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古建築的防雷技術標準

文章來源:admin    時間:2016-09-21 05-30-34

古建築一般是指古人遺留下來的具有較長曆史年代的寺、廟、殿、樓、塔等建築,它是研究古代社會政治經濟、文化藝術、宗教信仰的曆史資料,也是人類文化遺產的瑰寶。由於古建築多為木結構,火災荷載較大,一旦遭雷擊起火,火勢易蔓延,可能造成難以挽回的損失。而我國現存古建築的防雷還存在許多問題,比如防雷引下線少,不易采取均衡電位措施,沒有防球雷措施等。因此筆者撰文介紹幾種常見的防雷技術,希望對古建築防雷工作有所啟示。

  一、古建築易遭雷擊的原因和規律

  1. 古建築易遭雷擊的原因

  一般雷擊類型可分為直擊雷、感應雷、雷電波侵入和球雷四種。對古建築危害較大的主要是直擊雷和球雷。而要產生雷擊,首先必須有足夠的電量積累,達到一定的強度,擊穿絕緣空氣,形成電流通道;其次要有突出的物體造成其周圍電場突變,感應出異號電荷。古建築多為木結構,木材經過千百年變得十分幹燥,在雨天潮濕,電阻率變小,並且內部年久積滿灰塵,易積蓄淨電,帶有電荷容易引來雷電流。還有很多古建築建於高山上,本身地勢較高,且位置突出,更容易遭受雷擊;同時有些古建築內高大樹木較多,也容易引雷殃及古建築。

  2. 古建築的雷擊規律

  雷擊規律的影響因素。大量雷害事故統計資料和試驗研究證明,雷擊的地點和建築物遭受雷擊的部位是有一定規律的,這些規律稱為雷擊規律。地麵上建築物的性質、形狀,以及建築物的結構、內部設備情況對雷擊的選擇都會產生影響。當雷電先驅發展到離地麵不遠的空中時,地麵上的電場不斷增強,在高大建築物的尖頂和邊緣上場強最大,構成雷電發展的良好條件。雷電先驅就自然被吸引到這些地方,因此高大建築物就容易遭雷擊。

  A、地點上的規律。雷害事故表明,多數雷擊發生在靠近河湖池沼和潮濕地區,其次是大樹、旗杆、杉槁,球雷占8%.

  B、雷擊部位上的規律。古建築易受雷擊的部位多為屋角獸頭、房脊和梁柱以及豐寶銅頂。北京十三陵長陵的棱恩殿、鼓樓、故宮的承乾殿皆因獸頭、屋脊被雷擊起火,也恰恰說明了這一規律。故此在防雷時應加以防範。

  二、古建築防雷技術

  隨著科技大發展,人們對雷電知識的了解逐步深入,防雷技術也不斷更新,但主要有以下7種:避雷針防雷法、法拉第籠式防雷法、滾球防雷法、E·F避雷保護係統、消雷器防護法、避雷設施保護法、人工影響雷電防雷法。幾種方法各有側重,對古建築較為適用的是避雷針防雷法。

  1. 避雷針係統

  防雷原理及使用範圍

  A、防雷原理。避雷針防雷法是利用避雷針高出被保護物的高度,使雷雲下的電場發生畸變,從而將雷電流吸引到避雷針上,通過引下線和接地裝置導入大地,使被保護對象免遭雷電直擊。也就是說其實質並不是避雷,而是引雷。

  B、適用範圍。避雷針係統主要用於防直擊雷,這一係統的接閃器有很多,如:避雷針、避雷線、避雷網、帶等。由於古建築防雷設置不僅要具有實效性,同時要盡量保持其原有風貌,所以多用避雷帶、網作為古建築防雷的接閃器。

  2. 避雷針係統的局限性

  A、保護範圍不穩定。避雷針保護範圍是一個傘形或屋脊形保護區,其張開角度受到接閃器設置高度、雷電強度等多種參數的影響,有的采用30,有的采用60,盡管關於保護角的計算公式很多,但如何確定一直是富蘭克林防雷理論的最大困擾所在。

  B、反擊問題。當雷擊避雷針或避雷帶時,由於引下線的阻抗,對地電壓可達到相當高的數值,以至於可能造成接閃器及引下線向周圍設備跳火反擊。避雷針係統還存在著感應電壓的危害,以及接觸電壓和跨步電壓等問題,但其對古建築危害不大,在此不作詳細討論。

  3. 球雷的預防

  A、球雷概述。球雷很久以來就引起了人們的注意,根據球雷現象規律和許多球雷案例剖析及模仿實驗表明:球雷是空中帶靜電荷氣霧層運動相互作用放電電離的結果。其本質是一個由高速旋轉電子封閉的等離子球體,之所以能形成球體,主要是空氣中氣霧層電離產生強電場和高頻電磁振蕩,產生一團漩渦狀等離子體的緣故。漩渦體的存在或消失,取決於其內部的電磁平衡和能量補充。球雷是一個複雜的電荷係統,球體本身好似法拉第籠,對外不呈現電性,普通避雷針、網、帶對其不起作用,並能從網、帶孔洞縫隙中自由出入。故此,目前還沒有同它鬥爭的較為有效、可靠的辦法。

  B、球雷的基本預防措施。由於球雷的難預防性,防護球雷的最好方法是采用屏蔽。對於一般的建築(鋼筋混凝土),可將門窗加上金屬紗網與全部鋼筋連成一片,構成一個籠式防雷網,可以防止球雷侵入。但對古建築這樣做是很困難的。對重要的古建築應當做金屬紗窗和金屬紗門,將它可靠接地;對次要的古建築,如不能補加金屬紗門窗,應注意在雷雨天緊閉門窗,力爭達到全封閉狀態,以防球雷的侵入,但不可用紙裱糊門窗。

  三、避雷設施的安裝與管理

  1. 安裝及注意事項

  接閃器。接閃器一般可分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網等,針對古建築則主要有這樣幾種形式:A、避雷針是經常置於古建築屋頂的,通常采用雙支接閃器,置於大吻內自箭把伸出。此種做法美觀但費時,一般置於大吻的一側,用鐵卡子卡牢,然後與導線焊接牢固,固定的長度為針長的三分之一左右。B、采用避雷帶時,按大吻的輪廓用避雷線繞一圈,須離開構件10~375px ,用鐵卡子卡牢。但保護範圍不包括簷頭時,避雷線應順脊延續至翼角至簷頭,並將垂獸、戧獸、翼角的小獸等都包括在內。C、有銅寶頂的建築物,如果其範圍夠用時,可利用銅寶頂做接閃器,僅將倒替焊接在最上麵銅塊上即可。

  導線(引下線)導線安裝分為明、暗兩種,對古建築而言,應采用明線,易於檢查施工。導線一般應垂直引下,但古建築輪廓複雜,事實上不可能做到。當引下線沿古建築輪廓彎曲時,應保證其彎曲段開口部分的直線距離,不小於彎曲段全長的十分之一,並避免彎折成直角或銳角。古建築的導線安裝應自上而下,先與接閃器焊接,至簷頭鬥拱部位,預先在瓦頂上打一個直徑10 cm的圓洞,套在磁管內,將導線穿洞而下。

  接地體。接地體應選擇安裝在土壤電阻率較低的地方,同時應考慮在行人較少的地方,以避免或減少跨步電壓的危害。距離建築物的台基不小於300 cm,埋深深度在100 cm以上。地極的形狀有閉合形、一字形、放射形,閉合形又分為方形、三角形、圓形。AG隻為非同凡享一般采用閉合方形或一字形。方形地極用鍍鋅鐵管4根,每角1根,管距不小於250 cm;一字形用管3~4根排列成一字形。安裝時,管子打入地內,上露50 cm以便與導線連接,導線引至地極自作一彎與第一根管子接上,用卡子卡緊焊牢,同樣將第二、三、四根與導線焊接。

  2. 維護檢查

  為了使建築物的防雷裝置有可靠的保護效果,不僅要有合理的設計和正確的施工,還要注意經常維護檢查。維護檢查分為定期檢查和臨時檢查。一般檢查事項有如下幾條:是否由於修繕古建築和建築物本身變形引起防雷裝置的保護情況發生變化;檢查有無因挖土方,敷設其他管線或種植樹木而挖斷接地裝置;檢查各處明裝導體有無因鏽蝕或機械力的損傷而折斷的情況;檢查接閃器有無因接受雷擊而熔斷或折斷的情況;檢查引下線的絕緣保護處理有無破壞;檢查斷接卡子有無接觸不良情況;檢查木結構接閃器支架有無腐朽現象;檢查接地裝置周圍的土壤有無沉陷情況;測量全部接地裝置的流散電阻。

  四、古建築中高大樹木的防雷

  很多古建築中都有不少高大樹木,這些樹木可能遭受直擊雷或引下球雷,對古建築造成破壞,因此應注意采取以下措施:

  A、在樹頂安裝避雷針,沿樹幹敷設引下線,下部埋設接地裝置;B、枯朽樹木的洞穴應用灰膏封堵嚴密,防止積水,導致樹木接閃;C、樹木本身或根部不得纏繞鋼筋,並不得在樹下堆放大量金屬物體;D、古建築周圍栽種樹木時,樹幹應距建築物不應小於5米,樹冠不應小於3米。

  以上是對古建築防雷技術的初步探討,可以看到防雷技術存在很大的缺陷,避雷針係統雖然經過安裝設計上的調整,但仍存在不妥之處。相信隨著對雷電認識的逐步加深,還會出現更完善、有效的防雷技術,能夠更好地保護古建築。

 

 

 

    一、關於古建築物防雷類別的確定

  目前普遍將國家防雷標準《建築物防雷設計規範》(GB50057-94,2000版)作為新、改、擴建建築物防雷標準執行。如何根據古建築物的特殊結構和對防雷的要求,將古建築物防雷標準納入到GB50057-94之中,確定古建築物防雷類別,是做好古建築防雷工程設計、施工的基礎。

  按GB50165-92第5.3.1條的規定,古建築物分為三類:

  第一類:國家級重點文物保護單位的古建築物;

  第二類:省級重點文物保護單位的古建築物;

  第三類:其它古建築物。

  以上的古建築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定:防雷裝置的選擇與構造要求,對第一類古建築,應專門研究,對第二類古建築,應按第一類民用建築考慮,對第三類古建築,應按第二類民用建築考慮。

  根據國家現行建築物防雷設計規範(GB50057-94,2000版),建築物的防雷分類根據其重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和後果來確定。國家級重點文物保護單位的古建築物根據其大小至少應劃為二類以上防雷建築物。

  在GB50057-94中,第一類防雷建築物是指有爆炸危險,因電火花而引起爆炸,會造成巨大損失和人身傷亡者。但古建築屋架大多為木結構,亟易起火燃燒,在第一類古建築物中屬於“國寶”級的和列入聯合國世界人類文化遺產的大型古建築群應參照第一類防雷建築物標準進行防護。因為這些古建築物一旦遭雷擊焚毀,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的莫大損失,所以第一類古建築物上述部分應劃入第一類防雷建築物重點保護,第一類古建築物其餘部分及第二類古建築物應劃為第二類防雷建築物。第三類古建築物中,當古建築物有電源線、信號線等引入內部,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築物。除此之外的第三類古建築物可劃為第三類防雷建築物。

    二、古建築物的防雷措施

  根據IECl024-1和GB50057-94(2000版)的有關規定,建築物防雷可分為內、外部防雷,並按人、物和設備對雷電災害的感受強度不同可把建築物內、外環境劃分為LPZ0A、LPZ0B、LPZl、LPZn+1等不同的防雷區。LPZ0A為建築物的外部防雷保護區域,LPZ0B~LPZn+1為建築物內部防雷保護區域。古建築物的防雷設計必須將外部防雷裝置和內部防雷裝置作為整體統一考慮。

  按照《古建築木結構維護與加固技術規範》GB50165-92第5.3.3條的規定,古建築物裝設防雷裝置,應符合下列要求:

  1.應有防直擊雷和防雷擊電磁脈衝的裝置;

2.應考慮雷擊時所產生的接觸電壓、跨步電壓和各種架空線路引來的危害;

 3.若建築物內部有大型金屬構件或存放有金屬物體、金屬設備,尚應考慮雷擊電磁感應的影響。

第三類古建築物的防雷措施

  1.直擊雷的防護

  (1)接閃器一般采用避雷帶和短避雷針。

  (2)避雷帶應沿古建築物屋脊的輪廓彎曲,避雷帶應高出屋脊及其上的吻獸、塑像等500px。避雷帶外側的保護範圍,應按滾球法計算,當脊或簷不在保護範圍時,應增加避雷帶的高度。

  (3)正脊上較突出的尖塔、塑像、寶頂等處安裝短避雷針,避雷帶的外口沿垂脊飛簷的走向安裝短避雷針。

  (4)金屬寶頂其外金屬層厚度大於4mm時,可做接閃器,但必須與避雷帶連接。

  (5)引下線應從正脊的兩端、房屋外立麵四角布設,平均間距24米。但有些古建受外觀或地基的限製,很難達到要求,可適當減少引下線的數量,加大引下線材料的直徑。但一般不得少於1組,大型古建築物不得少於2組。

  (6)接地體的衝擊接地電阻應不大於10Ω。

  (7)安裝避雷帶的支持架間距不大於1米,支持架用U型卡固定在脊瓦上。

  (8)建築精美的牌坊,不易在其上安裝避雷帶,可在兩側安裝避雷針。

  (9)古樹頂安裝一支或多支短避雷針,引下線不要纏繞在樹杆上,有條件的地方可纏繞樹身周圍做環形接地體。

  2.防側擊的措施

  (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簷上安裝避雷帶,簷角加裝短避雷針,並與該層的避雷帶連接。

  (2)具有二、三層簷的古建,除頂層裝避雷帶外,為防側擊,二、三層簷宜裝避雷帶。

  (3)樹木枝葉距古建3米以內時,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.防雷電波侵入的措施

  (1)禁止架空線纜直接引入古建築物,進入古建築物的電源線、信號線應穿鋼管埋地引入,其埋地長度不應小於15米。在低壓電源架空電纜埋地前,應安裝符合Ⅰ級分類試驗的電湧保護器。信號線在室內進入設備端安裝適配的信號電湧保護器。

  (2)架空金屬管道,在進入建築物前,應與防雷接地相連。

  4.防接觸電壓

  每條引下線,在地麵以上1.8m加裝絕緣套管.以防止接觸電壓對人員的傷害。

  5.防跨步電壓

  在地麵下,圍繞建築物四周做閉合環行接地體,在該接地體包圍的地麵上電位基本均衡,防止了雷電流入地後產生的跨步電壓對人員的傷害。引下線與接地體間的接地引線\接地體的敷設,要符合GB50057-94第4.3.5條的規定。

    三、古建築物防雷工程設計、施工中存在的難點

  1.古建築物避雷針(帶)引下線的間距,有時很難達到防雷規範的要求。

  2.許多古建築物建在崇山峻嶺之中,地表多為岩石,接地電阻很難達到規範要求。

  3.有些古建築物的基座很高大,並附有很厚的石台階環繞,做接地體和接地線很困難。

  4.有些古建築物年久失修,磚瓦破碎,簷木腐爛很難在其上加裝防雷裝置。

  5.最重要的是目前古建築物防雷沒有統一的標準。

  與現代建築物相比,大多古建築物周圍的地理環境、地質條件不理想,建築物的外形結構也比較複雜。因此,給古建築物防雷裝置的施工安裝帶來了一定的難度,防雷效果相對現代建築物要差一些。

  對建築物做直擊雷防護,需要敷設避雷針、避雷帶、引下線和接地體。但這些物體的安裝敷設,若不能與古建結構、形狀巧妙地融為一體,將直接影響古建風貌和古建築的藝術展現。對於屋麵敷設避雷帶,設計施工在符合防雷技術標準的前提下,應將避雷帶設計成為古建築屋麵的輪廓線,選材應力求與屋麵的色調一致。目前避雷帶的支撐架通常使用U型卡固定在筒瓦和屋脊上,但因牢固程度和施工安裝工藝問題,避雷帶易倒伏,並對U型卡固定處的灰瓦易造成不同程度的損壞。建議製訂標準,設計對古建築屋麵不造成損壞的避雷針(帶)固定方法。

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