文物古建筑的防雷保護
2019-05-20 16:47:32
文轉(zhuǎn)載自《中國氣象報》，原標(biāo)題：雷電頻現(xiàn)，文物建筑何以屹立千秋 中國氣象報 | 宛霞 專家顧問： 張華明 《文物建筑防雷技術(shù)規(guī)范》起草者之一、山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心高級工程師
本文轉(zhuǎn)載自《中國氣象報》，原標(biāo)題：雷電頻現(xiàn)，文物建筑何以屹立千秋
中國氣象報 | 宛霞
專家顧問：
張華明《文物建筑防雷技術(shù)規(guī)范》起草者之一、山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心高級工程師
李京校 主持古建筑雷擊破壞機理方面的北京市自然基金課題兩項、北京市氣象災(zāi)害防御中心高級工程師
張仲 國家500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）防雷系統(tǒng)總設(shè)計師、北京萬云科技開發(fā)有限公司高級工程師
不久前，有800多年歷史的法國巴黎圣母院突發(fā)大火，事件刷屏，伴隨而來的“故宮的消防措施”也上了熱搜，文物建筑保護越來越受到人們的關(guān)注。
文物建筑，是歷史流傳下來的“財富”，有的歷經(jīng)百年甚至千年風(fēng)雨洗禮，承災(zāi)能力脆弱，火災(zāi)、雷擊、地震、洪水等災(zāi)害時刻威脅著它們的安全。而雷擊災(zāi)害對于文物建筑的損害尤甚。
文物建筑為何易遭雷擊？雷擊對文物建筑有哪些影響？如何做好文物建筑防雷？本期科普看臺聚焦文物建筑防雷，探尋諸多問題的答案。
文物建筑為何易遭雷擊？
在世界建筑史上，我國的文物建筑獨樹一幟。林徽因曾提到，中國文物建筑最大的特征是由木料做成，其最大特點是抗震，源于其韌性。木材本身的韌性，能抗拒突然力量的沖擊，這與“用石頭”寫成的西方建筑史大為不同。在面對雷電災(zāi)害時，西方石制建筑不易被雷擊，雷打掉了石頭的邊角，損壞是物理性的，但木制的中國文物建筑遭受的不僅僅是物理損壞，還很有可能引發(fā)火災(zāi)。
張華明說，我國文物建筑的雷擊規(guī)律與現(xiàn)代建筑有所不同。從防雷角度看，文物建筑的以下特點使其更容易遭受雷擊。
穴雖在山，禍福在水
時常遭到雷擊的文物建筑，其地理位置分布有著很強的規(guī)律性。風(fēng)水理論是古人對建筑物選址的重要依據(jù)，而風(fēng)水理論的理想環(huán)境主要是由山和水構(gòu)成，其中尤以水為生氣之源。《水龍經(jīng)》中說：穴雖在山，禍福在水。因此，現(xiàn)存的文物建筑大多建在地勢較高的山上或建在土壤電阻率有突變的山腳邊，大部分文物建筑周圍還有河、湖、池塘、泉水等，這些因素使得文物建筑容易受到雷電侵襲，并且容易多次落雷。
“發(fā)生雷災(zāi)的文物建筑80%位于易遭雷擊的地方，可以說，現(xiàn)存文物建筑大多位于易受雷擊侵?jǐn)_的地方，防雷現(xiàn)狀不容樂觀。”張華明說。
案例
故宮內(nèi)的建筑物落雷較多，原因在于紫禁城周圍是護城河，并且護城河有水，由此可以得出故宮地下的土壤電阻率相對較低，而且院內(nèi)又有高大的古樹，因此故宮成為易受雷電侵?jǐn)_的地方。
建筑結(jié)構(gòu)增加雷擊概率
從文物建筑的結(jié)構(gòu)看，具有以下易遭雷擊的結(jié)構(gòu)特點：為了體現(xiàn)建筑的雄偉、挺拔，文物建筑大多建有高聳的屋脊，多以坡頂為主，且坡度較大，建筑頂部的屋脊、挑檐、走獸，左右吻獸及寶頂?shù)榷际墙ㄖ锷喜康募舛耍瑥睦讚粢?guī)律看，這些都是易于被雷擊的部位。盡管文物建筑主體多以磚木結(jié)構(gòu)為主，但部分建筑頂部也有不少裝飾物采用金屬材質(zhì)；多數(shù)文物建筑大殿正脊中部埋設(shè)有金屬寶盒，有的建筑物屋頂內(nèi)部還有錫背、銅質(zhì)寶頂，有的建筑物屋面有金屬鏈條。
張華明說：“這些金屬物大部分沒有任何接地處理，而且通常都安置在建筑物頂端，大大增加了文物建筑遭受雷擊的概率。”
案例
1984年6月2日，故宮承乾宮被雷擊，沒有擊在兩側(cè)較高的吻獸上，而是擊中屋脊的寶盒。在這薄鐵制的寶盒中，有用木刻版印制的文字“九天應(yīng)無雷聲普化天尊玉樞寶經(jīng)”，并裝有金、銀、銅、鐵、錫等五種同樣大小的五個小元寶，另有24個直徑27毫米的帶孔金大錢，其上寫著“天下太平”。這就是古代迷信“避邪”的“防雷措施”。但事實上寶盒是金屬體，反而是雷電最容易擊到的部位。
最小“距”，一棵樹
“文物建筑和雷擊間的最小距離，可能只是一些花草樹木的距離。”張華明說，樹木引雷，不容忽視。經(jīng)過數(shù)百年乃至近千年的生長，文物建筑附近的樹木非常高大，有些甚至高出文物建筑數(shù)米。“樹體本身具有導(dǎo)電性能，這些高大的古樹容易成為雷電落腳點，特別是易受直擊雷侵襲，增大了文物建筑遭受雷擊的概率；而雷擊樹木產(chǎn)生的強大電磁感應(yīng)也會使文物建筑內(nèi)部或外部的線路產(chǎn)生過電壓、過電流，容易造成火災(zāi)事故。”
案例
1957年7月，北京中山公園內(nèi)一棵大樹落雷，雷電流感應(yīng)至附近的配電線路，傳到公園內(nèi)的音樂堂，導(dǎo)致配電室、舞臺和觀眾廳頂棚燒毀。
2005年4月29日，蘇州紫金庵內(nèi)的一棵銀杏樹冠突遭雷擊，隨即感應(yīng)電流擊穿紫金庵房內(nèi)的配電箱，造成電線短路起火。
文物建筑內(nèi)部環(huán)境變化
當(dāng)下，隨著旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，文物建筑保護也受到關(guān)注，越來越多的文物建筑周圍安裝了電源、通信、安防系統(tǒng)等設(shè)施。
“這大大增加了雷電入侵的通道，還有一些重建或修復(fù)的文物建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化，增加了不少現(xiàn)代元素，比如修復(fù)的大梁，為了結(jié)實，在內(nèi)部嵌入鋼板之類的金屬物。”張華明說。
案例
2002年9月7日晚，山西省應(yīng)縣木塔遭受雷擊，有目擊者稱木塔塔頂出現(xiàn)火光。9月15日，工作人員在木塔頂層清掃時，發(fā)現(xiàn)木塔五層?xùn)|北角輔柱被雷擊。山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心技術(shù)人員勘查現(xiàn)場后分析認為，塔內(nèi)加裝某些儀器，改變了古塔原有對大地絕緣的物理狀態(tài)是此次災(zāi)害原因。
2008年10月4日下午，山西省榆次老城遭雷擊，雷電擊中元代古建筑物顯佑殿，屋脊頂上西側(cè)吻獸被擊毀，琉璃瓦屋面被擊崩（碎），西側(cè)木質(zhì)頂柱（梁）也被擊裂。景區(qū)內(nèi)消防控制、110報警弱電設(shè)備以及多臺電腦、電視機等因雷電高壓引入被擊毀。
年久失修，進水潮濕
我國的文物建筑支撐結(jié)構(gòu)多為粗大木料，內(nèi)外裝飾都采用大量木材。經(jīng)過長年累月的風(fēng)雨侵蝕，不少建筑原有的絕緣性能被破壞，當(dāng)雷雨來臨時，有可能局部漏雨使部分木材潮濕，增加了雷擊概率；還有部分木材內(nèi)部材質(zhì)疏松，含水量低，極易燃燒。此類建筑一旦遭受雷擊，易引起木質(zhì)構(gòu)件起火。
案例
2004年5月11日凌晨，稷山縣大佛寺遭受雷災(zāi)，引發(fā)大火，大佛寺兩層的佛閣和大量珍貴木刻、磚雕藝術(shù)品被大火燒毀，只剩下三面殘墻。通過對雷擊現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，大殿立柱內(nèi)部有腐敗跡象，在雷擊前，大殿內(nèi)有漏雨記錄，漏雨使得木材具有導(dǎo)電性，而另一部分木材內(nèi)部材質(zhì)疏松，含水量低，易燃燒，因此，在雷電流泄放過程中引發(fā)火災(zāi)。
如何做好文物建筑防雷分類？
張華明認為，雷電災(zāi)害是造成文物建筑受損的主要自然災(zāi)害之一，做好防雷分類，對文物建筑因地制宜采取保護措施，具有重要指導(dǎo)意義。
“不少學(xué)者按照文物建筑的文物保護級別劃分防雷等級，這種分類方式僅僅是從承災(zāi)體脆弱性考慮，災(zāi)害的發(fā)生是由致災(zāi)環(huán)境的危險性和承災(zāi)體的脆弱性決定的，事實上，文物建筑遭受雷擊是多方面因素綜合作用的結(jié)果。因此，文物建筑的雷電防護等級應(yīng)按照致災(zāi)環(huán)境的危險性和承災(zāi)體的脆弱性劃分。”張華明說，通過對文物建筑雷電災(zāi)害規(guī)律分析，可以將文物建筑的重要性、雷擊密度、所處環(huán)境、服務(wù)設(shè)施、文物建筑高度、周圍樹木、自身結(jié)構(gòu)、雷擊史等作為文物建筑防雷分類評估指標(biāo)，采用層次分析法（AHP）確定指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)文物建筑保護等級、遭受雷擊規(guī)律、雷電活動情況以及現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)等對評估指標(biāo)進行分類、評價，建立文物建筑防雷分類評估模型。
談及其中幾個指標(biāo)的選取依據(jù)，張華明解釋說，文物建筑作為雷電災(zāi)害的承災(zāi)體，具有一定的脆弱性，一旦發(fā)生雷災(zāi)，文物建筑的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價值的損失是不可逆的，因此，將文物建筑的重要性作為首要評估指標(biāo)。而雷擊密度是最直接反映孕災(zāi)環(huán)境的評估指標(biāo)，雷擊密度大的地區(qū)，說明區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、致災(zāi)因子活躍，承災(zāi)體的易損性大。對于有雷擊史的文物建筑，發(fā)生雷擊的地方容易再次遭受雷擊，也是分類評估的重點。
值得一提的是，文物建筑的吻獸等突出部位的雷擊事故占雷擊事故總數(shù)的30%，但大部分文物建筑都有這樣的結(jié)構(gòu)，因此無法進行分類，沒有被納入評估指標(biāo)。
“確定評估指標(biāo)后，按照文物建筑防雷分類方法判斷權(quán)重分布，可以對文物建筑的雷電防護進行分級。”張華明說，對各個指標(biāo)進行分級、評價后，可得到極重要、中等重要、重要等三個等級，并對三個等級分別給出相應(yīng)的指數(shù)3、2、1。
“我們根據(jù)文物建筑的防雷分類分值，將雷電防護等級劃分為一級、二級、三級，當(dāng)防雷分類分值≥2時，可按一類防雷等級進行防雷保護；當(dāng)分值介于1和2之間時，可按二類防雷等級進行防護；當(dāng)分值≤1時，則按三類防雷等級進行防護。”張華明解釋說。
文物建筑防雷分類評估指標(biāo)
怎樣做好文物建筑防雷？
針對雷擊對文物建筑的主要影響，李京校分析說，主要有直擊雷破壞和雷電感應(yīng)破壞。直擊雷的效應(yīng)分為熱效應(yīng)、電效應(yīng)和機械效應(yīng)，對文物建筑的屋脊及吻獸、走獸、挑檐、房瓦等易造成破壞，甚至導(dǎo)致整個建筑起火被焚。如果防護不完善，雷電流沿建筑防雷引下線泄放時，還可能因接觸電壓及跨步電壓，導(dǎo)致游客及工作人員傷亡。“而雷電感應(yīng)破壞則主要是指雷擊電磁脈沖對文物建筑內(nèi)的配電線路及監(jiān)控、廣播、通信（電話線、防火防盜監(jiān)控數(shù)據(jù)線）等信息系統(tǒng)造成破壞。”
基于雷電對文物建筑的影響，張華明認為，做好文物建筑防雷保護至關(guān)重要，而其前提是明確文物建筑的防雷原則。防雷應(yīng)以保護文物建筑為目的，以不改變文物建筑的原狀為原則，堅持防雷設(shè)施與建筑環(huán)境保護相一致，與建筑風(fēng)格相協(xié)調(diào)，建筑保護與人身安全保護并重的原則，做到防護至上和統(tǒng)籌兼顧。“文物建筑防雷設(shè)計與施工方法既要充分考慮保持建筑原貌和藝術(shù)特點，又要符合文物建筑周圍的地理、土質(zhì)、氣象、環(huán)境、雷電活動規(guī)律等。”
對于張華明的觀點，張仲頗為認同。他說，做好文物建筑防雷保護，必須科學(xué)進行防雷裝置設(shè)計，設(shè)計單位既要遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，又要靈活運用，如南北文物建筑構(gòu)造差異大，氣象和雷暴環(huán)境差異也大，必須充分考慮這些因素。同時，防雷裝置要按照設(shè)計圖紙進行施工，遇到與文物保護相沖突時，堅持文物保護優(yōu)先，因地制宜采取防雷措施。此外，還要加強防雷裝置后期維護，發(fā)揮防雷效能，除每年例行檢測外，還應(yīng)做好日常設(shè)施維護保養(yǎng)。“我們要利用先進的防雷技術(shù)，做到主動預(yù)防，規(guī)避風(fēng)險。”
李京校認為，對于較大的文物建筑群，首先要做好總體規(guī)劃、系統(tǒng)防護，綜合考慮防雷設(shè)計中接閃功能、分流影響、屏蔽作用、均衡電位、接地效果和合理布線等問題。在防雷設(shè)計時，應(yīng)全面了解文物建筑的構(gòu)造、內(nèi)部設(shè)備狀況、金屬管線位置和走向等。在文物建筑大修時，要配套做好防雷裝置安裝工作。
“國家應(yīng)加強文物建筑的保護工作，充分認識到文物建筑防雷的重要性，運用現(xiàn)代防雷技術(shù)對其進行保護；各級政府部門應(yīng)因地制宜，將避雷設(shè)施建設(shè)納入文物保護基本建設(shè)和維修項目，加大經(jīng)費投入和支持力度；各級文物管理部門應(yīng)增強雷電災(zāi)害憂患意識，采取先進的防雷技術(shù)，完善文物建筑防雷設(shè)施；各級氣象部門應(yīng)做好文物建筑的防雷檢測和指導(dǎo)工作。”李京校說，通過多方努力，可以確保文物建筑防雷安全，避免或減少雷擊對文物建筑造成的損害。
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