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古建筑防雷工程設計與施工技術探討

2019-12-19 17:03:31

我國是一個歷史悠久文明古國,在這幾千年璀璨的歷史長河中,我們的祖先為我們留下為數眾多、造型各異的古建筑。這些古建筑種類繁多,結構獨特,是古代工程技術、建筑藝術與工藝和人類創造智慧的結晶,是前人認識社會、創造居住環境的重要體現和歷史見證,是不可再生的,任何損壞和破壞都將無法彌補。

雷電是古建文物遭受自然災害破壞的主要原因之一。除造成直接損毀外,因我國傳統古建筑多為木結構,雷擊還易導致古建筑起火造成大面積損失。中國古建筑種類繁多、造型各異、結構獨特,因此防雷設計和施工須根據其特點進行,使安裝的防雷設施既安全可靠、又美觀隱蔽。讓古建筑物獲取很大的美觀和可靠的安全保障。本文根據所接觸過的古建筑物防雷工程設計和施工及從事湖北防雷工程多年的實踐經驗,就古建筑物防雷設計和施工技術措施,淺談一些經驗體會與大家共同探討研究

一、我國古建筑物的特點

我國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料,以木構架結構為主要的結構方式,木結構作為建筑物的基本骨架,起到支撐屋面、承重和維持結構等作用,其中粗大的木材作為建筑物的梁、柱等,邊材作為建筑物的門窗等物。磚石作為建筑物的墻體,起來承重、分隔的作用,同時磚石也可鋪作地板,埋設成為建筑物周邊的基臺。

其平面布局以“間”為單座建筑單位,再以單座建筑組成庭院,進而組成各種形式的建筑群落。古建筑平面呈圓形、正方形、十字形等幾何形狀。

屋頂造型各異、種類繁多,主要有廡殿、歇山、懸山、硬山、攢尖、卷棚等形式。屋頂中直線和曲線組合,形成向上翹的飛檐,不但擴大了采光面、有利于雪、雨水排泄,而且增添了建筑物的美感。

我國古建筑在進行設計時都十分注意周圍的山川形勢、地理特點、氣候條件、水體、林木植被等,務使建筑布局、形式、色調等跟周圍的環境相適應,而相互融合為一體。

二、古建筑物易遭受雷擊的原因分析

古建筑物遭受雷擊的外部因素分析

1、古建筑物多數建在地勢較高的山上,或建在山腳邊或者水體附近,是不同導電土壤相接、土壤電阻發生畸變的地方,易遭雷電侵襲。

2、現代化元素的引入增加了古建筑物遭雷擊的幾率



古建筑遭受雷擊的內部因素分析

1、我國的古建筑絕大多數為磚木結構,這些也都是極易燃燒的材料。一旦遭受雷擊,極易引起木質構件燃燒。

2、多數古建筑物大殿正脊中部埋設有用于辟邪金屬寶盒,有的建筑物屋頂內部還有錫背,銅質寶頂,還有的建筑物屋面有金屬鏈條作裝飾用。這些金屬物均沒有任何接地處理,而且通常都安置在建筑物的頂端,這些金屬物都大大增加了建筑物遭受雷擊的概率。

3、從結構上看,古代建筑多以坡屋頂為主,坡度較大,且大多有高翹的飛檐和高聳的屋頂且屋脊比較多。而這些高翹的飛檐,高聳的屋脊也正好為帶電云層放電創造條件。

古建筑物防雷現狀分析

有相當一部分古建筑缺少有效的防雷保護措施,或防雷措施不完善。

國內尚無關于古建筑的防雷規范和標準 ,簡單地應用現代建筑防雷措施安裝在古建筑物上的防雷裝置,既影響了古建原有的藝術風貌,也降低了其防雷效果。

古建筑防雷類別的劃分

古建筑防雷類別的定性劃分

參照國.家現行《建筑物防雷設計規范》、《古建筑木結構維護與加固技術規范》,古建筑防雷類別應根據其重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果,宜劃分為三個防雷類別。

被聯合國教科文組織列入“世界文化遺產”目錄的和屬于國.家級重點文物保護的古建筑;省、自治區和直轄市級重點文物保護單位的古建筑;市縣級文物保護的古建筑三類。當古建筑為園林式群體建筑時,應以其中極高類別來確定。

古建筑防雷類別的定量劃分

計算古建物的年預計雷擊次數定量劃分

對于園林式的古建群落,應以其占地面積換算成規則幾何圖形的面積來計算,其高度則以該古建群落中首高建筑(或者為古樹)的高度來確定。

古建筑直擊雷防護裝置的形式

接閃器

古建筑湖北防雷工程設計和施工中,須遵守不改變文物原狀的文物保護原則。選擇使用接閃器的顏色應與古建筑物相應位置的顏色協調一致。既要做到保證其防雷效果,也要做到不影響古建筑的外觀與其周圍環境協調一致;并盡可能做到避免對古建筑造成破壞。

選用避雷帶作為其接閃器時,宜使用銅質材料,而不使用熱鍍鋅鋼材。

在古建筑物上敷設避雷帶,其支持卡子不能靠在古建筑上打孔來固定,這會破壞古建筑,可以采用U型(抱箍式)固定件、固定螺絲與瓦面之間應加橡膠墊進行保護[5],接閃導線的固定支件的高度不宜小于150mm,可選用25mm×4mm的熱鍍鋅鋼。


引下線

古建筑物引下線敷設時,應避開建筑物的正面,盡量在建筑物的側面、后面等不經常被人注意到的地方敷設;并做到分段固定,并以很短路徑敷設到接地體,敷設應平正順直、無急彎 。

引下線可選熱鍍鋅鋼材或銅材。木立柱引下時 ,采用環形抱箍固定。


接地裝置

接地裝置的材料選擇和現代建筑物類似,采用熱鍍鋅角鋼和扁鋼敷設就行。古建筑接地裝置的形式,要充分考慮古建周圍場地、環境施工時受局限的情況,應本著為節約經費和有利于防止跨步電壓危害的原則。

采用A型接地裝置(見圖3 A型)。反之,在土壤電阻率較高和古建筑周圍較空曠且便于施工時,可采用B型接地裝置(見圖3 B型)。

敷設時還需注意接地裝置與地下管線路的安全距離。注意在進行接地施工時應避免掘到地宮或其他文物,在挖掘之前要進行仔細勘測。接地裝置開挖時,需對地面所敷設的古磚、石做好方位標記和編號,回填時,將其恢復原貌。


古建筑物防側擊雷、球雷措施

古建筑物防側擊雷,要根據古建的地理位置和其遭雷歷史來決定。一般情況下,位于城市里的古建筑物一般不需要設防側擊雷;對建在海拔較高的山體、水體附近的且較為孤立高大的古建筑物(如古塔),可以每隔6m沿古建四周外伸的脊檐設置環形避雷帶,并使環形避雷帶和古建四周的金屬窗等與防雷引下線可靠連接。而防球雷的極好措施是對古建上的開放式門、窗安裝金屬屏蔽網并可靠接地,但古建有時是很難做到的。比較適宜的方法是把古建的所有窗都裝上玻璃,并應注意在雷雨天緊閉門窗,以防球雷的進入室內。

古樹的防雷技術措施

被列為國.家級文物保護單位的名貴古樹,也是防雷的保護對象之一。一般情況下,古樹的防雷往往在樹上做防雷裝置,即在古樹樹冠的主要干叉上裝設圓鋼制成的避雷針,支持其避雷針的支承桿必須固定在樹干上,因為樹木要逐漸長粗,因此支承桿的抱箍以及固定引下線的抱箍必須做成能松緊的圓形卡箍,以便不影響樹木的生長;引下線用絕緣軟銅線上端與接閃器電氣連接、中間部分彎曲布設,并與樹根附近的環形(B型)人工垂直接地極連接。

對古樹群或者古建筑群可在古樹群或者古建筑群的中央部位設置不影響古建筑整體觀瞻的仿真樹(仿真樹太高就和周圍環境不協調)形式的避雷針,使周邊古樹或者古建筑群在其保護范圍內


古建筑群可在古樹群或者古建筑群的中央部位設置不影響古建筑整體觀瞻的仿真樹(仿真樹太高就和周圍環境不協調)形式的避雷針,使周邊古樹或者古建筑群在其保護范圍內

通過實踐,我們認為,對于古建筑群、古樹群或無法在其上敷設避雷帶或架立避雷針,且其自身高度低于20米時,使用常規避雷針難于將被保護的古建筑群落、古樹群置于保護范圍內,可采用仿真樹樹頂安裝具有提前放電功能的避雷針,以達到不增加接閃桿高度而擴大保護范圍的目的。用這種方式保護古建筑既不影響其原貌也與周圍環境協調一致。

防雷電波侵入和雷擊電磁脈沖的措施

當古建筑內安裝有低壓電氣系統和(或)電子系統時,古建筑內有大型金屬構件或存有體積較大的金屬物體時,應有防雷電波侵入和雷擊電磁脈沖(LEMP)的技術措施。如采取等電位連接措施和在低壓電氣系統及電子系統中安裝電涌保護器(SPD)等。防LEMP的主要技術措施為:等電位連接、屏蔽、綜合布線和安裝SPD。

(1)等電位連接要求

古建筑上和其內有金屬物體,如金屬寶頂、寶盒、錫被、銅被等金屬物,要和防雷裝置作等電位連接。同時還需考慮到古建筑檐下的防鳥鐵絲網(主要是指引下線均與防鳥鐵絲網連成一體,構成一個等電位體)、所有金屬管線的屏蔽層、設備金屬外殼等設施的等電位連接。

控制機房(如監控、消防)的等電位連接,應根據電子系統的工作頻率分別采用星形(S型)結構或網形(M型)結構。

(2)屏蔽要求

對于進入古建筑的供電線路、電話線等不宜架空引入。當其架空引入時,應在進入古建筑前用埋地電纜或穿金屬管屏蔽埋地引入,并在進入古建筑物時與古建筑的防雷裝置相連。

(3)綜合布線要求

建筑物內傳輸網絡的綜合布線施工應符合現行國.家標準《綜合布線系統工程驗收規范》GB50312-2007的要求。需統一考慮其走向和相互間的距離,使各種室內布線合理。至低的要求是,將這些系統穿金屬管或采用有金屬外皮的電纜,并可靠接地。

(4)安裝電涌保護器的要求

古建內不應隨便引入架空電力線、通訊線纜;如果架空引入時,必須在進戶處加裝適配的低壓避雷器。

對所安裝防雷設施的要求:

盡可能采取既安全又隱蔽的施工工藝技術,以不影響古建的建筑藝術風格和觀瞻為原則。

綜述

(1)從古建筑物的整體風貌,到大量的珍貴木刻、磚雕、繪畫等藝術品,許多都是無價之寶,是世界人類文化珍貴遺產,多屬于國.家重點文物保護單位。因此,古建筑物防雷,須首先對古建筑物有全面了解,對它的雷擊歷史、結構特性、自然環境、地質地理、建筑物內的電器設備、金屬器物等等做出全面分析,統籌規劃古建筑的湖北防雷工程設計和施工。

(2)古建筑是不可再生的資源,一旦由于保護不當,造成不應有的破壞,責任重大。因此,古建筑湖北防雷工程的設計要遵循以保留古建筑原狀為準則,堅持古建筑保護與環境保護并重,遺產保護與人身保護并重,應因地制宜,從外部防護和內部防護兩個方面采用安全可靠、對建筑原狀至小影響的方案與方法,建立完善的雷電防護體系。

(3)古建筑的湖北防雷工程應與其結構、建筑維護相結合。在古建筑進行建筑、結構修繕、維護的同時,應對其湖北防雷工程進行維護或增補。

(4)目前,古建筑防雷技術標準的編制,正在進行當中,相信標準的頒布、實施,將對古建筑物的防雷設計和施工起到更好的規范作用。


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