摘 要：直擊雷造成的古建筑物、古塔、古樹木等的毀壞時有發(fā)生，古建筑是中華民族的歷史文化遺產(chǎn)，具有極高的歷史價值和藝術價值，古建筑的防雷尤為重要。在古建筑防雷設計與施工中的難點是如何盡量維持建筑原狀與如何不破壞文物美觀和價值。本文通過海寶塔的防雷設計，為同類型的古建筑的防雷提供參考。

關鍵詞：直擊雷；土壤電阻率；接閃器

中圖分類號：TU 895 文獻標志碼：A

全球氣候異常，地震、洪澇、雷擊等各類自然災害頻繁地發(fā)生。在對人類生命財產(chǎn)損害的同時，也對古建筑這類不可移動文物造成了損害，引起了廣泛關注。古建筑遭受雷擊侵襲的事件時有發(fā)生。本文以全國重點文物保護單位海寶塔防雷設計為例，分析討論有關古建筑的防雷設計以及應采取的防雷措施。

1 海寶塔的概況

海寶塔位于寧夏銀川市興慶區(qū)民族北街路西（北塔湖北側）的海寶塔寺內，是一座有1500多年歷史的古剎，1983年被國務院確定為漢族地區(qū)佛教全國重點寺院，它不僅是銀川唯一的全國重點開放寺院，也是旅游觀光的名勝風景點。

海寶塔建在一個方形臺基上，臺高5.7m，邊長19.2m，塔通高53.9m，是一座方形9層11級樓閣式磚塔。塔座高4.2m，邊長15m，這種富有變化的通道反映了我國古代高超的建筑藝術。塔門面東，兩側為暗道階梯，沿階梯可直登塔座。塔身平面呈方形，四壁出檐，每層四面設券門，均向外略有突出，構成鮮明的十二角形。塔身內為上下相通的方形空間，各層之間以木板相隔，沿木梯可登至頂層。塔上端為磚砌四角攢尖頂，頂上置方體桃形綠色琉璃塔剎。海寶塔建筑風格獨特，方形的塔身，四面的券門，眾多的棱角，四角的尖頂，為中國古塔所罕見，被視為中國古代建筑的杰作。海寶塔已作為佛教活動場所開放，并成為銀川市著名的游覽勝地。

海寶塔于1961年3月4日被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位。

2 海寶塔所在地的地理、土壤性質、氣象環(huán)境以及雷電活動規(guī)律情況

2.1 海寶塔所在地的地理

海寶塔所處的銀川平原為黃河上游河套平原的一部分，為黃河沖積平原和賀蘭山山前洪積傾斜平原地形，地勢平坦，其西依自西南至東北走向的賀蘭山山脈，東傍內蒙古高原的南緣鄂爾多斯，面對廣闊的黃土高原；黃河于偏東側自南向北縱貫其間。

海寶塔位于寧夏銀川市興慶區(qū)民族北街路西（北塔湖北側）的海寶塔寺內。海寶塔寺院占地2.2萬m2，海寶塔占地368.64m2。周圍地勢平坦開闊，海拔約為1118m，東經(jīng)106°16′647″，北緯38°29′669″。西距賀蘭山27km，東距黃河20km，西面1km處有漢唐以來就開鑿使用的唐徠渠流過。

2.2 海寶塔所在地的土壤性質

銀川地區(qū)賀蘭山至西干渠之間主要為山地灰鈣土、草甸土和灰褐土，東部沖積平原主要為長期引黃灌溉淤積和耕作交替而形成的灌淤土，局部低洼地區(qū)有湖土和鹽土分布，灌淤土土質適中，理化性好，有機質含量高，保水保肥適種性好，土壤類型的多樣性非常適合發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和多種經(jīng)濟作物生長[1]。地質構造單元主要為賀蘭山褶皺隆起帶，土地廣闊，地勢平緩，土壤黏重，地下水位高，土地鹽堿和鹽漬化較嚴重，土壤以灌淤土、鹽土、堿土為主。海寶塔所處地點為鹽堿土質，在文物建筑四周不同位置進行實測，具體測試位置如圖1所示。

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范 附條文說明[另冊]》（GB 50736—2012）附錄A查表知，銀川市最大凍土層厚度為0.88m。根據(jù)《古建筑防雷工程技術規(guī)范》（GB 51017—2014）4.5.4第3條海寶塔的接地極埋深在凍土層以下，埋深為1.0m。

在海寶塔不同位置進行實測，數(shù)據(jù)見表1。

2.3 氣象環(huán)境及雷電活動規(guī)律

每年的4月—10月是寧夏雷電活動的高發(fā)期，其大多數(shù)集中發(fā)生在7月—8月，這一時期，太陽輻射較強，水汽豐富，地面增溫明顯，水汽抬升，從而引起天氣多變，容易引發(fā)強對流天氣。緯度上表現(xiàn)為南多北少，峰值區(qū)域出現(xiàn)在河流流域、山地以及森林覆蓋率較高的區(qū)域。寧夏回族自治區(qū)地處內陸地區(qū)，年降水量南多北少，雷電出現(xiàn)頻率較高[2]。

海寶塔所屬銀川市年平均雷暴日為19.7d/a，該地區(qū)發(fā)生雷電等強對流極端天氣頻次較高，易發(fā)生雷擊事件。雷電流可達數(shù)十千安培，甚至數(shù)百千安培，產(chǎn)生巨大的破壞力和強大的電磁干擾。雷云對地放電時，對地面上的建筑物、設施和人員構成嚴重危害。海寶塔塔體高聳，所處位置地勢空曠，無其他明顯至高建筑物。

3 海寶塔防雷設計

3.1 防雷類別確定

因為海寶塔為全國重點文物保護單位，所以根據(jù)國家標準將海寶塔按第一類防雷建筑物進行設計。海寶塔防雷系統(tǒng)主要由外部防雷裝置及雷電預警2個部分組成。通過設計加裝的外部防雷裝置，在雷擊發(fā)生后能夠迅速將雷電流泄放到大地，通過安裝在引下線及接地裝置上的終端記錄預警設備采集防雷裝置的運行狀態(tài)，實時了解防雷系統(tǒng)各設備運行狀態(tài)，通過報警方式及時發(fā)出預警信息并采取相應的應急措施。雷電記錄和預警可提前獲取雷電活動的準確預警信息，通過準確地預警、預報，在雷電來臨前采取預防性措施，提高雷電災害的應急處理。

設計中保留高精度閃電定位預警儀的定位端口，當后期達到可定位條件時，進行有效組網(wǎng)，通過與預警端口的有效結合，達到對雷電活動軌跡的精準定位預警。外部防雷系統(tǒng)和高精度閃電定位預警儀有機結合，真正地構建全過程、全維度雷電防護。設計在海寶塔周圍布設了閃電定位預警儀。

3.2 防直擊雷裝置設計

按照國標《古建筑防雷工程技術規(guī)范》和《建筑物防雷設計規(guī)范》設計和施工，主要使用接閃帶、引下線及良好的接地裝置，通過接閃帶對文物建筑進行防護，保護建筑外部不受雷擊的破壞，為海寶塔周邊的人提供一個相對安全的環(huán)境。

3.2.1 接閃器設計

在海寶塔上層檐口處易受雷擊部位敷設接閃帶，在塔頂安裝古塔專用接閃桿。設計的接閃帶選用?10mm紫銅棒制作，安裝在海寶塔頂層。接閃帶固定方式采用專用不銹鋼墻卡安裝，在磚縫處鉆?6mm孔洞即可進行安裝固定。并采用可調節(jié)支架固定，采用放熱焊的方式進行連接，不需要進行防腐處理。紫銅棒熔點高、耐腐蝕性強、強度高、安裝方便，又具有良好的可塑性、導電性，且材質顏色與文物建筑相協(xié)調，對文物建筑影響最?。豢烧{節(jié)支架固定與接閃帶專用連接卡便于拆裝，有利于古建筑二次修繕維護，工藝美觀、安裝簡單，減少了明火焊接作業(yè)，有利于施工過程中對古建筑的保護，降低施工難度。古塔專用接閃桿采用特制支架在塔頂上方安裝，塔頂與接閃桿支架進行可靠連接。

海寶塔設計的接閃桿的材質為仿古色304不銹鋼，強度高，抗腐蝕，消減雷電流能量明顯，質量輕（針體質量≤1.0kg），最大放電電流≥300kA，最大抗風強度40m/s。長度0.8m，下端直徑?30mm，安裝在海寶塔塔頂；接閃桿采用M8 304不銹鋼6角螺栓搭配?40mm壁厚25mm的紫銅管穿孔、螺釘固定，并設置接閃桿抗風穩(wěn)定器安裝于塔頂，塔頂與接閃桿支架進行可靠連接，對文物本體不造成任何破壞。由于在海寶塔上層檐口處易受雷擊部位敷設接閃帶，因此在屋頂中部突出物高出接閃網(wǎng)的部分安裝古塔專用接閃桿，利用滾球法驗證海寶塔的接閃桿保護范圍，取相應的滾球半徑為45m的一個球體，在屋頂滾動，球體只接觸到接閃桿和接閃帶，而接觸不到海寶塔文物建筑本體。此時將海寶塔屋面作為地面看待，而塔頂?shù)奈菝嬉延媒娱W網(wǎng)方法進行保護，塔頂?shù)耐怀鑫镌诮娱W桿的保護范圍內。

3.2.2 接閃帶設計

接閃帶采用?10mm紫銅棒，在海寶塔頂層安裝。接閃帶固定方式采用專用不銹鋼墻卡安裝，在磚縫處鉆?6mm孔洞即可進行安裝固定。接閃帶采用放熱焊的方式進行連接，不需要進行防腐處理。紫銅棒熔點高、耐腐蝕性強、強度高、安裝方便，又具有良好的可塑性、導電性，且材質顏色與文物建筑相協(xié)調，對文物建筑影響最小的接閃帶安裝圖如圖2所示。

3.2.3 引下線設計

根據(jù)現(xiàn)場勘察，塔底單面邊長為10.86m，塔體最大周長為43.45m，根據(jù)要求單體古建筑的專設防雷引下線不應少于2根，因此設計2根引下線，材料采用絕緣導線。引下線采用明敷的方式，沿塔本體隨形引下，便于檢修。引下線在塔體南北兩側對稱布設引下，為防止雷雨天氣帶來的接觸電壓對人員造成傷害，在引下線地面上2.7m至臺明處以及地面下0.3m處應安裝?50mm耐高壓絕緣套管，套管刷仿古漆，與建筑本體顏色協(xié)調一致。

在引下線上距地面1.8m處安裝斷接卡，便于日后檢測、維護，接地斷接卡采用純銅材質，套管在斷接卡位置設計為可拆卸結構，便于進行檢測。引下線采用絕緣導線，均勻對稱分布在塔體外立面。高壓絕緣線其良好的絕緣隔熱性質及泄放雷電流能力有利于古塔及人員安全保護，且高壓絕緣線使用年限長，避免反復更換對古建筑造成損傷[3]。在海寶塔南北兩側安裝引下線，敷設引下線時應避開建筑物出入口、人行通道、水道、地下管線等，并以最短路徑敷設到接地體，敷設應平正順直、無急彎。建筑臺明上的引下線宜采用明敷并穿耐高壓絕緣套管保護，套管刷仿古漆與臺明地磚顏色協(xié)調一致。

在海寶塔南側引下線上設置雷電流信息記錄儀，用于記錄雷擊的時間、次數(shù)、強度等數(shù)據(jù)。在北側引下線上設置接地電阻測試儀，能夠有效地對建筑物接地電阻進行實時測試，測試隱蔽于地下的接地裝置，當發(fā)生報警信號可及時通知維保人員到現(xiàn)場檢測維護，確保接地裝置有效、正常運行。

3.3 防側擊雷裝置設計

根據(jù)《古建筑防雷工程技術規(guī)范》的規(guī)定[4]，海寶塔高度為53.9m，應采取防側擊雷措施，主要是在海寶塔約45m及以上的塔身突出邊緣部位敷設一圈接閃帶，采用?10mm紫銅棒，并與引下線相連，對塔體進行有效防護并滿足規(guī)范要求。

3.4 等電位連接設計

海寶塔每層券門處安裝鐵質防護欄桿，根據(jù)《古建筑防雷工程技術規(guī)范》（GB 51017—2014）第4.2.2條、4.4.4條相關規(guī)定[4]，鐵質防護欄桿須與防雷裝置作等電位連接，本次等電位連接設計將等電位連接線一端通過端子孔與鐵質欄桿連接，另一端通過穿刺線夾與引下線連接，滿足規(guī)范要求。

3.5 接地裝置設計

按照《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》（GB/T 50065—2011）的附錄A土壤中人工接地極工頻接地電阻的計算，均勻土壤中垂直接地極的接地電阻如公式（1）所示。

（1）

式中：R為單根接地體電阻；ρ為土壤電阻率；l為接地體長度，l=3m；d為接地體等效直徑，d=0.05m；K為電解離子接地極降阻系數(shù)（產(chǎn)品系數(shù)指標），K=0.45。

經(jīng)計算，如果R≤10Ω，那么每組接地裝置下安裝1根電解離子接地極可以將電阻限制在10Ω以下；如果R＞10Ω，那么需要將R代入公式（2）（n為每組接地裝置下安裝電解離子接地極數(shù)量），代入求得接地電阻Rn。

Rn＝R/0.75n （2）

垂直接地極的接地電阻計算表見表2。

均勻土壤中不同形狀水平接地極的接地電阻如公式（3）所示。

（3）

式中：Rh為水平接地極的接地電阻；L為水平接地極的總長度；H為水平接地極的埋設深度；D為水平接地極的直徑或等效直徑；A為水平接地極的形狀系數(shù)，如圖3所示。

水平接地極的接地電阻計算見表3。

由水平接地極連接的n根垂直接地極組成的接地裝置，其沖擊接地電阻如公式（4）所示。

（4）

式中：Rvi為每根垂直接地極的沖擊接地電阻；R'hi為水平接地極的沖擊接地電阻。

由垂直接地體和水平接地體組成的接地系統(tǒng)的接地電阻R=9.07Ω。

古建筑防雷裝置及其部件使用的材料應符合環(huán)保要求，且應使用耐腐蝕的或經(jīng)過合格防腐處理的材料。選用XIT電解離子接地棒，它具有導電能力強、接地效果穩(wěn)定、耐腐蝕、使用年限長、使用方便、對環(huán)境無影響、對樹木根系無損害的優(yōu)點，更大優(yōu)勢是可以減少地面開挖量，有利于文物建筑保護，基于以上優(yōu)點，XIT電解離子接地棒在文物建筑防雷接地中得到廣泛應用。引下線入地后以水平接地體連接XIT離子接地極，連接點要用2個銅并勾相連，并且一定要放入專用回填料中。接地棒位置要距離建筑散水或基礎1000mm。在XIT離子接地極選定位置打1個直徑為120mm、深4300mm的鉆孔。將XIT離子接地極固定在鉆孔內，接地棒最少要高于鉆孔底50mm。水平接地體與XIT離子接地極進行可靠連接。將回填料與水比例1∶4.5混合，不斷攪拌，直至顯現(xiàn)為泥漿的狀態(tài)。把混合后回填料灌注在XIT離子接地極周圍，回填料高度不可超越紅色標簽以上。

4 結語

綜上所述，在維持古建筑原狀的原則下進行古建筑防直擊雷裝置設計與現(xiàn)代建筑尤為不同，主要使用接閃帶、引下線及良好的接地裝置，通過接閃帶對海寶塔進行防護，保護海寶塔外部不受雷擊的破壞，本文對海寶塔的防雷設計，希望能為同類型的塔類古建筑的防雷提供設計參考。

參考文獻

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