千百年来古建筑物遭雷击,或因雷电动怒被焚毁的事宜不胜列举。例如:明朝时北京故宫前朝三大殿三次遭雷击被焚,永乐十九年,三殿(当时名奉天、华盖、谨身)遭雷击焚毁,十年后,明正统五年时才修复;嘉靖三十六年“大雷雨,戌刻火作”,三殿被焚殃及午门,至嘉靖四十一年才修复,更名为皇极殿、中极殿和建极殿;万历二十五年归极门雷击动怒,延至三殿,一时具烬,20年后,天启四年才重修落成。清光绪十五年,天坛祈年殿遭雷击焚毁。
1969年,承德避暑山庄普佑寺,因未安装避雷设备,遭雷击动怒,著名的法轮殿和周围群楼、配殿94间全部付之一炬;2004年5月11日,山西运城稷山县省级文物保护单位大佛寺遭雷击发生失火,经消防职员奋力扑救,大殿才免遭劫难,但仍有部分建筑被毁坏。
当代建筑防雷技能和技法,是建立在泰西式的建筑形式和当代建筑构造根本上的。依据建筑物防雷事理如何进行中式古建筑防雷保护,目前尚无相应的规范标准,这须要文物界、建筑界和防雷界共同努力,制订适宜中式建筑的防雷设计标准和施工工艺标准。
中国古代建筑在世界建筑史上是无以伦比的,中国古代建筑,以其用场、规制、等级区分,形状上总体有庑殿式、歇山式、悬山式、硬山式;按屋顶形式区分有攒尖顶、卷棚顶等;按格局区分有殿、堂、楼、阁、亭、榭、廊、厦、坊、塔等;按建筑层级区分有单檐、重檐,甚至多檐。除石坊、砖塔外,屋架紧张为木构造,梁、柱、斗、拱、檩、椽、窗、扉均为木材制作。
雷电磨难是文物古建筑遭受毁坏的紧张自然磨难,雷击除直接击毁古代建筑物构件外,还由于中国传统古建筑物大多为木构造,雷击将直接导致古建筑物动怒,这将使古建筑大面积遭受损毁。据理解,目前大部分古建筑物未得到有效的防雷保护或防雷装置举动步伐不完善,亟待在全社会加强古建筑物的防雷保护意识,使宝贵的古代建筑遗存免遭雷击毁坏。千百年的古建筑遗存一旦损毁,将不可复得。以是建立和完善古建筑物的防雷击方法迫不及待。
一、关于古建筑物防雷类别的确定目前普遍将国家防雷标准《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94,2000版)作为新、改、扩建建筑物防雷标准实行。如何根据古建筑物的分外构造和对防雷的哀求,将古建筑物防雷标准纳入到GB50057-94之中,确定古建筑物防雷种别,是做好古建筑防雷工程设计、施工的根本。
按GB50165-92第5.3.1条的规定,古建筑物分为三类:
第一类:国家级重点文物保护单位的古建筑物; 第二类:省级重点文物保护单位的古建筑物; 第三类:其它古建筑物。以上的古建筑分类如何与防雷分类结合,GB50165-92第5.3.4条第一款做了如下规定:防雷装置的选择与布局哀求,对第一类古建筑,应专门研究,对第二类古建筑,应按第一类民用建筑考虑,对第三类古建筑,应按第二类民用建筑考虑。
根据国家现行建筑物防雷设计规范(GB50057-94,2000版),建筑物的防雷分类根据其主要性、利用性子、发生雷电事件的可能性和后果来确定。国家级重点文物保护单位的古建筑物根据其大小至少应划为二类以上防雷建筑物。
在GB50057-94中,第一类防雷建筑物是指有爆炸危险,因电火花而引起爆炸,会造成巨大丢失和人身伤亡者。但古建筑屋架大多为木构造,亟易动怒燃烧,在第一类古建筑物中属于“国宝”级的和列入联合国天下人类文化遗产的大型古建筑群应参照第一类防雷建筑物标准进行防护。由于这些古建筑物一旦遭雷击焚毁,将是国家和民族无可挽回的莫大丢失,同时也是人类文化遗产的莫大丢失,以是第一类古建筑物上述部分应划入第一类防雷建筑物重点保护,第一类古建筑物别的部分及第二类古建筑物应划为第二类防雷建筑物。第三类古建筑物中,当古建筑物有电源线、旗子暗记线等引入内部,有大型金属构件、金属物体、利用电子设备时,也应划为第二类防雷建筑物。除此之外的第三类古建筑物可划为第三类防雷建筑物。
二、古建筑物的防雷方法根据IECl024-1和GB50057-94(2000版)的有关规定,建筑物防雷可分为内、外部防雷,并按人、物和设备对雷电磨难的感想熏染强度不同可把建筑物内、外环境划分为LPZ0A、LPZ0B、LPZl、LPZn 1平分歧的防雷区。LPZ0A为建筑物的外部防雷保护区域,LPZ0B~LPZn 1为建筑物内部防雷保护区域。古建筑物的防雷设计必须将外部防雷装置和内部防雷装置作为整体统一考虑。
按照《古建筑木构造掩护与加固技能规范》GB50165-92第5.3.3条的规定,古建筑物装设防雷装置,应符合下列哀求:
1.应有防直击雷和防雷击电磁脉冲的装置;
2.应考虑雷击时所产生的打仗电压、跨步电压和各种架空线路引来的危害;
3.若建筑物内部有大型金属构件或存放有金属物体、金属设备,尚应考虑雷击电磁感应的影响。
(一)第一、二类古建筑物的防雷方法
1.直击雷的防护
外部防雷装置(即传统的常规避雷装置)由接闪器、引下线和接地装置三部分组成。接闪器有三种形式:避雷针、避雷带和避雷网。它位于建筑物的顶部,其浸染是引雷,即把雷电流引下。引下线上与接闪器连接,下与接地装置连接,它的浸染是把接闪器截获的雷电流引至接地装置。接地装置位于地下一定深度,它的浸染是使雷电流顷刻飘泊到大地中去
古建筑物的直击雷防护,除知足GB50057-94的哀求外,还应知足下列哀求:
(1)接闪器应采取避雷带和短避雷针。
为保持古建筑物原貌和艺术特点,接闪器宜采取避雷带与短避雷针(30~50cm)的组合形式,宜在敷有引下线屋角的避雷带上焊接30~50cm旁边的短避雷针,以便有效接闪泄流人地。根据雷击规律,避雷带应沿建筑物屋面的正脊、吻兽、屋顶檐部、斜脊、垂兽和赶过建筑物的烟囱等易受雷击的部位敷设。为减小雷电流产生的电动力危害,在敷设避雷带时应只管即便避免直、锐角波折,应采取圆弧形波折,其引下波折的弦长应大于对应弧长的十分之一。
(2)避雷带应沿古建筑物屋脊的轮廓波折,避雷带应赶过正脊、斜脊、屋檐瓦当的高度,以及其上的吻兽、法轮宝顶和斜脊下真个垂兽等20cm。避雷带外侧的保护范围,应按滚球法打算,当脊或檐不在保护范围时,应增加避雷带的高度。避雷带应设计成古建筑物屋面的轮廓线,须精选优质耐用材料,风雅加工,安装工艺哀求精良,使防雷举动步伐与古建筑物融为一体。
(3)攒尖顶的亭、塔、殿等古建筑物的宝顶处,以及大型古建筑正脊上的吻兽、正脊中间较突出的尖塔、法轮宝顶处可安装短避雷针,原则上应安装在顶端中央位置,不毁坏古建筑物的对称平衡原貌。沿斜脊和四檐安装避雷带,避雷带的外口沿檐角走向安装短避雷针。
(4)金属宝顶其外部金属层厚度大于4mm时,可做接闪器,但必须与避雷带连接。
(5)引下线应从古建筑物外立面四角、山墙、后檐墙布设,均匀间距18米,须尽可能对称暗藏安装。古建筑物正面为安全及都雅起见不宜设引下线,面阔较大的大殿前屋檐避雷带可选直径较粗的材料敷设,两端引下线也须加大材料直径。引下线一样平常不得少于2组,大型古建筑物不得少于4组。
引下线根数少,雷电流分流就小,每根引下线所承受的雷电流就越大,随意马虎产生雷电反击和二次危害。因此,在布设引下线时应按规范哀求敷设。但古建筑物多为砖木构造,故只能采取明敷。敷设时应把稳引下线要对称。为减少引下线自身电感所引起的雷电感应过电压,应以最短的接地路径敷设。引下线波折应采取弧形波折。在引下线距地面1.8~0.3m处应有良好的保护覆盖物,避免与职员打仗产生触电危险。
(6)古建筑物接地装置的布设应根据其用场、性子、地理环境和职员多少等情形来选择构造办法和位置。对主要的游客集中的古建筑物内部应做均压方法。对宽度较窄的古建筑物可采取水平周圈式接地装置,并把稳接地装置与地下管线的安全间隔。若达不到规范哀求的一律连接成一体,构成均压接地网。这样可以使接地网界面以内的电场分布比较均匀,可以减小跨步电压对职员的危害,也可以减小室内在被雷击时由于地面电位梯度大易产生高压反击危害。其余,为降落雷电跨步电压对职员的危害,当接地体距建筑物出入口或人行道小于3 m时,接地体局部应深埋地面1m以下。接地体的冲击接地电阻应不大于10Ω。
(7)安装避雷带的支持架间距不大于1m,支持架用U型卡固定在脊瓦、筒瓦和瓦当上。
(8)古长城防直击雷的重点是城楼和敌楼,保护工具是古建筑物和游人,敌楼防直击雷可采取周圈安装避雷带,四角安装短避雷针,避雷针除保护古建外,在楼外人体高度平面上(2m),保护范围应大于30m。
(9)雕塑精美的石质牌楼,不易在其上安装避雷带,可在两侧安装避雷针。
(10)古树顶安装一支或多支短避雷针,引下线不要缠绕在树杆上,有条件的地方可缠绕树身周围做环形接地体。
2.防侧击的方法
古建筑物防侧击雷,要根据所在地地理位置来决定。对付周围空旷,或建在山区的古建筑物应根据实际情形确定,确实须要的可以每隔6m沿建筑物四周设置圈式防雷均压带,并使均压带和建筑物四周的所有金属物均与防雷接地可靠连接。防球雷的最好方法是安装金属屏蔽网并可靠接地,最低哀求是把建筑物的所有门窗都装上玻璃,使其没有孔洞,以防球雷沿孔洞钻进室内。此外,还应把稳附近高大树木引来的球雷,要考虑树木与建筑物的安全间隔。
(1)独立的古塔,塔身的上部应有防侧击的方法。一样平常在塔顶下三层外檐上安装避雷带,檐角加装短避雷针,并与该层的避雷带连接。
(2)具有二、三层檐的古建筑物,除顶层装避雷带外,为防侧击,二、三层檐宜装避雷带。
(3)树木枝叶距古建筑物3米以内时,树木应安装避雷针,其接地体与古建防直击雷的接地体连接。
3.防雷电波侵入和雷击电磁脉冲的方法
(1)禁止架空线缆直接引入建筑物,进入建筑物的电源线、旗子暗记线应穿钢管直接埋地引入,其埋地长度不应小于15米。在低压电源架空电缆埋地前,应安装符合Ⅰ级分类试验的电涌保护器。旗子暗记线在室内进入设备端安装适配的旗子暗记电涌保护器。
(2)架空金属管道,在进入建筑物前,应与防雷接地相连。
(3)古建筑物内部防雷
内部防雷装置的浸染是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁感应以及防止反击、打仗电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外,为达到此目的所采取的举动步伐均为内部防雷装置,它包括等电位连接、屏蔽、加装避雷器以及合理布线和良好接地等方法。
大多数国家、省、市级重点文物保护单位的古建筑物内部都增设了消防、报警、监视系统等。这些弱电系统受雷电感应的危害是很大的。为此,随着科技发展,古建筑物内部防雷也显得非常主要。详细方法如下:
①把从LPZ0A区进入LPZI区各种金属管包括铠装电缆的金属外皮在LPZ0A与LPZl交界处就近与防雷接地或建筑根本地作等电位连接,使沿各种金属管和电缆侵入的雷电泄流人地。
②把从LPZ0B区进入LPZl区各种天馈线路在LPZ0B与LPZl交界处串接相应的天馈电涌保护器(电涌保护器);把从LPZ0A区进入LPZl区的各种通讯、数据旗子暗记线路在LPZ0A与LPZl交界处串接相应的旗子暗记电涌保护器;把从LPZ0A区进入UPZl区的电源线路在LPZ0A与LPZl交界处并接相应的电源电涌保护器。
电涌保护器的配置、施工应把稳以下几方面:
①电涌保护器的最大钳压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备许可的最大电涌电压折衷同等;电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相同等。
②在天馈、通讯、数据等旗子暗记线路上一样平常采取一至二级电涌保护器保护,而在电源配电线路上要根据被保护设备的主要性和雷灾环境来决定在不同防雷区的交界处设一至三级电涌保护器保,但每级之间应有一定的间距(根据选择电涌保护器类型不同,间距应不小于5~15m)。
③电涌保护器的接地线规格应符合规范,并以最短的间隔在LPZ交界处就近接地(接地线一样平常应不大于50cm)。
(4)当古建筑物内部有大型金属构件或存放金属物体、金属设备;将电源线、旗子暗记线等引入古建筑物内时,应加强对雷击电磁感应的防护。
(5)防护方法应符合GB50057-94第3.3.7条的规定
(6)在建筑物电源的进线处(或配电箱内),安装符合Ⅱ级分类试验的电涌保护器。
(7)室外的安全监控摄像头,应在避雷针的保护范围内,金属外壳应接地,并与建筑物的防雷接地连接。其视频线、掌握线、电源线应安装电涌保护器。
(8)电话线在终端设备前应安装电涌保护器。
(9)在古建筑物内应设一个或多个等电位连接端子,将设备机壳、电源PE线、电涌保护器的接地线、较大的金属物,就近连接到端子或等电位连接线上,等电位连接端子必须与防雷接地连接。
(10)屏蔽方法
①外门窗安装金属纱窗、纱门或较密的金属保护网,并可靠接地。可减小雷击电磁感应的影响,同时又可防球形雷侵入;
②在室内的线缆,只管即便采取屏蔽电缆或穿金属管,屏蔽电缆外层或金属管两端接地。
4.防打仗电压
每条引下线,在地面以上1.8米加装绝缘套管,以防止打仗电压对职员的侵害。
5.防跨步电压
在地面下,环绕建筑物四周做闭合环形接地体,在该接地体包围的地面上电位基本均衡,防止了雷电流入地后产生的跨步电压对职员的侵害。引下线与接地体间的接地引线、接地体的敷设,要符合GB50057-94第4.3.5条的规定。
(二)第三类古建筑物的防雷方法
1.直击雷的防护
(1)接闪器一样平常采取避雷带和短避雷针。
(2)避雷带应沿古建筑物屋脊的轮廓波折,避雷带应赶过屋脊及其上的吻兽、塑像等20cm。避雷带外侧的保护范围,应按滚球法打算,当脊或檐不在保护范围时,应增加避雷带的高度。
(3)正脊上较突出的尖塔、塑像、宝顶等处安装短避雷针,避雷带的外口沿垂脊飞檐的走向安装短避雷针。
(4)金属宝顶其外金属层厚度大于4mm时,可做接闪器,但必须与避雷带连接。
(5)引下线应从正脊的两端、房屋外立面四角布设,均匀间距24米。但有些古建受外不雅观或地基的限定,很难达到哀求,可适当减少引下线的数量,加大引下线材料的直径。但一样平常不得少于1组,大型古建筑物不得少于2组。
(6)接地体的冲击接地电阻应不大于10Ω。
(7)安装避雷带的支持架间距不大于1米,支持架用U型卡固定在脊瓦上。
(8)建筑精美的牌坊,不易在其上安装避雷带,可在两侧安装避雷针。
(9)古树顶安装一支或多支短避雷针,引下线不要缠绕在树杆上,有条件的地方可缠绕树身周围做环形接地体。
2.防侧击的方法
(1)独立的古塔,塔身的上部应有防侧击的方法。一样平常在塔顶下三层外檐上安装避雷带,檐角加装短避雷针,并与该层的避雷带连接。
(2)具有二、三层檐的古建,除顶层装避雷带外,为防侧击,二、三层檐宜装避雷带。
(3)树木枝叶距古建3米以内时,树木应安装避雷针,其接地体与古建防直击雷的接地体连接。
3.防雷电波侵入的方法
(1)禁止架空线缆直接引入古建筑物,进入古建筑物的电源线、旗子暗记线应穿钢管埋地引入,其埋地长度不应小于15米。在低压电源架空电缆埋地前,应安装符合Ⅰ级分类试验的电涌保护器。旗子暗记线在室内进入设备端安装适配的旗子暗记电涌保护器。
(2)架空金属管道,在进入建筑物前,应与防雷接地相连。
4.防打仗电压
每条引下线,在地面以上1.8m加装绝缘套管.以防止打仗电压对职员的侵害。
5.防跨步电压
在地面下,环绕建筑物四周做闭合环行接地体,在该接地体包围的地面上电位基本均衡,防止了雷电流入地后产生的跨步电压对职员的侵害。引下线与接地体间的接地引线\接地体的敷设,要符合GB50057-94第4.3.5条的规定。
三、古建筑物防雷工程设计、施工中存在的难点1.古建筑物避雷针(带)引下线的间距,有时很难达到防雷规范的哀求。
2.许多古建筑物建在崇山峻岭之中,地表多为岩石,接地电阻很难达到规范哀求。
3.有些古建筑物的基座很高大,并附有很厚的石台阶环抱,做接地体和接地线很困难。
4.有些古建筑物年久失落修,砖瓦破碎,檐木糜烂很难在其上加装防雷装置。
5.最主要的是目前古建筑物防雷没有统一的标准。
与当代建筑物比较,大多古建筑物周围的地理环境、地质条件不理想,建筑物的形状构造也比较繁芜。因此,给古建筑物防雷装置的施工安装带来了一定的难度,防雷效果相对当代建筑物要差一些。
对建筑物做直击雷防护,须要敷设避雷针、避雷带、引下线和接地体。但这些物体的安装敷设,若不能与古建构造、形状奥妙地融为一体,将直接影响古建风貌和古建筑的艺术展现。对付屋面敷设避雷带,设计施工在符合防雷技能标准的条件下,应将避雷带设计成为古建筑屋面的轮廓线,选材应力求与屋面的色调同等。目前避雷带的支撑架常日利用U型卡固定在筒瓦和屋脊上,但因稳定程度和施工安装工艺问题,避雷带易倒伏,并对U型卡固定处的灰瓦易造身分歧程度的破坏。建议订定标准,设计对古建筑屋面不造成破坏的避雷针(带)固定方法。
四、结束语当代防雷技能强调的是全方位防护,综合管理、层层设防,把防雷看作一个别系工程。文物古建筑是国家主要和宝贵的的文化遗产,具有不可复原性,古建筑的防雷安全事情并非小事。因此,避雷举动步伐培植应是文物保护基本培植的项目。全社会都应该增强古建筑雷电磨难忧患意识,切实做好古文物建筑的防雷安全保护事情。