王 芬 王友乾

（中科天际科技股份有限公司，宁夏 银川 750021）

0 引言

中国古代建筑技术高超、艺术精湛、风格独特。其建筑结构上主要是木架构结构，结合彩绘、雕刻及工艺美术造型给人以美的感受，其蕴含着灿烂的历史文化和光辉的建筑艺术成就。具有重要的历史价值、艺术价值、科学价值；为我国建筑艺术发展和历史研究提供重要支撑，同时也是研究古代社会生活和风俗的宝贵资料。古建筑木构架建筑木材易朽、易燃。由于建筑物年代久远且周边生态环境不断变化，木质材料长期暴露在外部受温度、湿度等气候条件影响其绝缘性能变差，遭受雷击时，雷电高电压可能击穿木质材料引起火灾。一旦损毁无法复得，因此对古建筑加装相应适配的防雷保护装置，建立完善的防雷保护系统，提高古建筑对雷电的防御能力，防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡、文物和财产损失[6]。

1 防雷勘察

古建筑防雷设计应对现场进行勘察后对防雷装置安装方法和位置提出设计建议，结合现场情况了解实施施工室外现场环境条件，分析施工中的难点及解决对策。勘察的具体信息应获取古建筑文物级别、外形尺寸、与周围建筑群的关系；明确古建筑的类别、属性、功能；屋顶形式及现状并明确古建筑屋顶外露设施及特性；掌握古建筑结构形式、建筑材料特性、古建筑装饰工艺及材料；了解古建筑内部常住人员和流动人员情况、古建筑出入口状况和疏散的方便程度、内部陈列品的特性；查阅古建筑所在地区的地理、气象（雷暴）、水文地质资料；充分调查古建筑内部及周围的现代系统（如设施、管道）的状况、周围环境或者土壤的腐蚀性物质或污染物性物质等。分析最易受雷击的部位和受雷击损坏的部位，可能影响、妨碍影响雷击路径的其他建筑物或障碍物状况；最终记录完整古建筑文物建筑实地勘察现状，为设计提供可靠依据，采取对应的设计措施及实施办法。

2 防雷装置

目前，多数古建筑群因为安全防护问题会适当通网、通电并引进电子设备等。因此古建筑防雷工程设计不仅需要考虑由外部防直、侧击雷装置。还需要考虑雷电波对古建筑内线缆及电子设备的防护。

2.1 外部防雷装置

2.1.1 接闪器

接闪器可设置接闪带、接闪线、接闪网、拦截闪击的接闪杆及金属屋面、金属构件等装置。古建筑可采用一种或者组合形式以实现全面保护。接闪器通常在自然的上行先导形成前，会率先产生一个先导，迅速地向雷电方向传播直至捕获雷电，并将其导入大地。古建筑推荐使用的接闪器有接闪网、接闪带、接闪杆。古建筑防直击雷装置设计要根据古建筑的特点及屋顶形制，选择适合于在易受雷击部位安装接闪器[5]。例如屋脊、檐、角等位置，周围有高大粗壮树木的可在树木上安装接闪杆。其应能保护古建筑的所有表面及表面的兽饰，实现全覆盖。同时，在满足保护条件的情况下，应尽可能地减少装置数量，减轻对古建筑外貌的影响。针对古建筑防雷接闪器做法列举如下。

接闪带做法中接闪网格应根据古建筑防雷分级设计对应规格的网格，如10m×10m，20m×20m等[1]。其做法通常敷设古建筑正脊、垂脊、戗脊部位，如图1和图2所示。

图1 兽头及屋脊接闪带做法示意

图2 挑檐接闪带做法示意

单支接闪杆应采用滚球法计算确定保护范围如图3所示，滚球半径根据防雷分级选定[2]，做法如图4所示。

图3 单支接闪杆保护范围

图4 接闪杆做法示意图

当接闪杆高度h小于或等于hr时：1）距地面hr处作一平行于地面的平行线。2）以杆尖为圆心，hr为半径作弧线交于平行线的A、B两点。3）以A、B为圆心，hr为半径作弧线，弧线与杆尖相交并与地面相切。弧线到地面为其保护范围。保护范围为一个对称的锥体。4）接闪杆在hx高度的xx'平面上和地面上的保护半径，应按公式（1）和公式（2）计算。

在图3及公式（1）和公式（2）中：rx为接闪杆在hx高度的xx'平面上的保护半径（m）；hr为滚球半径（m）；hx为被保护物的高度（m）；r0为接闪杆在地面上的保护半径（m）。

2.1.2 引下线

引下线将雷电流从接闪器传导至接地装置。引下线均匀对称分布于建筑本体和高大树木侧立面。材料屏蔽绝缘导线，其应具有良好的绝缘隔热性质及泄放雷电流能力，有利于文物建筑及人员安全保护，且使用年限长，避免反复更换对文物建筑造成损伤。引下线在古建筑木结构上敷设时，其金属制成架必须采用隔热层与木结构之间隔离。引下线设置根数应根据古建筑防雷分级和建筑物外轮廊周长尺寸确定，且宜优先布置在宜遭雷击的部位，其间距沿外墙周长计算，防雷分级一级不宜大于18 m，二级不宜大于25 m[1]。引下线安装位置不宜在古建筑正面敷设，尽量在侧墙或后墙位置引下，明敷在地面上时，应采取绝缘及防机械损伤的措施。为保障人身安全，防止雷电造成的接触电压，古建筑明敷引下线在距离地面2.7 m及以下的部位[1]，采用绝缘性能好、机械强度高、耐高压绝缘保护管进行套护。针对古建筑防雷引下做法如图5和图6所示。

图5 引下线贴墙或立柱做法

图6 引下线离墙或立柱做法

2.1.3 接地装置

接地装置用于传导雷电流并将其流散入大地，有水平接地体和垂直接地极组成。在现场条件满徐的情况下，同一古建筑的不同引下线的接地极宜相互连接。单体古建筑中存在多种系统的接地装置时，宜采用共用接地，共用接地体的接地电阻值应为各系统要求接地电阻的最小值[1]。接地装置的选择与文物建筑周围岩土性质有直接关系。

根据现场实际情况，在文物建筑周围小面积开挖，减少地面开挖量，有利于文物建筑保护。设计接地装置采用埋地并添加降阻剂方式施工。防雷分级一级接地电阻小于10Ω，二级小于30Ω[1]。接地引线处设置接地标识。接地装置接地电阻值计算如公式（3）所示。

式中：R为单根接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；L为接地体长度，m；d为接地体等效直径；K为接地极降阻系数，产品系数指标。

设计考虑人身安全，要在建筑物外人员可经过或停留的引下线与接地体连接处3m范围内，应设置护栏、警告牌等，或地面采用一定厚度的沥青层或砾石层等措施防止跨步电压对人员造成伤害。

2.2 内部防雷装置

因雷电放电时对古建筑内安全防护设备电缆线路作用而产生的雷电波（闪电电涌）沿管线侵入屋内，对古建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾，危及人身及文物安全或损坏设备。内部防雷装置主要用来减小古建筑内部的雷电流及其电磁效应，防止雷击电磁脉冲可能造成的危害。因此，内部防雷装置设计主要针对雷电波的防护。方法可采用电磁屏蔽、等电位连接和装设电涌保护器(SPD)等措施中的一种或组合形式。SPD可承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌，可将大量的浪涌电流分流到大地。根据建筑配电箱类型选择对应的试验类型。

2.3 防雷装置材料

古建筑防雷装置明敷材料选择应结合古建筑形制、观赏价值选择与古建筑风貌相协调性；同时应能满足机械强度和耐腐蚀的要求，还应有足够的热稳定性，以能承受雷电流的热破坏作用。暗敷材料应环保，须考虑对古建筑地基、古树根系及周边水源地质的影响程度等。综合考量选择适宜古建筑环境条件且具有可操作性的材料。材料选择可选用铁、铜、铜铁合金等。设计施工选用材料表例举见表1。

表1 材料表

3 防雷实施

3.1 施工难点

古建筑防雷施工不同于现代建筑。工程做法的制定、实施须坚持文物保护基本原则。防雷装置安装做到最大程度与建筑风貌一致。因此施工整体过程需要全面探究，并采取相应措施，如接闪带卡箍固定要求；防雷引下线固定及设置应尽量减少对原有墙体的损伤等[3]。

如接闪带的安装须考虑与屋顶瓦片、吻兽的连接可靠性、耐久性，须考虑外观色彩、敷设线条与原风貌的一致性；引下线安装在原有墙体和立柱上时要考虑原有墙体、立柱、台基不被损坏，沿墙敷设时须考虑隐蔽性、安全性和可实施性；接地装置埋地同样须考虑建筑台明及地面古砖的铺设样式，周边存在古树时对古树根系的影响等。

3.2 施工工艺

接闪器固定支架与屋面固定处采用金属顶丝加缓冲垫片，避免顶丝直接施力于瓦面给古建筑带来伤害，同时也防止热胀冷缩效应导致接闪带张力拉开瓦片。接闪连接导体之间的连接应采用搭接焊、热熔焊、 螺丝扣连接和专用连接件等方法。接闪带敷设时，屋顶须铺设棉被防止屋顶瓦面因踩踏等造成的损坏；接闪带支架通过卡箍的方式敷设、禁止挪动瓦片或钻孔；支架完成敷设后须刷仿古油漆。

引下线沿墙体敷设时，应首先安装顶端和底端支架，尽量减少对墙体的损伤。引下线两端应分别与接闪器和接地装置做可靠的电气连接，安装应平正顺直，焊缝饱满，无虚焊、漏焊，距离附近其他已建电气线路安全距离不小于1 m。引下线采用明敷，引下线上加装的绝缘护套管颜色要与建筑外墙颜色一致。引下线之间的连接应采用搭焊、热熔焊、螺丝扣连接和压接等方法。

接地装置中设计方案首选对建筑基础影响最小的A型接地，受场地限制，以垂直接地体为主[4]。垂直接地极采用深埋方式安装，对部分位置难以实现要求深度的，可适度降低深度要求。将垂直接地极连同焊好的接地线共同焊接好后，回填土壤时用专用工具分层夯实。垂直接地极与水平接地母线之间采用放热焊接，焊缝不能有气孔、夹渣、裂纹、咬肉、虚焊等缺陷，焊缝必须饱满并有足够的机械强度，，焊接处的药皮处理干净后，刷沥青做防腐处理。接地装置属于地埋工程，在施工过程中，挖沟、破土方等工程要求先将地面、台明处砖与砖之间灰缝内的抹灰清除，使其分离，再进行剔除、挖补，尽量避免对文物建筑地面、台明造成破坏。

4 结语

与新建现代建筑做防雷设计与施工不同，古建筑防雷基本是在已有的建筑物上增加防雷措施。全面完整地保护、延续文物的真实历史信息和价值。在满足防雷需求的前提下，设计应按照对文物建筑本体和景观环境原貌影响最小的原则进行。保护古建筑并研究古代建筑设计方法、建筑规划、布局、原理和表现形式，对发扬、延续和实践古代建筑的卓越成就及科学水平具有深远的意义。任何破坏、损伤后都将无法弥补，不可恢复、不可再生。因此古建筑防雷设计具有重要的意义。