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文物保护与古建筑物防雷措施探讨

2022-08-11 08:13:44771771威尼斯.cmApp

 中国的古代建筑遗存是几千年中国古老文明的宝贵遗产,由于战乱和人为破坏,仅存的文物古迹弥足珍贵。中国的古建筑物以其独特的结构、无法估量的历史价值而在中华民族悠久的发展史上占有特殊的地位。其承载的建筑思想、建筑美学和营造法式贯穿于秦汉以至明清两千余年,值得我们继承和发扬光大。因此,保护古代建筑遗存的重要性就显得尤为突出,尤其是古建筑物的防雷保护。

千百年来古建筑物遭雷击,或因雷电起火被焚毁的事件不胜枚举。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起火,延至三殿,一时具烬,20年后,天启四年才重建完工。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,遭雷击起火,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火灾,经消防人员奋力扑救,大殿才免遭劫难,但仍有部分建筑被毁坏。

现代建筑防雷技术和技法,是建立在西洋式的建筑形式和现代建筑结构基础上的。依据建筑物防雷原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,这需要文物界、建筑界和防雷界共同努力,制定适合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,以其用途、规制、等级区分,外形上总体有庑殿式、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,以致多檐。除石坊、砖塔外,屋架主要为木结构,梁、柱、斗、拱、檩、椽、窗、扉均为木材制作。

雷电灾害是文物古建筑遭受破坏的主要自然灾害,雷击除直接击毁古代建筑物构件外,还因为中国传统古建筑物大多为木结构,雷击将直接导致古建筑物起火,这将使古建筑大面积遭受损毁。据了解,目前大部分古建筑物未得到有效的防雷保护或防雷装置设施不完善,亟待在全社会加强古建筑物的防雷保护意识,使珍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。所以建立和完善古建筑物的防雷击措施迫在眉睫。

现就我们所接触过的古建筑物防雷工程设计和施工,谈一些体会。

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》(GB50057-2010)作为新、改、扩建建筑物防雷标准执行。如何根据古建筑物的特殊结构和对防雷的要求,将古建筑物防雷标准纳入到GB50057-2010之中,确定古建筑物防雷类别,是做好古建筑防雷工程设计、施工的基础。

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:防雷装置的选择与构造要求,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(GB50057-2010版),建筑物的防雷分类根据其重要性、使用性质、发生雷电事故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GB50057-2010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,会造成巨大损失和人身伤亡者。但古建筑屋架大多为木结构,亟易起火燃烧,在第一类古建筑物中属于“国宝”级的和列入联合国世界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。因为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损失,同时也是人类文化遗产的莫大损失,所以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,第一类古建筑物其余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、信号线等引入内部,有大型金属构件、金属物体、使用电子设备时,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、古建筑物的防雷措施

  根据IECl024-1和GB50057-2010的有关规定,建筑物防雷可分为内、外部防雷,并按人、物和设备对雷电灾害的感受强度不同可把建筑物内、外环境划分为LPZ0A、LPZ0B、LPZl、LPZn+1等不同的防雷区。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《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB50165-92第5.3.3条的规定,古建筑物装设防雷装置,应符合下列要求:

  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接触电压、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措施

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,其作用是引雷,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,它的作用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,它的作用是使雷电流顷刻流散到大地中去

  古建筑物的直击雷防护,除满足GB50057-2010的要求外,还应满足下列要求:

  (1)接闪器应采用避雷带和短避雷针。

  为保持古建筑物原貌和艺术特点,接闪器宜采用避雷带与短避雷针(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左右的短避雷针,以便有效接闪泄流人地。根据雷击规律,避雷带应沿塔的正脊、吻兽、屋顶檐部、斜脊、垂兽和高出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,在敷设避雷带时应尽量避免直、锐角弯曲,应采用圆弧形弯曲,其引下弯曲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弯曲,避雷带应高出正脊、斜脊、屋檐瓦当的高度,以及其上的吻兽、法轮宝顶和斜脊下端的垂兽等20cm。避雷带外侧的保护范围,应按滚球法计算,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,精细加工,安装工艺要求精良,市防雷设施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心位置,不破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,平均间距18米,须尽可能对称隐蔽安装。古建筑物正面为安全及美观起见不宜设引下线,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。引下线一般不得少于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,容易产生雷电反击和二次危害。因此,在布设引下线时应按规范要求敷设。但古建筑物多为砖木结构,故只能采用明敷。敷设时应注意引下线要对称。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。引下线弯曲应采用弧形弯曲。在引下线距地面1.8~0.3m处应有良好的保护覆盖物,避免与人员接触产生触电危险。

  (6)古建筑物接地装置的布设应根据其用途、性质、地理环境和人员多少等情况来选择结构方式和位置。对重要的游客集中的古建筑物内部应做均压措施。对宽度较窄的古建筑物可采用水平周圈式接地装置,并注意接地装置与地下管线的安全距离。若达不到规范要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人员的危害,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。另外,为降低雷电跨步电压对人员的危害,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,保护对象是古建筑物和游人,敌楼防直击雷可采用周圈安装避雷带,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.防侧击的措施

  古建筑物防侧击雷,要根据所在地地理位置来决定。对于周围空旷,或建在山区的古建筑物应根据实际情况确定,确实需要的可以每隔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。防球雷的最好措施是安装金属屏蔽网并可靠接地,最低要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,还应注意附近高大树木引来的球雷,要考虑树木与建筑物的安全距离。

  (1)独立的古塔,塔身的上部应有防侧击的措施。一般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措施

  (1)禁止架空线缆直接引入建筑物,进入建筑物的电源线、信号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。信号线在室内进入设备端安装适配的信号电涌保护器。

  (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

  内部防雷装置的作用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、接触电压、跨步电压等二次雷害。除外部防雷装置外,为达到此目的所采用的设施均为内部防雷装置,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措施。

  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重要。具体措施如下:

  ①把从LPZ0A区进入LPZI区各类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基础地作等电位连接,使沿各类金属管和电缆侵入的雷电泄流人地。

  ②把从LPZ0B区进入LPZl区各类天馈线路在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区的各类通讯、数据信号线路在LPZ0A与LPZl交界处串接相应的信号电涌保护器;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、施工应注意以下几方面:

  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允许的最大电涌电压协调一致;电涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。

  ②在天馈、通讯、数据等信号线路上一般采用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重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,并以最短的距离在LPZ交界处就近接地(接地线一般应不大于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、信号线等引入古建筑物内时,应加强对雷击电磁感应的防护。

  (5)防护措施应符合GB50057-2010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、控制线、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)屏蔽措施

  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,尽量采用屏蔽电缆或穿金属管,屏蔽电缆外层或金属管两端接地。

4.防接触电压

  每条引下线,在地面以上1.8米加装绝缘套管,以防止接触电压对人员的伤害。

5.防跨步电压

  在地面下,围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人员的伤害。引下线与接地体间的接地引线、接地体的敷设,要符合GB50057-2010第4.3.5条的规定。

  (二)第三类古建筑物的防雷措施

1.直击雷的防护

  (1)接闪器一般采用避雷带和短避雷针。

  (2)避雷带应沿古建筑物屋脊的轮廓弯曲,避雷带应高出屋脊及其上的吻兽、塑像等20cm。避雷带外侧的保护范围,应按滚球法计算,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,平均间距24米。但有些古建受外观或地基的限制,很难达到要求,可适当减少引下线的数量,加大引下线材料的直径。但一般不得少于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.防侧击的措施

  (1)独立的古塔,塔身的上部应有防侧击的措施。一般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.防雷电波侵入的措施

  (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、信号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。信号线在室内进入设备端安装适配的信号电涌保护器。

  (2)架空金属管道,在进入建筑物前,应与防雷接地相连。

4.防接触电压

  每条引下线,在地面以上1.8m加装绝缘套管.以防止接触电压对人员的伤害。

5.防跨步电压

  在地面下,围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人员的伤害。引下线与接地体间的接地引线接地体的敷设,要符合GB50057-2010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要求。

  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要求。

  3.有些古建筑物的基座很高大,并附有很厚的石台阶环绕,做接地体和接地线很困难。

  4.有些古建筑物年久失修,砖瓦破碎,檐木腐烂很难在其上加装防雷装置。

  5.最重要的是目前古建筑物防雷没有统一的标准。

  与现代建筑物相比,大多古建筑物周围的地理环境、地质条件不理想,建筑物的外形结构也比较复杂。因此,给古建筑物防雷装置的施工安装带来了一定的难度,防雷效果相对现代建筑物要差一些。

  对建筑物做直击雷防护,需要敷设避雷针、避雷带、引下线和接地体。但这些物体的安装敷设,若不能与古建结构、形状巧妙地融为一体,将直接影响古建风貌和古建筑的艺术展现。对于屋面敷设避雷带,设计施工在符合防雷技术标准的前提下,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一致。目前避雷带的支撑架通常使用U型卡固定在筒瓦和屋脊上,但因牢固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成不同程度的损坏。建议制订标准,设计对古建筑屋面不造成损坏的避雷针(带)固定方法。

四、结束语

  现代防雷技术强调的是全方位防护,综合治理、层层设防,把防雷看作一个系统工程。文物古建筑是国家重要和珍贵的的文化遗产,具有不可复原性,古建筑的防雷安全工作并非小事。因此,避雷设施建设应是文物保护基本建设的项目。全社会都应当增强古建筑雷电灾害忧患意识,切实做好古文物建筑的防雷安全保护工作。


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