一种古建筑群的等效雷击截受面积计算方法

郝建新，徐其威，李建科，王春明

（陆军工程大学，南京 210007）

雷电是一种发生在大气中的声、光、电物理现象，是自然界中的雷云之间或者是雷云和大地之间的一种空气放电现象。雷电的特点是电压高、电流大、能量释放的时间短。从雷云出现到雷击放电现象发生，整个过程的时间很长，雷云有充分的时间去积累大量的电荷，这些电荷就会形成局部高电压。当雷云的电压达到一定值时，会击穿空气，形成放电通道。雷云的放电会对建筑物以及其内部电气设备产生热效应、电磁效应等破坏作用，从而引发火灾或造成建筑物倒塌、电气设备损毁，对建筑物的内部人员和文化遗产构成严重的危害。

古建筑是古人遗留给现代人的一种特殊的宝贵财产，被雷击损毁后，具有无法再生性。特别是雷击引起火灾，对古建筑群造成的危害更大，这就决定了古建筑群防雷保护工作的重要性。与现代的建筑物相比较，古建筑群在防雷安全保护的工作上有着完全不同的特性。在进行防雷保护之前对古建筑群做一个精确细致的防雷级别判定是做好防雷保护的重中之重。

近年来，学者们对雷击风险评估方法作出了一些探索[1-4]，也对雷击风险评估现场勘查误区作出了总结[5]，提出了古建筑群防雷安全隐患及其对策[6]。在此基础上，以江苏省重点文物保护单位——南通市南关帝庙巷明清住宅为例，给出了一种较为系统的评估示例，对各类古建筑群防御雷电灾害的规划具备很好的参考价值，也是我们根据实际情况去设计科学合理的雷电防护技术路线的重要依据。

1 古建筑防雷级别方法

古建筑防雷级别分为第一级和第二级，划分方法见表1[7]。

表1 古建筑防雷级别划分

除高度不低于15 m 的非重点文物保护单位的古建筑外，未受过雷击的省级文物保护单位和非重点文物保护单位的古建筑均需计算预计年平均受雷击次数。

2 预计年均雷击次数的计算方法

古建筑的预计年均雷击次数N（次/a）按下式计算。

式中：Ng为平均地闪密度，约等于0.1Td（当地平均雷暴日），次/（km2·a）；Ad为等效雷击截受面积，m2；Cd为位置因子。

根据古建筑所在地的气象资料容易得到平均地闪密度Ng和位置因子Cd，但等效雷击截受面积Ad的计算要根据实际情况确定。

2.1 孤立的长方体古建筑

孤立的长方体古建筑的等效雷击截受面积Ad按下式计算

式中：L为长方体古建筑的屋顶最大外廓的长度，m；W为长方体古建筑的屋顶最大外廓的宽度，m；H 为长方体古建筑的屋顶距室外地面的高度，m。

2.2 形状复杂的古建筑

形状复杂的古建筑的等效雷击截受面积以古建筑最小高度按孤立的长方体古建筑的等效雷击截受面积与屋面突出部分的等效雷击截受面积之间的较大者作为古建筑的近似雷击截受面积。

屋面突出部分的等效雷击截受面积Ad按下式计算

式中：HP为突出部分的高度，m。

2.3 斜坡屋顶古建筑

1）屋顶坡度不大于1/3 时，古建筑的雷击截受面积按孤立的长方体古建筑的计算方法计算。

2）屋顶坡度大于1/3 时，等效雷击截受面积Ad按下式计算

式中：L为古建筑的屋顶最大外廓的长度，m；H为古建筑的屋顶距室外地面的高度，m。

2.4 攒角顶、三角攒尖、四角攒尖等屋顶以及碉楼、塔等古建筑

1）屋顶坡度不大于1/3 时，古建筑的雷击截受面积按孤立的长方体古建筑的计算方法计算。

2）屋顶坡度大于1/3 时，等效雷击截受面积Ad按下式计算

式中：H为古建筑的屋顶尖距室外地面的高度，m。

2.5 古建筑群

2.5.1 等高古建筑群

1）古建筑间外墙的最近水平距离大于3H（H为古建筑的屋顶距室外地面的高度）时，根据建筑的屋顶形式，按照上述方法计算单个古建筑等效雷击截受面积。

2）古建筑间外墙的最近水平距离不大于3H（H为古建筑的屋顶距室外地面的高度）时，根据建筑的屋顶形式，将古建筑群视为单栋建筑，按照上述方法计算等效雷击截受面积。

2.5.2 非等高古建筑群

采用滚球法计算高的古建筑屋顶接闪器的保护范围。

1）低的古建筑在高的古建筑屋顶接闪器的保护范围内，则只计算高的古建筑的等效雷击截受面积，只设计高的古建筑的防雷装置。

2）低的古建筑不或部分在高的古建筑屋顶接闪器的保护范围内，则非等高古建筑群的等效雷击截受面积按等高古建筑群的计算方法计算。

3 防雷等级判定示例

以江苏省重点文物保护单位——南通市南关帝庙巷明清住宅为例。

3.1 地理、地质情况

古建筑群位于南通市崇川区。南通市地处江苏省东南部，南与上海、苏州隔江相望，西与泰州市接壤，北与盐城市接壤，除狼山低丘群外，都为海拔5～6 m 以下的平原，平均海拔为4 m 左右，处于沿海经济带与长江经济带T 型结构交汇点和长江三角洲洲头的城市只有2 个，一个是国际大都市的上海，另一个就是与其一衣带水、处于长江北岸的南通。“据江海之会、扼南北之喉”，隔江与中国经济最发达的上海及苏南地区相望，北接广袤的苏北大平原，通过铁路与欧亚大陆桥相连；从长江口出海口可通达中国沿海和世界各港；溯江而上，可通苏、皖、赣、鄂、湘、川6 省及云、贵、陕、豫等地。苏通长江公路大桥建成以后，已进入上海一小时经济圈。南通市面临海外和内陆两大经济辐射扇面，素有“江海明珠”“扬子第一窗口”之美誉。

3.2 古建筑群气候环境

古建筑群所在地地处长江下游冲积平原，海洋性气候明显，气候温和，四季分明，春秋两季比较短，属北亚热带湿润性气候区，季风影响明显，光照充足，雨水充沛，无霜期长。由于地处中纬度地带、海陆相过渡带，常见的气象灾害有洪涝、干早、梅雨、台风、暴雨、寒潮、高温、大风、雷击和冰雹等，是典型的气象灾害频发区。按最近30 年资料统计，年平均气温在15 ℃左右，年平均日照时数达2 000～2 200 h，年平均降水量1 000～1 100 mm，且雨热同季，夏季雨量约占全年雨量的40%～50%。常年雨日平均120 d 左右，6—7 月常有一段梅雨期。年平均雷暴日为32.1 d，属于中雷区。

3.3 古建筑群土壤情况与雷击灾害史料

对古建筑群的5 个不同方向和位置进行现场测量，计算其土壤电阻率平均为102.42 Ω·m。

测试仪表：K2127B 土壤电阻率测试表（在鉴定有效期内），测试结果见表2。

表2 古建筑群土壤电阻率测试表

天气状况：多云转晴；测试温度：18～24 ℃；风力：微风。

经查询档案资料了解，古建筑群近年来未曾发生过直击雷与感应雷入侵的情况。4—10 月为多雨期，此期间是该地区的多雨季节，属于雷电的高发期。该文物建筑无任何防雷装置，存在较大的雷击风险。因此对该文物建筑采取防雷措施，可有效地防止或减少因雷击所发生的人身伤亡和文物、财产的损失。

3.4 古建筑群的基本情况

古建筑群位于南通城区西南营南关帝庙巷10 号、11 号，包括东西并列的2 组民居建筑群，是南通寺街、西南营历史街区重要的文物建筑遗存。

建筑群总体格局保存较好，建筑造型及细部做法具有典型的南通地区传统民居特色，其中正厅等建筑保留有明后期特征做法，也是南通城市发展历史的重要实物佐证。文物建筑是传承历史的重要符号，是民生民俗的重要载体，是进行弘扬地方特色文化的宝贵资源。

建筑群布局庄重有序，院落宽敞，建筑严谨朴素，空间含蓄有层次感，细部装饰内外有别，具有典型的明清建筑特色。在后期改建过程中，在望楼、围墙门、木门窗、吊顶等部位又掺入了民国时期地方特色做法。

建筑群保留着南通地区明清民居的建筑特点，在功能布局、结构形式、建筑材料、施工方法等方面均为研究江苏传统民居建筑的地域特征和相互影响提供了鲜活的例证。建筑材料以砖木为主，砖筑台基，采用抬梁式、穿斗式混合结构，木柱底部多采用木柱櫍（覆盆式或鼓磴式），梁柱交接处置有雀替。

南通作为国家历史文化名城，寺街、西南营是其重要的历史文化街区之一，而南关帝庙巷明清住宅正是西南营街区中最为重要的民居建筑群。

南关帝庙巷明清住宅是未遭受过雷击的省级重点文物保护单位，平面如图1 所示，分为东西二组宅院，均采用南通地区俗称的“一进五堂”式布局，从入口处依次布置门厅（倒座）、轿厅、客厅、大厅、正房，正房北侧为后罩房。主院与跨院、厢房之间用围墙、备弄（俗称火巷）等隔开。轿厅、客厅等会客建筑用料考究、雕饰精美，正房等居住建筑更关注生活舒适便利，多采用木地板并吊顶，细部装饰朴实而不奢华。

图1 古建筑群平面图

3.5 防雷等级判定

防雷级别为第一级的古建筑滚球半径为45 m，防雷级别为第二级的古建筑滚球半径为60 m。建筑高度为8.1 m 的东跨院楼厅为古建筑群中的最高建筑，按第二级计算，屋顶接闪器在5.5 m 的保护半径为

可见，最高古建筑屋顶接闪器无法保护周围的古建筑。

古建筑群均为斜坡屋顶古建筑，且屋顶坡度大于1/3。由图1 和图2 可知，古建筑间外墙的最近水平距离均不大于3H。古建筑群的等效雷击截受面积为

图2 古建筑正立面图

古建筑群的预计年均雷击次数N为

因此，该古建筑群防雷级别应为第二级。

4 结束语

预计年均受雷击次数是判别省及以下等级古建筑的防雷等级的重要依据，其中等效雷击截受面积的计算是预计年均受雷击次数计算的基础。文献[7]中规定了古建筑的等效雷击截受面积的计算方法，但未考虑古建筑群的等效雷击截受面积的计算。本文给出了古建筑群的等效雷击截受面积计算的一种方法，并以某古建筑群的防雷级别判定为例进行了计算。对需计算预计年平均受雷击次数的古建筑群的防雷等级判定具备很好的参考价值。