文物建筑雷擊火災(zāi)機(jī)理及防護(hù)研究

張華明,李 強(qiáng),劉耀龍,田瑞敏,胡俊青

(1.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山西 太原 030002;2.太原理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)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(chǎn)的重要組成部分，是中華文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的歷史見證，是不可再生的資源，雷電災(zāi)害是造成文物建筑受損的主要自然災(zāi)害之一，其直接危害是擊毀文物建筑物構(gòu)件，如雷擊屋檐、吻獸等突出部位引起斷裂、破碎等[1-3]；我國(guó)文物建筑結(jié)構(gòu)以木結(jié)構(gòu)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(zhǎng)期干燥和自然侵蝕，耐火等級(jí)極低，容易發(fā)生火災(zāi)，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(dá)拉宮等都不同程度地遭受過雷災(zāi)以及雷災(zāi)引發(fā)的火災(zāi)[1-6]。文物建筑起火造成的火災(zāi)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(diǎn)文物保護(hù)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(shù)品蕩然無存，只剩下三面殘墻，損失無法估計(jì)[3]。由于文物建筑的結(jié)構(gòu)、材料等與現(xiàn)代建筑存在較大的差別，因此，文物建筑雷擊火災(zāi)特點(diǎn)與常規(guī)建筑有很大不同。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)學(xué)者僅側(cè)重針對(duì)文物建筑的雷電防護(hù)進(jìn)行研究[7-11]，而對(duì)雷擊文物建筑引發(fā)火災(zāi)進(jìn)行分析的文獻(xiàn)還很少。

本文通過對(duì)文物建筑雷電災(zāi)害的調(diào)查，對(duì)雷擊文物建筑突出部位的案例進(jìn)行了分類研究，給出了文物建筑雷擊火災(zāi)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(wù)設(shè)施的屏蔽措施，對(duì)文物建筑保護(hù)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(tǒng)計(jì)案例中除故宮博物院安裝有防雷設(shè)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(duì)文物建筑起火原因進(jìn)行分析，我們將122起文物建筑雷災(zāi)分為突出部位、服務(wù)設(shè)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(wù)設(shè)施指引入文物建筑的電源、通信、安防系統(tǒng)等；起火是指文物建筑或其內(nèi)服務(wù)設(shè)施等發(fā)生雷擊火災(zāi)，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(nèi)人員或古樹遭雷擊。由于雷擊會(huì)造成綜合損失，因此表1中突出部位、服務(wù)設(shè)施、雷擊起火中有重復(fù)統(tǒng)計(jì)。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(zāi)害的42.62%，說明文物建筑的尖端比較容易接閃，雷擊引發(fā)火災(zāi)32起，占文物建筑雷擊災(zāi)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(shù)等內(nèi)涵，文物建筑的雷擊火災(zāi)是無法容忍的。

表1 文物建筑雷擊部位統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)分析

表2給出了文物建筑雷擊火災(zāi)的原因分類，其它為文物建筑已經(jīng)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(nèi)木柱被焚毀[14]。第二是由服務(wù)設(shè)施引起，雷電流沿著線路侵入或者泄流時(shí)，由于線路沿著木料敷設(shè)而且沒有做屏蔽或者屏蔽材料不絕緣，出現(xiàn)放電引燃木材導(dǎo)致火災(zāi)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(jí)文物保護(hù)單位百子橋因雷擊擊穿電源線外緣膠皮引發(fā)火災(zāi)，致使橋亭北端一角被火損壞，亭內(nèi)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(yīng)到電纜線上，擊穿紫金庵房?jī)?nèi)配電箱起火[9]。

表2 文物建筑雷擊火災(zāi)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(zāi)分類，磚石塔亭等文物建筑由于雷擊后不會(huì)引發(fā)火災(zāi)我們?cè)诖颂幉蛔鼋y(tǒng)計(jì)。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(dāng)文物建筑突出部位接閃后，雷電流會(huì)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(huì)沿著柱或墻體流入大地，如果雷電流不能順利導(dǎo)入大地，雷電流攜帶的巨大能量就會(huì)在柱、墻等處釋放掉，因此，會(huì)造成墻體破裂或柱子劈裂。例如2002年9月7日，山西應(yīng)縣木塔五層?xùn)|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(cè)獸頭擊毀如圖1所示，琉璃瓦屋面擊碎約1 m2，西側(cè)木質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，文物建筑主要由墻體、木構(gòu)架、斗拱(僅在高級(jí)建筑中使用)等部分組成，文物建筑物構(gòu)造按照受力方式主要有以下幾種[4]：對(duì)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(duì)于硬山式文物建筑，是承重墻構(gòu)造，屋架落在墻體上，墻體承受屋頂?shù)娜恐亓?；還有一部分文物建筑為混合構(gòu)造，梁柱和墻體共同起承重作用，一般后檐墻為承重構(gòu)造，前檐為梁柱構(gòu)造。高等級(jí)的文物建筑中大部分為梁柱構(gòu)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(huì)直接從建筑物頂部到建筑物基礎(chǔ)，因此，當(dāng)文物建筑頂部突出物接閃后，雷電流一般會(huì)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(qiáng)度，灰、磚的絕緣強(qiáng)度都低于空氣，干燥的瓦和木材的絕緣強(qiáng)度都高于空氣，但在受潮的情況下，這些材料的絕緣強(qiáng)度都在降低，琉璃瓦在吸水量達(dá)到10%時(shí)，電極間的電阻值為10 Ω，而我們知道木材一旦進(jìn)水就會(huì)成為良導(dǎo)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(jù)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(nèi)部會(huì)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(diǎn)、熱值(干燥狀態(tài)下)?？梢园l(fā)現(xiàn)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(fā)生火災(zāi)時(shí)釋放的能量大，火強(qiáng)度強(qiáng)。宗教性建筑物除木作等建筑建造材料外，內(nèi)部空間還包括地毯、蠟燭、經(jīng)幡等可燃易燃材料。大部分文物建筑然中的木材經(jīng)過千百年后，內(nèi)部材質(zhì)疏松，含水量很低，極易燃燒，當(dāng)雷雨來臨時(shí)有可能局部漏雨使部分木材潮濕，成為雷電流泄放的良導(dǎo)體，增加了雷電流傳導(dǎo)途徑，因此，此類文物建筑一旦遭受雷擊，極易引起木質(zhì)構(gòu)件起火。文物建筑一旦起火就極易到達(dá)轟燃狀態(tài)，在這種情況下消防隊(duì)員滅火的難度極大。

我們對(duì)山西省稷山縣大佛寺雷電災(zāi)害的勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)第一次雷擊是從大殿立柱開始，燃燒從內(nèi)到外如圖3所示，該立柱內(nèi)部有腐敗跡象，而在雷擊前，大殿內(nèi)有過漏雨紀(jì)錄，我們可以得出：由于漏雨使得有些木材具有了導(dǎo)電性，而另一部分木材內(nèi)部材質(zhì)疏松，含水量很低易燃燒，因此，在雷電流的泄放過程中引發(fā)了火災(zāi)。

3 文物建筑的防雷設(shè)計(jì)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(wù)設(shè)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(shè)置以及服務(wù)設(shè)施的屏蔽措施就比較關(guān)鍵。

3.1 引下線的布設(shè)

文物建筑接閃后，我們應(yīng)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(shè)，引下線應(yīng)使用環(huán)形抱箍固定(環(huán)形抱箍與引下線之間應(yīng)有良好的絕緣阻燃?jí)|層)。布置引下線時(shí)，應(yīng)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(yīng)避免明敷。級(jí)別較高的文物建筑引下線宜選用銅材[22]。

硬山頂?shù)奈奈锝ㄖ燃?jí)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(yīng)用，小式建筑的山墻變?yōu)橛采綖橹鳎硗膺€有小部分懸山頂文物建筑山墻也與硬山建筑相似，因此對(duì)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(cè)山墻從兩側(cè)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(shí)，引下線與文物建筑木質(zhì)材料應(yīng)有絕緣良好的保護(hù)覆蓋物。廡殿、歇山山墻多見于大式建筑，當(dāng)文物建筑通面闊長(zhǎng)度大于引下線規(guī)定的間距時(shí)，可僅在正面墻角各敷一根引下線，同時(shí)可增加山墻、后檐墻及墻角引下線的根數(shù)。

圖3 雷擊后的立柱 圖4 硬山頂建筑 圖5 鎮(zhèn)國(guó)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(wù)設(shè)施的屏蔽[22-24]

文物建筑物外的電子安全設(shè)施(如防火、監(jiān)控、防盜等設(shè)備)應(yīng)處在接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi)，金屬外殼應(yīng)與防雷接地裝置連接。文物建筑物內(nèi)的設(shè)備機(jī)殼、電源PE線、較大的金屬物、電涌保護(hù)器的接地線應(yīng)就近與等電位連接端子連接。對(duì)于引入建筑物的弱電系統(tǒng)應(yīng)按照GB50343—2012要求，根據(jù)文物建筑物的防雷類別，安裝相應(yīng)的電涌保護(hù)器。

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

4 結(jié)論

通過對(duì)文物建筑雷電災(zāi)害的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)雷電引發(fā)文物建筑火災(zāi)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(shí)，由于線路沿著木料敷設(shè)而且沒有做屏蔽或者屏蔽材料不絕緣，出現(xiàn)放電引燃木材導(dǎo)致火災(zāi)或者是線路自身起火。

由于文物建筑的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致了承重墻體或柱成為雷電流的主要泄流途徑，分析了對(duì)文物建筑材料的擊穿絕緣強(qiáng)度、木材種類以及燃點(diǎn)、熱值等文物建筑材料的易燃性；針對(duì)文物建筑雷擊火災(zāi)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(wù)設(shè)施的屏蔽措施。