農(nóng)村牌坊雷電防護技術(shù)研究

摘 要：作為重要的標(biāo)志性建筑，農(nóng)村牌坊日益增多。然而，由于農(nóng)村地區(qū)雷電活動較為頻繁，農(nóng)村牌坊遭受雷擊損害風(fēng)險增加。通過分析農(nóng)村牌坊的特點和雷電危害形式，探討農(nóng)村牌坊雷電防護的設(shè)計要點和方法，旨在為保護農(nóng)村牌坊提供有效的雷電防護措施，降低雷擊風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村牌坊；雷電防護；雷電危害形式；雷電防護裝置設(shè)計

中圖分類號：TU895 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

作為農(nóng)村地域文化的重要象征，農(nóng)村牌坊具有裝飾和標(biāo)識的作用，承載著豐富的歷史和文化內(nèi)涵。隨著新時代美麗鄉(xiāng)村建設(shè)不斷發(fā)展，農(nóng)村牌坊的結(jié)構(gòu)材質(zhì)、規(guī)模大小、豪華程度、附設(shè)電氣等方面逐漸復(fù)雜多樣，加上其通常位于農(nóng)村空曠地帶，且高度較高，極易成為雷電襲擊的目標(biāo)。2024年6月12日，在澳門特區(qū)政府地球物理氣象局發(fā)出惡劣天氣及雷暴警告期間，澳門大三巴牌坊立面上方第二層圣像壁龕受到雷電側(cè)向擊中，有石塊從壁龕處落下到大三巴前地石階，原因是澳門大三巴牌坊未安裝雷電防護裝置。雷電災(zāi)害可能導(dǎo)致牌坊結(jié)構(gòu)損壞、電氣設(shè)備故障甚至人員傷亡。因此，對農(nóng)村牌坊進行科學(xué)、合理的雷電防護設(shè)計至關(guān)重要。

1 農(nóng)村牌坊的特點及雷電危害形式

1.1 農(nóng)村牌坊的特點

牌坊俗稱牌樓，是中國特有的門架式建筑物[1-2]。牌坊的主結(jié)構(gòu)有橫梁、立柱、額坊、夾柱石、樓等部分，還包括題字牌、花板、吻獸等裝飾物件[3-5]。從地理位置上看，農(nóng)村牌坊通常矗立在村口、道路交匯處或重要場所等較為開闊的區(qū)域，周邊往往缺少高大建筑物的遮蔽，使其在空曠的環(huán)境中顯得格外突出，易遭雷擊。就高度和造型而言，農(nóng)村牌坊的常見高度在2.5～12 m，以突顯其標(biāo)志性和莊嚴感。造型更是豐富多變，裝飾各種飾物，有金屬、石材、木質(zhì)、琉璃、彩帶、燈飾等，極易引起火災(zāi)。在結(jié)構(gòu)方面，其分為木牌樓、磚石牌樓、磚木混合牌樓、琉璃牌樓、銅制牌樓、彩牌樓、鋼筋砼牌樓等。一般古代木質(zhì)牌樓較為多見，其次為磚石結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)材質(zhì)導(dǎo)電性差。農(nóng)村牌坊的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、位置、高度、飾物等方面在一定程度上會增加雷擊的概率，缺乏專業(yè)雷電防護裝置設(shè)計，或雷電防護裝置不完善，在雷電天氣遭受雷擊的風(fēng)險高。

1.2 雷電危害形式

1.2.1 直擊雷

雷電直接擊中牌坊，會造成多種危害。直擊雷蘊含巨大電流，一旦直接擊中牌坊，可能等致金屬部件迅速升溫、熔化乃至汽化，由此產(chǎn)生的高溫會使周圍空氣迅速膨脹，形成機械沖擊力，進而導(dǎo)致牌坊結(jié)構(gòu)體斷裂、變形或倒塌。雷電流產(chǎn)生的熱量會使被擊中部位的溫度急劇升高，致使牌坊的石材、木材等材料破裂、燒焦，不僅影響其結(jié)構(gòu)強度和外觀，而且若牌坊上有易燃的裝飾材料或周圍存在易燃物，甚至還可能引發(fā)火災(zāi)，進一步破壞牌坊及其周邊環(huán)境。

1.2.2 感應(yīng)雷

雷電放電時，所產(chǎn)生的電磁場會在牌坊附近的金屬部件和電氣線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，進而損壞設(shè)備。強大的電磁場會于牌坊附近的金屬構(gòu)件中感應(yīng)出電動勢和電流。若這些金屬構(gòu)件（如欄桿、裝飾件等）構(gòu)成閉合回路，便會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，致使局部發(fā)熱、熔化，甚至引發(fā)火災(zāi)，從而損壞牌坊結(jié)構(gòu)。同時，地面物體上的電荷分布會發(fā)生改變。農(nóng)村牌坊這類高大結(jié)構(gòu)，其頂部會積聚大量電荷。當(dāng)電荷積累到一定程度，可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，破壞牌坊的表面材料或內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，若牌坊附近的其他物體（如樹木、電線桿等）遭受雷擊，雷電流通過接地系統(tǒng)向大地泄放時，會在接地電阻上形成較高的電壓。電壓可能通過相連的導(dǎo)體傳導(dǎo)至牌坊，對其造成損害。

1.2.3 雷電波侵入

雷電波有可能沿著牌坊附近的供電線路、通信線路等侵入，致使牌坊上的照明設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等電氣系統(tǒng)受損，導(dǎo)致電子元件被擊穿、燒毀，線路短路，影響其正常使用。

2 湛江雷電災(zāi)害事件分布特征

湛江地處北回歸線以南的低緯地區(qū)，具有豐富的熱帶氣候資源，易產(chǎn)生強烈發(fā)展的積雨云，雷暴活躍，所在的雷州半島是我國雷電活動頻繁的地區(qū)之一。一年四季均有電閃雷鳴，年平均雷暴日數(shù)80～112 d，多雷暴年和少雷暴年差異大，多雷暴年的雷暴日數(shù)超過全年的1/3，約是少雷暴年雷暴日數(shù)的2倍。湛江的雷電活動主要集中在夏季，雷暴天氣主要出現(xiàn)在4—9月。一天中，雷電活動多發(fā)生在下午至傍晚時段，主要出現(xiàn)在14：00～20：00，17：00前后是雷暴發(fā)生的高峰期，午后熱雷雨占雷暴天氣的60%以上。2015—2023年湛江雷電災(zāi)害事件統(tǒng)計資料顯示，累計雷電災(zāi)害事件80起。其中，農(nóng)村雷災(zāi)事故42起，占城鄉(xiāng)雷災(zāi)事故總件數(shù)的52.5%。農(nóng)村身亡人數(shù)9人，占比100%。而2023年湛江市常住人口中農(nóng)村人口占比為51.93%。幾乎50%的農(nóng)村人口在雷電雷災(zāi)中處于極度危險的境況。

農(nóng)村地區(qū)的雷災(zāi)事故比城鎮(zhèn)多，原因在于農(nóng)村地區(qū)人們的防雷減災(zāi)意識不強或?qū)ζ洳恢匾暎由限r(nóng)村地區(qū)建（構(gòu)）筑物在施工時不考慮專業(yè)雷電防護裝置設(shè)計或防護不到位。農(nóng)村牌坊、牌樓地處農(nóng)村重要交通路口，人員來往經(jīng)過頻繁，因此，農(nóng)村牌坊、牌樓等建（構(gòu)）筑物雷電防護設(shè)計尤為重要。

3 農(nóng)村牌坊雷電防護設(shè)計具體措施

3.1 農(nóng)村牌坊選址設(shè)計

牌坊優(yōu)先考慮地勢相對較低且較為平坦的區(qū)域。避免選擇山頂、山脊等容易遭受雷擊的突出位置，避免靠近水域、空曠的田野等雷擊風(fēng)險較高的區(qū)域。遠離高大的樹木、電線桿、鐵塔等容易引雷的物體，與周圍建筑物保持一定的距離。選擇電阻率較低的地點，且地質(zhì)穩(wěn)定、堅實的地基，確保牌坊基礎(chǔ)穩(wěn)固，能承受雷電沖擊。

3.2 農(nóng)村牌坊接閃器設(shè)計

3.2.1 安裝接閃器

在牌坊頂部沿正脊、吻獸、屋頂檐部、斜脊、垂獸帶等邊緣部位敷設(shè)。頂部正中脊飾可以采用籠形方式加以保護。接閃帶應(yīng)采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，直徑或厚度應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）相關(guān)規(guī)范要求。若牌坊頂部較為平坦且面積不大，可沿頂部邊緣設(shè)置接閃帶，材料可選用熱鍍鋅圓鋼或熱鍍鋅扁鋼。接閃帶的敷設(shè)應(yīng)保持平整順直，無彎曲和起伏，在拐角處應(yīng)做成圓弧形彎曲，圓弧半徑不小于接閃帶直徑的10倍。

3.2.2 設(shè)置接閃針

對于較高的牌坊，可在頂部安裝接閃針，接閃針高度應(yīng)根據(jù)保護范圍計算確定。接閃針的形狀應(yīng)利用牌坊頂部的金屬部件聯(lián)通，盡量融入牌坊原本設(shè)計，以提高接閃效率和美觀程度。接閃針應(yīng)通過專用的支架固定在牌坊頂部，確保其穩(wěn)定性。

3.2.3 連接接閃器

接閃器與牌坊主體結(jié)構(gòu)應(yīng)可靠連接，連接點應(yīng)采用焊接或螺栓連接，焊接應(yīng)飽滿牢固，不要有夾渣虛焊、咬肉、氣孔及未焊透現(xiàn)象，焊接部分應(yīng)作防腐處理。螺栓連接應(yīng)緊固可靠，并采取防松措施，形成良好的電氣通路。

3.3 農(nóng)村牌坊引下線設(shè)計

3.3.1 引下線數(shù)量和位置

根據(jù)牌坊的結(jié)構(gòu)和尺寸，合理確定引下線的數(shù)量和位置，一般不少于2根，均勻分布在牌坊四周。引下線應(yīng)沿牌坊的立柱或墻體敷設(shè)，盡量保持直線，避免彎曲和纏繞。引下線的固定點間距應(yīng)均勻，水平部分不大于1 m，垂直部分不大于1.5 m。

3.3.2 引下線材料

引下線宜采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，其截面積應(yīng)滿足雷電流泄放的要求。引下線在穿過牌坊樓板或沿牌坊墻壁而下時，應(yīng)加裝保護套管，以防止直接接觸。在牌坊引下線附近保護人身安全需采取的防接觸電壓和跨步電壓措施應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）相關(guān)規(guī)定。

3.3.3 引下線的連接

引下線應(yīng)與接閃器和接地裝置可靠連接，連接處應(yīng)進行防腐處理。引下線應(yīng)當(dāng)在與接地端子處預(yù)留檢測所需的部分。

3.4 農(nóng)村牌坊接地裝置設(shè)計

3.4.1 接地形式

采用共用接地系統(tǒng)，將牌坊的防雷接地、電氣設(shè)備接地和保護接地等連接在一起。接地極之間的連接應(yīng)采用焊接的方式，焊接長度不小于接地極直徑的6倍，且應(yīng)雙面施焊。

3.4.2 接地電阻

接地電阻值應(yīng)不大于10 Ω，若達不到要求，可采取增加接地極數(shù)量、使用降阻劑等措施減小接地電阻。接地裝置周圍應(yīng)敷設(shè)降阻劑，以降低土壤電阻率，增強接地效果。

3.4.3 接地極材料和埋設(shè)深度

接地裝置的施工和安裝不得擾動古建筑的原有基礎(chǔ)（若該牌坊是古建筑）。接地極可采用角鋼、鋼管或銅板等材料，埋設(shè)深度不小于0.5 m，并要遠離地下管道和電纜等設(shè)施。接地裝置不應(yīng)設(shè)置在人可能停留或經(jīng)過的區(qū)域；應(yīng)在接地裝置上方3 m范圍內(nèi)敷設(shè)5 cm厚瀝青層。外露或直接埋入土壤中的金屬構(gòu)件應(yīng)采取熱鍍鋅處理或使用耐腐蝕金屬材料（不應(yīng)使用鋁制材料）。接地極的埋設(shè)深度應(yīng)符合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）設(shè)計要求，在土壤電阻率較高的地區(qū)，可適當(dāng)加深埋設(shè)深度或采用多根接地極并聯(lián)的方式。

3.5 農(nóng)村牌坊等電位連接設(shè)計

3.5.1 內(nèi)部金屬部件連接

牌坊內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)、金屬門戶、電氣設(shè)備金屬外殼等應(yīng)當(dāng)進行等電位連接，以減少電位差。內(nèi)部金屬部件的等電位連接應(yīng)采用截面積不小于6 mm2的銅芯導(dǎo)線或銅帶進行連接。

3.5.2 外部線路連接

針對進入牌坊的架空線路和金屬管道，應(yīng)在入口處進行接地處理，并與牌坊的等電位連接系統(tǒng)相連。針對外部線路的連接，架空線路應(yīng)在進入牌坊前至少50 m處轉(zhuǎn)換為埋地電纜，金屬管道應(yīng)在入口處與接地裝置可靠連接，并在連接處安裝絕緣法蘭。

3.6 農(nóng)村牌坊屏蔽設(shè)計

3.6.1 設(shè)備屏蔽

牌坊內(nèi)的電氣設(shè)備應(yīng)當(dāng)置于內(nèi)部中心位置或安裝在金屬屏蔽箱或屏蔽室內(nèi)，以減少電磁干擾。電氣設(shè)備屏蔽箱或屏蔽室的屏蔽層應(yīng)采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，如銅板或鋁板，其厚度不小于0.5 mm，確保設(shè)備外殼良好接地，以增強屏蔽效果。

3.6.2 線路屏蔽

針對重要的電氣線路，可采用屏蔽電纜或穿金屬管敷設(shè)，以減輕感應(yīng)雷的影響。線路屏蔽時，屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)兩端接地，穿金屬管敷設(shè)的線路，金屬管應(yīng)兩端接地，并在管與管、管與箱盒的連接處進行跨接。合理規(guī)劃設(shè)備之間的布線，使線纜盡量靠近金屬結(jié)構(gòu)或接地良好的物體，利用其起到一定的電磁屏蔽作用。

3.7 農(nóng)村牌坊浪涌保護器安裝

部分牌坊安裝了夜景照明設(shè)計，如LED燈夜景工程，對此，在牌坊的電源總進線端和信號線路進線端安裝相應(yīng)等級的電涌保護器。

4 農(nóng)村牌坊雷電防護裝置的維護與管理

每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對雷電防護裝置進行檢測。一般情況下，農(nóng)村牌坊的防雷檢測頻率應(yīng)為1年/次。針對處于高雷暴區(qū)域或雷電防護裝置曾遭受過雷擊損壞的牌坊，應(yīng)適當(dāng)增加檢測頻率。檢查接閃器、引下線、接地裝置等的連接情況和銹蝕程度，測量接地電阻值。

相關(guān)責(zé)任單位應(yīng)根據(jù)整改要求及時采取有效的措施進行修復(fù)和改進，確保雷電防護裝置正常運行，例如，更換損壞的接閃器、補刷防腐漆、清理接地極周圍的土壤等。牌坊施工前，應(yīng)進行專業(yè)的設(shè)計和規(guī)劃，確保牌坊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，符合建筑規(guī)范和防雷質(zhì)量等安全標(biāo)準(zhǔn)，選擇有資質(zhì)、經(jīng)驗豐富的施工隊伍，使用合格的建筑材料。設(shè)立雷電警示標(biāo)識，防止行人和村民直接接觸引下線。對于電線和信號線盤纏牌坊雷電防護裝置的問題，要及時清理加以解決。

政府部門應(yīng)將雷電防護裝置設(shè)計納入鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)整體規(guī)劃，包括咨詢專業(yè)的雷電防護裝置設(shè)計機構(gòu)，確保牌坊的選址、結(jié)構(gòu)和材料選擇等方面符合雷電防護裝置要求。聯(lián)合氣象、住建、文化等部門編制農(nóng)村牌坊雷電防護裝置設(shè)計、施工、維護規(guī)范，保障農(nóng)村防雷減災(zāi)經(jīng)費支持。村干部應(yīng)加強對相關(guān)責(zé)任人的雷電防護知識培訓(xùn)，向村民普及雷電知識，告知村民在雷雨天氣時避免靠近牌坊，在雷電發(fā)生時采取的正確的避險措施，提高村民對雷電危害的認識并增強其防范意識。

5 結(jié)束語

農(nóng)村牌坊的雷電防護設(shè)計是一項綜合性的工作，需要根據(jù)牌坊的特點和當(dāng)?shù)乩纂娀顒忧闆r，合理實施防護措施，確保雷電防護裝置的有效性和可靠性。同時，加強對雷電防護裝置的維護與管理，也是保障農(nóng)村牌坊安全運行的重要環(huán)節(jié)。通過科學(xué)、合理的雷電防護設(shè)計和有效的維護管理，能夠有效降低農(nóng)村牌坊遭受雷電災(zāi)害的風(fēng)險，保護人民生命財產(chǎn)安全和農(nóng)村文化遺產(chǎn)，傳承鄉(xiāng)村文化，助力鄉(xiāng)村振興。

參考文獻

[1] 萬幼楠.牌坊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2] 金其楨.論牌坊的源流及社會功能[J].中華文化論壇，2003 （1）：73-77.

[3] 孫陽陽.徽州民間牌坊裝飾藝術(shù)研究[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2013.

[4] 劉哲軍.民間牌坊裝飾藝術(shù)研究：以徽州牌坊為例[J].河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)學(xué)報（綜合版），2016，16（2）：5-8.

[5] 項曉桐.明清徽州功德牌坊裝飾藝術(shù)設(shè)計研究[D].無錫：江南大學(xué)，2022.

收稿日期：2024-06-26

作者簡介：吳生令（1995—），男，廣東湛江人，助理工程師，研究方向為雷電防御、氣象服務(wù)和應(yīng)急管理。#通信作者：周炳輝（1982—）， 男，廣東湛江人，高級工程師，研究方向為雷電防御、應(yīng)急管理、科普教育等，E-mail：3591422167@qq.com。