文物古建筑的防雷保护
2019-05-20 16:47:32
文转载自《中国气象报》，原标题：雷电频现，文物建筑何以屹立千秋 中国气象报 | 宛霞 专家顾问： 张华明 《文物建筑防雷技术规范》起草者之一、山西省气象灾害防御技术中心高级工程师
本文转载自《中国气象报》，原标题：雷电频现，文物建筑何以屹立千秋
中国气象报 | 宛霞
专家顾问：
张华明《文物建筑防雷技术规范》起草者之一、山西省气象灾害防御技术中心高级工程师
李京校 主持古建筑雷击破坏机理方面的北京市自然基金课题两项、北京市气象灾害防御中心高级工程师
张仲 国家500米口径球面射电望远镜（FAST）防雷系统总设计师、北京万云科技开发有限公司高级工程师
不久前，有800多年历史的法国巴黎圣母院突发大火，事件刷屏，伴随而来的“故宫的消防措施”也上了热搜，文物建筑保护越来越受到人们的关注。
文物建筑，是历史流传下来的“财富”，有的历经百年甚至千年风雨洗礼，承灾能力脆弱，火灾、雷击、地震、洪水等灾害时刻威胁着它们的安全。而雷击灾害对于文物建筑的损害尤甚。
文物建筑为何易遭雷击？雷击对文物建筑有哪些影响？如何做好文物建筑防雷？本期科普看台聚焦文物建筑防雷，探寻诸多问题的答案。
文物建筑为何易遭雷击？
在世界建筑史上，我国的文物建筑独树一帜。林徽因曾提到，中国文物建筑最大的特征是由木料做成，其最大特点是抗震，源于其韧性。木材本身的韧性，能抗拒突然力量的冲击，这与“用石头”写成的西方建筑史大为不同。在面对雷电灾害时，西方石制建筑不易被雷击，雷打掉了石头的边角，损坏是物理性的，但木制的中国文物建筑遭受的不仅仅是物理损坏，还很有可能引发火灾。
张华明说，我国文物建筑的雷击规律与现代建筑有所不同。从防雷角度看，文物建筑的以下特点使其更容易遭受雷击。
穴虽在山，祸福在水
时常遭到雷击的文物建筑，其地理位置分布有着很强的规律性。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，其中尤以水为生气之源。《水龙经》中说：穴虽在山，祸福在水。因此，现存的文物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，大部分文物建筑周围还有河、湖、池塘、泉水等，这些因素使得文物建筑容易受到雷电侵袭，并且容易多次落雷。
“发生雷灾的文物建筑80%位于易遭雷击的地方，可以说，现存文物建筑大多位于易受雷击侵扰的地方，防雷现状不容乐观。”张华明说。
案例
故宫内的建筑物落雷较多，原因在于紫禁城周围是护城河，并且护城河有水，由此可以得出故宫地下的土壤电阻率相对较低，而且院内又有高大的古树，因此故宫成为易受雷电侵扰的地方。
建筑结构增加雷击概率
从文物建筑的结构看，具有以下易遭雷击的结构特点：为了体现建筑的雄伟、挺拔，文物建筑大多建有高耸的屋脊，多以坡顶为主，且坡度较大，建筑顶部的屋脊、挑檐、走兽，左右吻兽及宝顶等都是建筑物上部的尖端，从雷击规律看，这些都是易于被雷击的部位。尽管文物建筑主体多以砖木结构为主，但部分建筑顶部也有不少装饰物采用金属材质；多数文物建筑大殿正脊中部埋设有金属宝盒，有的建筑物屋顶内部还有锡背、铜质宝顶，有的建筑物屋面有金属链条。
张华明说：“这些金属物大部分没有任何接地处理，而且通常都安置在建筑物顶端，大大增加了文物建筑遭受雷击的概率。”
案例
1984年6月2日，故宫承乾宫被雷击，没有击在两侧较高的吻兽上，而是击中屋脊的宝盒。在这薄铁制的宝盒中，有用木刻版印制的文字“九天应无雷声普化天尊玉枢宝经”，并装有金、银、铜、铁、锡等五种同样大小的五个小元宝，另有24个直径27毫米的带孔金大钱，其上写着“天下太平”。这就是古代迷信“避邪”的“防雷措施”。但事实上宝盒是金属体，反而是雷电最容易击到的部位。
最小“距”，一棵树
“文物建筑和雷击间的最小距离，可能只是一些花草树木的距离。”张华明说，树木引雷，不容忽视。经过数百年乃至近千年的生长，文物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文物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。”
案例
1957年7月，北京中山公园内一棵大树落雷，雷电流感应至附近的配电线路，传到公园内的音乐堂，导致配电室、舞台和观众厅顶棚烧毁。
2005年4月29日，苏州紫金庵内的一棵银杏树冠突遭雷击，随即感应电流击穿紫金庵房内的配电箱，造成电线短路起火。
文物建筑内部环境变化
当下，随着旅游产业发展，文物建筑保护也受到关注，越来越多的文物建筑周围安装了电源、通信、安防系统等设施。
“这大大增加了雷电入侵的通道，还有一些重建或修复的文物建筑内部结构已发生变化，增加了不少现代元素，比如修复的大梁，为了结实，在内部嵌入钢板之类的金属物。”张华明说。
案例
2002年9月7日晚，山西省应县木塔遭受雷击，有目击者称木塔塔顶出现火光。9月15日，工作人员在木塔顶层清扫时，发现木塔五层东北角辅柱被雷击。山西省气象灾害防御技术中心技术人员勘查现场后分析认为，塔内加装某些仪器，改变了古塔原有对大地绝缘的物理状态是此次灾害原因。
2008年10月4日下午，山西省榆次老城遭雷击，雷电击中元代古建筑物显佑殿，屋脊顶上西侧吻兽被击毁，琉璃瓦屋面被击崩（碎），西侧木质顶柱（梁）也被击裂。景区内消防控制、110报警弱电设备以及多台电脑、电视机等因雷电高压引入被击毁。
年久失修，进水潮湿
我国的文物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。
案例
2004年5月11日凌晨，稷山县大佛寺遭受雷灾，引发大火，大佛寺两层的佛阁和大量珍贵木刻、砖雕艺术品被大火烧毁，只剩下三面残墙。通过对雷击现场勘测发现，大殿立柱内部有腐败迹象，在雷击前，大殿内有漏雨记录，漏雨使得木材具有导电性，而另一部分木材内部材质疏松，含水量低，易燃烧，因此，在雷电流泄放过程中引发火灾。
如何做好文物建筑防雷分类？
张华明认为，雷电灾害是造成文物建筑受损的主要自然灾害之一，做好防雷分类，对文物建筑因地制宜采取保护措施，具有重要指导意义。
“不少学者按照文物建筑的文物保护级别划分防雷等级，这种分类方式仅仅是从承灾体脆弱性考虑，灾害的发生是由致灾环境的危险性和承灾体的脆弱性决定的，事实上，文物建筑遭受雷击是多方面因素综合作用的结果。因此，文物建筑的雷电防护等级应按照致灾环境的危险性和承灾体的脆弱性划分。”张华明说，通过对文物建筑雷电灾害规律分析，可以将文物建筑的重要性、雷击密度、所处环境、服务设施、文物建筑高度、周围树木、自身结构、雷击史等作为文物建筑防雷分类评估指标，采用层次分析法（AHP）确定指标权重，根据文物建筑保护等级、遭受雷击规律、雷电活动情况以及现行国家标准等对评估指标进行分类、评价，建立文物建筑防雷分类评估模型。
谈及其中几个指标的选取依据，张华明解释说，文物建筑作为雷电灾害的承灾体，具有一定的脆弱性，一旦发生雷灾，文物建筑的历史、艺术和科学价值的损失是不可逆的，因此，将文物建筑的重要性作为首要评估指标。而雷击密度是最直接反映孕灾环境的评估指标，雷击密度大的地区，说明区域孕灾环境复杂、致灾因子活跃，承灾体的易损性大。对于有雷击史的文物建筑，发生雷击的地方容易再次遭受雷击，也是分类评估的重点。
值得一提的是，文物建筑的吻兽等突出部位的雷击事故占雷击事故总数的30%，但大部分文物建筑都有这样的结构，因此无法进行分类，没有被纳入评估指标。
“确定评估指标后，按照文物建筑防雷分类方法判断权重分布，可以对文物建筑的雷电防护进行分级。”张华明说，对各个指标进行分级、评价后，可得到极重要、中等重要、重要等三个等级，并对三个等级分别给出相应的指数3、2、1。
“我们根据文物建筑的防雷分类分值，将雷电防护等级划分为一级、二级、三级，当防雷分类分值≥2时，可按一类防雷等级进行防雷保护；当分值介于1和2之间时，可按二类防雷等级进行防护；当分值≤1时，则按三类防雷等级进行防护。”张华明解释说。
文物建筑防雷分类评估指标
怎样做好文物建筑防雷？
针对雷击对文物建筑的主要影响，李京校分析说，主要有直击雷破坏和雷电感应破坏。直击雷的效应分为热效应、电效应和机械效应，对文物建筑的屋脊及吻兽、走兽、挑檐、房瓦等易造成破坏，甚至导致整个建筑起火被焚。如果防护不完善，雷电流沿建筑防雷引下线泄放时，还可能因接触电压及跨步电压，导致游客及工作人员伤亡。“而雷电感应破坏则主要是指雷击电磁脉冲对文物建筑内的配电线路及监控、广播、通信（电话线、防火防盗监控数据线）等信息系统造成破坏。”
基于雷电对文物建筑的影响，张华明认为，做好文物建筑防雷保护至关重要，而其前提是明确文物建筑的防雷原则。防雷应以保护文物建筑为目的，以不改变文物建筑的原状为原则，坚持防雷设施与建筑环境保护相一致，与建筑风格相协调，建筑保护与人身安全保护并重的原则，做到防护至上和统筹兼顾。“文物建筑防雷设计与施工方法既要充分考虑保持建筑原貌和艺术特点，又要符合文物建筑周围的地理、土质、气象、环境、雷电活动规律等。”
对于张华明的观点，张仲颇为认同。他说，做好文物建筑防雷保护，必须科学进行防雷装置设计，设计单位既要遵守标准规范，又要灵活运用，如南北文物建筑构造差异大，气象和雷暴环境差异也大，必须充分考虑这些因素。同时，防雷装置要按照设计图纸进行施工，遇到与文物保护相冲突时，坚持文物保护优先，因地制宜采取防雷措施。此外，还要加强防雷装置后期维护，发挥防雷效能，除每年例行检测外，还应做好日常设施维护保养。“我们要利用先进的防雷技术，做到主动预防，规避风险。”
李京校认为，对于较大的文物建筑群，首先要做好总体规划、系统防护，综合考虑防雷设计中接闪功能、分流影响、屏蔽作用、均衡电位、接地效果和合理布线等问题。在防雷设计时，应全面了解文物建筑的构造、内部设备状况、金属管线位置和走向等。在文物建筑大修时，要配套做好防雷装置安装工作。
“国家应加强文物建筑的保护工作，充分认识到文物建筑防雷的重要性，运用现代防雷技术对其进行保护；各级政府部门应因地制宜，将避雷设施建设纳入文物保护基本建设和维修项目，加大经费投入和支持力度；各级文物管理部门应增强雷电灾害忧患意识，采取先进的防雷技术，完善文物建筑防雷设施；各级气象部门应做好文物建筑的防雷检测和指导工作。”李京校说，通过多方努力，可以确保文物建筑防雷安全，避免或减少雷击对文物建筑造成的损害。
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