文物保護與古建筑物防雷措施探討(楊波 王鳳山 華云)

    中國的古代建筑遺存是幾千年中國古老文明的寶貴遺產(chǎn)，由于戰(zhàn)亂和人為破壞，僅存的文物古跡彌足珍貴。中國的古建筑物以其獨特的結(jié)構(gòu)、無法估量的歷史價值而在中華民族悠久的發(fā)展史上占有特殊的地位。其承載的建筑思想、建筑美學(xué)和營造法式貫穿于秦漢以至明清兩千余年，值得我們繼承和發(fā)揚光大。因此，保護古代建筑遺存的重要性就顯得尤為突出，尤其是古建筑物的防雷保護。

　　千百年來古建筑物遭雷擊，或因雷電起火被焚毀的事件不勝枚舉。例如：明朝時北京故宮前朝三大殿三次遭雷擊被焚，永樂十九年，三殿（當(dāng)時名奉天、華蓋、謹(jǐn)身）遭雷擊焚毀，十年后，明正統(tǒng)五年時才修復(fù)；嘉靖三十六年“大雷雨，戌刻火作”，三殿被焚殃及午門，至嘉靖四十一年才修復(fù)，更名為皇極殿、中極殿和建極殿；萬歷二十五年歸極門雷擊起火，延至三殿，一時具燼，20年后，天啟四年才重建完工。清光緒十五年，天壇祈年殿遭雷擊焚毀。1969年，承德避暑山莊普佑寺，因未安裝避雷設(shè)備，遭雷擊起火，著名的法輪殿和周圍群樓、配殿94間全部付之一炬；2004年5月11日，山西運城稷山縣省級文物保護單位大佛寺遭雷擊發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)消防人員奮力撲救，大殿才免遭劫難，但仍有部分建筑被毀壞。

　　現(xiàn)代建筑防雷技術(shù)和技法，是建立在西洋式的建筑形式和現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的。依據(jù)建筑物防雷原理如何進行中式古建筑防雷保護，目前尚無相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這需要文物界、建筑界和防雷界共同努力，制定適合中式建筑的防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝標(biāo)準(zhǔn)。中國古代建筑在世界建筑史上是無以倫比的，中國古代建筑，以其用途、規(guī)制、等級區(qū)分，外形上總體有廡殿式、歇山式、懸山式、硬山式；按屋頂形式區(qū)分有攢尖頂、卷棚頂?shù)?；按格局區(qū)分有殿、堂、樓、閣、亭、榭、廊、廈、坊、塔等；按建筑層級區(qū)分有單檐、重檐，以致多檐。除石坊、磚塔外，屋架主要為木結(jié)構(gòu)，梁、柱、斗、拱、檁、椽、窗、扉均為木材制作。

　　雷電災(zāi)害是文物古建筑遭受破壞的主要自然災(zāi)害，雷擊除直接擊毀古代建筑物構(gòu)件外，還因為中國傳統(tǒng)古建筑物大多為木結(jié)構(gòu)，雷擊將直接導(dǎo)致古建筑物起火，這將使古建筑大面積遭受損毀。據(jù)了解，目前大部分古建筑物未得到有效的防雷保護或防雷裝置設(shè)施不完善，亟待在全社會加強古建筑物的防雷保護意識，使珍貴的古代建筑遺存免遭雷擊毀壞。千百年的古建筑遺存一旦損毀，將不可復(fù)得。所以建立和完善古建筑物的防雷擊措施迫在眉睫。

　　現(xiàn)就我們所接觸過的古建筑物防雷工程設(shè)計和施工，談一些體會。

    一、關(guān)于古建筑物防雷類別的確定

　　目前普遍將國家防雷標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-94，2000版）作為新、改、擴建建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。如何根據(jù)古建筑物的特殊結(jié)構(gòu)和對防雷的要求，將古建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)納入到GB50057-94之中，確定古建筑物防雷類別，是做好古建筑防雷工程設(shè)計、施工的基礎(chǔ)。

　　按GB50165-92第5.3.1條的規(guī)定，古建筑物分為三類：

　　第一類：國家級重點文物保護單位的古建筑物；

　　第二類：省級重點文物保護單位的古建筑物；

　　第三類：其它古建筑物。

　　以上的古建筑分類如何與防雷分類結(jié)合，GB50165-92第5.3.4條第一款做了如下規(guī)定：防雷裝置的選擇與構(gòu)造要求，對第一類古建筑，應(yīng)專門研究，對第二類古建筑，應(yīng)按第一類民用建筑考慮，對第三類古建筑，應(yīng)按第二類民用建筑考慮。

　　根據(jù)國家現(xiàn)行建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB50057-94，2000版），建筑物的防雷分類根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果來確定。國家級重點文物保護單位的古建筑物根據(jù)其大小至少應(yīng)劃為二類以上防雷建筑物。

　　在GB50057-94中，第一類防雷建筑物是指有爆炸危險，因電火花而引起爆炸，會造成巨大損失和人身傷亡者。但古建筑屋架大多為木結(jié)構(gòu)，亟易起火燃燒，在第一類古建筑物中屬于“國寶”級的和列入聯(lián)合國世界人類文化遺產(chǎn)的大型古建筑群應(yīng)參照第一類防雷建筑物標(biāo)準(zhǔn)進行防護。因為這些古建筑物一旦遭雷擊焚毀，將是國家和民族無可挽回的莫大損失，同時也是人類文化遺產(chǎn)的莫大損失，所以第一類古建筑物上述部分應(yīng)劃入第一類防雷建筑物重點保護，第一類古建筑物其余部分及第二類古建筑物應(yīng)劃為第二類防雷建筑物。第三類古建筑物中，當(dāng)古建筑物有電源線、信號線等引入內(nèi)部，有大型金屬構(gòu)件、金屬物體、使用電子設(shè)備時，也應(yīng)劃為第二類防雷建筑物。除此之外的第三類古建筑物可劃為第三類防雷建筑物。

    二、古建筑物的防雷措施

　　根據(jù)IECl024-1和GB50057-94（2000版）的有關(guān)規(guī)定，建筑物防雷可分為內(nèi)、外部防雷，并按人、物和設(shè)備對雷電災(zāi)害的感受強度不同可把建筑物內(nèi)、外環(huán)境劃分為LPZ0A、LPZ0B、LPZl、LPZn 1等不同的防雷區(qū)。LPZ0A為建筑物的外部防雷保護區(qū)域，LPZ0B～LPZn 1為建筑物內(nèi)部防雷保護區(qū)域。古建筑物的防雷設(shè)計必須將外部防雷裝置和內(nèi)部防雷裝置作為整體統(tǒng)一考慮。

　　按照《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范》GB50165-92第5.3.3條的規(guī)定，古建筑物裝設(shè)防雷裝置，應(yīng)符合下列要求：

　　1．應(yīng)有防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的裝置；

　　2．應(yīng)考慮雷擊時所產(chǎn)生的接觸電壓、跨步電壓和各種架空線路引來的危害；

　　3．若建筑物內(nèi)部有大型金屬構(gòu)件或存放有金屬物體、金屬設(shè)備，尚應(yīng)考慮雷擊電磁感應(yīng)的影響。

　?。ㄒ唬┑谝?、二類古建筑物的防雷措施

　　1．直擊雷的防護

　　外部防雷裝置（即傳統(tǒng)的常規(guī)避雷裝置）由接閃器、引下線和接地裝置三部分組成。接閃器有三種形式：避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)。它位于建筑物的頂部，其作用是引雷，即把雷電流引下。引下線上與接閃器連接，下與接地裝置連接，它的作用是把接閃器截獲的雷電流引至接地裝置。接地裝置位于地下一定深度，它的作用是使雷電流頃刻流散到大地中去

　　古建筑物的直擊雷防護，除滿足GB50057-94的要求外，還應(yīng)滿足下列要求：

　?。?）接閃器應(yīng)采用避雷帶和短避雷針。

　　為保持古建筑物原貌和藝術(shù)特點，接閃器宜采用避雷帶與短避雷針（30～50cm）的組合形式，宜在敷有引下線屋角的避雷帶上焊接30～50cm左右的短避雷針，以便有效接閃泄流人地。根據(jù)雷擊規(guī)律，避雷帶應(yīng)沿建筑物屋面的正脊、吻獸、屋頂檐部、斜脊、垂獸和高出建筑物的煙囪等易受雷擊的部位敷設(shè)。為減小雷電流產(chǎn)生的電動力危害，在敷設(shè)避雷帶時應(yīng)盡量避免直、銳角彎曲，應(yīng)采用圓弧形彎曲，其引下彎曲的弦長應(yīng)大于對應(yīng)弧長的十分之一。

　　（2）避雷帶應(yīng)沿古建筑物屋脊的輪廓彎曲，避雷帶應(yīng)高出正脊、斜脊、屋檐瓦當(dāng)?shù)母叨?，以及其上的吻獸、法輪寶頂和斜脊下端的垂獸等20cm。避雷帶外側(cè)的保護范圍，應(yīng)按滾球法計算，當(dāng)脊或檐不在保護范圍時，應(yīng)增加避雷帶的高度。避雷帶應(yīng)設(shè)計成古建筑物屋面的輪廓線，須精選優(yōu)質(zhì)耐用材料，精細加工，安裝工藝要求精良，市防雷設(shè)施與古建筑物融為一體。

　　（3）攢尖頂?shù)耐?、塔、殿等古建筑物的寶頂處，以及大型古建筑正脊上的吻獸、正脊中間較突出的尖塔、法輪寶頂處可安裝短避雷針，原則上應(yīng)安裝在頂端中心位置，不破壞古建筑物的對稱平衡原貌。沿斜脊和四檐安裝避雷帶，避雷帶的外口沿檐角走向安裝短避雷針。

　?。?）金屬寶頂其外部金屬層厚度大于4mm時，可做接閃器，但必須與避雷帶連接。

　?。?）引下線應(yīng)從古建筑物外立面四角、山墻、后檐墻布設(shè)，平均間距18米，須盡可能對稱隱蔽安裝。古建筑物正面為安全及美觀起見不宜設(shè)引下線，面闊較大的大殿前屋檐避雷帶可選直徑較粗的材料敷設(shè)，兩端引下線也須加大材料直徑。引下線一般不得少于2組，大型古建筑物不得少于4組。

　　引下線根數(shù)少，雷電流分流就小，每根引下線所承受的雷電流就越大，容易產(chǎn)生雷電反擊和二次危害。因此，在布設(shè)引下線時應(yīng)按規(guī)范要求敷設(shè)。但古建筑物多為磚木結(jié)構(gòu)，故只能采用明敷。敷設(shè)時應(yīng)注意引下線要對稱。為減少引下線自身電感所引起的雷電感應(yīng)過電壓，應(yīng)以最短的接地路徑敷設(shè)。引下線彎曲應(yīng)采用弧形彎曲。在引下線距地面1.8～0.3m處應(yīng)有良好的保護覆蓋物，避免與人員接觸產(chǎn)生觸電危險。

　?。?）古建筑物接地裝置的布設(shè)應(yīng)根據(jù)其用途、性質(zhì)、地理環(huán)境和人員多少等情況來選擇結(jié)構(gòu)方式和位置。對重要的游客集中的古建筑物內(nèi)部應(yīng)做均壓措施。對寬度較窄的古建筑物可采用水平周圈式接地裝置，并注意接地裝置與地下管線的安全距離。若達不到規(guī)范要求的一律連接成一體，構(gòu)成均壓接地網(wǎng)。這樣可以使接地網(wǎng)界面以內(nèi)的電場分布比較均勻，可以減小跨步電壓對人員的危害，也可以減小室內(nèi)在被雷擊時由于地面電位梯度大易產(chǎn)生高壓反擊危害。另外，為降低雷電跨步電壓對人員的危害，當(dāng)接地體距建筑物出入口或人行道小于3 m時，接地體局部應(yīng)深埋地面1m以下。接地體的沖擊接地電阻應(yīng)不大于10Ω。

　?。?）安裝避雷帶的支持架間距不大于1m，支持架用U型卡固定在脊瓦、筒瓦和瓦當(dāng)上。

　?。?）古長城防直擊雷的重點是城樓和敵樓，保護對象是古建筑物和游人，敵樓防直擊雷可采用周圈安裝避雷帶，四角安裝短避雷針，避雷針除保護古建外，在樓外人體高度平面上（2m），保護范圍應(yīng)大于30m。

　?。?）雕塑精美的石質(zhì)牌樓，不易在其上安裝避雷帶，可在兩側(cè)安裝避雷針。

　?。?0）古樹頂安裝一支或多支短避雷針，引下線不要纏繞在樹桿上，有條件的地方可纏繞樹身周圍做環(huán)形接地體。

　　2．防側(cè)擊的措施

　　古建筑物防側(cè)擊雷，要根據(jù)所在地地理位置來決定。對于周圍空曠，或建在山區(qū)的古建筑物應(yīng)根據(jù)實際情況確定，確實需要的可以每隔6m沿建筑物四周設(shè)置圈式防雷均壓帶，并使均壓帶和建筑物四周的所有金屬物均與防雷接地可靠連接。防球雷的最好措施是安裝金屬屏蔽網(wǎng)并可靠接地，最低要求是把建筑物的所有門窗都裝上玻璃，使其沒有孔洞，以防球雷沿孔洞鉆進室內(nèi)。此外，還應(yīng)注意附近高大樹木引來的球雷，要考慮樹木與建筑物的安全距離。

　?。?）獨立的古塔，塔身的上部應(yīng)有防側(cè)擊的措施。一般在塔頂下三層外檐上安裝避雷帶，檐角加裝短避雷針，并與該層的避雷帶連接。

　　（2）具有二、三層檐的古建筑物，除頂層裝避雷帶外，為防側(cè)擊，二、三層檐宜裝避雷帶。

　?。?）樹木枝葉距古建筑物3米以內(nèi)時，樹木應(yīng)安裝避雷針，其接地體與古建防直擊雷的接地體連接。

　　3．防雷電波侵入和雷擊電磁脈沖的措施

　?。?）禁止架空線纜直接引入建筑物，進入建筑物的電源線、信號線應(yīng)穿鋼管直接埋地引入，其埋地長度不應(yīng)小于15米。在低壓電源架空電纜埋地前，應(yīng)安裝符合Ⅰ級分類試驗的電涌保護器。信號線在室內(nèi)進入設(shè)備端安裝適配的信號電涌保護器。

　　（2）架空金屬管道，在進入建筑物前，應(yīng)與防雷接地相連。

　?。?）古建筑物內(nèi)部防雷

　　內(nèi)部防雷裝置的作用是減少建筑物內(nèi)的雷電流和所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)以及防止反擊、接觸電壓、跨步電壓等二次雷害。除外部防雷裝置外，為達到此目的所采用的設(shè)施均為內(nèi)部防雷裝置，它包括等電位連接、屏蔽、加裝避雷器以及合理布線和良好接地等措施。

　　大多數(shù)國家、省、市級重點文物保護單位的古建筑物內(nèi)部都增設(shè)了消防、報警、監(jiān)視系統(tǒng)等。這些弱電系統(tǒng)受雷電感應(yīng)的危害是很大的。為此，隨著科技發(fā)展，古建筑物內(nèi)部防雷也顯得非常重要。具體措施如下：

　　①把從LPZ0A區(qū)進入LPZI區(qū)各類金屬管包括鎧裝電纜的金屬外皮在LPZ0A與LPZl交界處就近與防雷接地或建筑基礎(chǔ)地作等電位連接，使沿各類金屬管和電纜侵入的雷電泄流人地。

　?、诎褟腖PZ0B區(qū)進入LPZl區(qū)各類天饋線路在LPZ0B與LPZl交界處串接相應(yīng)的天饋電涌保護器(電涌保護器)；把從LPZ0A區(qū)進入LPZl區(qū)的各類通訊、數(shù)據(jù)信號線路在LPZ0A與LPZl交界處串接相應(yīng)的信號電涌保護器；把從LPZ0A區(qū)進入UPZl區(qū)的電源線路在LPZ0A與LPZl交界處并接相應(yīng)的電源電涌保護器。

　　電涌保護器的配置、施工應(yīng)注意以下幾方面：

　?、匐娪勘Ｗo器的最大鉗壓加上其兩端引線的感應(yīng)電壓應(yīng)與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設(shè)備允許的最大電涌電壓協(xié)調(diào)一致；電涌保護器還應(yīng)與其相應(yīng)的能量承受能力相一致。

　?、谠谔祓仭⑼ㄓ?、數(shù)據(jù)等信號線路上一般采用一至二級電涌保護器保護，而在電源配電線路上要根據(jù)被保護設(shè)備的重要性和雷災(zāi)環(huán)境來決定在不同防雷區(qū)的交界處設(shè)一至三級電涌保護器保，但每級之間應(yīng)有一定的間距（根據(jù)選擇電涌保護器類型不同，間距應(yīng)不小于5～15m）。

　?、垭娪勘Ｗo器的接地線規(guī)格應(yīng)符合規(guī)范，并以最短的距離在LPZ交界處就近接地（接地線一般應(yīng)不大于50cm）。

　?。?）當(dāng)古建筑物內(nèi)部有大型金屬構(gòu)件或存放金屬物體、金屬設(shè)備；將電源線、信號線等引入古建筑物內(nèi)時，應(yīng)加強對雷擊電磁感應(yīng)的防護。

　?。?）防護措施應(yīng)符合GB50057-94第3．3．7條的規(guī)定

　?。?）在建筑物電源的進線處（或配電箱內(nèi)），安裝符合Ⅱ級分類試驗的電涌保護器。

　?。?）室外的安全監(jiān)控攝像頭，應(yīng)在避雷針的保護范圍內(nèi)，金屬外殼應(yīng)接地，并與建筑物的防雷接地連接。其視頻線、控制線、電源線應(yīng)安裝電涌保護器。

　?。?）電話線在終端設(shè)備前應(yīng)安裝電涌保護器。

　?。?）在古建筑物內(nèi)應(yīng)設(shè)一個或多個等電位連接端子，將設(shè)備機殼、電源PE線、電涌保護器的接地線、較大的金屬物，就近連接到端子或等電位連接線上，等電位連接端子必須與防雷接地連接。

　?。?0）屏蔽措施

　?、偻忾T窗安裝金屬紗窗、紗門或較密的金屬保護網(wǎng)，并可靠接地?？蓽p小雷擊電磁感應(yīng)的影響，同時又可防球形雷侵入；

　?、谠谑覂?nèi)的線纜，盡量采用屏蔽電纜或穿金屬管，屏蔽電纜外層或金屬管兩端接地。

　　4．防接觸電壓

　　每條引下線，在地面以上1.8米加裝絕緣套管，以防止接觸電壓對人員的傷害。

　　5．防跨步電壓

　　在地面下，圍繞建筑物四周做閉合環(huán)形接地體，在該接地體包圍的地面上電位基本均衡，防止了雷電流入地后產(chǎn)生的跨步電壓對人員的傷害。引下線與接地體間的接地引線、接地體的敷設(shè)，要符合GB50057-94第4．3．5條的規(guī)定。

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