鼓嶺古建筑屋面防雷裝置研究

李凌楓

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350108)

引 言

福州鼓嶺是位于福州東郊的避暑勝地，1886年由西方傳教士開辟，距福州約13km，山高800多米，夏日最高氣溫不超過30℃，吸引了許多不耐福州酷暑的西方人士。1935年時，這里擁有200多幢風(fēng)格各異的避暑別墅，還有教堂、醫(yī)院、運動場、游泳池、萬國公益社等公共建筑。三十年代郁達(dá)夫曾到此避暑。是江西廬山牯嶺、浙江莫干山、河南雞公山之外又一處有影響的避暑地。

2012年2月15日，美國友好團(tuán)體在華盛頓萬豪飯店舉行午宴，歡迎習(xí)近平到訪美國。演講中，習(xí)近平向來賓講述了一對美國夫婦對中國一個叫鼓嶺的地方充滿了眷念與向往，渴望故地重游而未能如愿的故事。就是這個故事，把全世界的目光吸引到了“鼓嶺”——這個不知名的福建小鎮(zhèn)。

2012年5月，福州市政府出資，對鼓嶺進(jìn)行大面積改造、修繕。其中鼓嶺景區(qū)宜夏老街項目就包括了六處重要的文物保護(hù)單位:李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅。

1 現(xiàn)場勘查

李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅多為單層石木結(jié)構(gòu)，走廊寬大，最寬的達(dá)4m，作為乘涼和懸掛秋千的場所。室內(nèi)建有壁爐，每幢向北一面均用石塊砌成防風(fēng)墻，最厚的墻基達(dá)4m。建筑物采光、通風(fēng)條件均良好。屋頂采用傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，屋面灰瓦覆頂。

圖1 宜夏別墅

2012年6月上旬，我院組織防雷專業(yè)技術(shù)人員就鼓嶺景區(qū)宜夏老街地理、地質(zhì)、土壤、環(huán)境等方面進(jìn)行現(xiàn)場勘察，并查閱當(dāng)?shù)貧v史氣象和雷擊資料?？辈旆治銮闆r報告如下:

鼓嶺景區(qū)宜夏老街項目位于福州市晉安區(qū)宜夏村，為處于山坳間的一座村莊，項目中心所在經(jīng)緯度:119°23＇31.45″，26°05＇34.70″，海拔高度在 680m 至720m之間。據(jù)福建省防雷中心對該項目雷擊風(fēng)險評估報告中指出，經(jīng)查閱歷史上該區(qū)域雷擊資料(1961-2006)，年平均雷暴日為53d，最多年份為77d，最少年份24d。

2 防雷等級的劃分

鼓嶺景區(qū)宜夏老街項目所占地面積較大，第一期古街項目總長600m、寬3.5m;六幢古建筑中，占地面積較大、高度最高為李世甲故居，下面針對該建筑計算其年預(yù)計雷擊次數(shù)并進(jìn)行防雷類別的劃分。

(1)年預(yù)計雷擊次數(shù)計算

以李世甲故居為例，計算年預(yù)計雷擊次數(shù)N值。其中景區(qū)所在區(qū)域年平均年暴日為53天/a。

根據(jù)GB50057-2010的計算公式:年預(yù)計雷擊次數(shù)N=k×Ng×Ae

式中:N——建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a);

k——校正系數(shù)(因位于曠野選取2);

Ng——雷擊大地的年平均密度(由下式確定);Ng=0.1×Td(其中:Td為鼓嶺年平均雷暴日數(shù)，53天);

Ae——建筑物等效面積(由下式確定);

L、W、H —— 分別為建筑物的長、寬、高?，F(xiàn)已知李世甲故居長 19.1m，寬 14.48m，最高點8.64m。

故 Ng=0.1×Td=0.1×53=5.3，k=2

經(jīng)計算可得，該單體建筑年預(yù)計雷擊次數(shù)

N=k×Ng×Ae

=2×5.3×0.0082

=0.087(次/a)

(2)據(jù)建設(shè)單位提供情況，該六幢建筑目前正在申報省級文物保護(hù)建筑，但尚未批復(fù)，因此，在防雷類別計算時暫按一般性建筑考慮。

(3)景區(qū)雷閃密度情況

根據(jù)福建省防雷中心提供的評估報告稱，2004-2011年景區(qū)內(nèi)共出現(xiàn)雷閃579次，雷電流最大達(dá)111KA，最小為 1.2KA，平均 12.07KA，雷電頻率較高，出現(xiàn)雷擊概率大。同時，據(jù)計算景區(qū)百年一遇最多年雷暴日數(shù)可達(dá)79.51天。

根據(jù)上述四方面情況分析，結(jié)合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-2010、福建省防雷中心提供的《福州鼓嶺景區(qū)宜夏老街雷擊風(fēng)險評估報告》的相關(guān)內(nèi)容和條文規(guī)定，該宜夏老街綜合防雷整改工程項目各單體建筑均劃分為第三類防雷建筑物。

3 屋面防雷裝置設(shè)計方案

李世甲建筑、洋人游泳池及附屬設(shè)施、萬國公益社、鼓嶺郵局、加德納別墅和宜廈別墅(下稱“六幢古建筑”)，由于其結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、墻體為石頭，屋面(頂)為純木質(zhì)組成。經(jīng)過大量的研究分析，在設(shè)計開始階段，提出了三個方案:

●方案一:

為防雷防火安全和建筑美觀起見，不設(shè)置避雷帶保護(hù)，而設(shè)置專門獨立避雷針防護(hù)。避雷針采用三形鋼管避雷針?biāo)叨雀鶕?jù)建筑所在位置不同確定。

避雷針?biāo)梢杂袖摻钏摴芩徒卿撍N形式，為了美觀起見，本方案采用鋼管避雷針?biāo)?，其?yōu)點:一是基礎(chǔ)占地面積小，約3×3m;二是采用三角形固定，牢固安全;三是圓形設(shè)立，外觀較美觀，并且受風(fēng)壓較小。

避雷針采用法國INDELEC避雷針，型號為S2.10。其優(yōu)點是堅固性強、接閃性能好、具有提前預(yù)放電功能。

●方案二:

接閃器采用Φ12mm鍍鋅圓鋼沿屋角、屋脊、屋檐等易受雷擊的部位明敷設(shè)，在整個屋面形成不大于20m×20m或24m×16m的網(wǎng)格。

具體做法詳見國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集D501-1～4第2-10頁《古建筑物防雷做法》。

●方案三

接閃器采用純銅板(紫銅):厚度不小于0.5mm，規(guī)格比瓦片略大，扣住瓦片固定;所有屋角突出部位設(shè)置，其余部位布設(shè)按間距不大于3m一塊進(jìn)行設(shè)置，并與暗敷接閃帶進(jìn)行有效機(jī)械或焊接連通，連接處做好防腐措施。

接閃帶采用截面積為50mm2的銅芯線進(jìn)行布設(shè)，并穿 PVC絕緣管防護(hù)，沿 屋檐、屋脊、屋角暗敷設(shè)，并固定在木質(zhì)梁上。接閃帶網(wǎng)格大小不大于20m×20m或24m×16m。

具體做法參見IEC62305-3《雷電防護(hù)——第三部分 建筑物的實體損壞和生命危險》。如(圖1):

圖1 隱藏屋頂建筑物上的LPS設(shè)計實例

4 方案分析對比

方案一:最大的特點是完整地保持了建筑本體。提前預(yù)放電功能的避雷針是完全獨立于建筑之外設(shè)置的，最大程度地保持了建筑自身的風(fēng)貌。對于古建筑保護(hù)，是一個很有利的做法。但是，由于提前預(yù)放電功能的避雷針仍處于使用的初步階段，對于其安全性及穩(wěn)定性，暫時還沒有確切的認(rèn)定。目前實施的一些工程，僅僅是把它作為防雷的輔助手段，而不是主要手段。所以在使用過程中，仍需謹(jǐn)慎。

方案二:最大的特點是安全可靠。這種做法被廣泛地應(yīng)用到古建筑修復(fù)工程中，例如北京故宮、沈陽故宮等等。在施工工藝上也相對的成熟，是被業(yè)界廣泛推崇的做法。但是其最大的缺陷就是破壞了建筑的本體。而不同于北京故宮、沈陽故宮這些北方的官式建筑。鼓嶺的古建筑體量相對較小，高度較低，站在地面上就可以直接看到屋面。接閃器采用明敷設(shè)的方式，嚴(yán)重的破壞了建筑自身。

方案三:集合了方案一和方案二的優(yōu)點，在最大程度上完整地保持了建筑本體，同時保證了安全性與可靠性。這里重點提出的是，本次采用的材料為紫銅，而不是常用的鍍鋅扁鋼。根據(jù)IEC62305-1《雷電防護(hù)——第一部分 總則》中表 D.3統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示(表1)，在截面積同為50 mm2的情況下，遇到雷擊，不銹鋼的最大溫升達(dá)到了940，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了木材的燃點。如果直接用不銹鋼將接閃帶敷設(shè)在屋面瓴條上，在遇到雷電襲擊時，非常容易引起火災(zāi)。當(dāng)然，可以通過加大不銹鋼的截面積來達(dá)到降低溫升的效果。但是，截面積加大會大大增加施工的難度，在工程造價方面也會大大提高。所以最終還是選擇銅作為接閃器的材料較為合適。

表1 不同截面積的導(dǎo)體和比能(W/R)函數(shù)下的溫升

綜合考慮，方案三最為符合本工程的要求。它既達(dá)到防雷防火安全的效果，又滿足了建筑美觀的要求。所以，推薦方案三作為該項目的實施方案。

5 施工方案

2012年6月16日，鼓嶺管委會召開《鼓嶺歷史建筑修復(fù)(重建)與鼓嶺古街道路及配套基礎(chǔ)設(shè)施工程防雷方案評審會》，邀請林維勇(中國中元國際工程公司總工 教授級高工)、陳漢民(福建省建筑設(shè)計研究院總工 教授級高工)、曾金全(福建省防雷中心主任高工)組成專家組，就設(shè)計方案進(jìn)行評審論證。

專家組在聽取了鼓嶺景區(qū)規(guī)劃、建筑、防雷設(shè)計方案，并勘查現(xiàn)場，最終通過了方案三的設(shè)計。

在施工過程中，采用了250mm×240mm×2mm(略大于瓦片230mm×220mm)的純銅片，運用爪鑲的工藝扣住瓦片作為接閃器。在屋角、屋脊、屋檐的位置，每隔2.5m敷設(shè)一塊純銅片，銅片之間采用截面積為50mm2的銅芯線，穿 PVC絕緣管防護(hù)連接。銅芯線敷設(shè)在瓦片之下，形成不大于20m×20m或24m×16m的接閃網(wǎng)格。這樣，明敷設(shè)的銅片與暗敷設(shè)的銅芯線形成了一套完整的屋面防雷系統(tǒng)。

6 結(jié)語

這是一次很好的古建筑防雷設(shè)計經(jīng)驗，在今后設(shè)計中可以借鑒。目前，工程已竣工且投入使用。根據(jù)使用方的反饋，新形式的屋面防雷做法起到了很好的效果。相信在今天，這種設(shè)計方案會被大量的運用到古建筑防雷設(shè)計中去。

[1]GB50057-2010，建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50054-95，低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].

[3]IEC62305 ，雷電防護(hù)[S].

[4]福建省防雷中心.福州市鼓嶺景區(qū)宜夏老街雷擊風(fēng)險評估報告[R].

[5]D501-1～4，防雷與接地安裝(2003年合訂本)[S].