古建筑物雷電防護設計(閃盾防雷)

1、古建筑物雷電防護設計 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構、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。古建筑火災原因分析 回溯歷史上已經(jīng)發(fā)生的火災使古建筑遭受滅頂之災的原因，大致可以歸為兩大類，即天災與人禍。 天災方面，最常見的是： 雷擊起火 古建筑物遭雷擊，或因雷電起火被焚毀的事件不勝枚舉。如

2、文獻記載，明朝時北京故宮前朝三大殿三次遭雷擊被焚，永樂十九年，奉天、華蓋、謹身三殿遭雷擊焚毀；嘉靖三十六年“大雷雨，戌刻火作”，三殿被焚殃及午門；萬歷二十五年歸極門雷擊起火，延至三殿，一時具燼。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，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;如2005年8月1日大同市市級文物保護單位總鎮(zhèn)署遭雷擊起火內(nèi)蒙古興安盟烏蘭浩特普惠寺大雄寶殿遭遇雷擊起火大雄寶殿完全被燒毀。經(jīng)初步調(diào)

3、查，大火燒損鋼筋混凝土結構建筑920平方米，直接經(jīng)濟損失逾2千萬元。2010年7月24日內(nèi)蒙古興安盟烏蘭浩特市普惠寺大雄寶殿發(fā)生火災。經(jīng)初步調(diào)查，起火原因為雷擊，燒損鋼筋混凝土結構建筑920平方米。烏蘭浩特市普惠寺大雄寶殿受雷擊發(fā)生火災 雷擊引起古建筑起火，有兩種情況：一是古建筑沒有安裝避雷設施而透受雷擊；二是古建筑雖然設有避雷設施，但避雷設施的保護范圍沒有達到要求，同樣可以遭受雷擊。  現(xiàn)代建筑防雷技術和技法，是建立在西洋式的建筑形式和現(xiàn)代建筑結構基礎上的。依據(jù)建筑物防雷原理如何進行中式古建筑防雷保護，目前尚無相應的規(guī)范標準，這需要文物界、建筑界和防雷界共同努力，制定適合

4、中式建筑的防雷設計標準和施工工藝標準。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，屋架主要為木結構，梁、柱、斗、拱、檁、椽、窗、扉均為木材制作。 雷電災害是文物古建筑遭受破壞的主要自然災害，雷擊除直接擊毀古代建筑物構件外，還因為中國傳統(tǒng)古建筑物大多為木結構，雷擊將直接導致古建筑物起火，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施不完

5、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，將不可復得。所以建立和完善古建筑物的防雷擊措施迫在眉睫。 關于古建筑物防雷類別的確定目前普遍將國家防雷標準建筑物防雷設計規(guī)范（GB50057-94，2000版）作為新、改、擴建建筑物防雷標準執(zhí)行。如何根據(jù)古建筑物的特殊結構和對防雷的要求，將古建筑物防雷標準納入到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計、施工的基礎。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

6、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造要求，對第一類古建筑，應專門研究，對第二類古建筑，應按第一類民用建筑考慮，對第三類古建筑，應按第二類民用建筑考慮。根據(jù)國家現(xiàn)行建筑物防雷設計規(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構，

7、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)的大型古建筑群應參照第一類防雷建筑物標準進行防護。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劃為第二類防雷建筑物。第三類古建筑物中，當古建筑物有電源線、信號線等引入內(nèi)部，有大型金屬構件、金屬物體、使用電子設備時，也應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。古建筑物的防雷措施根據(jù)IECl024-1和GB50057-94（2000版）的有關規(guī)

8、定，建筑物防雷可分為內(nèi)、外部防雷，并按人、物和設備對雷電災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，LPZ0BLPZn+1為建筑物內(nèi)部防雷保護區(qū)域。古建筑物的防雷設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。按照古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范GB50165-92第5.3.3條的規(guī)定，古建筑物裝設防雷裝置，應符合下列要求：1應有防直擊雷和防雷擊電磁脈沖的裝置；2應考慮雷擊時所產(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)部有大型金屬構件或存放有金屬物體、金屬設備，尚應考慮雷

9、擊電磁感應的影響。（一）第一、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，還應滿足下列要求：（1）接閃器應采用避雷帶和短避雷針。為保持古建筑物原貌和藝術特點，接閃器宜采用避雷帶與短避雷針（3050cm）的組合形式，宜在敷有引下線屋角的避雷

10、帶上焊接3050cm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。為減小雷電流產(chǎn)生的電動力危害，在敷設避雷帶時應盡量避免直、銳角彎曲，應采用圓弧形彎曲，其引下彎曲的弦長應大于對應弧長的十分之一。（2）避雷帶應沿古建筑物屋脊的輪廓彎曲，避雷帶應高出正脊、斜脊、屋檐瓦當?shù)母叨?，以及其上的吻獸、法輪寶頂和斜脊下端的垂獸等20cm。避雷帶外側的保護范圍，應按滾球法計算，當脊或檐不在保護范圍時，應增加避雷帶的高度。避雷帶應設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

11、施與古建筑物融為一體。（3）攢尖頂?shù)耐ぁ⑺?、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。（4）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。（5）引下線應從古建筑物外立面四角、山墻、后檐墻布設，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，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

12、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，在布設引下線時應按規(guī)范要求敷設。但古建筑物多為磚木結構，故只能采用明敷。敷設時應注意引下線要對稱。為減少引下線自身電感所引起的雷電感應過電壓，應以最短的接地路徑敷設。引下線彎曲應采用弧形彎曲。在引下線距地面1.80.3m處應有良好的保護覆蓋物，避免與人員接觸產(chǎn)生觸電危險。（6）古建筑物接地裝置的布設應根據(jù)其用途、性質(zhì)、地理環(huán)境和人員多少等情況來選擇結構方式和位置。對重要的游客集中的古建筑物內(nèi)部應做均壓措施。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

13、求的一律連接成一體，構成均壓接地網(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，接地體局部應深埋地面1m以下。接地體的沖擊接地電阻應不大于10。（7）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、筒瓦和瓦當上。2防側擊的措施古建筑物防側擊雷，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

14、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。（1）獨立的古塔，塔身的上部應有防側擊的措施。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，為防側擊，二、三層檐宜裝避雷帶。（3）樹木枝葉距古建筑物3米以內(nèi)時，樹木應安裝避雷針，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（1）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

15、穿鋼管直接埋地引入，其埋地長度不應小于15米。在低壓電源架空電纜埋地前，應安裝符合級分類試驗的電涌保護器。信號線在室內(nèi)進入設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，應與防雷接地相連。（3）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)部都增設了消防、報警、監(jiān)視系統(tǒng)等。這些弱電系統(tǒng)受雷電感應的危害是很大的。為此，隨著科技發(fā)展，古建

16、筑物內(nèi)部防雷也顯得非常重要。具體措施如下：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。把從LPZ0B區(qū)進入LPZl區(qū)各類天饋線路在LPZ0B與LPZl交界處串接相應的天饋電涌保護器(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交界處并接相應的電源電涌保護器。電涌保護器的配置、施工應注意以下幾方面：電涌保護器的最大鉗壓加上其兩端引線的

17、感應電壓應與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓協(xié)調(diào)一致；電涌保護器還應與其相應的能量承受能力相一致。在天饋、通訊、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)被保護設備的重要性和雷災環(huán)境來決定在不同防雷區(qū)的交界處設一至三級電涌保護器保，但每級之間應有一定的間距（根據(jù)選擇電涌保護器類型不同，間距應不小于515m）。電涌保護器的接地線規(guī)格應符合規(guī)范，并以最短的距離在LPZ交界處就近接地（接地線一般應不大于50cm）。（4）當古建筑物內(nèi)部有大型金屬構件或存放金屬物體、金屬設備；將電源線、信號線等引入古建筑物內(nèi)時，應加強對雷擊電磁感應的防護。（5）防護措施應符合GB50057-94第337條的規(guī)定（6）在建筑物電源的進線處（或配電箱內(nèi)），安裝符合級分類試驗的電涌保護器。（7）室外的安全監(jiān)控攝像頭，應在避雷針的保護范圍內(nèi)，金屬外殼應接地，并與建筑物的防雷接地連接。其視頻線、控制線、電源線應安裝電涌保護器。（8）電話線在終端設備前應安裝電涌保護器。（9）在古建筑物內(nèi)應設一個或多個等電位連接端子，將設備機殼、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。（10）屏蔽措施外門窗安裝金屬紗