古建筑雷電災(zāi)害及防雷技術(shù)研究綜述

李京校 霍沛東 符琳 俞勇佩 張宇龍 李秀文

(北京市氣象災(zāi)害防御中心，北京100089)

引言

古建筑一般是指古人遺留下來(lái)的具有較長(zhǎng)歷史年代的宮殿、亭臺(tái)、樓閣、廟宇、古塔、牌坊、古橋等建(構(gòu))筑物。中國(guó)古建筑是一個(gè)包含政治、宗教、藝術(shù)、文化、技術(shù)的大系統(tǒng)工藝，對(duì)世界建筑遺產(chǎn)有獨(dú)特的貢獻(xiàn)，和歐洲建筑、伊斯蘭建筑并稱世界三大建筑體系[1]。中國(guó)的古建筑非常多，截止2019年10月第八批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位核定公布后，全國(guó)重點(diǎn)文物總數(shù)為5058處，其中古建筑為2160處，接近總數(shù)的一半。此外，一些列入古墓葬、古遺址等重點(diǎn)文物，有一部分也與古建筑有關(guān)，如明十三陵、清東陵和清西陵等。

古建筑是中國(guó)幾千年來(lái)文化藝術(shù)的結(jié)晶，大多數(shù)具有重要的政治、歷史及文化藝術(shù)價(jià)值，是國(guó)家重要的人文旅游資源和珍貴文化遺產(chǎn)，具有不可復(fù)原性。保護(hù)這些古建筑，加強(qiáng)古建筑的安全，對(duì)延續(xù)中國(guó)的古文明具有重要意義。2015年1月國(guó)家發(fā)布的《留住歷史根脈，傳承中華文明——習(xí)近平總書記關(guān)心歷史文物保護(hù)工作紀(jì)實(shí)》反映國(guó)家對(duì)古建筑保護(hù)的重視。在古建筑的安全保護(hù)中，防止自然災(zāi)害尤其是雷電的破壞是古建筑防護(hù)的重要任務(wù)之一[2－3]。古建筑屬于文化的重要組成部分，做好古建筑防雷也是保護(hù)文化、傳承文化的重要任務(wù)之一。本文將全面介紹古建筑雷電災(zāi)害和防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展，分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合目前存在的問(wèn)題，提出未來(lái)研究方向，為古建筑雷災(zāi)及防雷技術(shù)深入研究提供參考。

1 古建筑雷電災(zāi)害及防雷技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 古建筑雷電災(zāi)害研究

1.1.1 古建筑雷電災(zāi)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(gòu)件，這些因素導(dǎo)致了多數(shù)古建筑非常容易遭受雷擊[4－5]。自古至今，古建筑遭受雷擊破壞或起火的事故非常多[6]，甚至一起事故中多個(gè)宮殿遭雷擊破壞[7]。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(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位北京云居寺多次遭雷擊，寺院內(nèi)古建筑及設(shè)備遭到損壞，部分線纜被燒毀。古建筑中的塔，一般是該區(qū)域最高的建筑，相對(duì)更容易遭遇雷擊，有不少毀于雷擊。如海南文昌文筆塔這座百年古塔1993年遭雷擊，2001年再遭兩次雷擊，原本七層的古塔被破壞得僅存底層。2005年7月，四川廣元蒼溪縣一明代古塔遭雷擊后通體裂縫，塔頂剎座被擊落，部分檐部垮塌，毀壞嚴(yán)重。

目前，很多學(xué)者分析了古建筑某一次雷擊災(zāi)害事故，如姜啟成等[8]、楊仲江等[9]、李京校等[7]分別分析了蘇州紫金庵、揚(yáng)州重寧寺、故宮博物院等重要古建筑發(fā)生的某次雷災(zāi)事故，研究了古建筑雷擊原因和雷擊方式，并提出了相應(yīng)防護(hù)技術(shù)。也有學(xué)者通過(guò)分析古建筑場(chǎng)所多次雷擊事故，研究了古建筑易遭雷擊的原因和規(guī)律。王時(shí)煦等[4]通過(guò)分析故宮博物院41起雷災(zāi)事故，認(rèn)為雷電落在何處主要取決于內(nèi)因(地質(zhì)、地勢(shì)及環(huán)境條件)和外因(雷云的活動(dòng)情況)，故宮博物院容易落雷主要原因是該區(qū)域土壤電阻率低且位于北京市主要雷暴路徑上；張華明等[6]通過(guò)全國(guó)80起古建筑雷擊事故分析了古建筑遭受雷擊部位的分布規(guī)律和易受雷擊的原因；李京校等[10]分析了故宮博物院自1420年建成后有記錄的51起雷擊事故時(shí)間、空間、雷擊部位和類型等特征(雷擊部位規(guī)律見(jiàn)圖1)；邊旦洛布和許永彬[11]通過(guò)分析西藏地區(qū)21起藏式古建筑雷災(zāi)事故，分析總結(jié)藏式古建筑雷災(zāi)特征。白麗娟[12]對(duì)于故宮博物院雷電災(zāi)害事故進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為應(yīng)從古建筑的重要性和雷擊事故的嚴(yán)重性來(lái)考慮古建筑防雷規(guī)劃。這些研究給出了古建筑不同部位遭受雷擊的概率，分析了古建筑雷擊災(zāi)害規(guī)律，對(duì)于古建筑雷電防護(hù)具有較重要的參考意義。

圖1 1420—2016年故宮博物院有記載的雷災(zāi)事故雷擊部位規(guī)律分布[10]Fig.1 The regular distribution of lightning strike positions recorded in the Palace Museum during 1420-2016[10]

此外，張華明等[13]利用層次分析法(AHP)結(jié)合古建筑雷災(zāi)規(guī)律等因素對(duì)古建筑進(jìn)行了防雷分類，陶彪等[14]、李鵬[15]研究了古建筑雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。丁士章等[16]、吳壽锽等[17]利用沖擊電壓發(fā)生器對(duì)古建筑木塔和金屬塔的縮小模型在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了雷擊次數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)木塔的引雷半徑較小，帶金屬體的木塔引雷概率大于純木塔，這些研究加深了對(duì)古建筑雷電災(zāi)害的認(rèn)識(shí)。

1.1.2 古建筑屋頂構(gòu)件雷擊

中國(guó)古建筑屋頂材料不同于西方的古建筑，西方古建筑以石質(zhì)材料為主，屋頂多采用石質(zhì)構(gòu)件，與中國(guó)古建筑琉璃瓦、青瓦的屋頂有較大區(qū)別。古建筑屋頂?shù)牧鹆?gòu)件在中國(guó)古建筑中扮演著非常重要的角色，特別是明、清時(shí)期宮廷或寺廟等級(jí)較高的古建筑最多。關(guān)于琉璃構(gòu)件的自身病害機(jī)理或防護(hù)技術(shù)目前已有研究[18－19]，而針對(duì)琉璃構(gòu)件的雷擊破壞的研究目前非常少[10]。琉璃構(gòu)件是每個(gè)歷史時(shí)期的產(chǎn)物，是反映當(dāng)時(shí)歷史與文化的實(shí)物載體，是不可再生的露天文物，無(wú)論從實(shí)用功能還是文化藝術(shù)功能，琉璃構(gòu)件均具有非常重要的作用[20]。作為人類的文化藝術(shù)瑰寶，古建筑琉璃構(gòu)件的任何損壞和破壞都難以彌補(bǔ)，而雷擊是琉璃構(gòu)件破壞的主要自然災(zāi)害之一[21]，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(dǎo)致古建筑起火焚燒(圖2和圖3)。

圖2 中國(guó)古建筑琉璃獸件雷擊破壞[6，12]Fig.2 Lightning damage in colored glaze beasts of ancient Chinese buildings[6，12]

圖3 中國(guó)古建筑琉璃瓦件雷擊破壞[6，12]Fig.3 Lightning damage in colored glaze tiles of ancient Chinese buildings[6，12]

古建筑高聳挺拔的屋脊及突出的吻獸、走獸這些琉璃構(gòu)件均為屋頂?shù)募舛瞬糠?，這些部位大氣電場(chǎng)畸變最明顯[22]，特別是屋脊兩端的吻獸，作為整個(gè)古建筑的最高點(diǎn)，雷電發(fā)生時(shí)最容易接閃造成破壞。張華明等[6]統(tǒng)計(jì)全國(guó)80起古建筑雷擊事故中的雷擊部位規(guī)律，得到雷擊吻獸為24次(占比為30%)，所占比例最高；李京校等[10]統(tǒng)計(jì)故宮博物院有記載的51起雷擊事故資料，得到雷擊琉璃獸件(吻獸和垂獸)為25次(占比49.02%)，雷擊琉璃瓦件(屋脊和房瓦)為8次(占比15.69%)，二者所占比例非常高。琉璃構(gòu)件如遭雷擊，當(dāng)雷電能量太大時(shí)還可能引起其下的木材著火[9－10]，此外雷擊琉璃構(gòu)件如雷擊吻獸后其掉落過(guò)程中可能對(duì)古建筑屋頂琉璃瓦或地面人員造成二次危害。

雷擊在極短時(shí)間內(nèi)造成古建筑構(gòu)件破壞，過(guò)程復(fù)雜，與電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械學(xué)相關(guān)。目前大多數(shù)研究認(rèn)為雷電擊穿空氣、擊中古建筑構(gòu)件以后，雷電流進(jìn)入其后無(wú)法形成良好的泄放通道，由于較大的焦耳—楞次熱效應(yīng)導(dǎo)致水分劇烈蒸發(fā)并迅速膨脹，氣體膨脹的機(jī)械作用造成建筑物構(gòu)件的損壞[23－24]，但是具體的破壞機(jī)理尚不是十分清晰。特別是古建筑琉璃構(gòu)件是一種含鋁的硅酸鹽化合物且表面涂釉質(zhì)經(jīng)燒制而成的材料[25]，琉璃構(gòu)件正常情況下表面覆蓋釉質(zhì)，有較好的防水性和絕緣性，這和雷電擊中的人畜、金屬體、大地等導(dǎo)電物體不同，雷電流如何進(jìn)入琉璃構(gòu)件產(chǎn)生破壞并不十分清晰。初步研究認(rèn)為[26]，當(dāng)在長(zhǎng)久風(fēng)化或凍害作用下，琉璃構(gòu)件出現(xiàn)微裂紋或者構(gòu)件表面釉質(zhì)剝落，或者琉璃構(gòu)件自身存在一定瑕疵內(nèi)部會(huì)有一些孔隙、裂隙或縫隙等，這些情況下導(dǎo)致琉璃構(gòu)件材料滲透性增加，特別是在雷雨季節(jié)雨水充沛，水分以毛細(xì)管運(yùn)輸方式進(jìn)入構(gòu)件孔隙或裂紋內(nèi)而含水率增大，最終導(dǎo)致雷電流進(jìn)入從而造成破壞，詳細(xì)機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

由于自然的閃電具有較大的隨機(jī)性和瞬時(shí)性，利用沖擊電流或電壓發(fā)生器模擬雷擊實(shí)驗(yàn)方法是研究雷擊破壞的有效手段之一[27－28]。黃玉茹等[29]采用1.25/50μs沖擊電壓波對(duì)故宮博物院建材樣品和模型砌塊做了雷擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓦、灰、木板的聯(lián)合耐沖擊電壓能力低于這三種材料單獨(dú)的沖擊強(qiáng)度之和，但并未分析雷電高電壓擊穿空氣擊中古建筑構(gòu)件，進(jìn)而泄放雷電流造成古建筑構(gòu)件損壞這一本質(zhì)。另外，鑒于試驗(yàn)成本較高，在進(jìn)行雷擊模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬分析方法研究古建筑雷擊破壞基礎(chǔ)性問(wèn)題更合理。

1.1.3 古建筑雷擊起火

古建筑由于其自身的材料、結(jié)構(gòu)、位置等特點(diǎn)，從古至今其遭受雷擊后起火的事故發(fā)生率較高[4]。故宮自建成后有記錄的雷擊事故共51起中有9起為雷擊起火事故[10]；王時(shí)煦[5]統(tǒng)計(jì)分析了1954年至1993年調(diào)查到的北京地區(qū)的雷擊事故共計(jì)143次，其中因雷擊引起的火災(zāi)70次(所占比例為49%)，純系古建筑被雷擊起火27次(比例為19%)；張華明等[6]統(tǒng)計(jì)的80起古建筑雷擊事故中起火的有21起(比例為26.5%)，僅次于雷擊吻獸的比例。雷電對(duì)古建筑的破壞如雷擊房檐、房脊、吻獸等，引起斷裂、破碎、脫落，最嚴(yán)重的是由于雷擊引起火災(zāi)(圖4)。由于古建筑多為木結(jié)構(gòu)，火災(zāi)荷載密度較大，一旦遭雷擊起火，火勢(shì)易蔓延，易造成急劇徹底的毀壞，造成的文化遺產(chǎn)損失將無(wú)法估算，對(duì)古建筑危害最大[9]。

圖4 中國(guó)古建筑雷擊起火破壞[12，14]Fig.4 Lightning fire damage in ancient buildings[12，14]

Nilufer等[30]、李京校等[31]分析研究了古建筑雷擊火災(zāi)方式和成因。陳華暉等[32]利用沖擊電流發(fā)生器對(duì)布達(dá)拉宮金頂、白瑪草墻、阿嘎土等材料樣品進(jìn)行模擬雷擊燒蝕或開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在長(zhǎng)時(shí)間雷擊或多重雷擊作用下草墻容易引燃。Li等[33]利用10/350μs波形雷電流進(jìn)行古建筑木材雷擊模擬實(shí)驗(yàn)，研究了木材雷擊起火的影響因素和破壞方式，發(fā)現(xiàn)影響因素為木材含水率、密度、厚度和雷電流大小等，破壞方式包括雷電弧熱量、雷電流注入木材發(fā)熱溫升以及雷電空氣沖擊波效應(yīng)，給出了古建筑木材引燃機(jī)理。此外，王雪頑等[34]以故宮為例研究了古建筑沿面粉塵抗電強(qiáng)度和可燃性，結(jié)果表明粉塵對(duì)木材的沿面擊穿電壓無(wú)顯著影響，多次閃擊容易導(dǎo)致粉塵燃燒。白麗娟和王景福[35]分析了武當(dāng)山太和宮(銅制，俗稱“金殿”)未做防雷裝置時(shí)出現(xiàn)的“雷火煉殿”現(xiàn)象，即雷電高溫可能熔化太和宮銅頂。

古建筑自身電磁屏蔽性能較差，其室內(nèi)電子設(shè)備易出現(xiàn)感應(yīng)過(guò)電壓，不同于現(xiàn)代建筑鋼筋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有一定屏蔽功能。在這種情況下，一是古建筑由于防火、防盜及管理等方面的需要，近年來(lái)陸續(xù)地安裝了一些監(jiān)控、消防、通信類電子系統(tǒng)，而這些電子系統(tǒng)的耐壓水平較低，對(duì)電磁干擾十分敏感。當(dāng)雷電流沿引下線泄放時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)容易引起周圍設(shè)備出現(xiàn)感應(yīng)過(guò)電壓，造成其破壞或者產(chǎn)生電火花[36]。二是雷電直接擊中古建筑所在場(chǎng)所的架空電線上形成過(guò)電壓或者由于雷電感應(yīng)出現(xiàn)過(guò)電壓，電線絕緣遭破壞短路而起火[37]；三是一些古建筑內(nèi)人為增加了各種金屬壁板、吊裝天花板及各種電子設(shè)備，當(dāng)其與接閃器、引下線間隔距離不夠時(shí)，容易出現(xiàn)雷電反擊產(chǎn)生火花[38]。

這些研究表明，雷電直接擊中古建筑木質(zhì)構(gòu)件、雷電電磁感應(yīng)等均有可能引起古建筑著火。對(duì)于未安裝防雷裝置的古建筑，雷擊起火多是直接擊中古建筑木質(zhì)構(gòu)件引起，也可能先擊壞琉璃構(gòu)件進(jìn)而引起其下的木質(zhì)構(gòu)件著火[9]；對(duì)于安裝防雷裝置的古建筑，當(dāng)防雷裝置不符合規(guī)范要求時(shí)也可能導(dǎo)致起火[31，35]。古建筑受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，引下線根數(shù)較少，每根引下線分得雷電流較大，當(dāng)距離木質(zhì)界面(如墻面、柱面、椽面等)太近，或引下線橫截面積太小發(fā)熱較大時(shí)，容易因雷擊引燃起火，其概率較現(xiàn)代建筑物要大。現(xiàn)代建筑引下線和鋼筋框架結(jié)構(gòu)焊在一起封裝在混凝土中，每根引下線分得的雷電流較小。李京校等[31]、高杰[39]分析得到雷電流經(jīng)過(guò)防雷裝置引下線時(shí)可能產(chǎn)生高溫。張義軍等[40]指出半峰值時(shí)間較長(zhǎng)的雷電，容易造成木結(jié)構(gòu)或其他可燃物的高溫燃燒起火；李良福等[41]、劉俊[42]認(rèn)為對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間雷擊能量能使避雷針頂部高溫熔化，而且直徑越小的鋼導(dǎo)體，溫度上升很快，呈指數(shù)式增長(zhǎng)。李京校等[43]利用有限體積法進(jìn)行了古建筑明敷引下線不同材料、形狀、橫截面積的溫升模擬，研究了雷電擊中古建筑接閃器后電流沿引下線泄放時(shí)發(fā)熱溫度升高空間分布特征，對(duì)于優(yōu)化引下線到木質(zhì)界面間距的設(shè)計(jì)，給出相關(guān)定量分析。日本古建筑防雷引下線設(shè)置距離木質(zhì)界面約2 m(圖5)，非常重視避免引下線高溫引燃這種情況發(fā)生。

此外，國(guó)外關(guān)于古建筑雷擊起火的研究較少，主要原因是歐洲古建筑、伊斯蘭古建筑主要以磚石材料為主，不容易雷擊起火，和中國(guó)古建筑有較大區(qū)別。深受中國(guó)古建筑影響的東亞古建筑雷擊起火有一些研究，如對(duì)日本天龍寺雷擊火災(zāi)分析[44]。另外，國(guó)內(nèi)外一些對(duì)森林雷擊起火機(jī)理的研究對(duì)古建筑木材雷擊起火研究有一定指導(dǎo)和借鑒意義[45－46]。

圖5 日本唐招提寺(a)和藥師寺(b)古建筑防雷引下線設(shè)置Fig.5 Down-conductor system of lightning protection in Toshodai temple(a)and Yakushi-ji temple(b)of ancient Japanese buildings

1.2 古建筑防雷技術(shù)

對(duì)于古建筑防雷，學(xué)者認(rèn)為中國(guó)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(guò)分析山西應(yīng)縣木塔、五臺(tái)山佛光寺基本不遭雷擊，認(rèn)為古建筑主要靠絕緣避雷[47－48]，或者古建筑選擇位置合理靠周圍環(huán)境自然消雷[49]，但是僅從個(gè)例不遭雷擊就認(rèn)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[2，6]，此外山西應(yīng)縣木塔最近有遭雷擊的記錄[50]。第二種是結(jié)合湖南岳陽(yáng)慈氏塔自塔頂有鐵鏈沿墻角垂至地面認(rèn)為這是最早的防雷裝置[51]，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(zhǎng)舌即為現(xiàn)代避雷針的雛形，其認(rèn)為古建筑需要采用防雷裝置，但是這種“鴟尾”金屬絲很少見(jiàn)到接地[52－53]，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。另外也有研究認(rèn)為有的古建筑設(shè)有防雷裝置——“雷公柱”，雷電流通過(guò)其泄放入地[54]，其實(shí)“雷公柱”材料本身為木材，導(dǎo)電性差難以泄放雷電流，會(huì)造成木材擊裂或起火[55]，以往發(fā)生的古建筑雷災(zāi)也證實(shí)了這一點(diǎn)[51]。此外，古籍中記載的“避雷室”即“石室”，不是真正具有避免遭受雷擊的作用，主要是用來(lái)防止雷擊后的起爆或燃燒災(zāi)害[50]。受自然科學(xué)發(fā)展的限制，古代對(duì)于建筑物采取的避雷措施雖有時(shí)代的局限性，不可能與現(xiàn)代的避雷措施相提并論，但是反映了古人很早就注意到建筑物防雷的重要性并采取一定的防護(hù)措施[56]。是否存在絕緣避雷是一個(gè)較有爭(zhēng)議的研究，目前絕大多數(shù)觀點(diǎn)還是否認(rèn)絕緣避雷[50，57]，認(rèn)為需要安裝避雷針等防雷裝置[58]。張玉樺等[59]、安衛(wèi)華等[60]、唐生昊[61]、龔家軍和劉國(guó)臻[62]、萬(wàn)麗巖等[63]分別對(duì)嵩山古建筑群、故宮太和殿、西藏文成公主廟、湖北武當(dāng)山古建筑、遼寧興城古建筑的防雷裝置和具體防雷技術(shù)進(jìn)行了分析探討。

在古建筑具體防雷技術(shù)方面，尚杰和于暉[64]提出當(dāng)古建筑引下線的布設(shè)距離不能滿足國(guó)家規(guī)范要求時(shí)可通過(guò)加粗引下線的方法解決。王瑋[65]研究認(rèn)為，應(yīng)是防雷引下線入口地點(diǎn)距古建筑出入口或人行道的水平距離應(yīng)不小于3 m，而不是接地裝置。李京校等[66]研究了單檐古建筑、重檐古建筑和古塔，根據(jù)其房檐到屋脊(塔尖)的水平距離和垂直距離的關(guān)系(圖6)，判斷出應(yīng)該按房檐還是屋脊(塔尖)偏移，給出了坡形古建筑的雷擊截收面積計(jì)算方法。齊飛等[67]進(jìn)行了古建筑防直擊雷三維保護(hù)研究，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和先進(jìn)的三維可視化建模展示手段(圖7)，對(duì)古建筑群防雷裝置保護(hù)范圍進(jìn)行精確模擬展示和整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，能直觀具體看到接閃器保護(hù)效果，特別是對(duì)于飛檐翹角的保護(hù)情況，為古建筑防護(hù)提供了一定指導(dǎo)。楊成山等[68]分析第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位青海省塔爾寺的防雷，給出在塔爾寺雷暴路徑上安裝合適高度的避雷針提前接閃攔截，再由古建筑屋頂安裝的接閃帶進(jìn)行二次接閃，從而有效預(yù)防和減少該寺的古建筑遭受直接雷擊，這樣防護(hù)效果更好，但是成本會(huì)很高，適合雷暴高發(fā)區(qū)而且防護(hù)要求高的古建筑防雷。曲扎江措和澤仁玉珍[69]分析藏式古建筑的結(jié)構(gòu)特征、建筑材料、高原氣候背景，結(jié)合雷電放電特性和雷擊目標(biāo)物的選擇特征，給出西藏古建筑防護(hù)措施。

圖6 重檐古建圖(a)、重檐古建剖面圖(b)和偏移后的截收面積計(jì)算(c)[67]Fig.6 Map of an ancient building with double eave roof(a)，the section drawing of an ancient building with double eave roof(b)，and the calculation of intercepted area of ancient buildings area after offset(c)[67]

圖7 古建筑接閃器保護(hù)范圍三維模型(a)和疊加古建筑后的三維可視化圖(b)[68]Fig.7 3D model(a)and visualization(b)of the protection range of air-termination system on ancient building[68]

很多學(xué)者及古建筑專家都認(rèn)為應(yīng)研究古建筑外部防雷裝置的形式及其布置方式，使其與古建筑及其周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，在不影響古建筑自身情況下做好防雷保護(hù)工作[37，63]，這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。目前有些在古建筑場(chǎng)所安裝仿真樹(shù)形避雷針，不影響古建筑原貌的同時(shí)起到接閃防雷作用。此外，一些古建筑場(chǎng)所采取可升降式避雷針進(jìn)行直擊雷防護(hù)，甚至研究采用接閃器發(fā)射井[70]，發(fā)射井隱藏于古建筑所在場(chǎng)所地下，無(wú)雷電時(shí)收起多針接閃器到發(fā)射井內(nèi)，減少對(duì)古建筑環(huán)境的影響，但是雷電精細(xì)化預(yù)警以及后期維護(hù)需要加強(qiáng)和完善。古建筑防雷裝置施工中對(duì)于復(fù)雜吻獸構(gòu)件位置處安裝接閃器較費(fèi)力，此外古建筑幾乎沒(méi)有自然接地體，布設(shè)人工接地體非常不易。多數(shù)古建筑下部有須彌座，地面多堅(jiān)硬地或山石，缺少合適的人工接地體的埋設(shè)場(chǎng)地，而導(dǎo)致接地引下線過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)了相應(yīng)土壤電阻率的接地體有效長(zhǎng)度；或者不便于開(kāi)挖布設(shè)接地體(如為回避地下文物遺存)，即便開(kāi)挖因土壤狀況太差，布設(shè)的接地體電阻值難以滿足要求，目前有采用新型接地極或添加降阻劑的方法[71]，如河北保定直隸總督府的電解離子接地棒，埋設(shè)深度較淺(圖8)，對(duì)古建筑基礎(chǔ)部分影響較小，但接地阻值符合防雷規(guī)范要求，且電阻值穩(wěn)定性好。

作為古建筑的重要組成部分，長(zhǎng)城等古城墻類建筑(含烽燧等)的防雷也非常重要，長(zhǎng)城(明代)總長(zhǎng)度為8.8518×103km，跨越15個(gè)省、直轄市、自治區(qū)，屬于第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，近些年也多次發(fā)生雷擊事故。此外還有南京的明城墻、浙江臨海古城墻(防海水)、安徽鳳陽(yáng)古城墻、河南開(kāi)封古城墻、湖北荊州古城墻等全國(guó)眾多古城墻，一方面是需要做好古城墻自身的雷電防護(hù)，另一方面是開(kāi)放段城墻上人員的雷電防護(hù)。宋平健等[72]研究了長(zhǎng)城的防雷保護(hù)，給出了開(kāi)放段長(zhǎng)城本體及長(zhǎng)城上游客的防雷保護(hù)具體措施(圖9)，考慮到設(shè)置接閃器對(duì)敵臺(tái)墻體的擾動(dòng)及對(duì)長(zhǎng)城整體風(fēng)貌的影響，并牽頭編寫了開(kāi)放段長(zhǎng)城的古建筑防雷技術(shù)規(guī)范。

圖8 河北保定直隸總督府古建筑接地裝置電解離子接地棒Fig.8 Electrolytic ion grounding rods for an earthtermination system of an ancient building in Baoding of Hebei province

圖9 中國(guó)長(zhǎng)城城墻上接閃桿裝置(a)及防雷布置示意圖(b)[73]Fig.9 The lightning rod(a)and the sketch map(b)of lightning protection system on the Great Wall[73]

自1982年11月19日《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》頒布實(shí)施后，中國(guó)全國(guó)省、市、自治區(qū)根據(jù)轄區(qū)內(nèi)古建筑的重要性對(duì)古建筑陸續(xù)安裝防雷裝置。近些年發(fā)布實(shí)施了不少古建筑防雷技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，在古建筑防雷中發(fā)揮了重要作用，如國(guó)家文物局發(fā)布《文物建筑防雷工程勘察設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范(試行)》(文物保發(fā)〔2010〕6號(hào))，中國(guó)建筑科學(xué)研究院牽頭編寫了國(guó)標(biāo)《古建筑防雷工程技術(shù)規(guī)范》GB 51017—2014，以及其編寫的國(guó)標(biāo)圖集《古建筑防雷設(shè)計(jì)與安裝》15D505，山西省氣象局牽頭編寫的行標(biāo)《文物建筑防雷技術(shù)規(guī)范》QX 189—2010。此外還有部分地標(biāo)，北京市文物局、北京市氣象局分別主持編寫了地標(biāo)《文物建筑雷電防護(hù)技術(shù)規(guī)范》DB11/741—2010、《文物建筑雷電防護(hù)技術(shù)規(guī)范 開(kāi)放段長(zhǎng)城》DB11/T 1142—2014，河南省氣象局主持編寫的地標(biāo)《古建筑防雷裝置施工安裝標(biāo)準(zhǔn)圖集》DB41/T 1494—2017，安徽省黃山市氣象局主編的地標(biāo)《木結(jié)構(gòu)徽派建筑防雷技術(shù)規(guī)范》DB 34/T 1593—2012等。這些標(biāo)準(zhǔn)明確了或提出了古建筑防雷分類、防雷勘察設(shè)計(jì)、防直擊雷、防雷擊電磁脈沖、防雷裝置安裝施工與維護(hù)等要求或技術(shù)方法，較好地指導(dǎo)了古建筑防雷。

近年來(lái)，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在各地不斷建立，雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)也迅速展開(kāi)，但目前針對(duì)古建筑的專項(xiàng)服務(wù)還比較少。因此，加強(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)在古建筑雷電防護(hù)中的應(yīng)用，有針對(duì)性的開(kāi)展相應(yīng)業(yè)務(wù)的研究和推廣，如預(yù)警到雷電活動(dòng)可斷開(kāi)古建筑的相關(guān)電源等，也是做好古建筑防雷保護(hù)的重要方面。

2 存在問(wèn)題與研究展望

2.1 古建筑雷擊破壞機(jī)理

近些年古建筑遭受雷擊破壞的事故仍有發(fā)生[73－74]，主要原因一是安裝防雷裝置易造成古建筑原貌和自身構(gòu)件破壞，或難以安裝施工等(如復(fù)雜吻獸構(gòu)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(fù)雜，頂部常有多個(gè)屋脊、房檐、翹角等，防雷裝置的保護(hù)范圍往往不夠，部分屋頂構(gòu)件處于保護(hù)范圍之外；三是即便按照防雷規(guī)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(xiàn)行雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，直擊雷防護(hù)的雷電流幅值范圍為5.4—200 kA，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(duì)古建筑物的繞擊，仍可能擊中古建筑自身，進(jìn)而造成古建筑破壞[75－76]。當(dāng)前許多研究分析了雷電對(duì)古建筑破壞的原因和方式，但對(duì)古建筑構(gòu)件雷擊破壞機(jī)理分析和探索較少。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)古建筑構(gòu)件雷擊破壞過(guò)程、內(nèi)在機(jī)理、影響因素等方面研究，進(jìn)而研究在古建筑維護(hù)中采取哪些技術(shù)方法減少或避免雷擊破壞。

2.2 古建筑防雷新技術(shù)

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(shù)美觀，特別是對(duì)于較低矮的古建筑；二是給屋頂自身帶來(lái)破壞[53]，在屋頂安裝接閃帶支架時(shí)對(duì)古建筑造成一定影響，而且屋頂增加較多的金屬體對(duì)古建筑不利；三是鳥(niǎo)雀常棲息在架空接閃帶上排瀉糞便，鳥(niǎo)糞酸性強(qiáng)易腐蝕琉璃瓦且影響古建筑原貌。應(yīng)加強(qiáng)古建筑防雷新技術(shù)研究或改進(jìn)，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(huán)境相配合，執(zhí)行“最小干預(yù)原則”。如根據(jù)目前架空接閃帶存在的不足，嘗試提出房脊、瓦件頂端外表面“貼敷”接閃帶的防護(hù)技術(shù)，研究其能否有效保護(hù)，明晰其接閃后對(duì)琉璃構(gòu)件是否有不利影響，提出貼敷何種寬度和厚度的接閃帶比較合理。此外，還有古建筑重檐部分防雷設(shè)計(jì)、降低古建筑接地電阻等技術(shù)研究。

2.3 古建筑雷擊選擇性

根據(jù)古人以及現(xiàn)代學(xué)者總結(jié)或研究[5，77]，一些地方古建筑遭受雷擊次數(shù)確實(shí)較多，另一些地方較少，甚至存在較大差異，應(yīng)進(jìn)一步分析古建筑地理位置環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)、建筑材料與雷擊選擇性關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步研究是否“絕緣避雷”問(wèn)題，筆者個(gè)人看法不是絕緣避雷，是絕緣能一定程度減少雷擊。應(yīng)充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，在雷擊模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬分析方法研究古建筑雷擊選擇性，特別是研究山區(qū)特殊地理位置及自然閃電特殊路徑對(duì)古建筑雷擊的影響，進(jìn)一步明晰古建筑絕緣避雷和自然消雷存在的不足，對(duì)于古建筑雷擊的認(rèn)識(shí)及防護(hù)有積極意義。此外，多數(shù)古建筑場(chǎng)所都有古樹(shù)，當(dāng)古建筑高度和古樹(shù)高度接近時(shí)，甚至一些古樹(shù)高度超過(guò)古建筑時(shí)，雷擊選擇性需要進(jìn)行研究分析，同時(shí)科學(xué)分析防雷保護(hù)范圍的精細(xì)化計(jì)算。

2.4 古建筑雷擊精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)警

一些古建筑群的房間特別多，如故宮博物院約9000多個(gè)房間，以及頤和園、避暑山莊等均有多個(gè)房間，當(dāng)遭雷擊時(shí)未必能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，逐個(gè)排查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，安裝閃電監(jiān)測(cè)設(shè)備(閃電定位儀和雷擊計(jì)數(shù)器)非常有必要，避免發(fā)生雷擊卻未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)(故宮1987年雷擊災(zāi)害事故未及時(shí)發(fā)現(xiàn)[10])，特別是木質(zhì)古建筑雷擊起火，盡早發(fā)現(xiàn)盡快撲救。如何安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備以及信號(hào)如何傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)需要研究實(shí)施。對(duì)于人員密集的古建筑場(chǎng)所如長(zhǎng)城建議安裝大氣電場(chǎng)儀，在接到氣象部門雷電預(yù)警信息后再結(jié)合古建筑場(chǎng)所的大氣電場(chǎng)儀開(kāi)展精細(xì)化雷電預(yù)警，對(duì)長(zhǎng)城上的游客防雷安全具有積極應(yīng)用價(jià)值，具體技術(shù)方法有待于研究和實(shí)施。

3 結(jié)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(chǎn)，對(duì)古建筑雷電災(zāi)害及防雷技術(shù)的研究成果較好地提升了人們對(duì)于古建筑雷災(zāi)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為開(kāi)發(fā)有效的防護(hù)裝置提供了重要的理論基礎(chǔ)。

(2)目前針對(duì)古建筑構(gòu)件雷擊破壞規(guī)律特征和雷擊破壞機(jī)理已有不少研究，對(duì)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(shù)方法和裝置也有很多新進(jìn)展，但這些方面的研究均有待于進(jìn)一步完善。建議從古建筑雷擊破壞機(jī)理、實(shí)用的防雷新技術(shù)、古建筑雷擊選擇性、雷擊精細(xì)化監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展。

(3)應(yīng)在雷擊模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬分析方法進(jìn)一步研究古建筑雷擊破壞機(jī)理和古建筑雷擊選擇性等基礎(chǔ)性問(wèn)題，在深入明晰雷擊破壞機(jī)理基礎(chǔ)上提出古建筑雷電防護(hù)新技術(shù)。非常關(guān)鍵的是，研究提出的新技術(shù)既要有效保護(hù)古建筑，提高古建筑防雷安全性，同時(shí)盡量減少或避免對(duì)古建筑原貌的影響。

(致謝：感謝張華明、白麗娟、張玉樺、陳雪萌等專家提供的古建筑雷擊圖片)