古建筑防雷设计的探讨

姚东升, 高 超,刘 通,胡 旻,李晓磊

(1.陕西省防雷中心，西安 710014；2.西安北方光电科技防务有限公司，西安 710043)

中国古建筑与其他历史文物一样，其价值就在于它的历史遗留性，不可能再生产、再建造，一经破坏往往无法挽回。从大量案例来看，我国古建筑主要面临火灾风险、水浸风险、腐蚀虫蛀风险等[1]。其中，雷电是造成火灾风险的重要原因。千百年来古建筑物因遭雷击,或因雷电起火被焚毁的事件不胜枚举。雷电灾害作为自然界十大灾害之一，具有发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大的特点。对古建筑而言，雷电危害巨大，雷电防护更是具有重要意义。

1 基本原则

古建筑防雷应在保持古建筑原貌和艺术特点的基础上，做到安全可靠、技术先进、经济合理，应在认真调查地理、土质、气象、环境、雷电活动规律以及被保护物特点等条件的基础上，详细研究防雷装置的形式及其布置方式[2]，并在外观方面兼顾古建筑的原始风貌和艺术特点。结合相关防雷技术规范和多年雷电防护设计施工技术经验，总结出古建筑防雷设计要点。

1.1 防雷装置

结合古建筑的建筑类型、屋顶制式和周边环境，优先采用对古建筑影响最小的方法[3]，如独立接闪杆、架空接闪线(网)。如条件不允许时，需在古建筑物本体上安装防雷装置，可考虑以下措施。

(1)接闪器。安装在易受雷击的部位，常规以短接闪杆(带)为主，可使古建筑物防护直接雷击。①接闪杆常置于古建筑正脊吻兽两侧，与引下线可靠连接。②接闪带通常布设于正脊、垂脊、戗脊、檐角处，一般高度为10～15 cm，用卡子卡牢。保护范围不包括檐头时，应顺脊延续至翼角和檐头，并将垂兽、戗兽、翼角的小兽等都包括在内。③材质和规格符合规范接闪器要求的(如铜宝顶、金属链、铁刹等)，可直接利用其做为接闪器。

(2)引下线。应从古建筑上接闪器下端焊接牢固后沿山墙、后檐墙、墙角或塔身、檐柱顺直引下[3]，并设置防旁侧闪络和接触电压的相应措施。由于古建筑外部轮廓复杂，引下线弯曲段避免折成直角或锐角。

(3)接地装置。应选择土壤电阻率较低处布设，避开主要出入口，以避免或减少跨步电压产生的影响和危害。受场地条件限制无法避开时，应考虑防跨步电压措施。

1.2 古树防雷

古建筑(群)附近一般都种植有高大古树，古树易遭雷击，可能成为古建筑(群)的防雷重大隐患。因此应注意采取以下措施：①在树顶安装接闪杆，沿树干敷设引下线，下部埋设接地装置；②枯朽树木的洞穴应用灰膏封堵严密，防止积水，导致树木接闪；③树木本身或根部不得缠绕钢筋，树下不堆放金属物体。另外，古建筑周围栽种树木时，应保持一定安全距离，树干应距建筑物不小于5 m，树冠不小于3 m。

2 案例分析

以陕北一古建筑防雷设计为例，具体讨论古建筑防雷设计。

2.1 概况

该古建筑所在地区属中温带半干旱大陆性季风气候，主要气象灾害有干旱、霜冻、大风、冰雹和暴雨，以干旱威胁最大。年平均气温8.3 ℃，年平均最高气温15.6 ℃，年平均最低气温1.9 ℃。年降水总量365.4 mm，日最大降水量为105.7 mm，降水主要集中在7—8月[4]。建筑周围土壤以沙土为主，兼有建筑垃圾回填土，最大冻土深度为1.48 m。实测土壤电阻率在450 Ω·m。当地年平均雷暴日为29.2 d/a[5]。

该建筑建成于明代，砖木结构，屋顶制式为重檐歇山式，长19.6 m，宽15 m，楼高11.6 m, 为省重点文物保护单位。独立院落，位置高耸，周边建筑均为不超过二层的低矮建筑。计算得出该建筑年预计雷击次数为0.06次/a，依据《文物建筑防雷技术规范》[3]《建筑物防雷设计规范》[6]，其属于第一类防雷文物建筑。

2.2 防雷设计

2.2.1 接闪器 建筑物本体高大，周边建筑低矮，无法采用独立于建筑物外的防雷装置，故选用经济可靠，对原有景观影响最小的防直击雷措施，即在建筑物本体上安装短接闪杆和接闪带。

短接闪杆采用Φ16铜棒，长度1 m，安装于正脊吻兽两端，兼顾防雷作用的同时尽量保持古建筑的原始风貌。接闪带用2 mm×40 mm的紫铜带随形敷设于正脊、垂脊、屋檐上方，使用卡子固定。所有卡子两侧均需涂刷丙烯酸防水胶，每点涂刷不少于三遍，胶体颜色与建筑物部位颜色一致。

2.2.2 引下线 引下线采用外皮为黑色的50 mm2绝缘电缆，易于着色，布设效果更自然美观，便于施工维护。设4根引下线，沿东、西侧廊柱均匀对称布设。每根引下线距地面2.7 m处设置断接卡。距地面2.7 m以下的引下线均采用能耐受100 kV冲击电压(1.2/50 μs波形)的4 mm厚交联聚乙烯管隔离[3]，并制作警示牌，使人不得靠近或进入危险区域。交联聚乙烯管外套等长的DN50镀锌钢管对引下线和绝缘管做机械保护。

2.2.3 接地装置 第一类防雷文物建筑接地装置的冲击接地电阻应不大于10 Ω。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。

考虑到当地最低土壤电阻率为450 Ω·m，建筑四周地面为青砖地面，过大的接地网施工会带来拆除和恢复青砖地面面积大、费用过高等一系列问题，普通钢材接地体在小场地内难以有效降低接地电阻，故采用长效离子接地极做垂直接地体，水平接地体采用3 mm×40 mm紫铜带。相较于普通钢材接地体不到10年的使用寿命,离子接地体的有效使用寿命为30年以上。

依据《交流电气装置的接地设计规范》中附录A[7]，当采用2根3 m长的长效离子接地极，和9 m长的3 mm×40 mm铜带水平接地体时，计算得出其理论总工频接地电阻为11.6 Ω，换算为冲击接地电阻为8.35 Ω，满足不大于10 Ω的要求。如实际施工中不能满足要求,可采取其他降阻措施,如使用降阻剂、换土等。项目采用A型接地，在每根引下线终端接地，每组接地使用2根垂直接地极，接地极间距6 m，受场地限制时可适当缩小。距离建筑外墙3 m外，结合现场条件合理布设，接地体埋深为室外地坪下1.5 m。

为防止跨步电压对游人和文物建筑管理人员造成伤害，接地体3 m范围内铺设5 cm厚的沥青层，使地面电阻率大于50 kΩ·m，防护层不得影响古建基础和地面恢复。接地极采用放热焊接，若施工现场禁用明火，可采用螺栓紧固的卡夹器、压接铜管等方式连接。

3 结语

古建筑的观赏取决于其建筑美感及历史艺术价值。雷电防护难免需要增设接闪杆、接闪带、引下线和接地体；因此，防雷设计需充分考虑古建筑外形、结构、材质等因素，尽可能保持古建筑的原始风貌和艺术特点，外形和古建筑轮廓线尽量一致不突兀，选材、色调等与古建筑尽量保持接近，技术方面应符合现行防雷相关技术规范标准。