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古建筑雷击风险评估的分析

发表时间：2020/1/13 来源：《防护工程》2019年18期作者：董娜

[导读] 古建筑通过安装有效全面的防雷设施，提高古建筑的防雷能力，是降低雷电灾害风险的最直接手段。

宁夏中科天际防雷股份有限公司
　　摘要：本文主要对古建筑的雷击风险现状、雷击风险评估的内容、评估思路和方法步骤进行重点分析。
　　关键词：古建筑；雷电；风险
　　
　　
　　引言
　　古建筑作为我国现存数量最多的物质文化遗产类型，是不可移动文物重要的组成部分。古建筑是人类文明延续发展、地方文化特色的实体表现，具有突出的历史、艺术和科学价值。在2016年12月《国家“十三五”文化遗产保护与公共文物服务科技创新规划》中，强调强化古建筑防灾减灾综合能力，提升其安全防御等级，对于这些珍贵的遗产的持久延续具有重要的意义。如今古建筑保护的工作，不再仅限于灾害发生以后对古建筑进行抢险救灾及灾后对本体进行修复，开始着眼于对不确定性问题的处理。预先了解主体所处环境的不确定因素，提前有针对性的地方进行灾害风险预防和实施进行有效的控制，有利于与在灾害发生时，将损失降低到最小。
　　近年来，全球气候异常，地震、洪涝、雷击等各类自然灾害频繁的发生。在对人类生命财产损害的同时，也对古建筑这类不可移动文物造成了或多或少的损害，引起了广泛关注。古建筑遭受雷击侵袭的事件时有发生。2004年5月11日，山西稷山县大佛寺遭受雷电袭击导致火灾，造成了大佛寺两层佛阁和大量珍贵木刻、砖雕艺术品毁灭性损失，只剩下三面残墙；2008年10月4日下午三点半，在山西省榆次发生雷电雨天气，市内的旅游景点“榆次老城”遭受雷击，雷电击中元代古建筑物显佑殿，屋脊顶上西侧吻兽被击毁，琉璃瓦屋面击崩（碎），西侧木质顶柱（梁）也被击裂；2016年8月12日，国保单位辽宁省北镇市北镇庙鼓楼因雷击发生火灾，鼓楼一层木结构部分烧毁，二层木结构绝大部分烧毁。这一系列的事件无不诉说着古建筑正面临着严峻的挑战。
　　1.古建防雷现状
　　根据对古建筑雷击事故发生规律的了解，结合古建筑的实际现状情况，发现古建筑存在以下遭受雷击可能性的不利因素。
　　（1）古建筑地理位置有着很强的规律性。风水理论是古人对建筑物选址的重要依据，而风水理论的理想环境主要是由山和水构成，其中尤以水为生命之源。《水龙经》中说：穴虽在山，祸福在水。因此，现存古建筑大多建在地势较高的山上或建在土壤电阻率有突变的山脚边，文物建筑周围还有河、湖、池塘、泉水等，这些因素使得古建筑容易受到雷电侵袭，并且易落雷。
　　（2）从结构上看，为了体现古建筑的雄伟、挺拔，古建筑都建有高耸的屋脊及挑檐，走兽，兽头等都是古建筑上部的尖端，也正好为带电云层放电创造条件。
　　（3）多数古建筑大殿正脊中部埋设金属宝盒，有的古建筑物屋顶内还装有锡背，这些金属物都大大增加了建筑物接闪放电的可能性。
　　（4）文物古建筑支撑结构多为粗大木料，内外装饰都采用大量木材。经过长年累月的风雨侵蚀，不少建筑原有的绝缘性能被破坏，当雷雨来临时，有可能局部漏雨使部分木材潮湿，增加了雷击概率；还有部分木材内部材质疏松，含水量低，极易燃烧。此类建筑一旦遭受雷击，易引起木质构件起火。
　　（5）树木引雷，不容忽视。经过数百年乃至近千年的生长，古建筑附近的树木非常高大，有些甚至高出文物建筑数米。树体本身具有导电性能，这些高大的古树容易成为雷电落脚点，特别是易受直击雷侵袭，增大了文物建筑遭受雷击的概率；而雷击树木产生的强大电磁感应也会使古建筑内部或外部的线路产生过电压、过电流，容易造成火灾事故。
　　（6）古建筑内部环境发生变化。随着文物保护、旅游事业的发展以及安全方面的考虑，古建筑的保护越来越受关注，越来越多的古建筑周围安装了服务于古建筑的电源、通信、安防系统等服务设施，增加了雷电侵入古建筑物的通道，还有一些重建或修复的古建筑内部结构已经发生了变化，增加了不少现代元素，比如修复的大梁，为了结实，在内部嵌入了钢板之类的金属物。雷电流易感应到附近的配电系统上，出入室内，遭感应雷击并引起火灾。
　　2.雷电调查评估内容
　　作为古建筑防灾安全保障体现中的重要组成部分，雷电灾害的防御一直受到重视。通过古建筑物开展系统、详细的现场勘测，结合古建筑的特有属性，在现有技术标准的基础上，制定出科学有效的调查报告，为文物古建筑提供雷电防护系统基础支撑。雷击风险评估旨对古建筑物进行详细排查，结合相关维修设计资料，获得古建筑本身结构、功能布局、设备设施、线缆分布、管道敷设、金属构件、雷电防护现状等具体特征。依托现有的评估方法，考虑古建筑特有的性质属性，建立古建筑雷击风险评估模型。通过对各种损害源（S1、S2、S3、S4）、损害类型（D1、D2、D3）及损失类型（L1、L2、L3、L4）进行定量分析，对评估对象遭受雷击的概率及雷击后可能造成的严重程度及风险进行量化计算，评估古建筑可能存在的雷击损害风险。为防灾措施提供依据，结合对古建筑雷击灾害分析影响因子评价得出的结果，有次序的提出相应的古建筑雷击防灾保护技术和防灾保护策略。最终以此为依据确定古建筑的雷击防灾保护工作的重点、提出相应的保护措施，进一步完善古建筑保护工作。
　　3.调查评估流程
　　1.确定调查对象进行相关资料的收集，明确调查的范围。
　　勘察收集调查范围内的建筑物的基本资料，包括勘察建筑物的地理、地址、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律，以及被保护建筑的特点等，具体包括建筑物的平面图、地形、地貌、交通情况、地物状况以及雷电活动状况等。
　　2.现场勘测与调研，进行分析。
　　现场勘察了解古建筑的用途；对古建筑本身的高度以及电子信息设备的安装情况进行了解；了解相关设备、人员分布详细情况，通信电缆敷设、走向等。
　　3.编制调查评估报告，其内容包括调查评估的目的、评估依据、评估内容以及结论，并提出适当的对策与相应的措施。

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　　调查评估报告是通过现场勘察中取得数据和资料，分析存在各风险因子的估算进行归纳分析得出的普查报告，是防雷工程设计和施工的重要依据。对于调查评估报告来说，要保障其数据的真实性和完整性。报告中包含以下基本内容：古建筑防雷设施的情况、该区域的地质条件、大气环境以及雷电分布的特点等，同时对当地的社会环境和服务设施等全面的了解；
　　4.调查评估思路和方法步骤
　　4.1调查评估思路
　　4.1.1雷电灾害环境分析
　　通过收集和分析古建筑所在地区历年的气候资料、雷暴日数据、闪电定位资料等气象资料，综合考虑古建筑地区特别是古建筑历年雷电灾害事故情况，从而分析出古建筑区域的雷电活动情况、发生频率以及可能产生的灾害后果，同时建立区域雷电环境评价模型，最终确定雷电灾害发生的可能性（即分析致灾体的危险度）。
　　通过勘测古建筑所在地区的地形地貌、地理环境、土壤土质情况（如土壤类型、含水量、土壤电阻率等）以及周边建筑环境（如建筑分布特征、重点场所、雷电敏感点等），对雷电可能存在的影响，最终确定雷电灾害发生的成灾环境。
　　4.1.2古建筑雷击风险现状评估
　　全面系统的雷击风险评估现场勘查是实现对其雷击风险现状评估的重要基础。通过对古建筑进行详细排查，结合相关维修设计资料，获得古建筑本身结构、功能布局、设备设施、线缆分布、管道敷设、金属构件、雷电防护现状等具体特征。依托现有的评估方法，对评估对象遭受雷击的概率及雷击后可能造成的严重程度及风险进行量化计算，评估文物保护单位可能存在的雷击损害风险。
　　4.1.3敏感场所雷击风险评估
　　基于古建筑现场勘查情况和雷击风险评估结果，分析古建筑的雷击风险来源以及防雷薄弱环节，并有针对性的采取脆弱性评价，确保重要敏感场所的防雷安全，主要包括以下几方面：
　　（1）针对人员滞留较多的区域、可能遭受雷击的重要保护文物及文物保护单位内重要的设备系统，统计各区域内情况，结合文物保护单位总平面图、各单体建筑平面图，从而确定评估区域内建筑物、设备和人员所处的雷电防护分区，建立古建筑雷电防护分区总平面图。
　　（2）针对可能遭受直接雷击的场所（如金顶、经幡、屋面女儿墙等），可结合雷电流分布特征，分析计算出接闪材料遭受雷击时的热效应、机械效应、评估此类风险的可能性。
　　（3）分析已加装安防监控设施或消防设施的文物保护单位电磁环境的分布特征。
　　4.2方法步骤
　　4.2.1周边地形勘查
　　根据古建筑周边地形图和卫星遥感图，走访古建筑周边1km半径范围的地理环境情况，标识地形地貌特征，重点记录各方河流、山丘等分布情况。
　　4.2.2土壤土质勘测
　　对古建筑周边地质情况进场勘察，重点关注土壤土质发生变化的区域。根据地质勘察结果，按照梯度性原则选取土壤土质测试点（主要勘测土壤电阻率、土壤湿度和土壤类型），分别从古建筑东侧、西侧、南侧、北侧进行测试。
　　4.2.3周边建筑环境勘查
　　勘查古建筑区域周边的建筑环境，包括海拔高度、建筑密度、高度、分布、建筑结构材料类型和直击雷防护能力等。重点关注距古建筑1km半径范围内的易燃易爆场所以及500m半径范围内的雷电敏感点（如较高可能接闪的尖端、高压走廊、大型金属物体等）。
　　4.2.4雷电环境背景分析
　　分析古建筑所在地区降雨、气温、雷暴日等具体气象指标，寻求雷电发生的年平均、月平均、季度平均等分布变化规律，着重分析雷电高发时期、雷暴路径、趋势变化等具体特征。
　　以古建筑为中心外扩1km半径，分析该区域的闪电密度、雷电流幅值、闪电变化规律。特别关注落在古建筑区域内的闪电情况，同时与雷灾事故记录相互比对、印证。
　　4.2.5区域雷电环境评估
　　根据古建筑区域周边地物环境勘查结果，结合气候资料以及闪电定位数据，对古建筑开展区域雷电环境评估，以了解古建筑区域雷电背景情况。根据古建筑区域地闪密度情况按照一定的分级标准确定其风险等级，并由此推算相应区域内防雷装置的防护效率及各单体建筑物对应的可容许年预计雷击次数。
　　4.2.6单体雷击风险评估
　　根据GB/T21714.2-2015《雷电防护第2部分：风险管理》，对古建筑开展单体雷击分析评估分析古建筑的雷击风险来源以及防雷薄弱环节，并从安全和经济合理性出发，优化雷电防护方案，具体评估步骤如下：
　　（1）根据技术方法标准和项目具体情况，确定古建筑所需考虑的雷击损失风险为人员伤亡损失R1、文化遗产损失风险R3、经济损失风险R4。
　　（2）对古建筑外部、内部子区域进行合理的划分。
　　（3）按照不同的损失风险类型，通过收集古建筑历年来维修资料和现场勘测数据，分析计算出影响危险事件次数Nx、损害概率Px、损失率Lx 以及经济成本Cx的各因子数据。
　　（4）根据风险分量分布情况，分别对人员伤亡损失风险R1、文化遗产损失风险R3进行降险分析，并结合经济成本Cx的各因子数据，评估防护方案成本效益。
　　4.2.7雷电电磁环境评估
　　根据古建筑结构特征以及雷电防护现状，参照GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中雷电防护区域划分方法，按人员分布区域和设备设施分布区域两种情况，对古建筑进行雷电防护区划分，以作为直接雷防护、敏感电子设备布置及游客、工作人员避险方案的指导依据。
　　5.雷电预警定位新技术的应用
　　雷电预警定位系统的设置，使人们能在落雷之前，通过实施监测闪电的发生路径，提前测定雷击点的位置和发生时间，及时发布预警信息，在雷电来临前，启动雷电防护应急响应体系，实现从“传统性防护”到依托数据“精准预防防护”转变，文物保护应用现代高科技技术，保护文物更加智慧，保护手段更加智慧。
　　6.结语
　　通过分析古建筑物具有的防雷情况，对各种雷电灾害影响因素进行综合考虑，寻找其中的防雷薄弱环节，并进行相应的防雷设计和实施有效的防雷措施。古建筑通过安装有效全面的防雷设施，提高古建筑的防雷能力，是降低雷电灾害风险的最直接手段。
　　
　　参考文献：
　　[1]GB/T21714.2-2008 雷电防护第2部分：风险管理
　　[2]陈华辉，黄晓虹，朱泽伟，唐宏科《布达拉宫区域雷击风险评估的精细化》
　　[3]李银生《雷击风险评估在雷电防护工作中的应用分析》