兴城古建筑物防雷技术设计探讨.pdf

收稿日期2008 - 04 - 21 ;修订日期2008 - 05 - 23。 作者简介万丽岩,女,1956年生,工程师,主要从事气象预报和业务管理工作。 兴城古建筑物防雷技术设计探讨 万丽岩1 邢宇航1 刘恩相2 李志江3 1 1 兴城市气象局,辽宁 兴城125100; 21 葫芦岛市气象局,辽宁 葫芦岛125000; 31 辽宁省防雷技术服务中心,辽宁 沈阳110016 摘 要从古建筑物易遭受雷击的结构特点和古建筑物防雷现存缺陷分析入手,探讨了兴城古建筑物防雷类别的确定、 古 建筑物外部和内部的防雷技术设计方法,提出了接闪器的布设、 引下线的布设和接地装置布设等技术参数,对侧击雷和球雷等 的防护提出了具体措施,针对兴城古城现状和雷击特性设计出较为完备的解决方案。 关键词古城;古建筑物;侧击雷;直击雷;防雷技术设计 中图分类号TU895 文献标识码A 文章编号1673 - 503X200803 - 0029 - 04 1 引言 兴城古城背倚辽西丘陵,南临渤海,雄踞辽西走 廊中部咽喉之地,是辽东地区通往中原的交通要道。 兴城古城是我国目前保存最完整的4座明代古城之 一,是唯一一座方形卫城,城墙周长3 274 m ,总面积 为664 104 m2,城墙设有东南西北4门,城中心设有 钟鼓楼,城门外筑有半圆形瓮城,城墙四角仍筑有炮 台,用来架设红夷大炮。兴城古城于2006年被列为 “全国重点文物保护单位” 、“国家AAAA级旅游区” 。 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。据考察, 兴城古城大部分古建筑物未得到有效的防雷保护或 防雷装置设施很不完善,亟待加强古城古建筑物的 防雷保护意识,使珍贵的古代建筑遗存免遭雷击毁 坏。若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技术与措施迫在 眉睫。 2 古建筑物易遭受雷击的结构特点 古建筑物结构、 用途、 性质及所建地理环境因与 一般建筑物不同,容易遭受雷击。表现在以下几个 方面 1古建筑物多数建在地势较高的山上,或建在 土壤电阻率有突变的山脚边,易被雷电侵袭。 2从结构上看,为了体现建筑的雄伟、 挺拔,古 建筑物都建有高耸的屋脊。而这些高耸的屋脊也为 带电云层放电创造了条件。 3多数古建筑物大殿正脊中部埋设金属宝盒, 有的建筑物屋顶内部还设有锡背。这些金属物,大 大增加了建筑物接闪放电的可能性。 4古建筑绝大多数为砖木结构,一旦遭受雷 击,极易引起木质构件燃烧。 3 古建筑物防雷现存缺陷 311 未设避雷保护设施 自1982年11月19日 中华人民共和国文物保 护法 颁布后,全国部分省、 市开始对古建筑物根据 其重要性陆续实施了防雷装置。但据统计,目前大 约还有三分之二的古建筑物仍未设防雷装置。 312 已有防雷设施未达防雷技术标准 目前,我国部分通过修建、 改建、 扩建的古建筑 物以及较高的宝塔类型建筑物多数已安装了防雷装 置。但从实际检测发现,这些古建筑物的防雷装置 还存在着不少缺陷。如接闪器大多采用 “苏式” 长 针,对易受雷击部分布设不到位;防雷引下线少;接 地引下线过长,独立垂直接地体数量少,接地装置位 置不适宜;无均压措施;无防球雷措施;室内外的电 气管线路及设备与防雷系统的距离不够等。一些单 位在设计防雷方案时,因对雷电气候环境影响缺乏 认识,降低了建筑物的防雷类别,从而降低了安全系 数。 313 防雷效果薄弱 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。 314 防雷装置设计不理想 古建筑物防雷装置设施的安装敷设与保护古建 筑原有风貌相矛盾,影响了防雷设施的安装与使用。 第24卷 第3期 2008年6月 气 象 与 环 境 学 报 JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENT Vol124 No13 June 2008 4 兴城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GB 50057942000版作为新、 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GB 50057942000版之中,确定古建筑物防雷类别, 是做好古建筑防雷工程设计和施工的基础。 按照GB5016592第51311条的规定,古建筑 物分为3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;第三类其他古建筑物。以上的古建筑分类如何 与防雷分类结合, GB 5016592第51314条第一款 作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 GB 5005794 ,2000版 , 建筑物的防雷分类应根据其重 要性、 使用性质和发生雷电事故的可能性及后果来 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GB 5005794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,极易起 火燃烧。因此,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。因此,兴城古城古建筑物应划为第 一类防雷建筑物,古建筑物内的电源线、 信号线等引 入内部,有大型金属构件、 金属物体和使用电子设备 时,应划为第二类防雷建筑物。 5 兴城古建筑物的防雷技术设计 根据IEC l0241和GB 50057942000版的 有关规定,建筑物防雷可分为内、 外部防雷,并按人、 物和设备对雷电灾害的感受强度不同可把建筑物 内、 外环境划分为LPZOA、LPZOB、LPZl、LPZn 1 等不同的防雷区图 1 。LPZOA为建筑物的外部防 雷保护区域,LPZOBLPZn 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。 511 古建筑物外部防雷 图1 防雷保护系统模型 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3部分组成。接闪器也称接 闪装置有3种形式避雷针、 避雷带和避雷网。它 位于建筑物的顶部,其作用是引雷或叫截获闪电,即 将雷电流引下。引下线上与接闪器连接,下与接地 装置连接,将接闪器截获的雷电流引至接地装置。 接地装置应位于地下一定深度,它的作用是使雷电 流顷刻流散到大地中去。 51111 接闪器的布设 为保持古建筑物的建筑艺术特点,接闪器宜采 用避雷带与短避雷针的组合形式,并应在敷有引下 线屋角的避雷带上焊接3050 cm的短避雷针,以 便有效接闪雷电泄流入地。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10 。 在兴城东、 西、 南、 北关城楼及魁星楼顶部宜采 用避雷短针。避雷针应采用圆钢制作,直径为12 mm ,针长为1 m;楼屋脊、 屋檐、 斜脊等部位敷设避雷 网带。针、 带结合方式将使古城建筑物达到防护直 击雷目的。避雷带和避雷网均应采用Φ10镀锌圆 钢。避雷带或避雷网支架间距为115 m ,支架高度为 150 mm。 51112 引下线的布设 防雷引下线根数少,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雷 电二次效应危害。因此,在布设引下线时,应尽量多 设几根,尽量利用建筑物的柱子和钢筋。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,在间距符合规范的前提下,尽可能多 设几根。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 “软连接” 的弧形弯曲。在引下线距地面118 013 m处应有良好的保护覆盖物,避免与游客接触产 03气 象 与 环 境 学 报第24卷 生接触电压危害。引下线要求采用圆钢,直径不小 于8 mm。 51113 接地装置布设 古建筑物接地装置的布设应根据其用途、 性质、 地理环境和游客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采用均压 措施。对宽度较窄的古建筑物可采用水平周圈式接 地装置,并设计出接地装置与地下管线路的安全距 离。若达不到规范要求的一律连接成一体,构成均 压接地网。这样可以使到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游客的危害,也可 以减小室内在被雷击时由于地面电位梯度大而容易 产生的反击高压危害。另外,为降低雷电跨步电压 对游客的危害,当接地体距建筑物出入口或人行道 小于3 m时,接地体局部应埋深1 m以下,若深埋有 困难,则应敷设5080 mm厚的沥青层,其宽度应超 过接地体2 m。 埋于土壤中的人工垂直接地体采用直径为 40 mm的镀锌钢管,长度为215 m ,钢管壁厚不应小 于315 mm。埋于土壤中的人工水平接地体采用镀 锌扁钢,扁钢截面积不应小于100 mm2,其厚度不应 小于4 mm。人工垂直接地体间的距离及人工水平 接地体间的距离宜为5 m ,当受地方限制时可适当减 小。 51114 防侧击雷和球雷设计 古建筑物防侧击雷,要根据所建地地理位置来 决定。对于建在城区里的建筑物一般不需要设防侧 击雷。对建在海拔较高的古建筑物应根据实际情况 确定,确实需要的可以每隔6 m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,最低要求是将建筑物 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,要设计好树木与建筑物的安全距离。 512 古建筑物内部防雷设计 内部防雷装置的作用是减少建筑物内的雷电流 和所产生的电磁效应以及防止反击、 接触电压、 跨步 电压等二次雷害。除外部防雷装置外,所有为达到 此目的所采用的设施、 手段和措施均为内部防雷装 置,它包括等电位连接设施物、 屏蔽设施、 加装的 避雷器以及合理布线和良好接地等措施。 古城内的仿古建筑物内要增设消防广播、 防盗 报警和监视系统等。这些弱电电气系统对雷电虽没 有计算机电子信息系统那样 “敏感”,但一旦受雷其 危害也是很大的。因此,随着人类科技的发展,古建 筑物、 仿古建筑物的内部防雷也显得非常重要。措 施如下 1将从LPZOA区进入LPZl区各类金属管包括 铠装电缆的金属外皮在LPZOA与LPZl交界处就近 与防雷地或建筑基础地作等电位进行连接,可使沿 各类金属管和电缆侵入的雷电涌泄流人地。 2将从LPZOB区进入LPZl区各类天馈线路在 LPZOB与LPZl交界处串接相应的天馈电涌保护器 SPD ;将从LPZOA区进入LPZl区的各类通信、 数 据信号线路在LPZOA与LPZl交界处串接相应的信 号SPD ;将从LPZOA区进入LPZl区的电源线路在 LPZOA与LPZl交界处并接相应的电源SPD。 在进行上述SPD的配置和施工时,应注意以下 几方面 SPD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,SPD还应与其相应的能量承受 能力相一致;在天馈、 通信、 数据等信号线路上一般 采用一至二级SPD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SPD保,但每级之间应有 一定的间距根据选择SPD类型不同,间距应不小于 515 m ;SPD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50 cm。 3雷击电磁脉冲干扰LEMP对信息系统的危 害是很大的,为此对设有弱电电气设备的古建筑物 来说也应该采取防LEMP措施。LEMP主要指雷击 时从三维空间侵入到建筑物内的雷电磁场辐射干扰 和通过各类传输导体侵入到建筑物内的感应过电 压、 过电流。可见,对LEMP的防止,除需采取建筑 物内部防雷措施外,还应预防从三维空间侵入的雷 电磁场辐射的干扰。预防雷电磁场干扰的方法在 建筑物的LPZ0区与LPZl区之间设置一个金属屏蔽 接地笼。在实际操作中,现代仿古建筑物可以利用 建筑物内的钢筋做成法拉第笼式避雷网,对砖木结 构的古建筑物可以利用防直击雷的接闪器、 引下线 和接地体做成法拉第笼,接闪器网格、 引下线间距应 尽可能设置得密一些。经屏蔽措施后,绝大部分的 LEMP被衰减。针对特别重要的设备,可将其置放 在作为后续防雷区的屏蔽室内,以确保设备安全。 513 建立定期防雷检测制度 为了更好地做好古文物建筑的防雷安全保护工 作,应建立定期检测制度。一般来说,每年至少应对 13第3期万丽岩等兴城古建筑物防雷技术设计探讨 古建筑物检修2次,以便发现问题及时整改,并防人 为和非人为因素破坏。 6 结论与讨论 现代防雷技术强调的是全方位防护,综合治理、 层层设防,将防雷看作一个系统工程。国家文物是 国家重要的人文旅游资源和珍贵文化遗产,具有不 可复原性,古建筑的防雷安全工作并非小事。因此, 各级政府应当因地制宜,将避雷设施建设纳入文物 保护基本建设和维修项目中,加大经费投入。各级 文物管理部门应当增强雷电灾害忧患意识,切实做 好古文物建筑的防雷安全保护工作。 1近年来,气象灾害越来越来越严重,因雷击 造成的损失也呈上升趋势,因此防雷技术措施尤其 是古建筑物的防雷技术设计也变得越来越重要。 2通过对兴城古城增设避雷短针和避雷网带 的防雷方式,组成了一个完整的高效的防雷体系,保 证了兴城古城少受或免受雷电的破坏。 3在对古建筑物进行防雷施工时,尤其要注意 的是尽最大可能降低对文物的损害和影响,保证古 建筑物的原有风貌。 4防雷是一个系统工程,防雷装置特别强调其 可靠性,必须加强对防雷装置的检测工作[8]。因此, 防雷施工完毕后,按规定应定期对古城防雷设备进 行安全检测是十分必要的。 参考文献 [1] 关象石,李银生,王凤山,等.古建筑物木结构维护与加 固技术规范GB 5016592[ S].北京中国气象出版 社,2001 104 - 106. 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Discussion on thunder prevention design in Xingcheng,Liaoning province WAN Li2yan1 XING Yu2hang1 LIU En2xiang2 LI Zhi2jiang3 1 1Xingcheng Meteorological Bureau ,Xingcheng 125100 ,China ; 21Huludao Meteorological Bureau ,Huludao 125000 ,China ; 31Liaoning Thunder Prevention Technology Center ,Shenyang 110016 ,China Abstract The ancient architectures were often suffered by thunder strike because of their special structure fea2 tures.Based on the structure features and thunder prevention deficiency of ancient architectures ,the categories and the design plans of thunder prevention in the ancient architectures were discussed in Xingcheng , Liaoning province. The set of technical parameters including arrester and down lead as well as ground connection was brought forward. And the strategy to prevent the side strike thunder and ball thunder was put forward. The opti2 mal plan was discussed in terms of the current status of ancient town and thunder strike characteristics. Key words Ancient town ;Ancient architecture ;Side stroke thunder ;Direct stroke thunder ; Thunder prevention design 23气 象 与 环 境 学 报第24卷