古建筑防雷 | 紫禁城古建筑防雷的传统方法

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栏目内容简介

位于北京市中心的紫禁城（今故宫博物院），是明清帝王执政及生活的场所。紫禁城古建筑群建立于明永乐十八年（1420），距今已近600年。紫禁城现占地面积72万平方米，有房屋9000余间，是世界上现存规模最大、保存最完整的的木结构古代宫殿建筑群，也属于世界文化遗产。不仅如此，紫禁城古建筑有着清晰的轴线、开阔的格局、严谨的形制、绚丽的彩绘、生动的空间、精美的装饰、优美的造型、真实的信息、丰富的景观，其无论在建筑结构，还是在建筑艺术、建筑技艺、建筑文化等方方面面都代表着我国明清官式木构古建的最高水准，是我国古代宫殿建筑的精粹。本栏目将通过十二期连载形式，基于生动活泼的语言，来解读紫禁城古建筑的防火、防震、防雷、排水、防虫、避暑、御寒、建筑艺术、建筑技艺、加固方法、装饰艺术、建筑文化等方方面面的内容，使读者对紫禁城古建筑有比较全面的认识和了解，亦有利于推进我国优秀传统建筑的保护和研究。

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作者简介

周乾，男，1975年生，湖南省茶陵县人，博士、博士后，研究馆员，现就职于故宫博物院故宫学研究所。

中国社会科学研究生院、北京工业大学、北京交通大学、山西大同大学兼职教授。

主要从事古建筑、馆藏文物科学保护研究。在国内外专业期刊、学术会议上发表论文120余篇。

主持国家自然科学基金项目、文化部科技创新项目、北京市博士后基金项目、故宫博物院基金项目等课题数项。

承担并完成古建筑力学评估30余项。获国家授权专利6项。《工业建筑》《建筑结构学报》《湖南大学学报》等多家期刊审稿人。代表著作有《故宫古建筑结构分析与保护》《故宫古建筑的结构艺术》《图说中国古建筑》等。

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      紫禁城古建筑防雷的传统方法

0  引  言

作为世界文化遗产的紫禁城（故宫博物院的前身）有着近600年的历史，期间不可避免地会受到不同类型自然灾害的袭击，雷击即为其中之一。紫禁城有明确记载的雷击记录，明代有16次，清代有4次。遭受雷击的建筑有太和殿、中和殿、保和殿、奉先殿、午门等十余座建筑，其中太和殿在明代至少被雷击过4次，分别为明永乐十九年（1421）四月、明正统八年（1443）五月、明天顺元年（1457）六月、明嘉靖三十六年（1557）四月。而最后一次的记载显示雷击最严重。据《明世宗实录》记载，当晚“雷雨大作，戌刻火光骤起，由奉天殿（太和殿）延烧谨身华盖二殿（中和殿、保和殿），文、武楼（体仁阁、弘义阁），奉天门（太和门），左顺门（协和门）、右顺门(熙和门)及午门外左右廊尽毁。”建国后，故宫的古建筑亦有雷击的记录，其中最严重为1987年8月24日22：00左右，故宫东六宫之景阳宫遭受雷击，并诱发火灾。大火从屋顶雷公柱开始燃烧，然后蔓延至西山下金檩、下金枋和西南角梁等构件。火灾造成建筑南部屋檐中部烧焦下陷，西南角塌落。北京市消防局接警后调用了11个中队、31辆消防车，近200名消防战士，历时近3 h才将火扑灭。在此过程中，由于宫殿前有一月台，屋檐距地面较近，容易上屋顶，最后消防人员通过将局部屋顶和全部门窗拆破后才完成了救火。由上述可知，紫禁城古建筑防雷保护具有极其重要的意义。

1  雷击原因

研究表明：故宫所在区域遭受的雷电灾害每年一般发生在5—9月，其中6—8月占87.23 %，且以8月最多，占34.04 %；5月最少，占4.26 %，其他月份无雷电灾害记录。紫禁城古建筑遭受雷击，其主要原因与以下因素相关：

1）故宫所处地理环境的特殊性。一般而言，北京地区总的落雷趋势是西山—八里庄—故宫—朝阳门—十八里店—宋家庄—百子湾—通县，这使得故宫成为易受雷击的区域。故宫的四周有护城河，下有4条古河道通向护城河，使得故宫古建筑基础处于潮湿的环境中。故宫地势北高南低，造成位于故宫南部的三大殿（太和殿、中和殿、保和殿）、午门等建筑的地下水位高，更容易遭受雷击。前朝三大殿位于南部空旷的区域范围内，且体量高大，使得这三座建筑相对于其他建筑更容易遭受雷击。另故宫所在区域的电阻率相对其他区域要低，这也是故宫古建筑易遭受雷击的原因。

2）故宫古建筑的立面造型。故宫古建筑正脊两端有正吻，前后坡前部有小兽，攒尖屋顶有突出的宝顶，以上这些突出的部位易遭受雷击的破坏。而故宫古建筑在历史上遭受雷击的构件类型统计结果显示：吻兽是最容易遭受雷击的构件，在历史上至少遭受过23次雷击，其次才是屋顶瓦件、门窗等构件。

3）故宫古建筑的部分金属构件。虽然故宫以大木结构为主，但仍含有部分金属构件。比如隔扇上的铜质把手与门环（图1），悬挂匾额的铁钩，大木构件加固采用的扁铁、扒锔子等，这些金属物体更增加了电荷量的饱和程度并加速了电场的畸变，从而使上行先导和下行先导易于在此会合，即发生雷击。如《明史》卷二八记载：“明崇祯十六年（1643）六月丙戌，雷震奉先殿鸱吻，槅扇皆裂，铜镮尽毁。”由于雷电在铜环内产生感应电流，因而致使其发热烧毁。又如1987年8月24日晚景阳宫的吻兽受雷击后，电流通过雷公柱串到建筑明间上部的“景阳宫”木质匾额位置，而该匾额背后是用较大的铁钩将其固定在额枋上的，因而在铁钩位置产生放电，并引燃了匾额。

图1 太和殿隔扇上的铜环

Fig.1 The copper ring on the separate door of Tai-he Palace

2 “迷信”方法

在古代，限于生产力水平，紫禁城古建筑的传统防雷方法有其迷信的一面，说明如下：

1）屋顶铁链的使用。古人通常会在正脊两端安设一个龙头形状的琉璃装饰物，用于克火，该装饰物即为正吻。正吻两侧还会有铁链拉接。古人认为该方法有利于避雷，而某些现代学者亦认为铁链可以有助于放电。实际上这种观点不对，其根本原因在于铁链并不接地，其另一端仍固定在瓦上，而铁链的根本功能仅为固定正吻。如图2所示，正吻被铁链固定在瓦上（避雷带为后加）。此外，在紫禁城古建筑遭受雷击事件中，正吻是非常容易受雷击部位，如太和殿、奉先殿、保和殿、端门等建筑的正吻在明代均有遭受雷击的记载，由此可说明固定正吻的铁链并没有防雷效果。

图2 固定正吻的铁链

Fig.2 The iron chain for fixing the dragon head ornament

2）宝匣的使用。紫禁城古建筑无论是建造还是修缮，都富有神秘的文化色彩，其主要内容之一，即在屋顶正中安放镇物——“宝匣”，见图3。有专家认为，皇家宫殿建筑屋顶放置宝匣，与民间传统建筑文化习俗密切相关。我国民间盖房上梁时有悬挂“上梁大吉”字条、抛元宝、安放镇物等祈求平安的方式，以表达对美好事物的追求和趋利避害的愿望。类似地，紫禁城古建筑中，在屋顶施工结束前，施工人员往往要郑重其事地在屋顶正脊中部预先留一个口子，称之为“龙口”。尔后会举行一个较为隆重的仪式，由未婚男工人把一个含有“镇物”的盒子（材料为铜、锡或木质）放入龙口内，再盖上扣脊瓦。该盒子被称为宝匣，而放置宝匣的过程称为合龙。“镇物”一般包括“五金”“五谷”“五色线”“药味”等物品。“五金”多为金、银、铜、铁、锡；“五谷”多用稻、麦、粟、黍、豆数粒；“五色线”为红、黄、蓝、白、黑色丝线各一缕；“药味”包括雄黄、川莲、人参、鹿茸、川芎、藏红花、半夏、知母、黄柏等。镇物还可包括珠宝、彩石、铜钱（多为24枚，上铸有“天下太平”四汉字，也有满汉文合璧的）、佛经、施工记录等。古人认为，在屋顶正中安放宝匣，可以辟邪消灾；而宝匣用于防雷，亦为其中的主要目的。然而，这些宝匣不仅不能防雷，反而因为宝匣含有金属物质而诱发雷击，如1984年6月2日故宫东六宫之承乾宫遭受雷击，雷电并没有击在正脊两端较高的正吻上，而是击中了位于屋脊正中的锡质宝匣。

图3 慈宁宫屋脊正中的宝匣

Fig.3 The exorcising evil box in the mid of the roof ridge of Ci-ning Palace

3）雷公柱的使用。所谓雷公柱，即古代工匠为了避免较高耸建筑遭受雷击，在攒尖类建筑的木构架顶部安装一根立柱，下部落在一根木梁上；在庑殿类建筑正脊端部的正吻下方安装一根立柱，其下部亦立在一根梁上，上部则支撑木构架端部挑出的脊檩和两边的由戗；以上立柱均称为“雷公柱”，下部支撑的梁则称为“太平梁”，寓意有着雷公柱和太平梁的护佑，建筑不会遭受雷击。上述雷公柱的位置示意见图4、图5。

图4 中和殿屋顶纵剖面局部

Fig.4 Part of longitudinal profile of the roof of Zhong-he Palace

图5 太和殿屋顶纵剖面局部

Fig.5 Part of longitudinal profile of the roof of Tai-he Palace

不仅古代，包括现代都有观点认为，古建筑遭受雷击后，电流通过雷公柱、太平梁，传到老檐柱，并沿着角柱传到地下，因而起到了接闪作用，保护了古建筑。实际上，这种说法是错误的，至少紫禁城古建筑并没有因为有雷公柱构造而免遭雷击。雷公柱材料本身为木材，而紫禁城古建筑所用的木材多以松木为主（楠木仅见于少量明代建筑），属于绝缘材料，不可能起到接闪作用。而1987年8月24日故宫东六宫之景阳宫遭受雷击的部位正是雷公柱，且引发的火灾也源于雷公柱。同为皇家建筑的明十三陵长陵祾恩殿于1957年7月6日遭受雷击，西侧吻兽击掉1/2，正脊砸裂40~50 cm，雷电流沿正吻下方的雷公柱、太平梁及两根楠木木柱向下传并将楠木木柱

劈裂2~3 cm深，同时将天花板和柱根震裂出3条裂缝，且造成数人伤亡。由此可知，紫禁城古建筑采用雷公柱做法不能起到防雷效果。

3 科学方法

紫禁城古建筑防雷的科学方法主要表现在以下两个方面：

其一，建筑材料为绝缘材料。紫禁城古建筑防雷的传统方法中，有科学性的一面，主要是指其建造材料大部分为绝缘材料。如紫禁城古建筑屋顶为琉璃瓦，瓦下面为泥背，泥背下则为木质材料的椽子、望板、梁架；紫禁城古建筑的大木构架为以木梁、木柱承重的核心受力体系，墙体起围护作用，墙体材料为砖石；古建筑柱子下部为石质基础，基础以下则为碎砖、灰土分层叠加的地基。上述紫禁城古建筑的建筑材料均不易导电，因而有利于减小建筑本身遭受雷击的可能性。事实上，紫禁城近千座建筑中，近600年来遭受雷击的多以三大殿、午门等易受雷击的建筑为主。

其二，避雷针的使用。在缺乏有效的避雷设施的情况下，1955年故宫博物院开始采用现代科技手段来进行防雷。1955年8月8日晚，午门雁翅楼东北、东南两角亭遭雷击，当时的文化部文化事业管理局在午门维修工程的批复中明确了研究安装避雷针的问题，并命古建部高级工程师于倬云先生协调此事。自此，故宫博物院各个古建筑开始逐步安装避雷装置，如避雷针、避雷带等。至目前为止，故宫绝大部分古建筑均安装了避雷设施，其中前述遭受雷击的景阳宫也于1993年安装了避雷针。

故宫古建筑的外部避雷设施安装主要包括以下3个方面：

1）避雷针。在选择避雷针时，考虑古建筑的结构类型、使用情况和美观的要求，采用不同形式的避雷针，如对有正脊的屋顶在两端正脊安放避雷针，针高15 m左右，材料为紫铜棒，针尖鎏金或镀金，见图6；对于四角攒尖屋顶在宝顶中间安装避雷针，见图7；对金属鎏金宝顶和金属屋顶充分利用接地，如四个角楼利用鎏金宝顶、雨花阁利用屋顶的鎏金龙身接地；同时还将大量的线路隐蔽在筒瓦里，做到在屋面上看不出有线路，以尽量不破坏或少破坏古建筑物原有的艺术氛围。

图6 正吻上的避雷针

Fig.6 The lightning rod on dragon head ornament

图7 攒尖屋顶的避雷针

Fig.7 The lightning rod of spire roof

2）避雷带。有的建筑面阔（长度）过大，两端吻上的两支避雷针保护不了正脊中间部位和垂脊上的小兽时，可增加两吻间的避雷带。可用直径为8 mm的紫铜做避雷带，将其沿建筑物屋脊的轮廓弯曲，避雷带高出正脊、斜脊、屋檐瓦以及其上的吻兽和斜脊下端的垂兽等100~150 mm，通过抱箍式支持卡子与瓦面固定，见图8。

图8 小兽上的避雷带

Fig.8 The lightning band on animal ornaments

3）接地装置。采用19/2.14的裸铜线作为引下线，并在距地面2 m处缠绝缘材料，再用塑料管包裹掩盖。在接地位置时，考虑古建筑的重要性，将电阻值适当降低，即一般的建筑接地电阻定为10 Ω，重要建筑定为5 Ω。接地装置采用的是镀锌钢管，每个接地装置有4根钢管，长4 m，直径5 cm，壁厚5 mm，布置为一字或梅花形，接地体都是深埋，防止出现跨步电压伤人。

上述避雷设施的应用，在很大程度上避免了雷击造成的紫禁城古建筑失火问题。以避雷针接闪为例，1957年7月12日东华门避雷针鎏金部位有电伤痕迹；1993年8月，钟粹宫西吻兽上安装的避雷针接闪。1996年8月，长春宫西吻兽上安装的避雷针有两次接闪。以上说明安装的避雷针起到了应有的作用。

4 结束语

防雷是紫禁城古建筑保护的重要组成部分。紫禁城在明清时期多次遭受雷击，其主要原因与紫禁城所处的地理环境、紫禁城古建筑立面造型特征及其内含金属构件等因素相关。紫禁城古建筑传统的防雷方法既包括迷信的一面，又有科学的一面。前者主要是包括采用铁链固定正吻、正脊内埋设宝匣、梁架内安放雷公柱等做法，后者则是指紫禁城古建筑营建材料以木材、砖石材料等绝缘材料为主。建国后避雷装置的引入，使得紫禁城古建筑的防雷保护更加科学化和系统化。