粤剧艺术博物馆的防雷设计措施初探

麦金婵，伍瑞林，何耀斌，魏映华

（广州市气象局，广东广州 510150）

粤剧艺术博物馆于2014年2月动工兴建，该馆地处广州市荔湾区（俗称西关）恩宁路，毗邻永庆坊，是一座具有岭南风格、水乡特色的中国林式博物馆。该馆是文物系统博物馆三级风险保护单位，是广州市重点项目，是粤剧文物藏品、科研、展示、市民休闲的场所。博物馆占地建筑面积17 435.9 m2，分南、北岸和主馆3幢。南岸（别院笙歌：半亭、售票楼、六角亭、水榭、连廊、南仪门）；主馆（八和阁、茶轩、贺香楼）和北岸（琼花堂、吉庆别馆、銮舆阁、听雨小筑、普天乐、西楼映月、连廊、广福台）都是仿古建筑，最突出的是广福台结合传统特色打造的木结构仿古建筑。（仿）古建筑物是中华民族文化遗产、人类文明的宝贵财富，按照传统方式营造、复旧呈现，大量的数据和案例表明其地理位置、木质材料、工艺（屋脊、挑檐、走兽、吻兽、尖端）等条件影响其受雷击的概率比较大［1-2]。为保护好仿古建筑物，雷电防御设计提供关键技术，防雷设施维护尤其重要。

1 博物馆所处地理与气候环境

广州市荔湾区地处广州西边，平原地势向南向西呈低落之势，中山七路东段到西山最高，最低处在丛桂路涌边，属南亚热带典型海洋性季风气候。四季特征：春季气候多变、夏季雨水丰沛、秋季干燥、冬季温暖。1984—2013年的30年平均雷暴日达到73.4 d［3]。2010—2018年《广州市荔湾区气候概况分析》表明，雷暴日数全市平均75 d，前汛期强对流天气集中在4—6月，后汛期高温酷暑集中在7—9月，强对流天气平均每年日数达38 d，地闪密度平均值Ng为35次／（km2·年）。Ng是衡量雷云对地放电的频繁程度，也是雷灾事件的重要参数之一。数据分析和曲线图（图1）说明，雷电灾害事件的概率在汛期提高。

图1 广州城区2010—2018年累年平均的1—12月雷暴、高温和暴雨的日数

2 博物馆建筑群防雷类别的划分

GB51017-2014《古建筑防雷工程技术规范》中附录A.1.1古建筑预计年均雷击次数算式为

其中，N为年均雷击次数（次／年）；Ng平均地闪密度（次／（km2·年）），博物馆的平均地闪密度值为35次／（km2·年）；Ad为古建筑的等效雷击截受面积（m2）；Cd为位置因子；粤剧艺术博物馆按长方体计算。

位置因子，按GB51017-2014规范中附录表A.1.1“位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处，地下水露头处、特别潮湿处选取参数1.5”计。

GB51017-2014规范中附录A.2长方体古建筑物的等效雷击截受面积，计算粤剧艺术博物馆建筑群预计年受雷击次数列出方案Ⅰ和Ⅱ：

方案Ⅰ根据图纸建筑群分南岸、北岸，两个长方体计算等效雷击截受面积如下：

南岸和主馆：防雷设计图纸长122.49 m，宽69.87 m，高3.37～18.30 m。

北岸：防雷设计图纸长62.00 m，宽40.00 m，高6.60～20.40 m。

南岸和主馆①Ad＝L×W+6H×（L+W）+π（3H）2＝122.49×69.87+6×18.3×（122.49+69.87）+3.14×（3×18.30）2＝39 143.50 m2

南岸和主馆②N＝Ng×Ad×Cd×10-6＝35×39143.50×1.5×10-6＝2.06次／年

北岸①Ad＝L×W+6H×（L+W）+π（3H）2＝62×40+6×20.4×（62+40）+3.14×（3×20.4）2＝26 725.48 m2

北岸②N＝Ng×Ad×Cd×10-6＝35×26725.48×1.5×10-6＝1.403次／年

其中，Ad为等效雷击截受面积（m2）；L为长方体古建筑的屋顶最大外廓的长度（m）；W为长方体古建筑的屋顶最大外廓的宽度（m）；H为长方体古建筑的屋顶距室外地面的高度（m）；π≈3.14。

方案Ⅱ根据图纸圈出博物馆主体建筑物，图纸显示不规则图2红线部分，借助计算机CAD图纸偏移功能得出图2黑线部分，按长方体、平均高15 m计算等效雷击截受面积的思路，计算得出整个博物馆，古建筑的等效雷击截受面积为32 143.35 m2，如图3所示。

划分1：按GB51017-2014规范中附录3.0.2第4规定，在可能发生地闪的地区，遇预计年均雷击次数＞0.25次／年的古建筑的，应划为第1级防雷古建筑［4]。

划分2：按GB50165-1992规范第5.3.4规定，预计雷击次数＞0.06次／年的建筑物为2类，＞0.03次／年的建筑物为3类，对第1类古建筑，应专门研究［5]。

划分3：GB50057-2010规范第3.0.3第2条规定，国家级重点文物保护单位的古建筑物、大型展览和博览建筑物根据实际情况至少应划为2类以上防雷建筑物［6]。

图2 计算机计算博物馆主体建筑物等效雷击截受面积示意图

图3 计算机计算博物馆主体建筑物等效雷击截受面积

因此，可以得出粤剧艺术博物馆建筑群划分为第1级防雷古建筑，2类防雷建筑物。

3 博物馆建筑群工艺与防雷措施

南、北岸和主馆3幢仿古建筑群，融入岭南传统三雕（石雕、木雕、砖雕）、两塑（灰塑、陶塑）、石湾公仔、嵌瓷、彩画等民间传统手工艺，通过2处“连廊”把3幢建筑连接起来，主馆加入了“玻璃天棚”、电梯等现代的元素，每一幢仿古建筑既可独立成风景、又呈现了其整体观赏的艺术性，结合建筑物防雷设计特色如下：

3.1 外部防雷保护

1）接闪器设计与安装。

（1）①南岸和主馆、北岸屋面都有石湾公仔脊、嵌瓷等工艺品作为装饰，全部采用φ12，热镀锌圆钢，短接闪杆高度500 mm，以起到保护建筑物作用。

②主馆“八和阁”建筑结构为十字脊屋顶形式，最高点为32 m，设计施工则采用φ12热镀锌圆钢，短接闪杆高度300 mm，顶部磨成半球状来保证接闪。

③北岸“广福台”是木质结构的建筑，设计采用了方形坡屋顶，屋顶全部采用金属铜瓦铜板屋面和铜制祥兽，运用整个金属屋面与木结构建筑体结合，作为接闪是一大特色，达到了有效接闪与艺术融合、保量传统的3层效果。

④另外，建筑物连廊的形式连接，防雷材料工艺则采用φ10热镀锌圆钢连接不同标高接闪网，形成不等高避雷带，用于无缝连接，达到无死角接闪作用。

（2）①主馆采用φ12热镀锌圆钢高出构架120 mm敷设的明敷接闪网格，其支持卡子间距1 m，转弯处为0.5 m。

②南岸、北岸采用了φ12热镀锌圆钢作暗敷接闪网格。

③北岸“广福台”采用金属板厚度≥7mm明敷接闪网格、接闪带［7]。

2）引下线设计与安装。

（1）博物馆建筑群内所有天面采用φ12热镀锌圆钢作建筑的专设引下线，注筋沿建筑物外墙暗敷，经最短路径接地，采用正常间距≤18 m。

（2）由于北岸广福台为木构建筑，φ12热镀锌圆钢作本建筑的专设引下线，专设引下线沿实木柱子创槽暗装在木柱内，直线距离专设引下线引至屋架处，采用暗敷在屋架内“木包钢”的做法，安装在建筑的专设引下线须与地下室基础接地体焊接联通。

3）其它接地设计与安装。

（1）总等电位连接板：从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，做法见国标图集《等电位联结安装》（02D501-2）。

（2）测试端子：暗装预埋连接板（用于测试接地电阻），距外地面500 mm。做法见图集，《建筑物防雷设施安装》“99（03）D501-1”中的“暗装断接卡子做法”2-23页。

（3）电气设备房接地端子：从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，距内地面300 mm。做法见图集“99D501-1”2-22页做法B。

（4）地下层水泵房设备接地端子，从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，距内地面300 mm。作法见图集“99D501-1”2-22页做法B。

（5）水井设备接地端子。从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，距内地面300 mm，在井壁每3层预留一接地连接板露出井壁200 mm。作法见图集“99D501-1”2-22页做法B。

（6）电梯接地连接板：利用电梯井壁剪力墙内两条φ12的钢筋通长焊接至电梯机房，此接地线在下端与接地体相焊接，在井壁每3层预留一个接地连接板露出井壁200 mm。

（7）首层消防值班室接地端子：从水平接地体中引出一ZR-BV（1×25）PC32至距内地面300 mm处。

（8）电气管井、配电间接地端子：从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，距内地面300 mm，作为竖井电气设备的接地干线，在井壁每层预留一接地连接板露出井壁200 mm。作法见图集“99D501-1”2-22页做法B。

（9）弱电管井、配电间接地端子：从水平接地体中焊出-40×4镀锌扁钢，距内地面300 mm，作为竖井弱电设备的接地干线，在井壁每层预留一接地连接板露出井壁200 mm。作法见图集“99D501-1”2-22页做法B。

（10）利用建筑物圈梁内两条≥φ12主钢筋通长焊接连成闭合回路并同防雷装置引下线连接，作为建筑物的均压环。

3.2 内部防雷措施（避雷器）的规定与安装

粤剧艺术博物馆南岸、主馆、北岸（3幢）仿古建筑群共5处电房按照GD50057-2010《建筑物防雷设计规范》要求，在总低压配电柜内安装了低压电源系统电涌保护器（SPD），线路进入低压配电柜都是穿管埋地，都分别安装I级和II级电涌保护器，其技术参数为：①T1一级试验（经过国家认可的检测实验室检测）、冲击电流Iimp≥12.5 kA、最大持续运行电压Up≤2.5 kV。②T2二级试验（经过国家认可的检测实验室检测）、标称放电电流In为20 kA，最大通流量Imax为40 kA，限制电压Up≤1.5 kV。

本研究用两种方案计算了粤剧艺术博物馆建筑群的年预计雷击次数，得出粤剧艺术博物馆建筑群划分为第1级防雷古建筑，2类防雷建筑物。根据该馆的岭南、水乡仿古建筑等自身特点、工艺及相关的文物保护规定，对建筑的直击雷接闪、引下线、等电位连接和内部防雷等进行了设计，本研究旨在保护现有复旧的（仿）古建筑物，为类似（仿）古建筑雷电防御设计提供一定的参考。