鼓岭古建筑屋面防雷装置研究

2015-12-11李凌枫

福建建筑 2015年8期

李凌枫

(福州市规划设计研究院福建福州 350108)

引言

福州鼓岭是位于福州东郊的避暑胜地，1886年由西方传教士开辟，距福州约13km，山高800多米，夏日最高气温不超过30℃，吸引了许多不耐福州酷暑的西方人士。1935年时，这里拥有200多幢风格各异的避暑别墅，还有教堂、医院、运动场、游泳池、万国公益社等公共建筑。三十年代郁达夫曾到此避暑。是江西庐山牯岭、浙江莫干山、河南鸡公山之外又一处有影响的避暑地。

2012年2月15日，美国友好团体在华盛顿万豪饭店举行午宴，欢迎习近平到访美国。演讲中，习近平向来宾讲述了一对美国夫妇对中国一个叫鼓岭的地方充满了眷念与向往，渴望故地重游而未能如愿的故事。就是这个故事，把全世界的目光吸引到了“鼓岭”——这个不知名的福建小镇。

2012年5月，福州市政府出资，对鼓岭进行大面积改造、修缮。其中鼓岭景区宜夏老街项目就包括了六处重要的文物保护单位:李世甲建筑、洋人游泳池及附属设施、万国公益社、鼓岭邮局、加德纳别墅和宜厦别墅。

1 现场勘查

李世甲建筑、洋人游泳池及附属设施、万国公益社、鼓岭邮局、加德纳别墅和宜厦别墅多为单层石木结构，走廊宽大，最宽的达4m，作为乘凉和悬挂秋千的场所。室内建有壁炉，每幢向北一面均用石块砌成防风墙，最厚的墙基达4m。建筑物采光、通风条件均良好。屋顶采用传统木结构，屋面灰瓦覆顶。

图1 宜夏别墅

2012年6月上旬，我院组织防雷专业技术人员就鼓岭景区宜夏老街地理、地质、土壤、环境等方面进行现场勘察，并查阅当地历史气象和雷击资料。勘察分析情况报告如下:

鼓岭景区宜夏老街项目位于福州市晋安区宜夏村，为处于山坳间的一座村庄，项目中心所在经纬度:119°23＇31.45″，26°05＇34.70″，海拔高度在 680m 至720m之间。据福建省防雷中心对该项目雷击风险评估报告中指出，经查阅历史上该区域雷击资料(1961-2006)，年平均雷暴日为53d，最多年份为77d，最少年份24d。

2 防雷等级的划分

鼓岭景区宜夏老街项目所占地面积较大，第一期古街项目总长600m、宽3.5m;六幢古建筑中，占地面积较大、高度最高为李世甲故居，下面针对该建筑计算其年预计雷击次数并进行防雷类别的划分。

(1)年预计雷击次数计算

以李世甲故居为例，计算年预计雷击次数N值。其中景区所在区域年平均年暴日为53天/a。

根据GB50057-2010的计算公式:年预计雷击次数N=k×Ng×Ae

式中:N——建筑物预计雷击次数(次/a);

k——校正系数(因位于旷野选取2);

Ng——雷击大地的年平均密度(由下式确定);Ng=0.1×Td(其中:Td为鼓岭年平均雷暴日数，53天);

Ae——建筑物等效面积(由下式确定);

L、W、H —— 分别为建筑物的长、宽、高。现已知李世甲故居长 19.1m，宽 14.48m，最高点8.64m。

故 Ng=0.1×Td=0.1×53=5.3，k=2

经计算可得，该单体建筑年预计雷击次数

N=k×Ng×Ae

=2×5.3×0.0082

=0.087(次/a)

(2)据建设单位提供情况，该六幢建筑目前正在申报省级文物保护建筑，但尚未批复，因此，在防雷类别计算时暂按一般性建筑考虑。

(3)景区雷闪密度情况

根据福建省防雷中心提供的评估报告称，2004-2011年景区内共出现雷闪579次，雷电流最大达111KA，最小为 1.2KA，平均 12.07KA，雷电频率较高，出现雷击概率大。同时，据计算景区百年一遇最多年雷暴日数可达79.51天。

根据上述四方面情况分析，结合《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010、福建省防雷中心提供的《福州鼓岭景区宜夏老街雷击风险评估报告》的相关内容和条文规定，该宜夏老街综合防雷整改工程项目各单体建筑均划分为第三类防雷建筑物。

3 屋面防雷装置设计方案

李世甲建筑、洋人游泳池及附属设施、万国公益社、鼓岭邮局、加德纳别墅和宜厦别墅(下称“六幢古建筑”)，由于其结构为基础、墙体为石头，屋面(顶)为纯木质组成。经过大量的研究分析，在设计开始阶段，提出了三个方案:

●方案一:

为防雷防火安全和建筑美观起见，不设置避雷带保护，而设置专门独立避雷针防护。避雷针采用三形钢管避雷针塔，高度根据建筑所在位置不同确定。

避雷针塔可以有钢筋塔、钢管塔和角钢塔三种形式，为了美观起见，本方案采用钢管避雷针塔，其优点:一是基础占地面积小，约3×3m;二是采用三角形固定，牢固安全;三是圆形设立，外观较美观，并且受风压较小。

避雷针采用法国INDELEC避雷针，型号为S2.10。其优点是坚固性强、接闪性能好、具有提前预放电功能。

●方案二:

接闪器采用Φ12mm镀锌圆钢沿屋角、屋脊、屋檐等易受雷击的部位明敷设，在整个屋面形成不大于20m×20m或24m×16m的网格。

具体做法详见国家建筑标准设计图集D501-1～4第2-10页《古建筑物防雷做法》。

●方案三

接闪器采用纯铜板(紫铜):厚度不小于0.5mm，规格比瓦片略大，扣住瓦片固定;所有屋角突出部位设置，其余部位布设按间距不大于3m一块进行设置，并与暗敷接闪带进行有效机械或焊接连通，连接处做好防腐措施。

接闪带采用截面积为50mm2的铜芯线进行布设，并穿 PVC绝缘管防护，沿屋檐、屋脊、屋角暗敷设，并固定在木质梁上。接闪带网格大小不大于20m×20m或24m×16m。

具体做法参见IEC62305-3《雷电防护——第三部分建筑物的实体损坏和生命危险》。如(图1):

图1 隐藏屋顶建筑物上的LPS设计实例

4 方案分析对比

方案一:最大的特点是完整地保持了建筑本体。提前预放电功能的避雷针是完全独立于建筑之外设置的，最大程度地保持了建筑自身的风貌。对于古建筑保护，是一个很有利的做法。但是，由于提前预放电功能的避雷针仍处于使用的初步阶段，对于其安全性及稳定性，暂时还没有确切的认定。目前实施的一些工程，仅仅是把它作为防雷的辅助手段，而不是主要手段。所以在使用过程中，仍需谨慎。

方案二:最大的特点是安全可靠。这种做法被广泛地应用到古建筑修复工程中，例如北京故宫、沈阳故宫等等。在施工工艺上也相对的成熟，是被业界广泛推崇的做法。但是其最大的缺陷就是破坏了建筑的本体。而不同于北京故宫、沈阳故宫这些北方的官式建筑。鼓岭的古建筑体量相对较小，高度较低，站在地面上就可以直接看到屋面。接闪器采用明敷设的方式，严重的破坏了建筑自身。

方案三:集合了方案一和方案二的优点，在最大程度上完整地保持了建筑本体，同时保证了安全性与可靠性。这里重点提出的是，本次采用的材料为紫铜，而不是常用的镀锌扁钢。根据IEC62305-1《雷电防护——第一部分总则》中表 D.3统计的数据显示(表1)，在截面积同为50 mm2的情况下，遇到雷击，不锈钢的最大温升达到了940，这已经远远超出了木材的燃点。如果直接用不锈钢将接闪带敷设在屋面瓴条上，在遇到雷电袭击时，非常容易引起火灾。当然，可以通过加大不锈钢的截面积来达到降低温升的效果。但是，截面积加大会大大增加施工的难度，在工程造价方面也会大大提高。所以最终还是选择铜作为接闪器的材料较为合适。

表1 不同截面积的导体和比能(W/R)函数下的温升

综合考虑，方案三最为符合本工程的要求。它既达到防雷防火安全的效果，又满足了建筑美观的要求。所以，推荐方案三作为该项目的实施方案。

5 施工方案

2012年6月16日，鼓岭管委会召开《鼓岭历史建筑修复(重建)与鼓岭古街道路及配套基础设施工程防雷方案评审会》，邀请林维勇(中国中元国际工程公司总工教授级高工)、陈汉民(福建省建筑设计研究院总工教授级高工)、曾金全(福建省防雷中心主任高工)组成专家组，就设计方案进行评审论证。

专家组在听取了鼓岭景区规划、建筑、防雷设计方案，并勘查现场，最终通过了方案三的设计。

在施工过程中，采用了250mm×240mm×2mm(略大于瓦片230mm×220mm)的纯铜片，运用爪镶的工艺扣住瓦片作为接闪器。在屋角、屋脊、屋檐的位置，每隔2.5m敷设一块纯铜片，铜片之间采用截面积为50mm2的铜芯线，穿 PVC绝缘管防护连接。铜芯线敷设在瓦片之下，形成不大于20m×20m或24m×16m的接闪网格。这样，明敷设的铜片与暗敷设的铜芯线形成了一套完整的屋面防雷系统。