一種古建筑群的等效雷擊截受面積計(jì)算方法

郝建新，徐其威，李建科，王春明

（陸軍工程大學(xué)，南京 210007）

雷電是一種發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象，是自然界中的雷云之間或者是雷云和大地之間的一種空氣放電現(xiàn)象。雷電的特點(diǎn)是電壓高、電流大、能量釋放的時(shí)間短。從雷云出現(xiàn)到雷擊放電現(xiàn)象發(fā)生，整個(gè)過程的時(shí)間很長(zhǎng)，雷云有充分的時(shí)間去積累大量的電荷，這些電荷就會(huì)形成局部高電壓。當(dāng)雷云的電壓達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)擊穿空氣，形成放電通道。雷云的放電會(huì)對(duì)建筑物以及其內(nèi)部電氣設(shè)備產(chǎn)生熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)等破壞作用，從而引發(fā)火災(zāi)或造成建筑物倒塌、電氣設(shè)備損毀，對(duì)建筑物的內(nèi)部人員和文化遺產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的危害。

古建筑是古人遺留給現(xiàn)代人的一種特殊的寶貴財(cái)產(chǎn)，被雷擊損毀后，具有無法再生性。特別是雷擊引起火災(zāi)，對(duì)古建筑群造成的危害更大，這就決定了古建筑群防雷保護(hù)工作的重要性。與現(xiàn)代的建筑物相比較，古建筑群在防雷安全保護(hù)的工作上有著完全不同的特性。在進(jìn)行防雷保護(hù)之前對(duì)古建筑群做一個(gè)精確細(xì)致的防雷級(jí)別判定是做好防雷保護(hù)的重中之重。

近年來，學(xué)者們對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法作出了一些探索[1-4]，也對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)勘查誤區(qū)作出了總結(jié)[5]，提出了古建筑群防雷安全隱患及其對(duì)策[6]。在此基礎(chǔ)上，以江蘇省重點(diǎn)文物保護(hù)單位——南通市南關(guān)帝廟巷明清住宅為例，給出了一種較為系統(tǒng)的評(píng)估示例，對(duì)各類古建筑群防御雷電災(zāi)害的規(guī)劃具備很好的參考價(jià)值，也是我們根據(jù)實(shí)際情況去設(shè)計(jì)科學(xué)合理的雷電防護(hù)技術(shù)路線的重要依據(jù)。

1 古建筑防雷級(jí)別方法

古建筑防雷級(jí)別分為第一級(jí)和第二級(jí)，劃分方法見表1[7]。

表1 古建筑防雷級(jí)別劃分

除高度不低于15 m 的非重點(diǎn)文物保護(hù)單位的古建筑外，未受過雷擊的省級(jí)文物保護(hù)單位和非重點(diǎn)文物保護(hù)單位的古建筑均需計(jì)算預(yù)計(jì)年平均受雷擊次數(shù)。

2 預(yù)計(jì)年均雷擊次數(shù)的計(jì)算方法

古建筑的預(yù)計(jì)年均雷擊次數(shù)N（次/a）按下式計(jì)算。

式中：Ng為平均地閃密度，約等于0.1Td（當(dāng)?shù)仄骄妆┤眨?，?（km2·a）；Ad為等效雷擊截受面積，m2；Cd為位置因子。

根據(jù)古建筑所在地的氣象資料容易得到平均地閃密度Ng和位置因子Cd，但等效雷擊截受面積Ad的計(jì)算要根據(jù)實(shí)際情況確定。

2.1 孤立的長(zhǎng)方體古建筑

孤立的長(zhǎng)方體古建筑的等效雷擊截受面積Ad按下式計(jì)算

式中：L為長(zhǎng)方體古建筑的屋頂最大外廓的長(zhǎng)度，m；W為長(zhǎng)方體古建筑的屋頂最大外廓的寬度，m；H 為長(zhǎng)方體古建筑的屋頂距室外地面的高度，m。

2.2 形狀復(fù)雜的古建筑

形狀復(fù)雜的古建筑的等效雷擊截受面積以古建筑最小高度按孤立的長(zhǎng)方體古建筑的等效雷擊截受面積與屋面突出部分的等效雷擊截受面積之間的較大者作為古建筑的近似雷擊截受面積。

屋面突出部分的等效雷擊截受面積Ad按下式計(jì)算

式中：HP為突出部分的高度，m。

2.3 斜坡屋頂古建筑

1）屋頂坡度不大于1/3 時(shí)，古建筑的雷擊截受面積按孤立的長(zhǎng)方體古建筑的計(jì)算方法計(jì)算。

2）屋頂坡度大于1/3 時(shí)，等效雷擊截受面積Ad按下式計(jì)算

式中：L為古建筑的屋頂最大外廓的長(zhǎng)度，m；H為古建筑的屋頂距室外地面的高度，m。

2.4 攢角頂、三角攢尖、四角攢尖等屋頂以及碉樓、塔等古建筑

1）屋頂坡度不大于1/3 時(shí)，古建筑的雷擊截受面積按孤立的長(zhǎng)方體古建筑的計(jì)算方法計(jì)算。

2）屋頂坡度大于1/3 時(shí)，等效雷擊截受面積Ad按下式計(jì)算

式中：H為古建筑的屋頂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）古建筑間外墻的最近水平距離大于3H（H為古建筑的屋頂距室外地面的高度）時(shí)，根據(jù)建筑的屋頂形式，按照上述方法計(jì)算單個(gè)古建筑等效雷擊截受面積。

2）古建筑間外墻的最近水平距離不大于3H（H為古建筑的屋頂距室外地面的高度）時(shí)，根據(jù)建筑的屋頂形式，將古建筑群視為單棟建筑，按照上述方法計(jì)算等效雷擊截受面積。

2.5.2 非等高古建筑群

采用滾球法計(jì)算高的古建筑屋頂接閃器的保護(hù)范圍。

1）低的古建筑在高的古建筑屋頂接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，則只計(jì)算高的古建筑的等效雷擊截受面積，只設(shè)計(jì)高的古建筑的防雷裝置。

2）低的古建筑不或部分在高的古建筑屋頂接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，則非等高古建筑群的等效雷擊截受面積按等高古建筑群的計(jì)算方法計(jì)算。

3 防雷等級(jí)判定示例

以江蘇省重點(diǎn)文物保護(hù)單位——南通市南關(guān)帝廟巷明清住宅為例。

3.1 地理、地質(zhì)情況

古建筑群位于南通市崇川區(qū)。南通市地處江蘇省東南部，南與上海、蘇州隔江相望，西與泰州市接壤，北與鹽城市接壤，除狼山低丘群外，都為海拔5～6 m 以下的平原，平均海拔為4 m 左右，處于沿海經(jīng)濟(jì)帶與長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶T 型結(jié)構(gòu)交匯點(diǎn)和長(zhǎng)江三角洲洲頭的城市只有2 個(gè)，一個(gè)是國(guó)際大都市的上海，另一個(gè)就是與其一衣帶水、處于長(zhǎng)江北岸的南通?！皳?jù)江海之會(huì)、扼南北之喉”，隔江與中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的上海及蘇南地區(qū)相望，北接廣袤的蘇北大平原，通過鐵路與歐亞大陸橋相連；從長(zhǎng)江口出?？诳赏ㄟ_(dá)中國(guó)沿海和世界各港；溯江而上，可通蘇、皖、贛、鄂、湘、川6 省及云、貴、陜、豫等地。蘇通長(zhǎng)江公路大橋建成以后，已進(jìn)入上海一小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈。南通市面臨海外和內(nèi)陸兩大經(jīng)濟(jì)輻射扇面，素有“江海明珠”“揚(yáng)子第一窗口”之美譽(yù)。

3.2 古建筑群氣候環(huán)境

古建筑群所在地地處長(zhǎng)江下游沖積平原，海洋性氣候明顯，氣候溫和，四季分明，春秋兩季比較短，屬北亞熱帶濕潤(rùn)性氣候區(qū)，季風(fēng)影響明顯，光照充足，雨水充沛，無霜期長(zhǎng)。由于地處中緯度地帶、海陸相過渡帶，常見的氣象災(zāi)害有洪澇、干早、梅雨、臺(tái)風(fēng)、暴雨、寒潮、高溫、大風(fēng)、雷擊和冰雹等，是典型的氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)。按最近30 年資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫在15 ℃左右，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 000～2 200 h，年平均降水量1 000～1 100 mm，且雨熱同季，夏季雨量約占全年雨量的40%～50%。常年雨日平均120 d 左右，6—7 月常有一段梅雨期。年平均雷暴日為32.1 d，屬于中雷區(qū)。

3.3 古建筑群土壤情況與雷擊災(zāi)害史料

對(duì)古建筑群的5 個(gè)不同方向和位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，計(jì)算其土壤電阻率平均為102.42 Ω·m。

測(cè)試儀表：K2127B 土壤電阻率測(cè)試表（在鑒定有效期內(nèi)），測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 古建筑群土壤電阻率測(cè)試表

天氣狀況：多云轉(zhuǎn)晴；測(cè)試溫度：18～24 ℃；風(fēng)力：微風(fēng)。

經(jīng)查詢檔案資料了解，古建筑群近年來未曾發(fā)生過直擊雷與感應(yīng)雷入侵的情況。4—10 月為多雨期，此期間是該地區(qū)的多雨季節(jié)，屬于雷電的高發(fā)期。該文物建筑無任何防雷裝置，存在較大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)該文物建筑采取防雷措施，可有效地防止或減少因雷擊所發(fā)生的人身傷亡和文物、財(cái)產(chǎn)的損失。

3.4 古建筑群的基本情況

古建筑群位于南通城區(qū)西南營(yíng)南關(guān)帝廟巷10 號(hào)、11 號(hào)，包括東西并列的2 組民居建筑群，是南通寺街、西南營(yíng)歷史街區(qū)重要的文物建筑遺存。

建筑群總體格局保存較好，建筑造型及細(xì)部做法具有典型的南通地區(qū)傳統(tǒng)民居特色，其中正廳等建筑保留有明后期特征做法，也是南通城市發(fā)展歷史的重要實(shí)物佐證。文物建筑是傳承歷史的重要符號(hào)，是民生民俗的重要載體，是進(jìn)行弘揚(yáng)地方特色文化的寶貴資源。

建筑群布局莊重有序，院落寬敞，建筑嚴(yán)謹(jǐn)樸素，空間含蓄有層次感，細(xì)部裝飾內(nèi)外有別，具有典型的明清建筑特色。在后期改建過程中，在望樓、圍墻門、木門窗、吊頂?shù)炔课挥謸饺肓嗣駠?guó)時(shí)期地方特色做法。

建筑群保留著南通地區(qū)明清民居的建筑特點(diǎn)，在功能布局、結(jié)構(gòu)形式、建筑材料、施工方法等方面均為研究江蘇傳統(tǒng)民居建筑的地域特征和相互影響提供了鮮活的例證。建筑材料以磚木為主，磚筑臺(tái)基，采用抬梁式、穿斗式混合結(jié)構(gòu)，木柱底部多采用木柱櫍（覆盆式或鼓磴式），梁柱交接處置有雀替。

南通作為國(guó)家歷史文化名城，寺街、西南營(yíng)是其重要的歷史文化街區(qū)之一，而南關(guān)帝廟巷明清住宅正是西南營(yíng)街區(qū)中最為重要的民居建筑群。

南關(guān)帝廟巷明清住宅是未遭受過雷擊的省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，平面如圖1 所示，分為東西二組宅院，均采用南通地區(qū)俗稱的“一進(jìn)五堂”式布局，從入口處依次布置門廳（倒座）、轎廳、客廳、大廳、正房，正房北側(cè)為后罩房。主院與跨院、廂房之間用圍墻、備弄（俗稱火巷）等隔開。轎廳、客廳等會(huì)客建筑用料考究、雕飾精美，正房等居住建筑更關(guān)注生活舒適便利，多采用木地板并吊頂，細(xì)部裝飾樸實(shí)而不奢華。

圖1 古建筑群平面圖

3.5 防雷等級(jí)判定

防雷級(jí)別為第一級(jí)的古建筑滾球半徑為45 m，防雷級(jí)別為第二級(jí)的古建筑滾球半徑為60 m。建筑高度為8.1 m 的東跨院樓廳為古建筑群中的最高建筑，按第二級(jí)計(jì)算，屋頂接閃器在5.5 m 的保護(hù)半徑為

可見，最高古建筑屋頂接閃器無法保護(hù)周圍的古建筑。

古建筑群均為斜坡屋頂古建筑，且屋頂坡度大于1/3。由圖1 和圖2 可知，古建筑間外墻的最近水平距離均不大于3H。古建筑群的等效雷擊截受面積為

圖2 古建筑正立面圖

古建筑群的預(yù)計(jì)年均雷擊次數(shù)N為

因此，該古建筑群防雷級(jí)別應(yīng)為第二級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)計(jì)年均受雷擊次數(shù)是判別省及以下等級(jí)古建筑的防雷等級(jí)的重要依據(jù)，其中等效雷擊截受面積的計(jì)算是預(yù)計(jì)年均受雷擊次數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]中規(guī)定了古建筑的等效雷擊截受面積的計(jì)算方法，但未考慮古建筑群的等效雷擊截受面積的計(jì)算。本文給出了古建筑群的等效雷擊截受面積計(jì)算的一種方法，并以某古建筑群的防雷級(jí)別判定為例進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)需計(jì)算預(yù)計(jì)年平均受雷擊次數(shù)的古建筑群的防雷等級(jí)判定具備很好的參考價(jià)值。