粗论仿古建筑物的防雷设施的施工方法与技术Word下载.docx
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中国是一个有着几千年文明发展史的并蕴育了厚重而丰富的历史文化内涵的文明国度。
在这些充分体现我泱泱大国厚重文化的文明积淀中，古建筑及现代仿古建筑就是其中一支璀璨的奇葩。
在这几千年的发展中，中国人用其充满智慧和激情的头脑和双手建造出了数以万计的如北京故宫、唐王宫、侗寨钟鼓楼、风雨桥等等数也数不清的美仑美幻的精美建筑。
它们的建造者们用他们的聪明才智在其作品中把防雷击的一些措施巧妙的融入到了其中，对保护建筑物整体完整性和使用年限起到了一定的积极作用。
现在我就把我在以往的施工现场工作中所积累的从古建筑物的易受雷击的结构特点，防雷现存缺陷，古建筑物防雷类别的划分，古建筑物的防雷措施，防侧击雷球雷措施，古建筑物内部防雷等技术问题作如下阐述：
在新中国成立以前，因为人们的科学发展观受各种因素的影响有很大的局限性，建筑家们只是较简单的在建筑物屋面顶端以铜铁等金属材料制成一个装饰性的柱状接闪器等。
随着现代科学技术的发展，现代建筑师们用科学技术结合实际，把当代防雷技术充分有效的运用在古建筑物和仿古建筑物上，在不影响该幢建筑物的整体美观和使用功能前提下从防护直击雷感应雷以及雷电波入侵等方面着手，根据该幢建筑物的实际结构、外部特征等结合实际地质情况采用避雷网带、避雷针、人工接地网、避雷器等防雷设施把建筑物进行一些有效的防护。
我国现存古代建筑物是世界文化遗产中的瑰宝，除巍巍皇宫王府外，更大量是宗教寺庙。
千百年来，除毁于人为外，如唐武宗灭法时，一次便毁掉了4600余座寺庙，更多的则毁于地震、洪水以及雷火之中。
北京法源寺悯忠高阁五层木塔、妙应寺白塔、天坛祈年殿、明清承天门（今天安门）和三大殿、布达拉宫、开封佑国寺木塔、宣城敬亭山双塔、承德外八庙普佑寺、沈阳明东陵等古建筑物被雷击焚毁的部分事例。
1957年7月6日明十三陵长陵陵恩殿西部的兽头被雷击掉一半，横梁被炸裂、楠木大柱劈裂20厘米，同时造成一死三伤。
两天后（即7月8日）雷击焚毁了北京中山公园音乐堂。
这连续的两桩雷击事故惊动了周恩来总理，他当即指示北京人民政府，对北京市重要古建筑物采取防雷措施，由此开始了天安门、三大殿、景山万春亭、北海白塔、鼓楼、天坛祈年殿、颐和园排云殿等古建筑物的防雷。
由于我国古建筑物尚存量较多，目前还有不少古建未完善防雷装置，雷害仍在连续发生。
急需建立古建筑物防雷体系，保护古建筑长久平安。
古建筑易遭雷击的原因一般雷击类型可分为直击雷、感应雷、雷电波侵入三种。
对古建筑危害较大的雷电灾害主要是直击雷。
而要产生雷击，首先必须有足够的电量积累，达到一定的强度，击穿绝缘空气，形成电流通道；
其次要有突出的物体造成其周围电场突变，感应出异号电荷。
古建筑多为木结构，木材经过千百年变得十分干燥，在雨天潮湿，电阻率变小，并且内部年久积满灰尘，易积蓄净电，带有电荷容易引来雷电流。
还有很多古建筑建于高山上，本身地势较高，且位置突出，更容易遭受雷击；
同时有些古建筑内高大树木较多，也容易引雷殃及古建筑。
古建筑的雷击规律雷击规律的影响因素。
大量雷害事故统计资料和试验研究证明，雷击的地点和建筑物遭受雷击的部位是有一定规律的，这些规律称为雷击规律。
地面上建筑物的性质、形状，以及建筑物的结构、内部设备情况对雷击的选择都会产生影响。
当雷电先驱发展到离地面不远的空中时，地面上的电场不断增强，在高大建筑物的尖顶和边缘上场强最大，构成雷电发展的良好条件。
雷电先驱就自然被吸引到这些地方，因此高大建筑物就容易遭雷击。
A、地点上的规律。
雷害事故表明，多数雷击发生在靠近河湖池沼和潮湿地区，其次是大树、旗杆、杉槁。
B、雷击部位上的规律。
古建筑易受雷击的部位多为屋角兽头、房脊和梁柱以及丰宝铜顶。
北京十三陵长陵的棱恩殿、鼓楼、故宫的承乾殿皆因兽头、屋脊被雷击起火，也恰恰说明了这一规律。
故此在防雷时应加以防范。
古建筑防雷技术随着科技大发展，人们对雷电知识的了解逐步深入，防雷技术也不断更新，（但主要有以下7种：
避雷针防雷法、法拉第笼式防雷法、滚球防雷法、E·
F避雷保护系统、消雷器防护法、避雷设施保护法、人工影响雷电防雷法）。
几种方法各有侧重，对古建筑较为适用的是避雷针防雷法。
2古建筑物的结构和雷电防护
古建筑物的结构主要分为木结构和砖木结构两种，有些建筑物上饰有金属材料，但因当时金属加工工艺所限，没有承担柱、梁等承重作用。
从物理角度看，古建筑物应为绝缘物体或半绝缘物体。
这些古建筑经历了几百年、上千年，并没有采取任何防雷措施，但是仍然完好存在，很多人觉得这些建筑的自身绝缘能力可以避免遭受雷电袭击，不会轻易受到破坏。
其实木质结构虽然绝缘，但并不能防雷，并不能免除雷击，山西应县木塔，纯木质结构，千年古塔，建于辽清宁二年（公元1056年），至今948年仍屹立于雁北大地。
2002年9月7日夜曾发生过一起雷击损坏事故，木塔顶部戗脊被炸开了一长约1.1m、深0.25m的豁口，从塔下用肉眼都能看得清清楚楚。
木塔内东北角辅柱遭雷击，木质撕裂，裂口长约1m、宽0.1m、深0.05m，击碎的木片将几米外的泥塑神像击毁。
不可否认，良好的绝缘有助于阻止两个存在电位差之间的电流通过。
绝缘或半绝缘的古塔遭受雷击的概率一般会比同等条件的铁塔低。
但是高电压试验的结论告诉我们，高电压脉冲作用于绝缘物体上是否放电取决于沿面放电强度，而不是绝缘水平。
在雷击电流的上万伏特的电位差、几十万安培的电流下，绝缘或半绝缘的古建筑是无法实现“消雷”或“绝缘防雷”的。
2004年5月11日，山西省运城市稷山县大佛寺遭受雷击，绝缘的大殿顶部有十三处雷击痕迹，造成大殿起火和倒塌。
在IEC第81委员会（防雷委员会）的标准中称“迄今为止，尚无一种装置和方法能阻止雷电的产生，也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。
”采用金属材料接闪并引下导入大地是目前唯一有效的外部防雷方法。
我国一些古建筑之所以长久保存，是因为其自身都拥有一定的、科学的防雷措施。
公元1100年所建的湖南岳阳慈氏塔，此塔顶部立一铁刹，全由铁杆制成，由铁杆引下六条铁链直到地面。
这样古塔的防雷方式与富兰克林的避雷针、引下线和接地体完全一样，只不过比富兰克林的发明早了650年。
我们主要依据《建筑物防雷设计规范》GB-50057、《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB-50165等国家标准，同时参考《建筑物防雷设施安装》图集中“古建筑物防雷做法”对古建筑防雷做了如下设计和施工。
2.1接闪器
按GB-50057规定，该古建筑属第二类防雷建筑物，应在古建上安装网格尺寸不大于10mx10m或12mx8m的避雷网。
“古建筑顶部、屋脊、挑檐、走兽，左右兽头及宝顶都是建筑物上部的尖端，按雷击规律，它都是易于被雷击的部位。
”GB-50057的附录也说明了“屋角、屋脊、檐角、屋檐”是易受雷击的部件。
我们按99D501-1的做法，在屋脊、屋檐上除装上暗敷避雷带之外，并在脊顶、宝顶、兽头、挑檐等处安装相应规格的小尺寸避雷针，使整座庙宇建筑最易受雷击的部位都置于接闪器的保护之下。
并与古建筑相匹配，不会影响建筑的外观。
2.2.引下线
对第二类防雷建筑物而言，引下线的间距不应大于18m。
建筑物中如钟楼和鼓楼面积较小，每座建筑物只需对称的引下两根便能满足要求了。
但是大雄宝殿面阔达55m，除在建筑物四角做引下线外，并利用殿前后的主柱共四根引下，平均间距小于19m。
2.3接地装置
按GB-50057要求，第二类防雷建筑物冲击接地阻抗不应大于10Ω，可是古建筑一般所在山体多为花岗岩石，土壤电阻率偏高。
为达到10Ω的要求，可能要大量换土及加降阻剂，不但加大了施工难度，且需投入大量的资金。
因此，在工程实际中我们主要采取了以下两种技术措施。
1、加大接地面积，努力降低人工接地极的接地电阻
《交流电气装置的接地》PL/T621中规定了垂直接地极的接地电阻可按⑴式计算：
式中：
RV──垂直接地极的接地电阻，Ω；
ρ──土壤电阻率，Ω?
m；
L──垂直接地极的长度，m；
d──接地极的圆钢直径，m；
当用等边角钢时，d为边长的0.84倍，用钢板时d为宽度的0.5倍。
从⑴式中可以看出土壤电阻率一定时，埋设深度（L）和接地极的接地土壤面积均与接地电阻呈反比。
因此，我们将原拟使用50mmx50mm的角钢换成厚15mm、宽500mm、深1500mm的热镀锌钢板，仅从d值上计算，500/z>
>
50x0.84（250>
42）。
同样，在水平接地极接地电阻的计算中，我们根据式⑵计算方法
L──水平接地极的总长度，m；
h──水平接地极的埋设深度，m；
d──水平接地极的直径或等效直径，m；
A──水平接地极的形状系数。
使用4mmx40mm扁钢，而本采用GB-50057中圆钢直径不应小于10mm的方法，将等效直径扩大到14.3mm。
在形状条数上首先采用环形闭合形式，A值可以取1，之后适当加放降阻剂，以降低接地电阻值。
2、采用等电位连接技术措施
对岩类土壤中的接地体，/EC61024-1-2中3.3.5条规定：
“在无基础接地体的地方，应采用环形接地体。
”未提及接地电阻值要求。
在英国防雷标准BS6651中16.5条规定，岩石上的建筑物可“提供以沿着地面轮廓的环形接地电极。
……接地电阻的10Ω值不适用于这种情况”。
日本防雷标准JISA4201中3.1.4条规定“对于土壤电阻率高的山地和砂地等，按照⑷、⑸规定（总接地电阻为10Ω以下、每支引下线单独接地电阻为50Ω以下）不能实现时，可用长度达5m以上的四根埋地线从被保护物向外呈外延，以0.5m深度埋设，再沿被保护物外围在同样深度设环形水平接地线，以替代⑷要求的10Ω接地极。
”GB-50057中第3.2.4条（六）、第3.3.6条和第3.4.4条规定了各类防雷建筑物接地装置可不计及接地电阻值的条件，其一是土壤电阻率条件（二类规定在小于3000Ω?
m时），其二是环形接地体所包围的面积（二类规定大于80m2）。
以上IEC、BS、JISA和GB的规定在原则上是一致的。
BS的注释是做到“在闪电放电期，基本保持在大地电位上”。
JISA的编制说明认为“大地的电阻率高时，敷设放射状环形接地体，使电位差变小，故在被保护物周围设置环形埋地线”。
GB-50057的第3.2.4条条文说明认为“一般说来，接地电阻越低，防雷得到的改善越多。
但是，不能由于要达到某一很低的接地电阻而花费过大。
出现反击危险可以从基本计算公式来评价，IR项对建筑物内某一小范围中互相连接在一起的金属物（包括防雷装置）说来都是一样的，它们之间的电位差与防雷装置的接地电阻无关。
此外，考虑到已采取严格的各种金属物与防雷装置之间的连接和均压措施，故不必要求很低的接地电阻”。
以上说明的是等电位为主，而不是接地电阻为主。
资深专家王厚余老师曾提出一个问题：
都说接地电阻值重要，请问空中飞行的飞机是怎样实现接地的？
答案是：
飞机上所有重要仪表的接地均接到了机壳上，实现的是以金属机壳为主的等电位，这就是日本学者川濑太朗所称的“身体地（bodyearth）[6]。
始建于明永乐十四年（公元1416年）地武当山金殿位于武当最高峰之桂峰顶，海拔1612m，在588年的岁月中，多次经历雷轰电击，每次雷击金殿铜体上的锈迹就会消失，好象回炉冶炼了一次，被称为“雷火炼金殿”的奇观。
1987年5月31日金顶遭雷击时，有6人因电话线受雷引入而击伤后，金殿安装了引下线和接地装置后，这一奇观便不复存在了。
为什么500多年中金殿没有接地装置而能存在，一是金殿的铜质材料承受雷电流，二是金殿作为一个完整的铜结构体是一“身体地”，无须另行接地。
在宝林寺防雷接地工程中，我们力图实现等电位连接技术原则，除在大殿周围埋设环形人工接地体外，尚将相邻的地网用扁钢相连，扩大地网的面积。
同时将宝林寺内的各种金属管线和大件金属物与之连接。
工程竣工验收时，工频接地电阻为3.1Ω左右，完全达到了设计要求。
3实例分析
现在我就把我在工作中所参加的有关位于贵州省都匀市市政广场的风雨桥防雷工程设计施工的具体事例说明如下；
2009年3月，我有幸参与都匀市文峰桥的防雷设置情况进行了现场考察。
该桥位于都匀市市政广场，跨建在市区贯城河河面两端，长100米，采用实木烙雕花建筑而成，屋面上用小青瓦铺设；
屋檐四周设有飞檐斗拱及内檐敷设有霓虹彩灯照明，电源线路均穿PVC管敷设，但电源系统无任何防雷保护设施保护和接地泄流系统，该桥也无任何防直击雷保护设施。
在2008年八月下旬曾因雷击致使桥体受到一定损坏.
3.1数据采集于分析
本文数据来源：
1、都匀市气象局45年（1964-2008年）气象观测数据；
2、贵州省近5年（2006-2010年）雷电监测网数据；
3、现场勘测数据。
3.2地理位置参数
以下是采用ETREX系列GPS定位仪在“都匀市风雨桥”所处区域采集的地理位置参数（误差范围：
5m～10m）：
中心位置：
26°
15'
12.6'
N'
;
107°
30'
59.4'
'
E（图4-1）
图1地理位置图
3.3都匀市40年（1966-2005）气象观测数据分析
都匀市1964-2008年气象观测数据统计结果（图4-2、图4-3）：
都匀市年平均雷暴日为47天，月平均雷暴日接近于4天；
雷电活动主要发生在4～8月份，最多的年份为1979年，天数为68天；
雷暴日最少年份为2003年，天数为27天。
初雷日最早为1月4日发生在1987年；
终雷日最晚为12月28日发生在2004年；
初终间跨度最长的年份为1997年，从1月2日至12月13日。
图2都匀市1964-2008年雷暴日（观测数据）等值线分布
图3都匀市雷暴日（观测数据）月平均分布
都匀市雷暴日的年际变化趋势较大，介于31-72天之间，其中超过40天（高雷区）的年份有39年。
图4都匀市1964-2008年雷暴日（观测数据）年际变化
雷暴日仅仅反映了某区域大致的雷电活动规律，但不能准确表征地面落雷的频繁程度、雷暴强度。
因此，在进行建（构）筑物年雷击次数的估算、雷击风险计算时，本报告采用本项目所处区域实际雷电监测网数据。
3.4贵州省雷电监测网数据分析（2006-2011年）
3.4.1雷暴日
都匀市2006-2010年雷电监测网数据统计分析结果：
都匀市年平均雷暴日为82天，月平均雷暴日7天。
雷电活动主要发生在4~9月份，月平均雷暴日数为12天，其中8月平均雷暴日数最高。
都匀市雷暴日（监测数据）月平均分布
都匀市雷暴日（监测数据）区域分布（注：
单位面积10km*10km）
3.4.2地闪密度
都匀市雷电流年平均地闪次数为12280次，地闪密度为5.4次/km2·
a。
“贵州都匀风雨文峰桥”区域（以该桥所处地理位址中心位置3km半径）内雷电流年平均地闪次数165次，地闪密度为5.8次/km2·
a（图4-7）。
本报告采用该值作为雷电风险计算参数。
都匀市平均地闪密度等级图
（注：
单位面积2km*2km）
3.4.3雷电流强度分布及极值
都匀市最大闪电强度是247.6kA，平均闪电强度33.8kA，0-20kA闪电百分率占35.96%，20-50kA闪电百分率占49.32%，50-100kA闪电百分率占7.22%，均高于全国平均水平（图4-9，表4-1，表4-2）。
都匀市平均地闪强度分布
3.4.4风雨桥所在地闪电活动
都匀市风雨桥（3km半径）区域范围内以及IEC标准的典型雷电流参数，雷电流的平均值为16.6kA，最大正闪强度为157.8KA,最大负闪强度206.9KA，得出项目所处区域3km范围地闪雷电流等级分布表1-3。
项目3km半径区域范围地闪密度为6.8次/km2·
a，采用该值作为雷电风险计算参数。
表1项目所处区域3km范围地闪雷电流等级分布表（kA）
3.5土壤电阻率
经实地勘测现场，并对现场各方位进行土壤电阻率的测试，测试结果如下
表2土壤电阻率的测试结果
注：
该项目所在地0.00米以下2.0米左右均是回填土，由于回填土土质各不相同，因此测出的土壤电阻率差别较大。
3.6区域特征
表3都匀风雨桥建筑特性与数据
表4都匀风雨桥辅助区附属房建筑特性与数据
表5都匀风雨桥区域特性
表6都匀风雨桥区域特性
表7都匀风雨桥低压电缆及室内设备特性与数据
表8通讯线缆及室内设备特性与数据
图纸未设计有通讯线缆的安装和铺设情况。
本报告对通讯线缆的雷电灾害风险不作评估。
3.7风险估算
都匀风雨桥区建筑物每年的截收闪电面积：
Ad1＝LW＋6H（L＋W）＋9π（H）2
＝32.9×
28.0+6×
12×
（32.9+28.0）+9×
3.14×
144
≈9397.4（m2）
都匀风雨桥辅助区附属房每年的截收闪电面积：
Ad2＝LW＋6H（L＋W）＋9π（H）2
＝24.4×
6.2+６×
12.7×
（24.4+6.2）+９×
161.29
≈7041（m2）
所以：
Ad＝Ad1＋Ad2
＝9397.4+7041
＝16438.4（m2）
都匀风雨桥建筑物附近地面的截收闪电面积（辅助区的附近地面区域在站区所占附近地面区域内）：
AM＝LW＋2×
250（L＋W）＋π（250）2
=32.9×
28.0+2×
250×
（32.9+28.0）+π（250）2
=227621.2（m2）
都匀风雨桥低压电线缆的截收闪电面积：
Alp=[Lc-3（Ha+Hb）]
=1059×
[100-3×
（3+12）]
=1789.8（m2）
都匀风雨桥低压电线缆附近地面的截收面积：
Aip=25Lc
=25×
1059×
100
=81370（m2）
建筑物年预计闪击次数为：
ND＝NgAdCd10-6＝9.93×
16438.4×
1×
10-6≈0.163（次/年）
建筑物附近地面的年预计闪击次数为：
Nm=NgAm10-6＝9.93×
227621.2×
10-6≈2.26（次/年）
低压电线缆的年预计闪击次数为：
NL=NgAlCdCt10–6
=9.93×
1789.8×
１×
0.1×
10–6
≈0.018（次/年）
低压电线缆附近地面的年预计闪击次数为：
NI=NgAiCeCt10-6
81370×
0.2×
10-6
≈0.016（次/年）
所以,总的入户线缆的年预计闪击次数为:
NL=0.018（次/年）
总的入户线缆附近地面的年预计闪击次数为:
Ni=0.016（次/年）
由雷电闪击造成的人员伤亡损害风险
3.3.1对人员伤亡损害的闪击总风险
R1=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ
RA=ND×
PA×
ra×
Lt
RB=ND×
PB×
hz×
rP×
rf×
Lf
RC=ND×
PC×
Lo
RM=NM×
PM×
RU=（NL+NDa）×
PU×
ru×
RV=（NL+NDa）×
PV×
RW=（NL+NDa）×
PW×
LO
RZ=（Nl-NL）×
PZ×
Lt、Lf和LO的值由于确定困难,故均取典型平均值：
Lt的取值为：
风雨桥入口区域Lt＝10－5
风雨桥建筑内区域Lt＝10－2
Lf的取值为：
Lf＝5×
10-３
LO的取值为：
LO＝10－2
RA为在风雨桥建筑物外3米入口区域内因接触和跨步电压引起的人员伤亡风险，此风险只存在于建筑物入口区域。
风雨桥建筑物入口：
RA＝ND×
=0.163×
10-2×
10-5
≈1.63×
10-8
RB是由于雷击建筑物产生危险的电火花引起燃烧或爆炸引起的物质损害，这种损害还可能危害到周围,造成人员伤亡损害。
RB=ND×
h×
r×
0.005×
10×
5×
=4.07×
10－6
RV是因雷击电流通过低压电缆传导引入导致燃烧或爆炸，而造成的物质危害，并可能造成人员伤亡的损失。
由低压电缆引入的雷电流造成的损害风险分量为：
RV1=NLp×
PV×
h1×
=0.0016×
0.03×
=2.4×
10－7
总RV=电源线RV1=2.4×
风雨桥虽具有一定风险，在前面说明中指出其电子装置（主要建筑物主体灯光控制开关等设施）失效不足以立即危及人类生命，故风险风量RM、RC、RW、RZ的值作0处理。
加油站采用电缆套金属管埋地进线，故入户线路的雷击电流当人员接触电压导致生命损害的风险RU做0处理。
由雷电闪击而造成人员伤亡损失的总风险
R=RA+RB+RC+RM+RU+RV+RW+RZ
=RA+RB+总RV
=1.63×
10-8+4.07×
10－6+2.4×
≈4.32×
与损害源相关的风险
由于直接雷击对建筑物闪击的风险
RD=RA+RB+RC=RA+RB
≈4.09×
损害源为S2，S3和S4：
Rl=RM+RU+RV+RW+RZ
由于RM＝0RU＝0RW＝0RZ＝0
则Rl=总RV=2.4×
与损害类型相关的风险
R=RS+RF+RO
由于接触和跨步电压对人员伤亡损害的风险:
RS=RA+RU
RA＝NDPAraLt=1.63×
RU＝0
RS=RA=1.63×
由于物质损害的风险:
RF=RB+总RV
=2.9×
10－6+9.0×
10－4
=4.09×
由于电气和电子装置失效的风险:
R0=RM+RC+RW+RZ=0
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