古建筑雷電防護(hù)技術(shù)研究＊

于瑞平 ,陳勇偉 ,王 琦 ,金建輝 ,魏晨楓 ,黃鵬程

（1.甘肅民安現(xiàn)代防雷技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省氣象服務(wù)中心,甘肅 蘭州 730020）

中國(guó)古代建筑在世界建筑史上以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、無法估量的歷史價(jià)值而占有特殊的地位。其承載的建筑思想、建筑美學(xué)和營(yíng)造方式貫穿于秦漢以致明清兩千余年，是幾千年中國(guó)古老文明的寶貴遺產(chǎn)[1]。古建筑全面體現(xiàn)了中華民族的智慧、自然科學(xué)知識(shí)、文化藝術(shù)與精神文明。嘉峪關(guān)關(guān)城位于甘肅省嘉峪關(guān)市向西5 km 處，是明代長(zhǎng)城西端起點(diǎn)的第一重關(guān)，也是古代“絲綢之路”的交通要沖。它是萬里長(zhǎng)城沿線建造規(guī)模最為壯觀，保存最為完好的一座古代軍事城堡。始建于明洪武五年（公元1372年），距今已有640 年的歷史。1961 年嘉峪關(guān)關(guān)城被國(guó)務(wù)院公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，1987年這座雄關(guān)和東部的山海關(guān)，被聯(lián)合國(guó)列入《世界遺產(chǎn)目錄》。

雷電是強(qiáng)烈的大氣放電現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)能釋放出大量的電荷并產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電壓和很高的電弧溫度。通常雷擊主要有以下幾種形式[2]：一是雷直接擊在建筑物上發(fā)生熱效應(yīng)作用和電動(dòng)力作用，稱為直擊雷；二是雷云放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，稱為感應(yīng)雷擊；此外，還有較為少見的球形雷。雷電的電動(dòng)力效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)與熱效應(yīng)將對(duì)古建筑造成不可復(fù)原的破壞，從張華明等[3]對(duì)古建筑雷擊事故的調(diào)查研究中可以看出：雷擊古建筑引起的危害主要表現(xiàn)在吻獸的損壞與火災(zāi)，分別占古建筑雷擊次數(shù)的30%與26.25%。因此，加強(qiáng)古建筑的雷電防護(hù)，對(duì)保護(hù)古建筑安全與文化遺產(chǎn)的傳承具有重要意義。

文章利用關(guān)城景區(qū)2009—2013 年年平均雷暴日與閃電定位資料，結(jié)合關(guān)城關(guān)樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與地質(zhì)環(huán)境。對(duì)關(guān)樓的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)與施工工藝進(jìn)行了全面的闡述，為后續(xù)古建筑的防雷技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 嘉峪關(guān)氣候特征與關(guān)城景區(qū)地質(zhì)條件

1.1 嘉峪關(guān)氣候特征

嘉峪關(guān)位于青藏高原和內(nèi)蒙古高原之間的走廊地帶，是著名的“河西走廊”最西端，地勢(shì)南高北低并由東南向西北傾斜。由于地處內(nèi)陸，山脈、戈壁、沙漠多；植被稀疏、降水很少、蒸發(fā)量大、風(fēng)沙多、日照長(zhǎng)，冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱，是典型的大陸性氣候。嘉峪關(guān)各季節(jié)的氣候特色比較明顯，春季升溫迅速，冷暖變化大，多大風(fēng)、風(fēng)沙天氣；夏季炎熱，雨量相對(duì)集中；秋季涼爽少雨，降溫快，風(fēng)沙很少；冬季嚴(yán)寒干燥。

1.2 關(guān)城景區(qū)雷電環(huán)境

文章利用甘肅省閃電定位資料，對(duì)關(guān)城景區(qū)2009—2013 年的雷暴日分布與閃電時(shí)分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。關(guān)城景區(qū)年平均雷暴日數(shù)在11.7 d，最多雷暴日數(shù)為17.5 d，如圖1 所示。

圖1 關(guān)城景區(qū)2009—2013 年雷暴日年分布圖

關(guān)城景區(qū)的雷電活動(dòng)的時(shí)間段主要分布在5月與8 月中旬，9 月份的雷電活動(dòng)較少，如圖2 所示。這主要受嘉峪關(guān)氣候活動(dòng)特征與季節(jié)的影響，5 月份天氣逐漸變暖，到6、7、8 月為嘉峪關(guān)最炎熱、大氣對(duì)流過程最為活躍的時(shí)期，也是雷電活動(dòng)最頻繁的時(shí)間。

圖2 關(guān)城景區(qū)2009—2013 年閃電月分布圖

關(guān)城景區(qū)閃電的時(shí)分布主要集中在12 時(shí)與21時(shí)之間，從圖3 可以看出關(guān)城景區(qū)的閃電時(shí)分布具有明顯的兩個(gè)高峰期。閃電最容易發(fā)生的時(shí)段在夏季極度升溫的午后，而嘉峪關(guān)的晝夜溫差較大，12時(shí)到16 時(shí)白天溫度最高、17 時(shí)到21 時(shí)溫度又會(huì)降低。所以這兩個(gè)時(shí)間段的大氣對(duì)流活動(dòng)也最為活躍，閃電也主要發(fā)生在大氣的強(qiáng)對(duì)流過程中。

圖3 關(guān)城景區(qū)2009—2013 年閃電逐時(shí)分布圖

關(guān)城景區(qū)旅游最為舒適的時(shí)間是5 月到10 月中旬、9 時(shí)到19 時(shí)，從圖2、圖3 可以看出旅游旺季也是雷電的高發(fā)期。因此，加強(qiáng)關(guān)城景區(qū)的雷電防護(hù)，對(duì)保護(hù)游客人身安全與古建筑文化遺產(chǎn)的安全具有重要意義。

1.3 關(guān)城景區(qū)地質(zhì)條件

嘉峪關(guān)地貌由戈壁與耕地相間構(gòu)成，戈壁是由砂石和砂礫構(gòu)成，耕地主要是黏土。關(guān)城景區(qū)地貌主要由戈壁與砂石組成，從地面到地下4.5 m 深處均為砂石與鵝卵石構(gòu)成。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)與氣候的影響，關(guān)城景區(qū)土壤電阻率較高。

2 關(guān)城景區(qū)關(guān)樓防雷設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與雷擊損壞分析

關(guān)樓矗立在羅城正中的“嘉峪關(guān)”門的樓臺(tái)上，由兵備道李端澄于明弘治八年（公元1495 年）主持修建。樓臺(tái)面積556 m2，清同治十二年（公元1873年）左宗棠題“天下第一雄關(guān)”匾懸于樓上。關(guān)樓為中軸第一座建筑，平面面寬五間，進(jìn)深四間。建筑長(zhǎng)約17 m，寬約11 m，高約17 m，屋頂坡度大于0.5°，為木構(gòu)架三重檐周圍廊歇山式布瓦頂建筑。

古建筑絕大多數(shù)為磚木結(jié)構(gòu)，一旦遭受雷擊，極易引起木質(zhì)構(gòu)件燃燒[4]。由于關(guān)樓為關(guān)城景區(qū)最高的古建筑，且頂層扣脊寶頂裝有金屬裝飾構(gòu)件。雷電極易擊中帶有金屬構(gòu)件的高聳建筑，而關(guān)樓的寶頂則會(huì)成為接閃點(diǎn)。在沒有避雷帶、引下線與接地裝置的情況下，關(guān)樓遭受雷擊的概率非常高。

2.2 關(guān)樓屋面避雷帶設(shè)計(jì)

古建筑的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)規(guī)范技術(shù)要求與建筑的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，充分考慮建筑的防雷安全、文物安全與人身安全。嘉峪關(guān)關(guān)樓屬于第一類防雷文物建筑物[5]，按照第一類防雷設(shè)計(jì)要求，在關(guān)城關(guān)樓的吻獸、寶頂、正脊、垂脊、戧脊、一、二、三層屋檐上敷設(shè)避雷帶，使避雷帶網(wǎng)格尺寸不大于12 m×8 m。關(guān)樓屋面避雷帶設(shè)計(jì)與引下線位置如圖4 所示。

圖4 關(guān)樓屋面避雷帶與引下線設(shè)計(jì)圖

古建筑的避雷帶設(shè)計(jì)應(yīng)在符合技術(shù)規(guī)范的前提下，盡量體現(xiàn)古建筑與防雷設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。對(duì)古建筑的防雷保護(hù)既要考慮實(shí)用性，也要保證其美觀性[6]。防雷設(shè)計(jì)指導(dǎo)防雷施工的實(shí)施，因此古建筑的防雷設(shè)計(jì)既要確保文物的防雷安全又不影響古建筑的藝術(shù)景觀和觀賞性。

2.3 關(guān)樓正立面避雷帶與引下線設(shè)計(jì)

引下線是將雷電流引至接地裝置的外部防雷裝置之一[7]，根據(jù)關(guān)樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在關(guān)樓的側(cè)立面前檐角向內(nèi)沿第二根柱子處各敷設(shè)一條引下線；在關(guān)樓的背立面兩側(cè)后檐角向內(nèi)沿第二根柱子各敷設(shè)一條引下線，關(guān)樓共計(jì)敷設(shè)四條引下線，如圖5 所示。

圖5 關(guān)樓正立面引下線與避雷帶設(shè)計(jì)圖

3 古建筑防雷選材與施工工藝

3.1 避雷帶選材與施工

古建筑的防雷選材應(yīng)充分考慮美觀性與耐久性，嘉峪關(guān)關(guān)樓屋面避雷帶選用純度為99.93%的ф8 cm 紫銅棒。純度較高的紫銅棒柔軟性好易于施工，且在施工完成后，氧化較快對(duì)古建筑的景觀影響最小。避雷帶施工時(shí)依關(guān)樓的吻獸、寶頂、正脊、垂脊、戧脊、一、二、三層屋檐進(jìn)行敷設(shè)，避雷帶與吻獸、屋脊與屋檐之間的距離為0.15 m 左右。紫銅棒避雷帶用不銹鋼固定支架進(jìn)行固定，紫銅棒與不銹鋼固定卡片接觸部位用ф10 cm 黃蠟管進(jìn)行絕緣處理，以防止紫銅棒與不銹鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕。關(guān)樓屋面的避雷帶固定安裝如圖6 所示。

圖6 關(guān)樓屋面避雷帶安裝圖

3.2 引下線選材與施工

引下線是接閃器與接地體間的重要連接裝置，引下線在引流過程中由于雷電流的熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度。因此，古建筑的引下線材料應(yīng)充分考慮耐熱性與穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)做好引下線與古建筑之間的隔熱設(shè)計(jì)與施工。關(guān)樓柱子引下線選用ф8 cm 紫銅棒，從城臺(tái)引至接地裝置的引下線選用BV95 mm2銅絞線。隨柱子敷設(shè)的引下線穿PVC 絕緣護(hù)套管做隔熱與絕緣處理，引下線應(yīng)布設(shè)在相對(duì)隱蔽的位置。關(guān)樓引下線布設(shè)如圖7 所示。

圖7 關(guān)樓引下線設(shè)計(jì)圖

3.3 接地極選材與施工

接地裝置是將雷電流引入大地的重要防雷設(shè)施，接地裝置的性能直接影響建筑物的防雷效果。嘉峪關(guān)關(guān)城地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土壤干燥且電阻率高接地電阻很難達(dá)到規(guī)范要求[8]。同時(shí)結(jié)合關(guān)樓所處的地質(zhì)特點(diǎn)，接地材料選用銅質(zhì)電解離子接地極。古建筑的接地施工需在室外地面處進(jìn)行開挖，銅質(zhì)電解離子接地極使用年限在30 年以上，可以最大限度地減少由于接地裝置劣化而進(jìn)行接地裝置的更換頻率。高土壤電阻率地區(qū)的防雷接地是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，而電解離子接地極在土壤電阻率較高的地區(qū)有著較好的降阻效果。關(guān)樓接地極設(shè)計(jì)與安裝施工如圖8 所示。

圖8 關(guān)樓接地裝置安裝圖（單位：mm）

4 結(jié)語

嘉峪關(guān)關(guān)城兩翼的城墻橫穿沙漠，自古為甘肅河西第一隘口。關(guān)城景區(qū)的古建筑體現(xiàn)了中華民族的智慧、文明與建筑藝術(shù)，對(duì)古建筑進(jìn)行科學(xué)的保護(hù)是傳承智慧、文明與民族精神的前提保障。文章通過對(duì)嘉峪關(guān)關(guān)城景區(qū)地理?xiàng)l件、氣候特點(diǎn)與閃電資料的詳細(xì)分析，并結(jié)合關(guān)樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)關(guān)城關(guān)樓的防雷設(shè)計(jì)、古建筑防雷選材與施工工藝進(jìn)行了細(xì)致的闡述，為其他古建筑的雷電防護(hù)技術(shù)提供相關(guān)的參考。