1752年6月的一个夜晚,美洲费城阴云密布,一位中年男子将一只用绸子制成的大风筝放到了乌云的底部。随着男子的手指凑近风筝上的铜钥匙,只见钥匙与手指之间放出了火花。

  这个试验就是著名的风筝试验,这个中年男子就是被后人誉为 从苍天处获得闪电 的本杰明“富兰克林。大风筝帮助人们发现了 雷就是电 ,从此开启了西方建筑防雷的历程。

  而翻看浩瀚的文史资料,人们惊奇地发现:早在清朝康熙年间,西方使者安文思就曾记录过中国古代建筑的防雷 秘技 ,这个发现要远远早于富兰克林的风筝试验。

  中国在直击雷防护技术上到底有何卓越之处?本网特别邀请国际电工委员会IEC/TC81(第三工作组)中国专家关象石,为我们详解中国古代建筑的防雷术。

中国古建筑防雷“秘技”
 

  本期嘉宾:国际电工委员会IEC/TC81(第三工作组)中国专家关象石

 

  经典语录:“相对而言,西方的石头建筑不大怕雷,雷打掉了石头的一个边角,损坏是物理性的。但中国古代建筑上木头的损坏,就不仅仅是物理损坏,还有可能引发火灾。”

 

  “作为我国历史上现存最久的防雷建筑,慈氏塔的特殊之处在于,这八条铁链至翼角处尚不终止,而是逶迤垂下直到地面。这样,雷电打上去,就会顺着铁棍子泄到地上,从而保护了旁边的建筑。这铁杵不就是避雷针(接闪杆)吗?那铁链不就是引下线并接地了吗?”

 

  “由此看来,想通过应县木塔近千年毫发无损来说明"绝缘防雷"机制似乎是不大可能了。”

 

  中国古建多木制 须比西方更防雷

  法国大文豪雨果曾说,西方的建筑史是”一部用石头写成的历史“。也就是说,西方建筑多为”石制“。而中国古代建筑则以”木制“为主。

  “相对而言,西方的石头建筑不大怕雷,雷打掉了石头的一个边角,损坏是物理性的。但中国古代建筑上木头的损坏,就不仅仅是物理损坏,还有可能引发火灾。”关象石说。

图为世界第一大教堂圣彼得大教堂,建筑材料以“石制”为主,防雷只需在建筑物附近架设一根铁杵(图片来源于网络)
  图为世界第一大教堂圣彼得大教堂,建筑材料以“石制”为主,防雷只需在建筑物附近架设一根铁杵(图片来源于网络)

 

  自远古以来,雷击便一直造成人和动物的伤亡、毁坏了无数豪华的皇宫、寺塔和民宅。公元762年,一场雷击引发的大火,导致西藏拉萨的布达拉宫内1000多间房屋中,绝大多数被烧毁,仅有曲结竹普和帕巴拉康两处幸免。

雷电即使是在现代,对建筑依旧具有“杀伤力”(图片来源于网络)

 

雷电即使是在现代,对建筑依旧具有“杀伤力”(图片来源于网络)

  无独有偶,明永乐十九年五月初九(公元1421年),闪电击中了新近完工的北京紫禁城三大殿奉元殿、华盖殿、谨身殿。大火在高大的朱红圆柱上迅速延烧,精致雕琢、彩绘的藻井与支撑的斗拱都付之一炬。一位目击此景的波斯贡臣描述,当时火焰照耀,看起来直如“十万火把”。

  建国至今,我国也发生多起重大古建筑灾情。1957年7月15日,北京十三陵之“首陵”长陵受雷击起火,周恩来总理知悉后特别指示北京市人民政府组织专家研究解决古建筑防雷问题。1987年8月,北京故宫博物院景阳殿遭雷击引燃大火,大殿局部被烧毁,还险些引发整个紫禁城的大火。2004年5月,山西省文物保护单位稷山县大佛寺大殿被雷击,受击点达13处之多,损失惨重……

  慈氏塔:我国历史上现存最久的防雷建筑

  雷火无情,但劳动人民用自己的血汗和智慧,给中国古代建筑防雷史留下了一个个可供后人研究的典范,其中有的或许是刻意为之,有的则是无心之举。

 

  江南,湘北,有一泊湖水以天下为怀,以一首“岳阳楼记”为世人传诵,这就是洞庭湖。慈氏塔正位于洞庭湖边西南,塔为砖石结构,楼阁式,八角七层,通高39米。宝塔巍然耸立,雄视洞庭湖,为“巴陵胜状”之一。

坐落于洞庭湖边的慈氏塔(图片来源于网络)

 

坐落于洞庭湖边的慈氏塔(图片来源于网络)

  传说,慈氏塔是一个叫慈氏的寡妇投资修建。这个弱小女子,在年轻的丈夫葬身浩渺洞庭之后,便把自己的养老钱,投身在这个浩大工程之中,为的就是镇住塔下被神仙锁住的一条孽龙。而在湖中,还有一个铁枷,几条巨链,枷、链、塔,守护着岳阳这座大城。

  这几条“巨链”正是防雷的关键。

  一般来说,古塔的宝顶中央都会有一根铁杵,宝顶上的装饰物均依其所构,为固定宝顶,会用几条铁链沿宝顶上的垂脊延伸到翼角,因为拉力均匀,宝顶不会因大风、地震而晃动。

  “作为我国历史上现存最久的防雷建筑,慈氏塔的特殊之处在于,这八条铁链至翼角处尚不终止,而是逶迤垂下直到地面。这样,雷电打上去,就会顺着铁棍子泄到地上,从而保护了旁边的建筑。这铁杵不就是避雷针(接闪杆)吗?那铁链不就是引下线并接地了吗?”关象石说道。

  山西应县木塔:“绝缘避雷”可靠不可靠?

 

  有着“中国古建筑斗拱博物馆”之称的山西应县木塔,建于辽代清宁二年,即公元1056年,塔高67.31米,是现存世界上最高、最古老的纯木结构建筑。

山西应县木塔外观

 

山西应县木塔外观

  近千年来,应县木塔遭雷击的文献记载少之又少。因此,有研究者对此进行实地考察和高压模拟实验,提出了“应县木塔绝缘避雷说”。

  他们认为,应县木塔的塔身与塔刹,如前所述,其塔基是高4米的两层砌石,塔基下及其周围地面为当年建塔时修建的7米深严实夯土(黄土)层。木、砖、土、石和塔基均处于土燥状态,有极好绝缘性能。地下无低电阻层,因而有“绝缘避雷”的机制。

 

 

  然而,2002年9月7日夜的一场雷雨中,木塔便遭了雷击,直至9月15日,木塔管理人员在清扫时,才发现塔内五层东北角辅柱被雷击。

勘察现场(图片由关象石提供)

 

勘察现场(图片由关象石提供)
塔内五层东北角辅柱被雷击现场(图片由关象石提供)

 

塔内五层东北角辅柱被雷击现场(图片由关象石提供)

  “发现时辅柱的木质已经被撕裂,雷击碎的木片飞溅开来,将几米外的泥塑神像击损。”作为调查小组成员,关象石在事件发生后曾进入木塔内勘察。

  他继续说道,“同行的郝孝智同志冒险爬上塔顶勘察,发现在东北方向的铁链下方,塔顶戗脊炸开了一长度一米出头的一段豁口,炸裂物向脊的两侧散开。”

  “这次的事故成因有可能是,雷打在铁砂上,顺着大铁链往外走,但是铁链承受不住这么大的电流,所以跳电了,电流先是炸裂了塔顶戗脊,然后顺着木柱子往下走,但木柱也经受不住这么大的电流,所以也导致了辅柱撕裂。由此看来,想通过应县木塔近千年毫发无损来说明"绝缘防雷"机制似乎是不大可能了。”关象石说道。

  雷火炼金殿:已消逝的自然奇景

  过去,每当雷雨交加时,武当山主峰天柱峰绝顶上的金殿周围便会雷声震天,电闪撕地,无数盆大的火球在金殿周围来回滚动。雨过天睛后,大殿金光灿烂,像被洗过一样,这一壮丽的景观被人们称为“雷火炼金殿”。

 

  “雷火炼金殿”是自然界雷电现象的正常反映,也是我国古代人们独具匠心的结果,一方面有防雷的效果,另一方面又使道教圣地武当山更负盛名。

安装防雷设施后“雷火炼殿”便不复再现,世人只能凭想象(图片来自央视专题片《再说长江》)

 

安装防雷设施后“雷火炼殿”便不复再现,世人只能凭想象(图片来自央视专题片《再说长江》)

  此座“金殿”,是在明朝永乐十四年(公元1416年)间,工匠在北京先制成铜片,再将其运送到武当山金顶,像“组装家具”一样焊接而成。

  “正因为这种建筑工艺,所以,这个大的金属物与地面是绝缘的,雷打上去之后不能泄地,于是转变成了热能,温度一高,就好像铜重新回炉,金殿就像新的一样。”关象石如是解释“雷火炼金殿”。

  可惜的是,在1987年5月31日,由于金顶道观的电话线遭雷击造成一定损失后,有关部门在金殿底座两侧加装了两条扁钢的引下线,并做了人工接地体,由于雷电流有了泄散入地的通道,这一“雷火炼金殿”的奇观便不复再现了。

  古代建筑防雷仍面临难题

  相比西方,我国对于古代建筑的雷电防护一直都非常重视,国家还曾专门出台《古建筑防雷标准》,成为行业管理规范。

 

  作为我国《古建筑防雷标准》的起草人之一,关象石解释起草目的:“一方面,中国的建筑比西方的建筑年代更为久远,有很珍贵的文物价值;另一方面,中国建筑(601668,股吧)本身的结构本身比较复杂,需要单列标准来说明。”

宁波保国寺,图中竖立的绿色铁棍就是避雷设施(图片由关象石提供)

 

宁波保国寺,图中竖立的绿色铁棍就是避雷设施(图片由关象石提供)

  相对而言,目前为止,国外还没有专门的古建筑防雷标准,只在相关标准中有一两句针对古代建筑的表述,这主要还是跟西方石制的建筑并不大怕打雷有关。

  “古代文物不仅要防御雷击,还要在安装防雷设施时尽量保护文物原貌,这就给古建筑防雷增加了难度。”关象石最后强调道。面对变幻莫测的自然灾害,以及巧夺天工的防雷技艺,国人如何让这些“千年不动产”保值增值,依然值得思考。(作者:郑晓艳)

  参考:

  《祸从天降的雷电灾害及防雷技术的发展》,发表于2008年4月29日《中国建筑报》,作者关象石。

  《卓越的中国古建筑防雷技术》,发表于2008年11月3日《中国气象报》,作者关象石。