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淺談古建筑的防雷技術(shù)論文
古建筑一般是指古人遺留下來(lái)的具有較長(zhǎng)歷史年代的寺、廟、殿、樓、塔等建筑，它是研究古代社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)、文化藝術(shù)、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(jié)構(gòu)，火災(zāi)荷載較大，一旦遭雷擊起火，火勢(shì)易蔓延，可能造成難以挽回的損失。而我國(guó)現(xiàn)存古建筑的防雷還存在許多問(wèn)題，比如防雷引下線少，不易采取均衡電位措施，沒(méi)有防球雷措施等。因此筆者撰文介紹幾種常見(jiàn)的防雷技術(shù)，希望對(duì)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(yīng)雷、雷電波侵入和球雷四種。對(duì)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(dá)到一定的強(qiáng)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(chǎng)突變，感應(yīng)出異號(hào)電荷。古建筑多為木結(jié)構(gòu)，木材經(jīng)過(guò)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(lái)雷電流。還有很多古建筑建于高山上，本身地勢(shì)較高，且位置突出，更容易遭受雷擊；同時(shí)有些古建筑內(nèi)高大樹(shù)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(jì)資料和試驗(yàn)研究證明，雷擊的地點(diǎn)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(zhì)、形狀，以及建筑物的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備情況對(duì)雷擊的選擇都會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)雷電先驅(qū)發(fā)展到離地面不遠(yuǎn)的空中時(shí)，地面上的電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，在高大建筑物的尖頂和邊緣上場(chǎng)強(qiáng)最大，構(gòu)成雷電發(fā)展的良好條件。雷電先驅(qū)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(diǎn)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(shù)、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(zhǎng)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(shuō)明了這一規(guī)律。故此在防雷時(shí)應(yīng)加以防范。
二、古建筑防雷技術(shù)
隨著科技大發(fā)展，人們對(duì)雷電知識(shí)的了解逐步深入，防雷技術(shù)也不斷更新，但主要有以下7種：避雷針?lè)览追�、法拉第籠式防雷法、滾球防雷法、E·F避雷保護(hù)系統(tǒng)、消雷器防護(hù)法、避雷設(shè)施保護(hù)法、人工影響雷電防雷法。幾種方法各有側(cè)重，對(duì)古建筑較為適用的是避雷針?lè)览追ā?/p>
1. 避雷針系統(tǒng)
防雷原理及使用范圍
A、防雷原理。避雷針?lè)览追ㄊ抢帽芾揍樃叱霰槐Ｗo(hù)物的高度，使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電流吸引到避雷針上，通過(guò)引下線和接地裝置導(dǎo)入大地，使被保護(hù)對(duì)象免遭雷電直擊。也就是說(shuō)其實(shí)質(zhì)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(shè)置不僅要具有實(shí)效性，同時(shí)要盡量保持其原有風(fēng)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(hù)范圍不穩(wěn)定。避雷針保護(hù)范圍是一個(gè)傘形或屋脊形保護(hù)區(qū)，其張開(kāi)角度受到接閃器設(shè)置高度、雷電強(qiáng)度等多種參數(shù)的影響，有的采用30，有的采用60，盡管關(guān)于保護(hù)角的計(jì)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(wèn)題。當(dāng)雷擊避雷針或避雷帶時(shí)，由于引下線的阻抗，對(duì)地電壓可達(dá)到相當(dāng)高的數(shù)值，以至于可能造成接閃器及引下線向周圍設(shè)備跳火反擊。避雷針系統(tǒng)還存在著感應(yīng)電壓的危害，以及接觸電壓和跨步電壓等問(wèn)題，但其對(duì)古建筑危害不大，在此不作詳細(xì)討論。
3. 球雷的預(yù)防
A、球雷概述。球雷很久以來(lái)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(shí)驗(yàn)表明：球雷是空中帶靜電荷氣霧層運(yùn)動(dòng)相互作用放電電離的結(jié)果。其本質(zhì)是一個(gè)由高速旋轉(zhuǎn)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(qiáng)電場(chǎng)和高頻電磁振蕩，產(chǎn)生一團(tuán)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(bǔ)充。球雷是一個(gè)復(fù)雜的電荷系統(tǒng)，球體本身好似法拉第籠，對(duì)外不呈現(xiàn)電性，普通避雷針、網(wǎng)、帶對(duì)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(méi)有同它斗爭(zhēng)的較為有效、可靠的辦法。
B、球雷的基本預(yù)防措施。由于球雷的難預(yù)防性，防護(hù)球雷的最好方法是采用屏蔽。對(duì)于一般的建筑（鋼筋混凝土），可將門(mén)窗加上金屬紗網(wǎng)與全部鋼筋連成一片，構(gòu)成一個(gè)籠式防雷網(wǎng)，可以防止球雷侵入。但對(duì)古建筑這樣做是很困難的。對(duì)重要的古建筑應(yīng)當(dāng)做金屬紗窗和金屬紗門(mén)，將它可靠接地；對(duì)次要的古建筑，如不能補(bǔ)加金屬紗門(mén)窗，應(yīng)注意在雷雨天緊閉門(mén)窗，力爭(zhēng)達(dá)到全封閉狀態(tài)，以防球雷的侵入，但不可用紙裱糊門(mén)窗。
三、避雷設(shè)施的安裝與管理
1. 安裝及注意事項(xiàng)
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(duì)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(fèi)時(shí)，一般置于大吻的一側(cè)，用鐵卡子卡牢，然后與導(dǎo)線焊接牢固，固定的長(zhǎng)度為針長(zhǎng)的三分之一左右。B、采用避雷帶時(shí)，按大吻的輪廓用避雷線繞一圈，須離開(kāi)構(gòu)件10~15cm ，用鐵卡子卡牢。但保護(hù)范圍不包括檐頭時(shí)，避雷線應(yīng)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(shí)，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(dǎo)線（引下線）導(dǎo)線安裝分為明、暗兩種，對(duì)古建筑而言，應(yīng)采用明線，易于檢查施工。導(dǎo)線一般應(yīng)垂直引下，但古建筑輪廓復(fù)雜，事實(shí)上不可能做到。當(dāng)引下線沿古建筑輪廓彎曲時(shí)，應(yīng)保證其彎曲段開(kāi)口部分的直線距離，不小于彎曲段全長(zhǎng)的十分之一，并避免彎折成直角或銳角。古建筑的導(dǎo)線安裝應(yīng)自上而下，先與接閃器焊接，至檐頭斗拱部位，預(yù)先在瓦頂上打一個(gè)直徑10 cm的圓洞，套在磁管內(nèi)，將導(dǎo)線穿洞而下。
接地體。接地體應(yīng)選擇安裝在土壤電阻率較低的地方，同時(shí)應(yīng)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(tái)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(shí)，管子打入地內(nèi)，上露50 cm以便與導(dǎo)線連接，導(dǎo)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(dǎo)線焊接。
2. 維護(hù)檢查
為了使建筑物的防雷裝置有可靠的保護(hù)效果，不僅要有合理的設(shè)計(jì)和正確的施工，還要注意經(jīng)常維護(hù)檢查。維護(hù)檢查分為定期檢查和臨時(shí)檢查。一般檢查事項(xiàng)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(hù)情況發(fā)生變化；②檢查有無(wú)因挖土方，敷設(shè)其他管線或種植樹(shù)木而挖斷接地裝置；③檢查各處明裝導(dǎo)體有無(wú)因銹蝕或機(jī)械力的損傷而折斷的情況；④檢查接閃器有無(wú)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(hù)處理有無(wú)破壞；⑥檢查斷接卡子有無(wú)接觸不良情況；⑦檢查木結(jié)構(gòu)接閃器支架有無(wú)腐朽現(xiàn)象；⑧檢查接地裝置周圍的土壤有無(wú)沉陷情況；⑨測(cè)量全部接地裝置的流散電阻。
四、古建筑中高大樹(shù)木的防雷
很多古建筑中都有不少高大樹(shù)木，這些樹(shù)木可能遭受直擊雷或引下球雷，對(duì)古建筑造成破壞，因此應(yīng)注意采取以下措施：
A、在樹(shù)頂安裝避雷針，沿樹(shù)干敷設(shè)引下線，下部埋設(shè)接地裝置；B、枯朽樹(shù)木的洞穴應(yīng)用灰膏封堵嚴(yán)密，防止積水，導(dǎo)致樹(shù)木接閃；C、樹(shù)木本身或根部不得纏繞鋼筋，并不得在樹(shù)下堆放大量金屬物體；D、古建筑周圍栽種樹(shù)木時(shí)，樹(shù)干應(yīng)距建筑物不應(yīng)小于5米，樹(shù)冠不應(yīng)小于3米。
以上是對(duì)古建筑防雷技術(shù)的初步探討，可以看到防雷技術(shù)存在很大的缺陷，避雷針系統(tǒng)雖然經(jīng)過(guò)安裝設(shè)計(jì)上的調(diào)整，但仍存在不妥之處。相信隨著對(duì)雷電認(rèn)識(shí)的逐步加深，還會(huì)出現(xiàn)更完善、有效的防雷技術(shù)，能夠更好地保護(hù)古建筑。
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