文物建筑雷击火灾机理及防护研究

张华明,李 强,刘耀龙,田瑞敏,胡俊青

(1.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030002;2.太原理工大学经济管理学院，山西 晋中 030600)

0 引言

文物建筑是中华民族珍贵历史文化遗产的重要组成部分，是中华文明源远流长的历史见证，是不可再生的资源，雷电灾害是造成文物建筑受损的主要自然灾害之一，其直接危害是击毁文物建筑物构件，如雷击屋檐、吻兽等突出部位引起断裂、破碎等[1-3]；我国文物建筑结构以木结构为主，木作在整体建筑材料中使用比例通常在80%以上[4-5]，由于长期干燥和自然侵蚀，耐火等级极低，容易发生火灾，而雷击是文物建筑起火的主要原因之一，如故宫博物院、布达拉宫等都不同程度地遭受过雷灾以及雷灾引发的火灾[1-6]。文物建筑起火造成的火灾损失是无法以金钱来估量的，例如2004年5月11日山西省重点文物保护单位稷山县大佛寺遭雷击，大佛寺两层佛阁和大量的珍贵木刻、砖雕艺术品荡然无存，只剩下三面残墙，损失无法估计[3]。由于文物建筑的结构、材料等与现代建筑存在较大的差别，因此，文物建筑雷击火灾特点与常规建筑有很大不同。目前，国内多数学者仅侧重针对文物建筑的雷电防护进行研究[7-11]，而对雷击文物建筑引发火灾进行分析的文献还很少。

本文通过对文物建筑雷电灾害的调查，对雷击文物建筑突出部位的案例进行了分类研究，给出了文物建筑雷击火灾的主要原因以及不同制式文物建筑的引下线安装方式以及服务设施的屏蔽措施，对文物建筑保护有重要的意义。

1 资料来源

本文共收集了文物建筑雷击案例122起[12-14]。在所统计案例中除故宫博物院安装有防雷设施外，大部分遭雷击的文物建筑未安装防雷装置或防雷装置不完善。为了更好地对文物建筑起火原因进行分析，我们将122起文物建筑雷灾分为突出部位、服务设施、起火以及其它等4类，其中突出部位雷击指文物建筑吻兽等突出部位的雷击事故；服务设施指引入文物建筑的电源、通信、安防系统等；起火是指文物建筑或其内服务设施等发生雷击火灾，其它指案例未具体说明文物建筑遭受雷击情况以及文物建筑内人员或古树遭雷击。由于雷击会造成综合损失，因此表1中突出部位、服务设施、雷击起火中有重复统计。由表1可以看出雷击文物建筑物顶部案例有52起，占文物建筑雷击灾害的42.62%，说明文物建筑的尖端比较容易接闪，雷击引发火灾32起，占文物建筑雷击灾害26.23%，虽然总体案例比较少，由于文物建筑承载着历史、文化、艺术等内涵，文物建筑的雷击火灾是无法容忍的。

表1 文物建筑雷击部位统计Tab.1 Statistics of lightning strike location of heritage buildings

2 文物建筑起火原因分析

2.1 雷电流的泄流途径统计分析

表2给出了文物建筑雷击火灾的原因分类，其它为文物建筑已经被烧毁，从表2我们可以看出雷击文物建筑起火一般有两种情况，第一种是雷电击中文物建筑物，在雷电流的泄放过程中引燃了木材，例如1965年7月18日，河北省承德市避暑山庄六合塔遭受雷击起火，塔内木柱被焚毁[14]。第二是由服务设施引起，雷电流沿着线路侵入或者泄流时，由于线路沿着木料敷设而且没有做屏蔽或者屏蔽材料不绝缘，出现放电引燃木材导致火灾或者是线路自身起火。例如2003年4月19日，贵州省都匀市省级文物保护单位百子桥因雷击击穿电源线外缘胶皮引发火灾，致使桥亭北端一角被火损坏，亭内的一些物品也受到损失[12]；2005年4月29日，江苏省苏州紫金庵古银杏树接闪，古树树枝段落，感应到电缆线上，击穿紫金庵房内配电箱起火[9]。

表2 文物建筑雷击火灾分类Tab.2 Classification of lightning fire in heritage buildings

表3给出了雷击吻兽等突出部位的雷灾分类，砖石塔亭等文物建筑由于雷击后不会引发火灾我们在此处不做统计。我们看到仅仅吻兽等突出部位的损失有28起，有可能是雷击吻兽后雷电流沿着某一部位泄流且未造成文物建筑其它部位损坏或者是此次雷电流能量较小仅仅造成吻兽等损坏。

表3 雷击突出部位分类 Tab.3 Classification of lightning striking prominent parts

当文物建筑突出部位接闪后，雷电流会沿着一定路径泄流入大地，我们从雷击顶端后屋柱和墙体损坏，可以得出文物建筑顶端接闪后，雷电流会沿着柱或墙体流入大地，如果雷电流不能顺利导入大地，雷电流携带的巨大能量就会在柱、墙等处释放掉，因此，会造成墙体破裂或柱子劈裂。例如2002年9月7日，山西应县木塔五层东北角辅柱被雷击[12]；2008年10月4日，雷电击中了榆次老城的显佑殿，使屋脊顶上西侧兽头击毁如图1所示，琉璃瓦屋面击碎约1 m2，西侧木质顶柱被击裂如图2所示[12]。

图1 显佑殿兽头被击毁Fig.1 Xianyou Hall animal finial was destroyed

图2 显佑殿木质顶柱被击裂 Fig.2 Xianyou Hall wooden roof was cracked

雷电流泄放过程中造成柱子与墙体损害与文物建筑的结构有直接关系，文物建筑主要由墙体、木构架、斗拱(仅在高级建筑中使用)等部分组成，文物建筑物构造按照受力方式主要有以下几种[4]：对于庑殿式、歇山式以及悬山式等，梁造柱是采用梁柱组成的框架体系承重，墙体只起分割作用而不承受屋顶重量；对于硬山式文物建筑，是承重墙构造，屋架落在墙体上，墙体承受屋顶的全部重量；还有一部分文物建筑为混合构造，梁柱和墙体共同起承重作用，一般后檐墙为承重构造，前檐为梁柱构造。高等级的文物建筑中大部分为梁柱构造形式，墙体本身不承受上部梁架及屋顶载荷。由于文物建筑由柱或墙体承重，而且承重墙与柱会直接从建筑物顶部到建筑物基础，因此，当文物建筑顶部突出物接闪后，雷电流一般会沿着承重墙或柱泄流。

2.2 文物建筑材料的易燃性分析

黄玉茹[15]等给出了故宫博物院建筑材料的击穿绝缘强度，灰、砖的绝缘强度都低于空气，干燥的瓦和木材的绝缘强度都高于空气，但在受潮的情况下，这些材料的绝缘强度都在降低，琉璃瓦在吸水量达到10%时，电极间的电阻值为10 Ω，而我们知道木材一旦进水就会成为良导体。

参考雷电流入地深度[16-17]:

(1)

其中ρ为土壤电阻率，f为雷电流各谐波频率。根据黄玉茹[15]等给出的文物建筑材料的电阻率，由公式(1)可以得出雷电流可以击穿文物建筑的所有材料。

文物建筑中常用原木和锯成片的板方材，建造材料多选用油脂含量高的杉木、柏木、松木、樟木等，大木中最常用杉木。木作在整体建筑材料中使用比例通常在80%以上，分布于殿堂、厅堂、挑檐和走廊等各种建筑部位。宗教性建筑等内部会辅以大量色彩绚丽的装饰织物。

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

表4给出了文物建筑木材的主要种类、用途以及燃点、热值(干燥状态下)。可以发现它们都属于高热值的可燃物，有些表层还涂有大量油漆涂料，发生火灾时释放的能量大，火强度强。宗教性建筑物除木作等建筑建造材料外，内部空间还包括地毯、蜡烛、经幡等可燃易燃材料。大部分文物建筑然中的木材经过千百年后，内部材质疏松，含水量很低，极易燃烧，当雷雨来临时有可能局部漏雨使部分木材潮湿，成为雷电流泄放的良导体，增加了雷电流传导途径，因此，此类文物建筑一旦遭受雷击，极易引起木质构件起火。文物建筑一旦起火就极易到达轰燃状态，在这种情况下消防队员灭火的难度极大。

我们对山西省稷山县大佛寺雷电灾害的勘测，发现第一次雷击是从大殿立柱开始，燃烧从内到外如图3所示，该立柱内部有腐败迹象，而在雷击前，大殿内有过漏雨纪录，我们可以得出：由于漏雨使得有些木材具有了导电性，而另一部分木材内部材质疏松，含水量很低易燃烧，因此，在雷电流的泄放过程中引发了火灾。

3 文物建筑的防雷设计分析

以上分析得出雷电流泄放过程中引燃文物建筑木材及服务设施未屏蔽或者屏蔽材料不绝缘是文物建筑雷击起火的主要原因，因此，引下线的设置以及服务设施的屏蔽措施就比较关键。

3.1 引下线的布设

文物建筑接闪后，我们应使雷电流沿最短的路径泄流。引下线宜采用明敷，以最短的接地路径敷设，引下线应使用环形抱箍固定(环形抱箍与引下线之间应有良好的绝缘阻燃垫层)。布置引下线时，应从文物建筑上接闪器下端焊接牢固后沿山墙、后檐墙、墙角、檐柱顺直引下，建筑物正面应避免明敷。级别较高的文物建筑引下线宜选用铜材[22]。

硬山顶的文物建筑等级较低且多为居民建筑，宫殿建筑中的附属用房，寺庙建筑的正殿、配殿，附属用房等，明清以后，砖材在墙体中广泛应用，小式建筑的山墙变为硬山为主，另外还有小部分悬山顶文物建筑山墙也与硬山建筑相似，因此对于这类建筑面积较小、山墙为硬山式的文物建筑如图4，可以在两侧山墙从两侧吻兽直接引入接地装置。

庑殿、歇山、大部分悬山文物建筑如图5，引下线沿着山墙引下时，引下线与文物建筑木质材料应有绝缘良好的保护覆盖物。庑殿、歇山山墙多见于大式建筑，当文物建筑通面阔长度大于引下线规定的间距时，可仅在正面墙角各敷一根引下线，同时可增加山墙、后檐墙及墙角引下线的根数。

图3 雷击后的立柱 图4 硬山顶建筑 图5 镇国寺万佛殿Fig.3 Column after the lightning strike Fig.4 Gabbled roof building Fig.5 Wanfo Hall in Zhenguo Temple

3.2 服务设施的屏蔽[22-24]

文物建筑物外的电子安全设施(如防火、监控、防盗等设备)应处在接闪杆的保护范围内，金属外壳应与防雷接地装置连接。文物建筑物内的设备机壳、电源PE线、较大的金属物、电涌保护器的接地线应就近与等电位连接端子连接。对于引入建筑物的弱电系统应按照GB50343—2012要求，根据文物建筑物的防雷类别，安装相应的电涌保护器。

进入文物建筑的金属线缆的铠装层和金属管道应与建筑物的防雷装置进行等电位连接。未采取屏蔽措施的线缆应与防雷装置保持安全的距离。

4 结论

通过对文物建筑雷电灾害的调查，发现雷电引发文物建筑火灾主要有两种途径，第一是在雷电流的泄放过程中引燃了木材；第二是雷电流沿着线路侵入或者泄流时，由于线路沿着木料敷设而且没有做屏蔽或者屏蔽材料不绝缘，出现放电引燃木材导致火灾或者是线路自身起火。

由于文物建筑的结构特征导致了承重墙体或柱成为雷电流的主要泄流途径，分析了对文物建筑材料的击穿绝缘强度、木材种类以及燃点、热值等文物建筑材料的易燃性；针对文物建筑雷击火灾的原因，给出了庑殿、歇山和硬山等不同制式文物建筑的引下线安装方式以及服务设施的屏蔽措施。