關(guān)于陳家祠建筑群現(xiàn)有接閃裝置的技術(shù)探討

何耀斌，麥金嬋，賀燦花

（廣州市氣象局，廣東 廣州 510150）

0 引言

位于廣州市荔灣區(qū)中山七路的陳氏書院（陳家祠堂），俗稱陳家祠，是全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，其籌建于清光緒十六年（1890年），落成于1894 年，占地面積13200m2，是廣東省各地陳氏宗族共同捐資興建的“合族祠”；陳家祠主體建筑平面呈正方形，為“三進(jìn)三路九堂兩廂杪”院落式布局；陳家祠的建筑以裝飾精巧、堂皇富麗而著稱于世，其采用木雕、石雕、磚雕、泥塑、陶塑、鐵鑄、繪畫工藝的各種各樣裝飾，遍布在祠堂內(nèi)外的頂檐、廳堂、院落、廊廡之間，圖案題材廣泛，造型生動逼真，雕刻技藝精湛，用筆簡煉粗放卻又精雕細(xì)琢，與雄偉的廳堂渾然一體，被譽(yù)為“嶺南建筑藝術(shù)明珠”[1]。

1 陳家祠防雷類別的劃分

由于陳家祠屬于全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，按照《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范（GB 51017—2014）》規(guī)范要求，根據(jù)文物價值、發(fā)生雷電事故的可能性和后果等因素劃分，陳家祠屬于第一級防雷古建筑，其防雷裝置設(shè)計也應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB 50057—2010）》中第二類防雷建筑物的相關(guān)規(guī)定[2]。

2 陳家祠現(xiàn)有接閃裝置情況

陳家祠建筑群長度和寬度都為80m，高度均在15m 及以下，其結(jié)構(gòu)主要為磚木，在設(shè)計建造之初并未考慮雷電因素的影響，因此自身并沒有任何直擊雷防護(hù)裝置，但是在近30 年里，館方發(fā)現(xiàn)屋頂每年或多或少會遭遇幾次雷擊，造成屋頂或屋頂上的裝飾不同程度的損毀，雷電防護(hù)逐漸引起館方注意；而屋頂正脊、垂脊、屋檐上大量使用泥塑、陶塑工藝裝飾，因此常規(guī)的接閃帶、接閃桿、接閃網(wǎng)難以在屋頂正脊、垂脊、屋檐上架設(shè)安裝，而且還影響建筑本身的美觀和破壞文物本來的結(jié)構(gòu)，后來經(jīng)過多方討論，確定在陳家祠建筑群的西北、東北、東南、西南方位安裝4 支20m 高的ESE2500 提前放電針；經(jīng)過幾年的使用觀察，陳家祠屋頂遭受雷擊的現(xiàn)象確實(shí)是減少了，但仍有一回雷電擊中了聚賢堂山墻的屋脊，隨后再經(jīng)過專家論證，在中進(jìn)西廳和東進(jìn)西廳外側(cè)各安裝1 支20m 高的ESE5000 的提前放電針，從此之后，陳家祠屋頂遭受雷擊的現(xiàn)象便極少發(fā)生了。而正門廣場上有4支金屬旗桿，可以當(dāng)做普通接閃桿使用。

3 提前放電針與普通接閃桿保護(hù)范圍的差異

單支ESE 提前放電針的保護(hù)半徑可以按下列公式估算：

其中：Rp-不同針尖高度上的保護(hù)半徑（m）；H-滾球半徑，根據(jù)防雷類別選取30m、45m、60m、100m；△L-提前放電針上行搶先擊距（根據(jù)提前放電針不同的型號，△L 選取25m、40m、50m、60m）；Hp-針尖高度，針尖相對于被保護(hù)物頂部的水平高度差。

多針保護(hù)范圍可以直接把各個單針的保護(hù)范圍進(jìn)行疊加處理，我們按照第二類防雷建筑物分別計算出ESE2500 和ESE5000 在地上的保護(hù)半徑分別為65m 和92m，但是考慮到ESE 放電針在實(shí)際使用中對其使用效果有所保留，我們把理論上的保護(hù)半徑縮小到70%，縮小后的保護(hù)半徑分別取45.5m 和64.4m，通過AUTOCAD 建模得出如圖1 所示的保護(hù)范圍[3]。

僅靠4 支ESE2500 保護(hù)時，祖堂、中進(jìn)東廳、首進(jìn)正廳、首進(jìn)東廳的上空以及正門廣場區(qū)域均不在ESE 放電針的保護(hù)范圍內(nèi)，聚賢堂絕大部分屋頂也不在保護(hù)范圍內(nèi)；當(dāng)在中進(jìn)西廳和東進(jìn)西廳外側(cè)增加2 支ESE5000 保護(hù)后，6 支ESE 放電針的保護(hù)范圍變大，如圖2 所示，能把前面所述的祖堂、中進(jìn)東廳、首進(jìn)正廳、首進(jìn)東廳、聚賢堂的上空全部被覆蓋了，也許這剛好也解釋了之前只安裝4 支ESE2500 作為保護(hù)時，聚賢堂山墻屋脊仍遭受到雷擊的原因。

圖1 4 支ESE2500 的保護(hù)范圍

圖2 4 支ESE2500 和2 支ESE5000 的保護(hù)范圍

按照我國現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB 50057—2010）》要求，接閃桿的保護(hù)范圍依然采用滾球法[4]，按照不同防雷類別對應(yīng)不同的保護(hù)半徑的球體，貼近地面和圍繞接閃桿頂端旋轉(zhuǎn)，球面接觸不到的地方便認(rèn)為是受保護(hù)區(qū)域，而不同保護(hù)高度對應(yīng)不同的保護(hù)半徑，其可以按下列公式估算：

其中：Rx-接閃桿在Hx高度上保護(hù)半徑（m）；Hr-滾球半徑（m）；H-接閃桿高度（m）；Hx被保護(hù)物的高度（m）。當(dāng)兩支接閃桿間距靠得比較近時，會有共同保護(hù)范圍的產(chǎn)生，但這個保護(hù)范圍會隨著兩接閃桿間距的增大而逐漸減少甚至互不相關(guān)。

采用滾球法把6 支ESE 放電針和4 支旗桿當(dāng)作普通接閃桿看待，可以得出如圖3 所示的保護(hù)范圍；通過計算，單支ESE 放電針利用滾球法在15m 高度時的保護(hù)半徑僅為3.9m，而在10m高度時的保護(hù)半徑也才9.1m，而且該保護(hù)半徑僅以接閃桿自身為圓心，難以覆蓋到陳家祠建筑物的上空。

陳家祠建筑群大部分的屋頂都暴露在非防護(hù)區(qū)，很有可能遭受到直接雷擊，分析其原因主要是：接閃桿之間的間距太大，從而使接閃桿兩兩之間的共同保護(hù)作用被嚴(yán)重弱化，不能形成有效的保護(hù)。

圖3 利用滾球法求出10 支接閃桿的保護(hù)范圍

4 ESE 放電針或接閃桿對周邊電氣設(shè)備的影響

ESE 放電針的桿體或普通接閃桿的桿體，均使用一整根的金屬鋼管，桿體從地面到離地3m 的部分都套上了PVC 套管，在一定程度上能起到防接觸電壓的作用。但桿體本身既是接閃桿（廣義）又是引下線（狹義），當(dāng)接閃器被雷電擊中時，桿體因流過雷電流而向外產(chǎn)生巨大的電磁脈沖輻射，PVC 套管對電磁脈沖輻射無任何衰減作用，該電磁脈沖輻射會嚴(yán)重影響附近電氣設(shè)備的正常工作，一些屏蔽能力差或耐壓水平低下的電氣設(shè)備甚至?xí)霈F(xiàn)永久性損壞的情況。因此，布置在接閃桿周邊的電氣設(shè)備在架設(shè)之初就應(yīng)做好電磁屏蔽和等電位連接措施，對于現(xiàn)在已投入使用的電氣設(shè)備建議做好等電位連接、綜合布線等措施，并電氣線路入戶端安裝相匹配的電涌保護(hù)器加以保護(hù)。

5 結(jié)論

陳家祠建筑群現(xiàn)有的ESE 放電針的確能起到的一定的雷電防護(hù)作用，但套用我國現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范，其防護(hù)能力是有待提高的；館方在新增電氣設(shè)備時，應(yīng)做好合理布線、電磁屏蔽和等電位連接措施；館方應(yīng)密切關(guān)注天氣預(yù)報或采用專業(yè)氣象服務(wù)，雷雨天氣來臨前或過程中，應(yīng)及時引導(dǎo)游客到磚木結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)進(jìn)行安全躲避，不應(yīng)在ESE 放電針或接閃桿周邊停留。