粵劇藝術(shù)博物館的防雷設(shè)計(jì)措施初探

麥金嬋，伍瑞林，何耀斌，魏映華

（廣州市氣象局，廣東廣州 510150）

粵劇藝術(shù)博物館于2014年2月動(dòng)工興建，該館地處廣州市荔灣區(qū)（俗稱西關(guān)）恩寧路，毗鄰永慶坊，是一座具有嶺南風(fēng)格、水鄉(xiāng)特色的中國林式博物館。該館是文物系統(tǒng)博物館三級風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)單位，是廣州市重點(diǎn)項(xiàng)目，是粵劇文物藏品、科研、展示、市民休閑的場所。博物館占地建筑面積17 435.9 m2，分南、北岸和主館3幢。南岸（別院笙歌：半亭、售票樓、六角亭、水榭、連廊、南儀門）；主館（八和閣、茶軒、賀香樓）和北岸（瓊花堂、吉慶別館、鑾輿閣、聽雨小筑、普天樂、西樓映月、連廊、廣福臺(tái)）都是仿古建筑，最突出的是廣福臺(tái)結(jié)合傳統(tǒng)特色打造的木結(jié)構(gòu)仿古建筑。（仿）古建筑物是中華民族文化遺產(chǎn)、人類文明的寶貴財(cái)富，按照傳統(tǒng)方式營造、復(fù)舊呈現(xiàn)，大量的數(shù)據(jù)和案例表明其地理位置、木質(zhì)材料、工藝（屋脊、挑檐、走獸、吻獸、尖端）等條件影響其受雷擊的概率比較大［1-2]。為保護(hù)好仿古建筑物，雷電防御設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)，防雷設(shè)施維護(hù)尤其重要。

1 博物館所處地理與氣候環(huán)境

廣州市荔灣區(qū)地處廣州西邊，平原地勢向南向西呈低落之勢，中山七路東段到西山最高，最低處在叢桂路涌邊，屬南亞熱帶典型海洋性季風(fēng)氣候。四季特征：春季氣候多變、夏季雨水豐沛、秋季干燥、冬季溫暖。1984—2013年的30年平均雷暴日達(dá)到73.4 d［3]。2010—2018年《廣州市荔灣區(qū)氣候概況分析》表明，雷暴日數(shù)全市平均75 d，前汛期強(qiáng)對流天氣集中在4—6月，后汛期高溫酷暑集中在7—9月，強(qiáng)對流天氣平均每年日數(shù)達(dá)38 d，地閃密度平均值Ng為35次／（km2·年）。Ng是衡量雷云對地放電的頻繁程度，也是雷災(zāi)事件的重要參數(shù)之一。數(shù)據(jù)分析和曲線圖（圖1）說明，雷電災(zāi)害事件的概率在汛期提高。

圖1 廣州城區(qū)2010—2018年累年平均的1—12月雷暴、高溫和暴雨的日數(shù)

2 博物館建筑群防雷類別的劃分

GB51017-2014《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》中附錄A.1.1古建筑預(yù)計(jì)年均雷擊次數(shù)算式為

其中，N為年均雷擊次數(shù)（次／年）；Ng平均地閃密度（次／（km2·年）），博物館的平均地閃密度值為35次／（km2·年）；Ad為古建筑的等效雷擊截受面積（m2）；Cd為位置因子；粵劇藝術(shù)博物館按長方體計(jì)算。

位置因子，按GB51017-2014規(guī)范中附錄表A.1.1“位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處，地下水露頭處、特別潮濕處選取參數(shù)1.5”計(jì)。

GB51017-2014規(guī)范中附錄A.2長方體古建筑物的等效雷擊截受面積，計(jì)算粵劇藝術(shù)博物館建筑群預(yù)計(jì)年受雷擊次數(shù)列出方案Ⅰ和Ⅱ：

方案Ⅰ根據(jù)圖紙建筑群分南岸、北岸，兩個(gè)長方體計(jì)算等效雷擊截受面積如下：

南岸和主館：防雷設(shè)計(jì)圖紙長122.49 m，寬69.87 m，高3.37～18.30 m。

北岸：防雷設(shè)計(jì)圖紙長62.00 m，寬40.00 m，高6.60～20.40 m。

南岸和主館①Ad＝L×W+6H×（L+W）+π（3H）2＝122.49×69.87+6×18.3×（122.49+69.87）+3.14×（3×18.30）2＝39 143.50 m2

南岸和主館②N＝Ng×Ad×Cd×10-6＝35×39143.50×1.5×10-6＝2.06次／年

北岸①Ad＝L×W+6H×（L+W）+π（3H）2＝62×40+6×20.4×（62+40）+3.14×（3×20.4）2＝26 725.48 m2

北岸②N＝Ng×Ad×Cd×10-6＝35×26725.48×1.5×10-6＝1.403次／年

其中，Ad為等效雷擊截受面積（m2）；L為長方體古建筑的屋頂最大外廓的長度（m）；W為長方體古建筑的屋頂最大外廓的寬度（m）；H為長方體古建筑的屋頂距室外地面的高度（m）；π≈3.14。

方案Ⅱ根據(jù)圖紙圈出博物館主體建筑物，圖紙顯示不規(guī)則圖2紅線部分，借助計(jì)算機(jī)CAD圖紙偏移功能得出圖2黑線部分，按長方體、平均高15 m計(jì)算等效雷擊截受面積的思路，計(jì)算得出整個(gè)博物館，古建筑的等效雷擊截受面積為32 143.35 m2，如圖3所示。

劃分1：按GB51017-2014規(guī)范中附錄3.0.2第4規(guī)定，在可能發(fā)生地閃的地區(qū)，遇預(yù)計(jì)年均雷擊次數(shù)＞0.25次／年的古建筑的，應(yīng)劃為第1級防雷古建筑［4]。

劃分2：按GB50165-1992規(guī)范第5.3.4規(guī)定，預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)＞0.06次／年的建筑物為2類，＞0.03次／年的建筑物為3類，對第1類古建筑，應(yīng)專門研究［5]。

劃分3：GB50057-2010規(guī)范第3.0.3第2條規(guī)定，國家級重點(diǎn)文物保護(hù)單位的古建筑物、大型展覽和博覽建筑物根據(jù)實(shí)際情況至少應(yīng)劃為2類以上防雷建筑物［6]。

圖2 計(jì)算機(jī)計(jì)算博物館主體建筑物等效雷擊截受面積示意圖

圖3 計(jì)算機(jī)計(jì)算博物館主體建筑物等效雷擊截受面積

因此，可以得出粵劇藝術(shù)博物館建筑群劃分為第1級防雷古建筑，2類防雷建筑物。

3 博物館建筑群工藝與防雷措施

南、北岸和主館3幢仿古建筑群，融入嶺南傳統(tǒng)三雕（石雕、木雕、磚雕）、兩塑（灰塑、陶塑）、石灣公仔、嵌瓷、彩畫等民間傳統(tǒng)手工藝，通過2處“連廊”把3幢建筑連接起來，主館加入了“玻璃天棚”、電梯等現(xiàn)代的元素，每一幢仿古建筑既可獨(dú)立成風(fēng)景、又呈現(xiàn)了其整體觀賞的藝術(shù)性，結(jié)合建筑物防雷設(shè)計(jì)特色如下：

3.1 外部防雷保護(hù)

1）接閃器設(shè)計(jì)與安裝。

（1）①南岸和主館、北岸屋面都有石灣公仔脊、嵌瓷等工藝品作為裝飾，全部采用φ12，熱鍍鋅圓鋼，短接閃桿高度500 mm，以起到保護(hù)建筑物作用。

②主館“八和閣”建筑結(jié)構(gòu)為十字脊屋頂形式，最高點(diǎn)為32 m，設(shè)計(jì)施工則采用φ12熱鍍鋅圓鋼，短接閃桿高度300 mm，頂部磨成半球狀來保證接閃。

③北岸“廣福臺(tái)”是木質(zhì)結(jié)構(gòu)的建筑，設(shè)計(jì)采用了方形坡屋頂，屋頂全部采用金屬銅瓦銅板屋面和銅制祥獸，運(yùn)用整個(gè)金屬屋面與木結(jié)構(gòu)建筑體結(jié)合，作為接閃是一大特色，達(dá)到了有效接閃與藝術(shù)融合、保量傳統(tǒng)的3層效果。

④另外，建筑物連廊的形式連接，防雷材料工藝則采用φ10熱鍍鋅圓鋼連接不同標(biāo)高接閃網(wǎng)，形成不等高避雷帶，用于無縫連接，達(dá)到無死角接閃作用。

（2）①主館采用φ12熱鍍鋅圓鋼高出構(gòu)架120 mm敷設(shè)的明敷接閃網(wǎng)格，其支持卡子間距1 m，轉(zhuǎn)彎處為0.5 m。

②南岸、北岸采用了φ12熱鍍鋅圓鋼作暗敷接閃網(wǎng)格。

③北岸“廣福臺(tái)”采用金屬板厚度≥7mm明敷接閃網(wǎng)格、接閃帶［7]。

2）引下線設(shè)計(jì)與安裝。

（1）博物館建筑群內(nèi)所有天面采用φ12熱鍍鋅圓鋼作建筑的專設(shè)引下線，注筋沿建筑物外墻暗敷，經(jīng)最短路徑接地，采用正常間距≤18 m。

（2）由于北岸廣福臺(tái)為木構(gòu)建筑，φ12熱鍍鋅圓鋼作本建筑的專設(shè)引下線，專設(shè)引下線沿實(shí)木柱子創(chuàng)槽暗裝在木柱內(nèi)，直線距離專設(shè)引下線引至屋架處，采用暗敷在屋架內(nèi)“木包鋼”的做法，安裝在建筑的專設(shè)引下線須與地下室基礎(chǔ)接地體焊接聯(lián)通。

3）其它接地設(shè)計(jì)與安裝。

（1）總等電位連接板：從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，做法見國標(biāo)圖集《等電位聯(lián)結(jié)安裝》（02D501-2）。

（2）測試端子：暗裝預(yù)埋連接板（用于測試接地電阻），距外地面500 mm。做法見圖集，《建筑物防雷設(shè)施安裝》“99（03）D501-1”中的“暗裝斷接卡子做法”2-23頁。

（3）電氣設(shè)備房接地端子：從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，距內(nèi)地面300 mm。做法見圖集“99D501-1”2-22頁做法B。

（4）地下層水泵房設(shè)備接地端子，從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，距內(nèi)地面300 mm。作法見圖集“99D501-1”2-22頁做法B。

（5）水井設(shè)備接地端子。從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，距內(nèi)地面300 mm，在井壁每3層預(yù)留一接地連接板露出井壁200 mm。作法見圖集“99D501-1”2-22頁做法B。

（6）電梯接地連接板：利用電梯井壁剪力墻內(nèi)兩條φ12的鋼筋通長焊接至電梯機(jī)房，此接地線在下端與接地體相焊接，在井壁每3層預(yù)留一個(gè)接地連接板露出井壁200 mm。

（7）首層消防值班室接地端子：從水平接地體中引出一ZR-BV（1×25）PC32至距內(nèi)地面300 mm處。

（8）電氣管井、配電間接地端子：從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，距內(nèi)地面300 mm，作為豎井電氣設(shè)備的接地干線，在井壁每層預(yù)留一接地連接板露出井壁200 mm。作法見圖集“99D501-1”2-22頁做法B。

（9）弱電管井、配電間接地端子：從水平接地體中焊出-40×4鍍鋅扁鋼，距內(nèi)地面300 mm，作為豎井弱電設(shè)備的接地干線，在井壁每層預(yù)留一接地連接板露出井壁200 mm。作法見圖集“99D501-1”2-22頁做法B。

（10）利用建筑物圈梁內(nèi)兩條≥φ12主鋼筋通長焊接連成閉合回路并同防雷裝置引下線連接，作為建筑物的均壓環(huán)。

3.2 內(nèi)部防雷措施（避雷器）的規(guī)定與安裝

粵劇藝術(shù)博物館南岸、主館、北岸（3幢）仿古建筑群共5處電房按照GD50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在總低壓配電柜內(nèi)安裝了低壓電源系統(tǒng)電涌保護(hù)器（SPD），線路進(jìn)入低壓配電柜都是穿管埋地，都分別安裝I級和II級電涌保護(hù)器，其技術(shù)參數(shù)為：①T1一級試驗(yàn)（經(jīng)過國家認(rèn)可的檢測實(shí)驗(yàn)室檢測）、沖擊電流Iimp≥12.5 kA、最大持續(xù)運(yùn)行電壓Up≤2.5 kV。②T2二級試驗(yàn)（經(jīng)過國家認(rèn)可的檢測實(shí)驗(yàn)室檢測）、標(biāo)稱放電電流In為20 kA，最大通流量Imax為40 kA，限制電壓Up≤1.5 kV。

本研究用兩種方案計(jì)算了粵劇藝術(shù)博物館建筑群的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，得出粵劇藝術(shù)博物館建筑群劃分為第1級防雷古建筑，2類防雷建筑物。根據(jù)該館的嶺南、水鄉(xiāng)仿古建筑等自身特點(diǎn)、工藝及相關(guān)的文物保護(hù)規(guī)定，對建筑的直擊雷接閃、引下線、等電位連接和內(nèi)部防雷等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，本研究旨在保護(hù)現(xiàn)有復(fù)舊的（仿）古建筑物，為類似（仿）古建筑雷電防御設(shè)計(jì)提供一定的參考。