淺談古建筑的防雷技術

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

古建筑一般是指古人遺留下來的具有較長歷史年代的寺、廟、殿、樓、塔等建筑，它是研究古代社會政治經(jīng)濟、文化藝術、宗教信仰的歷史資料，也是人類文化遺產(chǎn)的瑰寶。由于古建筑多為木結構，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(xiàn)存古建筑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，希望對古建筑防雷工作有所啟示。

　　一、古建筑易遭雷擊的原因和規(guī)律

　　1. 古建筑易遭雷擊的原因

　　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。對古建筑危害較大的主要是直擊雷和球雷。而要產(chǎn)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。古建筑多為木結構，木材經(jīng)過千百年變得十分干燥，在雨天潮濕，電阻率變小，并且內(nèi)部年久積滿灰塵，易積蓄凈電，帶有電荷容易引來雷電流。還有很多古建筑建于高山上，本身地勢較高，且位置突出，更容易遭受雷擊；同時有些古建筑內(nèi)高大樹木較多，也容易引雷殃及古建筑。

　　2. 古建筑的雷擊規(guī)律

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

　　A、地點上的規(guī)律。雷害事故表明，多數(shù)雷擊發(fā)生在靠近河湖池沼和潮濕地區(qū)，其次是大樹、旗桿、杉槁，球雷占8%.

　　B、雷擊部位上的規(guī)律。古建筑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(guī)律。故此在防雷時應加以防范。

　　二、古建筑防雷技術

　　隨著科技大發(fā)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避雷保護系統(tǒng)、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，對古建筑較為適用的是避雷針防雷法。

　　1. 避雷針系統(tǒng)

　　防雷原理及使用范圍

　　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，使雷云下的電場發(fā)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。也就是說其實質并不是避雷，而是引雷。

　　B、適用范圍。避雷針系統(tǒng)主要用于防直擊雷，這一系統(tǒng)的接閃器有很多，如：避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、帶等。由于古建筑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(wǎng)作為古建筑防雷的接閃器。

　　2. 避雷針系統(tǒng)的局限性

　　A、保護范圍不穩(wěn)定。避雷針保護范圍是一個傘形或屋脊形保護區(qū)，其張開角度受到接閃器設置高度、雷電強度等多種參數(shù)的影響，有的采用30，有的采用60，盡管關于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，由于引下線的阻抗，對地電壓可達到相當高的數(shù)值，以至于可能造成接閃器及引下線向周圍設備跳火反擊。避雷針系統(tǒng)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，但其對古建筑危害不大，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(jù)球雷現(xiàn)象規(guī)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(chǎn)生強電場和高頻電磁振蕩，產(chǎn)生一團漩渦狀等離子體的緣故。漩渦體的存在或消失，取決于其內(nèi)部的電磁平衡和能量補充。球雷是一個復雜的電荷系統(tǒng)，球體本身好似法拉第籠，對外不呈現(xiàn)電性，普通避雷針、網(wǎng)、帶對其不起作用，并能從網(wǎng)、帶孔洞縫隙中自由出入。故此，目前還沒有同它斗爭的較為有效、可靠的辦法。

　　B、球雷的基本預防措施。由于球雷的難預防性，防護球雷的最好方法是采用屏蔽。對于一般的建筑（鋼筋混凝土），可將門窗加上金屬紗網(wǎng)與全部鋼筋連成一片，構成一個籠式防雷網(wǎng)，可以防止球雷侵入。但對古建筑這樣做是很困難的。對重要的古建筑應當做金屬紗窗和金屬紗門，將它可靠接地；對次要的古建筑，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(tài)，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(wǎng)等，針對古建筑則主要有這樣幾種形式：A、避雷針是經(jīng)常置于古建筑屋頂?shù)?，通常采用雙支接閃器，置于大吻內(nèi)自箭把伸出。此種做法美觀但費時，一般置于大吻的一側，用鐵卡子卡牢，然后與導線焊接牢固，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10~15cm ，用鐵卡子卡牢。但保護范圍不包括檐頭時，避雷線應順脊延續(xù)至翼角至檐頭，并將垂獸、戧獸、翼角的小獸等都包括在內(nèi)。C、有銅寶頂?shù)慕ㄖ?，如果其范圍夠用時，可利用銅寶頂做接閃器，僅將倒替焊接在最上面銅塊上即可。

　　導線（引下線）導線安裝分為明、暗兩種，對古建筑而言，應采用明線，易于檢查施工。導線一般應垂直引下，但古建筑輪廓復雜，事實上不可能做到。當引下線沿古建筑輪廓彎曲時，應保證其彎曲段開口部分的直線距離，不小于彎曲段全長的十分之一，并避免彎折成直角或銳角。古建筑的導線安裝應自上而下，先與接閃器焊接，至檐頭斗拱部位，預先在瓦頂上打一個直徑10 cm的圓洞，套在磁管內(nèi)，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。距離建筑物的臺基不小于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。我們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，管距不小于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(nèi)，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

　　為了使建筑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(jīng)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：①是否由于修繕古建筑和建筑物本身變形引起防雷裝置的保護情況發(fā)生變化；②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；③檢查各處明裝導體有無因銹蝕或機械力的損傷而折斷的情況；④檢查接閃器有無因接受雷擊而熔斷或折斷的情況；⑤檢查引下線的絕緣保護處理有無破壞；⑥檢查斷接卡子有無接觸不良情況；⑦檢查木結構接閃器支架有無腐朽現(xiàn)象；⑧檢查接地裝置周圍的土壤有無沉陷情況；⑨測量全部接地裝置的流散電阻。

　　四、古建筑中高大樹木的防雷

　　很多古建筑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，對古建筑造成破壞，因此應注意采取以下措施：

　　A、在樹頂安裝避雷針，沿樹干敷設引下線，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，并不得在樹下堆放大量金屬物體；D、古建筑周圍栽種樹木時，樹干應距建筑物不應小于5米，樹冠不應小于3米。

　　以上是對古建筑防雷技術的初步探討，可以看到防雷技術存在很大的缺陷，避雷針系統(tǒng)雖然經(jīng)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(xiàn)更完善、有效的防雷技術，能夠更好地保護古建筑。