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古老紫禁城的防雷智慧

2019-07-12 07:33 来源:科技日报 周 乾

  每年的6到8月,北京会进入雷雨高发时期。位于北京市中心的紫禁城有着近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,雷击就是其中之一。在历史上,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。这些建筑遭受雷击的原因,一是由于紫禁城位于北京的落雷带上。二是其受紫禁城周边的环境影响,宫城四周有护城河,处于潮湿环境中,导电性好,易于接闪;紫禁城地势北高南低,造成位于南部的三大殿、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,这也使得这三座建筑相对于其他建筑更容易遭受雷击;紫禁城所在区域的土壤电阻率相对其他区域要低,更容易聚集电荷,遭受雷击。三是紫禁城古建筑的立面造型,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,这些突出部位易受雷击破坏。

  在古代,由于生产力水平低下,人们对雷电缺乏科学认识,采取的防雷措施多有迷信成分。比如在正吻端部安装铁链,铁链一端固定在正吻上,另一端固定在屋檐部位的瓦垄上。古人认为该铁链有利于避雷,而某些现代学者亦认为铁链可有助于放电,实际上这种观点并不正确,铁链反倒容易引起正吻遭受雷击破坏。统计表明,在紫禁城古建筑遭受雷击事件中,吻兽是最容易受雷击的部位。因为铁链悬空于建筑制高点,其铁构件都未设置并连接金属接地体,物理上对地电阻值无穷大,但铁构件正好吸引空间电场形成的雷云电荷,为雷云电荷击穿空气放电创造条件。

  再比如雷公柱的使用。雷公柱是古代工匠为了避免高耸的建筑遭受雷击,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。实际上,这种做法并不科学。雷公柱是木料所造,紫禁城古建筑所用的木材多以松木为主,属于绝缘材料,不可能起到接闪作用,这样屋顶的雷电不会传入地下,而仍是直接在屋顶释放。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,且引发的火灾也是源于雷公柱。

  当然,紫禁城古建筑防雷措施也有科学的一面,主要表现为建筑材料为绝缘材料。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、午门等少数易受雷击的建筑为主。

  1955年8月8日晚,紫禁城午门雁翅楼东北、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。自此,故宫博物院各个古建筑开始逐步安装避雷针和避雷带装置。这种现代化的科学避雷手段,使得紫禁城古建筑遭受雷击的概率逐渐降到了最低。

  (作者系故宫博物院研究馆员)

(责任编辑:王蔚)

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