古建筑雷电灾害及防雷技术研究综述

doi:10.3969/j.issn.1673-503X.2021.02.013

摘要/Abstract

摘要：

古建筑是宝贵的历史文化遗产，雷电灾害是威胁古建筑安全的主要因素之一。本文首先较完整地介绍了古建筑雷电灾害的总体研究进展，分别综述了古建筑构件的雷击破坏特征和机理，以及古建筑雷击起火灾害成因、方式和影响因素等方面研究现状，建议在雷击模拟试验基础上利用数值模拟分析方法研究雷击破坏基础性问题。分析了古建筑绝缘避雷与采用防雷装置接闪泄流两种方法，认为后者科学合理。通过归纳古建筑雷电防护技术研究进展、古建筑防雷新技术方法和装置，分析了古建筑防雷技术标准现状。最后，提出古建筑防雷有待深入研究的方向，包括开展古建筑雷击破坏机理、实用的防雷新技术、古建筑雷击选择性、雷击精细化监测预警等，特别是加强古建筑防雷新技术研究，尽量减小对古建筑原貌的影响，做好古建筑的防雷保护是非常关键和必要的。

关键词: 古建筑, 雷电灾害, 致灾机理, 防雷技术

Abstract:

Ancient buildings are precious historical and cultural heritage, but lightning disaster is one of the main factors threatening the safety of the ancient buildings.In this paper, the overall research progress of lightning disasters and lightning protection technologies in ancient buildings were introduced.The damage characteristics and mechanism of the lightning on ancient building components, as well as the causes, methods, and influencing factors of lightning fire disasters in ancient buildings were reviewed, respectively.The analysis method of numerical simulation is recommended to study the basic problems of lightning damage based on the lightning simulation experiment.Then the two methods of the insulation protection of ancient buildings and the use of lightning protection devices to flash and discharge were analyzed.The latter is considered to be more scientific and reasonable.The research progress of the lightning protection technologies of ancient buildings were summarized, and the new technical methods and devices of lightning protection on ancient buildings were given.The current situation of lightning protection technical standards of ancient buildings was analyzed.Finally, the main topics for further research on the lightning protection of ancient buildings were proposed, including research on the damage mechanism of lightning, practical new technologies for lightning protection, lightning selectivity of ancient buildings, and refined monitoring and early warning of lightning, especially strengthen the study of new technology on the lightning protection of ancient buildings.It is very critical and necessary to do a good job of lightning protection while minimizing the influence of the original appearance of ancient buildings as much as possible.

Key words: Ancient buildings, Lightning disaster, Disaster mechanism, Lightning protection technology

中图分类号:

P429

李京校,霍沛东,符琳,俞勇佩,张宇龙,李秀文. 古建筑雷电灾害及防雷技术研究综述[J]. 气象与环境学报, 2021, 37(2): 91-100.

Jing-xiao LI,Pei-dong HUO,Lin FU,Yong-pei YU,Yu-long ZHANG,Xiu-wen LI. Review of lightning disasters and lightning protection technologies of ancient buildings[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2021, 37(2): 91-100.

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图9

参考文献 77

1	Zhang S M , Lu R Q . ICA³D-Intelligent computer-aided ancient Chinese architecture design[J]. Advanced Engineering Informatics, 2012, 26 (4): 705- 715. doi: 10.1016/j.aei.2012.04.002
2	Fan X B , Xiong Q F , Xia Z G . Study on the lightning-protection of ancient buildings[J]. Journal of Landscape Research, 2011, 3 (5): 65- 69.
3	Glushakow B.Lightning protection of China's ancient structures[C]//XIV International Conference on Atmospheric Electricity Proceedings of the 14th International Conference on Atmospheric Electricity.Rio de Janeiro, Brazil: ICAE, 2011: 124-127.
4	王时煦, 于倬云, 白丽娟. 故宫博物院的防雷历史与经验总结[C]//中国紫禁城学会. 中国紫禁城学会论文集(第三辑). 北京: 紫禁城出版社, 2000: 400-409.
5	王时煦. 园林古建筑的防雷与防火[J]. 中国园林, 1994, 10 (3): 40- 45.
6	张华明, 杨世刚, 张义军, 等. 古建筑物雷击灾害特征[J]. 气象科技, 2013, 41 (4): 758- 763. doi: 10.3969/j.issn.1671-6345.2013.04.027
7	李京校, 宋平健, 甘璐, 等. 故宫博物院"6.23"雷击事件分析[J]. 南京信息工程大学学报: 自然科学版, 2014, 6 (4): 326- 335. doi: 10.3969/j.issn.1674-7070.2014.04.006
8	姜启成, 张其林, 姜有山, 等. 苏州紫金庵雷击原因分析及古建筑防雷技术[J]. 气象科技, 2010, 38 (6): 825- 831. doi: 10.3969/j.issn.1671-6345.2010.06.033
9	杨仲江, 李玉照, 姜长稷. 从扬州重宁寺藏经楼雷击事故看古建筑防雷[J]. 建筑电气, 2009, 28 (10): 40- 43. doi: 10.3969/j.issn.1003-8493.2009.10.011
10	李京校, 齐飞, 张宇龙, 等. 故宫博物院雷电灾害及雷电特征分析[J]. 南京信息工程大学学报: 自然科学版, 2016, 8 (3): 252- 258.
11	边旦洛布, 许永彬. 西藏古建筑物雷灾特征分析[C]//中国气象学会. 第35届中国气象学会年会S19雷电物理和防雷新技术——第十六届防雷减灾论坛. 合肥: 中国气象学会, 2018: 502-508.
12	白丽娟. 故宫博物院古建筑防雷保护工作的回顾[J]. 故宫博物院院刊, 2005, (5): 344- 365.
13	张华明, 刘耀龙, 张义军, 等. 基于AHP的文物建筑防雷分类研究[J]. 气象科技, 2015, 43 (2): 326- 330. doi: 10.3969/j.issn.1671-6345.2015.02.027
14	陶彪, 张华明, 杨世刚. 古建筑雷击风险评估探讨[J]. 灾害学, 2009, 24 (4): 77- 80.
15	李鹏. 古建筑雷电灾害风险评估现场勘查误区分析[J]. 价值工程, 2017, 36 (17): 159- 160.
16	丁士章, 吴寿锽, 张荫榕, 等. 应县木塔的避雷机制[J]. 自然科学史研究, 1990, 9 (2): 139- 144.
17	应县木塔避雷机制研究课题组. 应县木塔避雷机制的再探讨[J]. 自然科学史研究, 1993, 12 (2): 146- 152.
18	Zhao J , Li W D , Luo H J , et al. Research on protection of the architectural glazed ceramics in the Palace Museum, Beijing[J]. Journal of Cultural Heritage, 2010, 11 (3): 279- 287. doi: 10.1016/j.culher.2009.05.004
19	Dilireba A , Zhao J , Lu Y , et al. Protection of glazed tiles in ancient buildings of China[J]. Heritage Science, 2020, (8): 37.
20	吴燕春, 吴隽, 吴军明, 等. 化妆土对鄱阳淮王府琉璃构件釉面品质的影响[J]. 陶瓷学报, 2017, 38 (3): 415- 420.
21	An Z Y , Liu B . Chinese historic buildings fire safety and countermeasure[J]. Procedia Engineering, 2013, (52): 23- 26.
22	郭秀峰, 谭涌波, 郭凤霞, 等. 建筑物尖端对大气电场畸变影响的数值计算[J]. 应用气象学报, 2013, 24 (2): 189- 196. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2013.02.007
23	陈加清, 周璧华, 贺宏兵. 雷电的损伤效应[J]. 安全与电磁兼容, 2004, (6): 44- 48. doi: 10.3969/j.issn.1005-9776.2004.06.017
24	万雪, 任铁良, 杨懿, 等. 水蒸气焓熵的模型化计算[J]. 冶金能源, 2016, 35 (2): 13- 16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1617.2016.02.004
25	段鸿莺, 丁银忠, 梁国立, 等. 我国古代建筑琉璃构件胎体化学组成及工艺研究[J]. 中国陶瓷, 2011, 47 (4): 69- 72.
26	李媛, 苗建民, 张汝藩. 我国古代建筑琉璃构件胎体孔隙类型探讨[J]. 广西工学院学报, 2013, 24 (2): 68- 73. doi: 10.3969/j.issn.1004-6410.2013.02.015
27	张义军, 周秀骥. 雷电研究的回顾和进展[J]. 应用气象学报, 2006, 17 (6): 829- 834. doi: 10.3969/j.issn.1001-7313.2006.06.019
28	Hirano Y , Katsumata S , Iwahori Y , et al. Artificial lightning testing on graphite/epoxy composite laminate[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41 (10): 1461- 1470. doi: 10.1016/j.compositesa.2010.06.008
29	黄玉茹, 马宏达, 郭洁萍. 故宫建筑材料的雷击实验及改进中国古建筑防雷设计的建议[J]. 中国科学院电工研究所论文报告集, 1989, (18): 110- 117.
30	Nilufer A , Muhsin K . A study on the fire protection of historic Cumalıkızık village[J]. Journal of Cultural Heritage, 2004, 5 (2): 213- 219. doi: 10.1016/j.culher.2004.01.001
31	李京校, 宋平健, 李如箭, 等. 文物古建直击雷火灾成因分析及对策[J]. 西南师范大学学报: 自然科学版, 2016, 41 (10): 88- 95.
32	陈华晖, 黄晓虹, 朱泽伟, 等. 布达拉宫区域雷击风险评估的精细化防护研究[C]//中国气象学会. 第33届中国气象学会年会S19雷电物理和防雷新技术——第十四届防雷减灾论坛. 西安: 中国气象学会, 2016: 84-90.
33	Li J X , Zhang X Q , Li J , et al. An experimental study of the damage degrees to ancient building timber caused by lightning strikes[J]. Journal of Electrostatics, 2017, (90): 23- 30.
34	王雪顽, 张适昌, 马宏达. 古建筑木材沿面粉尘抗电强度和可燃性试验研究[J]. 中国科学院电工研究所论文报告集, 1992, (24): 118- 122.
35	白丽娟, 王景福. 试谈文物建筑物的防雷问题——以武当山建筑防雷设计为例[C]//中国紫禁城学会. 中国紫禁城学会论文第八辑(下). 十堰: 中国紫禁城学会, 2013: 756-754.
36	陈水明, 张适昌, 王磊, 等. 古建筑防雷系统的雷电电磁暂态分析[J]. 建筑电气, 1998, (3): 2,4- 7.
37	杨世刚, 张华明, 陶彪. 古建筑防雷探讨[J]. 防灾科技学院学报, 2010, 12 (3): 40- 43. doi: 10.3969/j.issn.1673-8047.2010.03.008
38	刘荣, 陈水明, 张适昌. 古建筑内电子设备雷电反击安全性及改进措施[J]. 建筑电气, 2000, 19 (2): 65- 68. doi: 10.3969/j.issn.1003-8493.2000.02.005
39	高杰. 引下线过雷电流后高温产生的影响[C]//中国气象学会. 第五届中国防雷论坛论文集. 成都: 中国气象学会, 2006: 379-380.
40	张义军, 陶善昌, 马明, 等. 雷电灾害[M]. 北京: 气象出版社, 2009.
41	李良福, 覃彬全, 杨磊, 等. 雷电电弧放电效应及其危害机理研究[M]. 北京: 气象出版社, 2014.
42	刘俊. 建筑物金属结构雷电流热效应计算研究[J]. 建筑电气, 2014, 33 (6): 30- 33. doi: 10.3969/j.issn.1003-8493.2014.06.008
43	李京校, 李如箭, 钱慕晖, 等. 基于有限体积法的古建筑防雷引下线温度模拟分析[J]. 气象科学, 2019, 39 (1): 70- 77.
44	李采芹, 王铭珍. 中国古建筑与消防(2版)[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2009.
45	朱易, 刘乃安, 邓志华, 等. 雷击引燃森林可燃物概率的实验研究[J]. 火灾科学, 2012, 21 (2): 71- 77. doi: 10.3969/j.issn.1004-5309.2012.02.004
46	Darveniza M , Zhou Y . Lightning-initiated fires: Energy absorbed by fibrous materials from impulse current arcs[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1994, 99 (D5): 10663- 10670. doi: 10.1029/94JD00147
47	丁士章, 吴寿锽, 张荫榕. 应县木塔避雷机制的探讨[J]. 西安交通大学报, 1988, 22 (6): 111- 113.
48	高策, 丁士章, 卢银吉, 等. 从山西省五台山古建筑看我国古代避雷措施(一)——兼谈中国古代对雷电的认识[J]. 山西大学学报: 自然科学版, 1986, (4): 44- 47.
49	高策, 孟奋基, 杨型健. 自然消雷与五台山古建筑避雷[J]. 科学技术与辨证法, 1992, 9 (2): 9- 13.
50	郝孝智, 关象石. 从应县木塔遭受雷击谈"绝缘防雷"[C]//中国气象学会. 第二届中国防雷论坛论文集. 北京: 中国气象学会, 2003: 59-60.
51	金磊. 雷害与古建筑防雷[J]. 安全, 1996, (3): 3- 4.
52	Hu J, Li C.Lightning protection of Chinese ancient architecture[C]//IEEE.2011 7th Asia-Pacific International Conference on Lightning.China, Chengdu: IEEE, 2011: 844-847.
53	虞悦, 冯丹丹, 包炳生. 国家级文物保护的古建筑防雷技术探讨[J]. 科技通报, 2019, 35 (4): 189- 193.
54	龙非了. 我国古建筑的避雷措施[J]. 建筑学报, 1963, (1): 28- 29.
55	周乾. 紫禁城古建筑防雷的传统方法[J]. 工业建筑, 2019, 49 (5): 197- 200.
56	魏平凡. 山西大同古代建筑避雷机制之浅谈[J]. 科技情报开发与经济, 2005, 15 (17): 277- 278. doi: 10.3969/j.issn.1005-6033.2005.17.158
57	徐满平. 对我国古建筑"避雷措施"的分析与认识[J]. 安徽师范大学学报: 自然科学版, 1998, 21 (3): 303- 306.
58	吴保安, 邢江平. 五台山佛光寺古建筑避雷原因探析[J]. 科学技术与辩证法, 2008, 25 (4): 95- 98. doi: 10.3969/j.issn.1674-7062.2008.04.017
59	张玉桦, 李学耕, 张军. 嵩山历史古建筑群申遗项目防雷工程设计[J]. 气象与环境科学, 2009, 32 (2): 90- 93. doi: 10.3969/j.issn.1673-7148.2009.02.021
60	安卫华, 魏乃永, 张萌. 故宫博物院太和殿等古建筑的防雷改造设计体会[J]. 电气应用, 2011, 30 (22): 50- 53.
61	唐生昊. 藏式古建筑物的综合防雷设计——以文成公主庙为例[J]. 青海气象, 2014, (3): 37- 41.
62	龚家军, 刘国臻. 武当山古建筑物防雷措施探讨[J]. 电气应用, 2008, 27 (15): 18- 21.
63	万丽岩, 邢宇航, 刘恩相, 等. 兴城古建筑物防雷技术设计探讨[J]. 气象与环境学报, 2008, 24 (3): 29- 32. doi: 10.3969/j.issn.1673-503X.2008.03.006
64	尚杰, 于晖. 现代条件下的古建筑防雷[J]. 气象科技, 2007, 35 (增刊): 57- 62.
65	王玮. 古建筑防接触电压和跨步电压措施技术分析与做法[J]. 价值工程, 2017, 36 (3): 148- 150.
66	李京校, 宋平健, 李如箭, 等. 特殊建筑物雷击截收面积计算[J]. 气象科技, 2015, 43 (2): 331- 337. doi: 10.3969/j.issn.1671-6345.2015.02.028
67	齐飞, 倪斌, 李京校, 等. 古建筑防雷设计与评估[C]//中国气象学会. 第32届中国气象学会年会. 天津: 中国气象学会, 2015: 1-9.
68	杨成山, 辛延俊, 王军, 等. 塔尔寺古建筑的雷电环境分析与防护措施[J]. 文物保护与考古科学, 2015, 27 (3): 20- 25. doi: 10.3969/j.issn.1005-1538.2015.03.004
69	曲扎江措, 泽仁玉珍. 藏式古建筑的结构特点及其防雷措施[J]. 西藏研究, 2012, (3): 105- 109. doi: 10.3969/j.issn.1000-0003.2012.03.011
70	刘世宇, 高攀亮. 新型雷电防护在线监测系统的研究与应用[J]. 仪器仪表用户, 2019, 26 (5): 27- 32. doi: 10.3969/j.issn.1671-1041.2019.05.009
71	吴孟恒, 付国振, 郭砚茗. 古建筑防雷设计应注意的几个问题[J]. 气象科技, 2007, 35 (增刊): 63- 66.
72	宋平健, 李京校, 李如箭, 等. 开放段长城敌台接闪器的设置[J]. 气象科技, 2015, 43 (4): 754- 758. doi: 10.3969/j.issn.1671-6345.2015.04.032
73	胡登峰, 厉守生. 古建筑防雷设计与防火[J]. 智能建筑, 2018, (4): 51- 55.
74	钱慕晖, 李京校, 李如箭, 等. 2005—2014年北京市雷电灾害特征分析[J]. 气象与环境学报, 2016, 32 (4): 126- 131. doi: 10.3969/j.issn.1673-503X.2016.04.017
75	Becerra M , Cooray V , Hartono Z A . Identification of lightning vulnerability points on complex grounded structures[J]. Journal of Electrostatics, 2007, 65 (9): 562- 570. doi: 10.1016/j.elstat.2006.12.003
76	袁湘玲, 马虹旭, 周倩, 等. 黑龙江省直击雷防护效率空间分布特征[J]. 气象与环境学报, 2020, 36 (1): 96- 101.
77	高策. 关于应县木塔的避雷问题——与丁士章等商榷[J]. 自然科学史研究, 1992, 11 (4): 333- 337.

[1]	钱慕晖, 李京校, 李如箭, 张宇龙, 逯曦, 季晓鸣. 2005-2014年北京市雷电灾害特征分析[J]. 气象与环境学报, 2016, 32(4): 126-131.
[2]	万丽岩,邢宇航,刘恩相,李志江. 兴城古建筑物防雷技术设计探讨[J]. 气象与环境学报, 2008, 24(3): 29-32.
[3]	严春银,吴高学,朱建章. 区域雷灾易损性及其区划的实证分析[J]. 气象与环境学报, 2007, 23(1): 17-21.
[4]	王云林,马宝林,刘恩相. 民爆服务站综合防雷技术和方法[J]. 气象与环境学报, 2005, 21(1): 38-40.
[5]	滕钢,姜建平. 防雷器件响应时间与地网防雷响应探讨[J]. 气象与环境学报, 2004, 20(2): 35-35.
[6]	王伟,王悦. 电信枢纽建筑整体防雷工程设计改造[J]. 气象与环境学报, 2004, 20(1): 38-38.
[7]	张国毅. 寻呼台防雷技术概述[J]. 气象与环境学报, 2001, 17(3): 41-42.
[8]	姜建平,马沈鞍. 高山通信塔防雷技术研究[J]. 气象与环境学报, 2000, 16(2): 34-35.