引下線均勻?qū)ΨQ分布于建筑本體和高大樹木側(cè)立面。材料屏蔽絕緣導(dǎo)線，其應(yīng)具有良好的絕緣隔熱性質(zhì)及泄放雷電流能力，有利于文物建筑及人員安全保護，且使用年限長，避免反復(fù)更換對文物建筑造成損傷。引下線在古建筑木結(jié)構(gòu)上敷設(shè)時，其金屬制成架必須采用隔熱層與木結(jié)構(gòu)之間隔離。引下線設(shè)置根數(shù)應(yīng)根據(jù)古建筑防雷分級和建筑物外輪廊周長尺寸確定，且宜優(yōu)先布置在宜遭雷擊的部位，其間距沿外墻周長計算，防雷分級一級不宜大于18 m，二級不宜大于25 m[1]。引下線安裝位置不宜在古建筑正面敷設(shè)，盡量在側(cè)墻或后墻位置引下，明敷在地面上時，應(yīng)采取絕緣及防機械損傷的措施。為保障人身安全，防止雷電造成的接觸電壓，古建筑明敷引下線在距離地面2.7 m及以下的部位[1]，采用絕緣性能好、機械強度高、耐高壓絕緣保護管進行套護。針對古建筑防雷引下做法如圖5和圖6所示。

圖5 引下線貼墻或立柱做法

圖6 引下線離墻或立柱做法

2.1.3 接地裝置

接地裝置用于傳導(dǎo)雷電流并將其流散入大地，有水平接地體和垂直接地極組成。在現(xiàn)場條件滿徐的情況下，同一古建筑的不同引下線的接地極宜相互連接。單體古建筑中存在多種系統(tǒng)的接地裝置時，宜采用共用接地，共用接地體的接地電阻值應(yīng)為各系統(tǒng)要求接地電阻的最小值[1]。接地裝置的選擇與文物建筑周圍巖土性質(zhì)有直接關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在文物建筑周圍小面積開挖，減少地面開挖量，有利于文物建筑保護。設(shè)計接地裝置采用埋地并添加降阻劑方式施工。防雷分級一級接地電阻小于10Ω，二級小于30Ω[1]。接地引線處設(shè)置接地標識。接地裝置接地電阻值計算如公式（3）所示。

式中：R為單根接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為接地體長度，m；d為接地體等效直徑；K為接地極降阻系數(shù)，產(chǎn)品系數(shù)指標。

設(shè)計考慮人身安全，要在建筑物外人員可經(jīng)過或停留的引下線與接地體連接處3m范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置護欄、警告牌等，或地面采用一定厚度的瀝青層或礫石層等措施防止跨步電壓對人員造成傷害。

2.2 內(nèi)部防雷裝置

因雷電放電時對古建筑內(nèi)安全防護設(shè)備電纜線路作用而產(chǎn)生的雷電波（閃電電涌）沿管線侵入屋內(nèi)，對古建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾、破壞，或者使周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生大量的熱而引起火災(zāi)，危及人身及文物安全或損壞設(shè)備。內(nèi)部防雷裝置主要用來減小古建筑內(nèi)部的雷電流及其電磁效應(yīng)，防止雷擊電磁脈沖可能造成的危害。因此，內(nèi)部防雷裝置設(shè)計主要針對雷電波的防護。方法可采用電磁屏蔽、等電位連接和裝設(shè)電涌保護器(SPD)等措施中的一種或組合形式。SPD可承受雷電和感應(yīng)雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌，可將大量的浪涌電流分流到大地。根據(jù)建筑配電箱類型選擇對應(yīng)的試驗類型。

2.3 防雷裝置材料

古建筑防雷裝置明敷材料選擇應(yīng)結(jié)合古建筑形制、觀賞價值選擇與古建筑風(fēng)貌相協(xié)調(diào)性；同時應(yīng)能滿足機械強度和耐腐蝕的要求，還應(yīng)有足夠的熱穩(wěn)定性，以能承受雷電流的熱破壞作用。暗敷材料應(yīng)環(huán)保，須考慮對古建筑地基、古樹根系及周邊水源地質(zhì)的影響程度等。綜合考量選擇適宜古建筑環(huán)境條件且具有可操作性的材料。材料選擇可選用鐵、銅、銅鐵合金等。設(shè)計施工選用材料表例舉見表1。

表1 材料表

3 防雷實施

3.1 施工難點

古建筑防雷施工不同于現(xiàn)代建筑。工程做法的制定、實施須堅持文物保護基本原則。防雷裝置安裝做到最大程度與建筑風(fēng)貌一致。因此施工整體過程需要全面探究，并采取相應(yīng)措施，如接閃帶卡箍固定要求；防雷引下線固定及設(shè)置應(yīng)盡量減少對原有墻體的損傷等[3]。

如接閃帶的安裝須考慮與屋頂瓦片、吻獸的連接可靠性、耐久性，須考慮外觀色彩、敷設(shè)線條與原風(fēng)貌的一致性；引下線安裝在原有墻體和立柱上時要考慮原有墻體、立柱、臺基不被損壞，沿墻敷設(shè)時須考慮隱蔽性、安全性和可實施性；接地裝置埋地同樣須考慮建筑臺明及地面古磚的鋪設(shè)樣式，周邊存在古樹時對古樹根系的影響等。

3.2 施工工藝

接閃器固定支架與屋面固定處采用金屬頂絲加緩沖墊片，避免頂絲直接施力于瓦面給古建筑帶來傷害，同時也防止熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致接閃帶張力拉開瓦片。接閃連接導(dǎo)體之間的連接應(yīng)采用搭接焊、熱熔焊、 螺絲扣連接和專用連接件等方法。接閃帶敷設(shè)時，屋頂須鋪設(shè)棉被防止屋頂瓦面因踩踏等造成的損壞；接閃帶支架通過卡箍的方式敷設(shè)、禁止挪動瓦片或鉆孔；支架完成敷設(shè)后須刷仿古油漆。

引下線沿墻體敷設(shè)時，應(yīng)首先安裝頂端和底端支架，盡量減少對墻體的損傷。引下線兩端應(yīng)分別與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接，安裝應(yīng)平正順直，焊縫飽滿，無虛焊、漏焊，距離附近其他已建電氣線路安全距離不小于1 m。引下線采用明敷，引下線上加裝的絕緣護套管顏色要與建筑外墻顏色一致。引下線之間的連接應(yīng)采用搭焊、熱熔焊、螺絲扣連接和壓接等方法。

接地裝置中設(shè)計方案首選對建筑基礎(chǔ)影響最小的A型接地，受場地限制，以垂直接地體為主[4]。垂直接地極采用深埋方式安裝，對部分位置難以實現(xiàn)要求深度的，可適度降低深度要求。將垂直接地極連同焊好的接地線共同焊接好后，回填土壤時用專用工具分層夯實。垂直接地極與水平接地母線之間采用放熱焊接，焊縫不能有氣孔、夾渣、裂紋、咬肉、虛焊等缺陷，焊縫必須飽滿并有足夠的機械強度，，焊接處的藥皮處理干凈后，刷瀝青做防腐處理。接地裝置屬于地埋工程，在施工過程中，挖溝、破土方等工程要求先將地面、臺明處磚與磚之間灰縫內(nèi)的抹灰清除，使其分離，再進行剔除、挖補，盡量避免對文物建筑地面、臺明造成破壞。

4 結(jié)語

與新建現(xiàn)代建筑做防雷設(shè)計與施工不同，古建筑防雷基本是在已有的建筑物上增加防雷措施。全面完整地保護、延續(xù)文物的真實歷史信息和價值。在滿足防雷需求的前提下，設(shè)計應(yīng)按照對文物建筑本體和景觀環(huán)境原貌影響最小的原則進行。保護古建筑并研究古代建筑設(shè)計方法、建筑規(guī)劃、布局、原理和表現(xiàn)形式，對發(fā)揚、延續(xù)和實踐古代建筑的卓越成就及科學(xué)水平具有深遠的意義。任何破壞、損傷后都將無法彌補，不可恢復(fù)、不可再生。因此古建筑防雷設(shè)計具有重要的意義。