文物建筑雷擊火災機理及防護研究

張華明,李 強,劉耀龍,田瑞敏,胡俊青

(1.山西省氣象災害防御技術中心，山西 太原 030002;2.太原理工大學經濟管理學院，山西 晉中 030600)

0 引言

文物建筑是中華民族珍貴歷史文化遺產的重要組成部分，是中華文明源遠流長的歷史見證，是不可再生的資源，雷電災害是造成文物建筑受損的主要自然災害之一，其直接危害是擊毀文物建筑物構件，如雷擊屋檐、吻獸等突出部位引起斷裂、破碎等[1-3]；我國文物建筑結構以木結構為主，木作在整體建筑材料中使用比例通常在80%以上[4-5]，由于長期干燥和自然侵蝕，耐火等級極低，容易發生火災，而雷擊是文物建筑起火的主要原因之一，如故宮博物院、布達拉宮等都不同程度地遭受過雷災以及雷災引發的火災[1-6]。文物建筑起火造成的火災損失是無法以金錢來估量的，例如2004年5月11日山西省重點文物保護單位稷山縣大佛寺遭雷擊，大佛寺兩層佛閣和大量的珍貴木刻、磚雕藝術品蕩然無存，只剩下三面殘墻，損失無法估計[3]。由于文物建筑的結構、材料等與現代建筑存在較大的差別，因此，文物建筑雷擊火災特點與常規建筑有很大不同。目前，國內多數學者僅側重針對文物建筑的雷電防護進行研究[7-11]，而對雷擊文物建筑引發火災進行分析的文獻還很少。

本文通過對文物建筑雷電災害的調查，對雷擊文物建筑突出部位的案例進行了分類研究，給出了文物建筑雷擊火災的主要原因以及不同制式文物建筑的引下線安裝方式以及服務設施的屏蔽措施，對文物建筑保護有重要的意義。

1 資料來源

本文共收集了文物建筑雷擊案例122起[12-14]。在所統計案例中除故宮博物院安裝有防雷設施外，大部分遭雷擊的文物建筑未安裝防雷裝置或防雷裝置不完善。為了更好地對文物建筑起火原因進行分析，我們將122起文物建筑雷災分為突出部位、服務設施、起火以及其它等4類，其中突出部位雷擊指文物建筑吻獸等突出部位的雷擊事故；服務設施指引入文物建筑的電源、通信、安防系統等；起火是指文物建筑或其內服務設施等發生雷擊火災，其它指案例未具體說明文物建筑遭受雷擊情況以及文物建筑內人員或古樹遭雷擊。由于雷擊會造成綜合損失，因此表1中突出部位、服務設施、雷擊起火中有重復統計。由表1可以看出雷擊文物建筑物頂部案例有52起，占文物建筑雷擊災害的42.62%，說明文物建筑的尖端比較容易接閃，雷擊引發火災32起，占文物建筑雷擊災害26.23%，雖然總體案例比較少，由于文物建筑承載著歷史、文化、藝術等內涵，文物建筑的雷擊火災是無法容忍的。

表1 文物建筑雷擊部位統計Tab.1 Statistics of lightning strike location of heritage buildings

2 文物建筑起火原因分析

2.1 雷電流的泄流途徑統計分析

表2給出了文物建筑雷擊火災的原因分類，其它為文物建筑已經被燒毀，從表2我們可以看出雷擊文物建筑起火一般有兩種情況，第一種是雷電擊中文物建筑物，在雷電流的泄放過程中引燃了木材，例如1965年7月18日，河北省承德市避暑山莊六合塔遭受雷擊起火，塔內木柱被焚毀[14]。第二是由服務設施引起，雷電流沿著線路侵入或者泄流時，由于線路沿著木料敷設而且沒有做屏蔽或者屏蔽材料不絕緣，出現放電引燃木材導致火災或者是線路自身起火。例如2003年4月19日，貴州省都勻市省級文物保護單位百子橋因雷擊擊穿電源線外緣膠皮引發火災，致使橋亭北端一角被火損壞，亭內的一些物品也受到損失[12]；2005年4月29日，江蘇省蘇州紫金庵古銀杏樹接閃，古樹樹枝段落，感應到電纜線上，擊穿紫金庵房內配電箱起火[9]。

表2 文物建筑雷擊火災分類Tab.2 Classification of lightning fire in heritage buildings

表3給出了雷擊吻獸等突出部位的雷災分類，磚石塔亭等文物建筑由于雷擊后不會引發火災我們在此處不做統計。我們看到僅僅吻獸等突出部位的損失有28起，有可能是雷擊吻獸后雷電流沿著某一部位泄流且未造成文物建筑其它部位損壞或者是此次雷電流能量較小僅僅造成吻獸等損壞。

表3 雷擊突出部位分類 Tab.3 Classification of lightning striking prominent parts

當文物建筑突出部位接閃后，雷電流會沿著一定路徑泄流入大地，我們從雷擊頂端后屋柱和墻體損壞，可以得出文物建筑頂端接閃后，雷電流會沿著柱或墻體流入大地，如果雷電流不能順利導入大地，雷電流攜帶的巨大能量就會在柱、墻等處釋放掉，因此，會造成墻體破裂或柱子劈裂。例如2002年9月7日，山西應縣木塔五層東北角輔柱被雷擊[12]；2008年10月4日，雷電擊中了榆次老城的顯佑殿，使屋脊頂上西側獸頭擊毀如圖1所示，琉璃瓦屋面擊碎約1 m2，西側木質頂柱被擊裂如圖2所示[12]。

圖1 顯佑殿獸頭被擊毀Fig.1 Xianyou Hall animal finial was destroyed

圖2 顯佑殿木質頂柱被擊裂 Fig.2 Xianyou Hall wooden roof was cracked

雷電流泄放過程中造成柱子與墻體損害與文物建筑的結構有直接關系，文物建筑主要由墻體、木構架、斗拱(僅在高級建筑中使用)等部分組成，文物建筑物構造按照受力方式主要有以下幾種[4]：對于廡殿式、歇山式以及懸山式等，梁造柱是采用梁柱組成的框架體系承重，墻體只起分割作用而不承受屋頂重量；對于硬山式文物建筑，是承重墻構造，屋架落在墻體上，墻體承受屋頂的全部重量；還有一部分文物建筑為混合構造，梁柱和墻體共同起承重作用，一般后檐墻為承重構造，前檐為梁柱構造。高等級的文物建筑中大部分為梁柱構造形式，墻體本身不承受上部梁架及屋頂載荷。由于文物建筑由柱或墻體承重，而且承重墻與柱會直接從建筑物頂部到建筑物基礎，因此，當文物建筑頂部突出物接閃后，雷電流一般會沿著承重墻或柱泄流。

2.2 文物建筑材料的易燃性分析

黃玉茹[15]等給出了故宮博物院建筑材料的擊穿絕緣強度，灰、磚的絕緣強度都低于空氣，干燥的瓦和木材的絕緣強度都高于空氣，但在受潮的情況下，這些材料的絕緣強度都在降低，琉璃瓦在吸水量達到10%時，電極間的電阻值為10 Ω，而我們知道木材一旦進水就會成為良導體。

參考雷電流入地深度[16-17]:

(1)

其中ρ為土壤電阻率，f為雷電流各諧波頻率。根據黃玉茹[15]等給出的文物建筑材料的電阻率，由公式(1)可以得出雷電流可以擊穿文物建筑的所有材料。

文物建筑中常用原木和鋸成片的板方材，建造材料多選用油脂含量高的杉木、柏木、松木、樟木等，大木中最常用杉木。木作在整體建筑材料中使用比例通常在80%以上，分布于殿堂、廳堂、挑檐和走廊等各種建筑部位。宗教性建筑等內部會輔以大量色彩絢麗的裝飾織物。

表4 文物建筑常用木材種類及用途[18-21]Tab.4 Types and uses of timber commonly used in heritage buildings

表4給出了文物建筑木材的主要種類、用途以及燃點、熱值(干燥狀態下)。可以發現它們都屬于高熱值的可燃物，有些表層還涂有大量油漆涂料，發生火災時釋放的能量大，火強度強。宗教性建筑物除木作等建筑建造材料外，內部空間還包括地毯、蠟燭、經幡等可燃易燃材料。大部分文物建筑然中的木材經過千百年后，內部材質疏松，含水量很低，極易燃燒，當雷雨來臨時有可能局部漏雨使部分木材潮濕，成為雷電流泄放的良導體，增加了雷電流傳導途徑，因此，此類文物建筑一旦遭受雷擊，極易引起木質構件起火。文物建筑一旦起火就極易到達轟燃狀態，在這種情況下消防隊員滅火的難度極大。

我們對山西省稷山縣大佛寺雷電災害的勘測，發現第一次雷擊是從大殿立柱開始，燃燒從內到外如圖3所示，該立柱內部有腐敗跡象，而在雷擊前，大殿內有過漏雨紀錄，我們可以得出：由于漏雨使得有些木材具有了導電性，而另一部分木材內部材質疏松，含水量很低易燃燒，因此，在雷電流的泄放過程中引發了火災。

3 文物建筑的防雷設計分析

以上分析得出雷電流泄放過程中引燃文物建筑木材及服務設施未屏蔽或者屏蔽材料不絕緣是文物建筑雷擊起火的主要原因，因此，引下線的設置以及服務設施的屏蔽措施就比較關鍵。

3.1 引下線的布設

文物建筑接閃后，我們應使雷電流沿最短的路徑泄流。引下線宜采用明敷，以最短的接地路徑敷設，引下線應使用環形抱箍固定(環形抱箍與引下線之間應有良好的絕緣阻燃墊層)。布置引下線時，應從文物建筑上接閃器下端焊接牢固后沿山墻、后檐墻、墻角、檐柱順直引下，建筑物正面應避免明敷。級別較高的文物建筑引下線宜選用銅材[22]。

硬山頂的文物建筑等級較低且多為居民建筑，宮殿建筑中的附屬用房，寺廟建筑的正殿、配殿，附屬用房等，明清以后，磚材在墻體中廣泛應用，小式建筑的山墻變為硬山為主，另外還有小部分懸山頂文物建筑山墻也與硬山建筑相似，因此對于這類建筑面積較小、山墻為硬山式的文物建筑如圖4，可以在兩側山墻從兩側吻獸直接引入接地裝置。

廡殿、歇山、大部分懸山文物建筑如圖5，引下線沿著山墻引下時，引下線與文物建筑木質材料應有絕緣良好的保護覆蓋物。廡殿、歇山山墻多見于大式建筑，當文物建筑通面闊長度大于引下線規定的間距時，可僅在正面墻角各敷一根引下線，同時可增加山墻、后檐墻及墻角引下線的根數。

圖3 雷擊后的立柱 圖4 硬山頂建筑 圖5 鎮國寺萬佛殿Fig.3 Column after the lightning strike Fig.4 Gabbled roof building Fig.5 Wanfo Hall in Zhenguo Temple

3.2 服務設施的屏蔽[22-24]

文物建筑物外的電子安全設施(如防火、監控、防盜等設備)應處在接閃桿的保護范圍內，金屬外殼應與防雷接地裝置連接。文物建筑物內的設備機殼、電源PE線、較大的金屬物、電涌保護器的接地線應就近與等電位連接端子連接。對于引入建筑物的弱電系統應按照GB50343—2012要求，根據文物建筑物的防雷類別，安裝相應的電涌保護器。

進入文物建筑的金屬線纜的鎧裝層和金屬管道應與建筑物的防雷裝置進行等電位連接。未采取屏蔽措施的線纜應與防雷裝置保持安全的距離。

4 結論

通過對文物建筑雷電災害的調查，發現雷電引發文物建筑火災主要有兩種途徑，第一是在雷電流的泄放過程中引燃了木材；第二是雷電流沿著線路侵入或者泄流時，由于線路沿著木料敷設而且沒有做屏蔽或者屏蔽材料不絕緣，出現放電引燃木材導致火災或者是線路自身起火。

由于文物建筑的結構特征導致了承重墻體或柱成為雷電流的主要泄流途徑，分析了對文物建筑材料的擊穿絕緣強度、木材種類以及燃點、熱值等文物建筑材料的易燃性；針對文物建筑雷擊火災的原因，給出了廡殿、歇山和硬山等不同制式文物建筑的引下線安裝方式以及服務設施的屏蔽措施。