古建筑雷电防护技术研究＊

于瑞平 ,陈勇伟 ,王 琦 ,金建辉 ,魏晨枫 ,黄鹏程

（1.甘肃民安现代防雷技术有限公司，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省气象服务中心,甘肃 兰州 730020）

中国古代建筑在世界建筑史上以其独特的结构、无法估量的历史价值而占有特殊的地位。其承载的建筑思想、建筑美学和营造方式贯穿于秦汉以致明清两千余年，是几千年中国古老文明的宝贵遗产[1]。古建筑全面体现了中华民族的智慧、自然科学知识、文化艺术与精神文明。嘉峪关关城位于甘肃省嘉峪关市向西5 km 处，是明代长城西端起点的第一重关，也是古代“丝绸之路”的交通要冲。它是万里长城沿线建造规模最为壮观，保存最为完好的一座古代军事城堡。始建于明洪武五年（公元1372年），距今已有640 年的历史。1961 年嘉峪关关城被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位，1987年这座雄关和东部的山海关，被联合国列入《世界遗产目录》。

雷电是强烈的大气放电现象，在短时间内能释放出大量的电荷并产生很强的冲击电压和很高的电弧温度。通常雷击主要有以下几种形式[2]：一是雷直接击在建筑物上发生热效应作用和电动力作用，称为直击雷；二是雷云放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，称为感应雷击；此外，还有较为少见的球形雷。雷电的电动力效应、机械效应与热效应将对古建筑造成不可复原的破坏，从张华明等[3]对古建筑雷击事故的调查研究中可以看出：雷击古建筑引起的危害主要表现在吻兽的损坏与火灾，分别占古建筑雷击次数的30%与26.25%。因此，加强古建筑的雷电防护，对保护古建筑安全与文化遗产的传承具有重要意义。

文章利用关城景区2009—2013 年年平均雷暴日与闪电定位资料，结合关城关楼的结构特点与地质环境。对关楼的雷电防护设计与施工工艺进行了全面的阐述，为后续古建筑的防雷技术提供参考依据。

1 嘉峪关气候特征与关城景区地质条件

1.1 嘉峪关气候特征

嘉峪关位于青藏高原和内蒙古高原之间的走廊地带，是著名的“河西走廊”最西端，地势南高北低并由东南向西北倾斜。由于地处内陆，山脉、戈壁、沙漠多；植被稀疏、降水很少、蒸发量大、风沙多、日照长，冬季严寒、夏季酷热，是典型的大陆性气候。嘉峪关各季节的气候特色比较明显，春季升温迅速，冷暖变化大，多大风、风沙天气；夏季炎热，雨量相对集中；秋季凉爽少雨，降温快，风沙很少；冬季严寒干燥。

1.2 关城景区雷电环境

文章利用甘肃省闪电定位资料，对关城景区2009—2013 年的雷暴日分布与闪电时分布进行了统计分析。关城景区年平均雷暴日数在11.7 d，最多雷暴日数为17.5 d，如图1 所示。

图1 关城景区2009—2013 年雷暴日年分布图

关城景区的雷电活动的时间段主要分布在5月与8 月中旬，9 月份的雷电活动较少，如图2 所示。这主要受嘉峪关气候活动特征与季节的影响，5 月份天气逐渐变暖，到6、7、8 月为嘉峪关最炎热、大气对流过程最为活跃的时期，也是雷电活动最频繁的时间。

图2 关城景区2009—2013 年闪电月分布图

关城景区闪电的时分布主要集中在12 时与21时之间，从图3 可以看出关城景区的闪电时分布具有明显的两个高峰期。闪电最容易发生的时段在夏季极度升温的午后，而嘉峪关的昼夜温差较大，12时到16 时白天温度最高、17 时到21 时温度又会降低。所以这两个时间段的大气对流活动也最为活跃，闪电也主要发生在大气的强对流过程中。

图3 关城景区2009—2013 年闪电逐时分布图

关城景区旅游最为舒适的时间是5 月到10 月中旬、9 时到19 时，从图2、图3 可以看出旅游旺季也是雷电的高发期。因此，加强关城景区的雷电防护，对保护游客人身安全与古建筑文化遗产的安全具有重要意义。

1.3 关城景区地质条件

嘉峪关地貌由戈壁与耕地相间构成，戈壁是由砂石和砂砾构成，耕地主要是黏土。关城景区地貌主要由戈壁与砂石组成，从地面到地下4.5 m 深处均为砂石与鹅卵石构成。由于地质结构与气候的影响，关城景区土壤电阻率较高。

2 关城景区关楼防雷设计

2.1 关楼结构特点与雷击损坏分析

关楼矗立在罗城正中的“嘉峪关”门的楼台上，由兵备道李端澄于明弘治八年（公元1495 年）主持修建。楼台面积556 m2，清同治十二年（公元1873年）左宗棠题“天下第一雄关”匾悬于楼上。关楼为中轴第一座建筑，平面面宽五间，进深四间。建筑长约17 m，宽约11 m，高约17 m，屋顶坡度大于0.5°，为木构架三重檐周围廊歇山式布瓦顶建筑。

古建筑绝大多数为砖木结构，一旦遭受雷击，极易引起木质构件燃烧[4]。由于关楼为关城景区最高的古建筑，且顶层扣脊宝顶装有金属装饰构件。雷电极易击中带有金属构件的高耸建筑，而关楼的宝顶则会成为接闪点。在没有避雷带、引下线与接地装置的情况下，关楼遭受雷击的概率非常高。

2.2 关楼屋面避雷带设计

古建筑的防雷设计应根据规范技术要求与建筑的雷击风险分析、结构特点进行综合设计，充分考虑建筑的防雷安全、文物安全与人身安全。嘉峪关关楼属于第一类防雷文物建筑物[5]，按照第一类防雷设计要求，在关城关楼的吻兽、宝顶、正脊、垂脊、戗脊、一、二、三层屋檐上敷设避雷带，使避雷带网格尺寸不大于12 m×8 m。关楼屋面避雷带设计与引下线位置如图4 所示。

图4 关楼屋面避雷带与引下线设计图

古建筑的避雷带设计应在符合技术规范的前提下，尽量体现古建筑与防雷设计的完美结合。对古建筑的防雷保护既要考虑实用性，也要保证其美观性[6]。防雷设计指导防雷施工的实施，因此古建筑的防雷设计既要确保文物的防雷安全又不影响古建筑的艺术景观和观赏性。

2.3 关楼正立面避雷带与引下线设计

引下线是将雷电流引至接地装置的外部防雷装置之一[7]，根据关楼的结构特点在关楼的侧立面前檐角向内沿第二根柱子处各敷设一条引下线；在关楼的背立面两侧后檐角向内沿第二根柱子各敷设一条引下线，关楼共计敷设四条引下线，如图5 所示。

图5 关楼正立面引下线与避雷带设计图

3 古建筑防雷选材与施工工艺

3.1 避雷带选材与施工

古建筑的防雷选材应充分考虑美观性与耐久性，嘉峪关关楼屋面避雷带选用纯度为99.93%的ф8 cm 紫铜棒。纯度较高的紫铜棒柔软性好易于施工，且在施工完成后，氧化较快对古建筑的景观影响最小。避雷带施工时依关楼的吻兽、宝顶、正脊、垂脊、戗脊、一、二、三层屋檐进行敷设，避雷带与吻兽、屋脊与屋檐之间的距离为0.15 m 左右。紫铜棒避雷带用不锈钢固定支架进行固定，紫铜棒与不锈钢固定卡片接触部位用ф10 cm 黄蜡管进行绝缘处理，以防止紫铜棒与不锈钢发生电化学腐蚀。关楼屋面的避雷带固定安装如图6 所示。

图6 关楼屋面避雷带安装图

3.2 引下线选材与施工

引下线是接闪器与接地体间的重要连接装置，引下线在引流过程中由于雷电流的热效应会产生很高的温度。因此，古建筑的引下线材料应充分考虑耐热性与稳定性，同时应做好引下线与古建筑之间的隔热设计与施工。关楼柱子引下线选用ф8 cm 紫铜棒，从城台引至接地装置的引下线选用BV95 mm2铜绞线。随柱子敷设的引下线穿PVC 绝缘护套管做隔热与绝缘处理，引下线应布设在相对隐蔽的位置。关楼引下线布设如图7 所示。

图7 关楼引下线设计图

3.3 接地极选材与施工

接地装置是将雷电流引入大地的重要防雷设施，接地装置的性能直接影响建筑物的防雷效果。嘉峪关关城地质结构复杂，土壤干燥且电阻率高接地电阻很难达到规范要求[8]。同时结合关楼所处的地质特点，接地材料选用铜质电解离子接地极。古建筑的接地施工需在室外地面处进行开挖，铜质电解离子接地极使用年限在30 年以上，可以最大限度地减少由于接地装置劣化而进行接地装置的更换频率。高土壤电阻率地区的防雷接地是一个比较复杂的问题，而电解离子接地极在土壤电阻率较高的地区有着较好的降阻效果。关楼接地极设计与安装施工如图8 所示。

图8 关楼接地装置安装图（单位：mm）

4 结语

嘉峪关关城两翼的城墙横穿沙漠，自古为甘肃河西第一隘口。关城景区的古建筑体现了中华民族的智慧、文明与建筑艺术，对古建筑进行科学的保护是传承智慧、文明与民族精神的前提保障。文章通过对嘉峪关关城景区地理条件、气候特点与闪电资料的详细分析，并结合关楼的结构特点。对关城关楼的防雷设计、古建筑防雷选材与施工工艺进行了细致的阐述，为其他古建筑的雷电防护技术提供相关的参考。