古建筑雷電災害及防雷技術研究綜述

洪嫻

摘 要：古建筑是中國幾千年來文化藝術的結晶，大多數具有重要的政治、歷史及文化藝術價值，是國家重要的人文旅游資源和珍貴文化遺產，具有不可復原性。保護這些古建筑，加強古建筑的安全，對延續中國的古文明具有重要意義。

關鍵詞：古建筑;防雷災害;防雷技術

1 古建筑雷電災害及防雷技術研究進展

1.1 古建筑雷電災害研究

1.1.1 古建筑雷電災害總體研究

高大恢弘的古建筑，林立的飛檐翹角，以及古建筑多處在空曠孤立地帶或土壤電阻率突變的地方，另有部分古建筑頂部還有金屬構件，這些因素導致了多數古建筑非常容易遭受雷擊。自古至今，古建筑遭受雷擊破壞或起火的事故非常多，甚至一起事故中多個宮殿遭雷擊破壞。故宮自1420年建成后至2018年有記錄的雷擊事故共51起，建成后第二年即遭雷擊起火，三大殿完全被燒毀;天壇在明朝至少遭受9次雷擊，其后在1889年因雷擊祈年殿引起大火完全焚毀;2008年5—8月全國重點文物保護單位北京云居寺多次遭雷擊，寺院內古建筑及設備遭到損壞，部分線纜被燒毀。古建筑中的塔，一般是該區域最高的建筑，相對更容易遭遇雷擊，有不少毀于雷擊。

1.1.2 古建筑屋頂構件雷擊

中國古建筑屋頂材料不同于西方的古建筑，西方古建筑以石質材料為主，屋頂多采用石質構件，與中國古建筑琉璃瓦、青瓦的屋頂有較大區別。古建筑屋頂的琉璃構件在中國古建筑中扮演著非常重要的角色，特別是明、清時期宮廷或寺廟等級較高的古建筑最多。關于琉璃構件的自身病害機理或防護技術目前已有研究，而針對琉璃構件的雷擊破壞的研究目前非常少。琉璃構件是每個歷史時期的產物，是反映當時歷史與文化的實物載體，是不可再生的露天文物，無論從實用功能還是文化藝術功能，琉璃構件均具有非常重要的作用。作為人類的文化藝術瑰寶，古建筑琉璃構件的任何損壞和破壞都難以彌補，而雷擊是琉璃構件破壞的主要自然災害之一，如雷擊古建筑琉璃吻獸、房脊、房瓦等，引起脫落、斷裂、破碎甚至導致古建筑起火焚燒。

1.2 古建筑防雷技術

對于古建筑防雷，學者認為中國古建筑避雷方法主要有兩種，采用絕緣避雷與采用防雷裝置接閃泄流原理。第一種是通過分析山西應縣木塔、五臺山佛光寺基本不遭雷擊，認為古建筑主要靠絕緣避雷，或者古建筑選擇位置合理靠周圍環境自然消雷，但是僅從個例不遭雷擊就認為絕緣避雷難以成立，歷史上有很多古建筑遭受雷擊甚至完全被毀，此外山西應縣木塔最近有遭雷擊的記錄。第二種是結合湖南岳陽慈氏塔自塔頂寶剎聯結鐵鏈沿墻角垂至地下認為這是最早的防雷裝置，或者其他古建筑仰起“鴟尾”（吻獸）中吐出一根向天空的金屬長舌即為現代避雷針的雛形，其認為古建筑需要采用防雷裝置，但是這種“鴟尾”金屬絲很少見到接地，另外由琉璃陶制成的“鴟尾”是古代的一種防火愿望或文化象征，不具備防雷接閃功能。

2 存在問題與研究展望

2.1 古建筑雷擊破壞機理

近些年古建筑遭受雷擊破壞的事故仍有發生，主要原因一是安裝防雷裝置易造成古建筑原貌和自身構件破壞，或難以安裝施工等（如復雜吻獸構件位置處安裝接閃器等），部分古建筑尚未安裝防雷裝置;二是古建筑屋頂樣式多、組成部分復雜，頂部常有多個屋脊、房檐、翹角等，防雷裝置的保護范圍往往不夠，部分屋頂構件處于保護范圍之外;三是即便按照防雷規范要求安裝了防雷裝置，由于其有一定的攔截失效概率，按現行雷電防護標準，直擊雷防護的雷電流幅值范圍為5.4—200 k A，而自然雷電流幅值可能小于或大于上述范圍，由此可能造成雷電對古建筑物的繞擊，仍可能擊中古建筑自身，進而造成古建筑破壞。當前許多研究分析了雷電對古建筑破壞的原因和方式，但對古建筑構件雷擊破壞機理分析和探索較少。未來應加強古建筑構件雷擊破壞過程、內在機理、影響因素等方面研究，進而研究在古建筑維護中采取哪些技術方法減少或避免雷擊破壞。

2.2 古建筑防雷新技術

目前古建筑屋頂防雷裝置多是采用架空接閃帶，該方法存在不足之處一是影響古建筑的藝術美觀，特別是對于較低矮的古建筑;二是給屋頂自身帶來破壞，在屋頂安裝接閃帶支架時對古建筑造成一定影響，而且屋頂增加較多的金屬體對古建筑不利;三是鳥雀常棲息在架空接閃帶上排瀉糞便，鳥糞酸性強易腐蝕琉璃瓦且影響古建筑原貌。應加強古建筑防雷新技術研究或改進，安裝的防雷裝置盡量不影響古建筑原貌，與古建筑立面及環境相配合，執行“最小干預原則”。根據目前架空接閃帶存在的不足，筆者自2017年始嘗試在實際工程施工設計中，傳統木構文保建筑，在正脊、戧脊、垂脊、檐口瓦件上表面“貼敷”接閃帶結合接閃小針，貼敷的接閃帶采用25x4熱鍍鋅扁鋼或者25x4扁紫銅，接閃小針采用等材質的φ12熱鍍鋅圓鋼或φ12紫銅棒（高出瓦面0.2m），接閃小針相較于民用建筑防雷做法間距較長，一般在8m～10m之間，具體視古建筑防雷等級而定，在易受雷擊處局部增加接閃小針，如馬頭墻翹角，防雷引下線材質及規格均與小針同，參考《古建筑防雷工程技術規范》GB51017-2014）的相關規定。經這四年的施工完畢后跟蹤觀察和研究完善此做法不僅滿足了文物建筑的防雷要求，也有效保護了古建筑的立面效果，達到最大程度的保護古建筑的傳統風貌。此外，還有古建筑重檐部分防雷設計、降低古建筑接地電阻等技術研究。

2.3 古建筑雷擊選擇性

根據古人以及現代學者總結或研究，一些地方古建筑遭受雷擊次數確實較多，另一些地方較少，甚至存在較大差異，應進一步分析古建筑地理位置環境、自身結構、建筑材料與雷擊選擇性關系，同時進一步研究是否“絕緣避雷”問題，筆者個人看法不是絕緣避雷，是絕緣能一定程度減少雷擊。應充分利用現代科學技術手段，在雷擊模擬實驗基礎上結合數值模擬分析方法研究古建筑雷擊選擇性，特別是研究山區特殊地理位置及自然閃電特殊路徑對古建筑雷擊的影響，進一步明晰古建筑絕緣避雷和自然消雷存在的不足，對于古建筑雷擊的認識及防護有積極意義。

2.4 古建筑雷擊精細化監測預警

一些古建筑群的房間特別多，如故宮博物院約9000多個房間，以及頤和園、避暑山莊等均有多個房間，當遭雷擊時未必能及時發現，逐個排查費時費力，安裝閃電監測設備（閃電定位儀和雷擊計數器）非常有必要，避免發生雷擊卻未能及時發現（故宮1987年雷擊災害事故未及時發現），特別是木質古建筑雷擊起火，盡早發現盡快撲救。如何安裝監測設備以及信號如何傳輸到管理平臺需要研究實施。

3 結論

（1）古建筑承載燦爛文明，傳承歷史文化，是寶貴的歷史遺產，對古建筑雷電災害及防雷技術的研究成果較好地提升了人們對于古建筑雷災的認識，同時為開發有效的防護裝置提供了重要的理論基礎。

（2）目前針對古建筑構件雷擊破壞規律特征和雷擊破壞機理已有不少研究，對于雷擊起火的影響因素和破壞方式也有較多探索，古建筑防雷新技術方法和裝置也有很多新進展，但這些方面的研究均有待于進一步完善。建議從古建筑雷擊破壞機理、實用的防雷新技術、古建筑雷擊選擇性、雷擊精細化監測等方面開展。

（3）應在雷擊模擬實驗基礎上結合數值模擬分析方法進一步研究古建筑雷擊破壞機理和古建筑雷擊選擇性等基礎性問題，在深入明晰雷擊破壞機理基礎上提出古建筑雷電防護新技術。非常關鍵的是，研究提出的新技術既要有效保護古建筑，提高古建筑防雷安全性，同時盡量減少或避免對古建筑原貌的影響。

參考文獻：

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