中国古建，雷电为何“绕着走”？

文章来源：中国科学报
原文作者：高策 刘瑞祥

应县木塔的巨大金属塔刹。作者供图
笔者于上世纪80年代攻读硕士期间，听闻五台山古建筑群有避雷针的消息后，顿生疑惑与兴趣，随即前往五台山进行实地考察，然而并未发现传闻中的避雷针。随后笔者爬梳了五台山地区的相关史志文献，亦未见任何雷击记载。
五台山地区古建筑群历史悠久，其现存古建筑从唐代中晚期一直到清代都有保留。按照正常的雷电活动频率，如此之多的古建筑千百年来不遭雷击实为不易也颇令人费解。
带着疑问，笔者进行了更加广泛的调查，结果显示这种现象，并非五台山一处，其他地区的古建筑也存在类似情况，如应县木塔、大理三塔、太原双塔等。
这些事实表明，古建筑不遭雷击这种现象可能存在某种科学机制，这种机制是否与现代科学避雷装置一致，还是另有原因，值得深入思考和讨论。
同时就防雷而言，这些未遭雷击的古建筑其保险系数几乎达到100%，而现代科学避雷装置的保险系数也仅为95%左右。
另外，现存古建筑多为国保、省保等重点文物保护单位，其安装避雷针是否存在避雷功能的重叠和经济的浪费，也是值得进一步考虑的。
中国古建筑以木材为基本材料之一，以木为构架，不依靠墙体承重，拥有极佳的抗震性能，所谓“墙倒屋不塌”，但木构建筑的耐久性较差，防火防潮防腐性能都不如砖石结构，其中最致命的缺点就是防火性能差，其结构经过长期风化作用极为干燥，一旦遭雷击，则极易发生火灾。
值得注意的是，山西现有元以前木结构古建筑遗存495座，约占全国580座的85%。其中五台山南禅寺大殿，建于唐建中三年（782年），距今已有1240年。如此数量众多、年代久远的木构建筑，未遭雷击保存下来，不得不承认这些古建筑一定存在某种避雷效应。
铁塔、铜塔、铜殿等纯金属古建筑是中国古建筑中存量较少但极有特色的一种建筑类型。其中较负盛名的就是武当山金殿（实为铜殿），该金殿历史上曾有一种神奇的“雷火炼殿”现象，即每当金殿上空有雷云时，金殿上的龙头、龙须就“冒火”放光。
上世纪60年代，由于武当山地区搞基建在金殿附近建立了一座测量铁塔，至此之后“雷火炼殿”现象消失，且之后两年内，雷击金殿的龙头被击坏了两个。之后有关部门在其上安装了现代避雷针。经过考证，武当山金殿历史上并无明确雷击记载。
在多数中国古建筑群中，尤其是在建筑群中的主殿正前方两侧，一般均会栽种两棵树木（北方柏树可能多一些、南方银杏树可能多些）。这两棵树可能有其风水或园林设计方面的意图，但其从避雷角度而言是不无作用的。
根据笔者近年走访的一些古建筑情况来看，也确实看到古建筑周边的树木遭受雷击的明显痕迹，这也是一个有意思的现象。
再说高层古建筑。中国目前高度前十的分别为：布达拉宫主楼、泾阳崇文塔、汾阳文峰塔、定县开元塔、宁城大明塔、苏州报恩寺塔、邛崃回澜塔、庆州白塔、太平兴国寺塔、辽阳白塔。
这之中仅有布达拉宫、开元塔和回澜塔有雷击记载，但布达拉宫仅有的两次雷击记载发生在1984年和2001年，而且是由于现代消防管道引起，其本身在长达300多年历史上未有雷击记载。
同样经过笔者统计，在位于高海拔的西藏地区有多达1400余座城堡类建筑，而这些建筑很多直接建在山顶上，这些建筑很大一部分也没有明确的雷击记载，且均未安装避雷针。
据现代专家复原推断，北魏洛阳永宁寺塔的高度达到155米，可能是中国历史上存在过的最高建筑，建成16年后毁于雷火。
《洛阳伽蓝记》对此有详细记载：“永熙三年浮图为火所烧，帝登凌云台望火……当时雷雨晦冥。杂下霰雪。百姓道俗咸来观火……火经三月不灭。”
故宫中古建筑在历史上曾多次遭受雷击，以体仁阁为例，《清实录》中就记述了其发生的一次雷灾，“据留京办事王大臣等奏，初三日亥刻雷雨体仁阁失火，初四日寅刻，始行救熄”。
笔者初步统计了中国现存20米以上古建筑落雷情况。结果显示，全国现存20米以上高层古建筑（民国以前，高塔、大殿为主）约602座，其中有雷击记录（文献记载、雷击痕迹、新闻报道）的仅有116座，无落雷记录的有486座，从整体上来看，未遭雷击的古建筑仍然是占绝大多数的。
上世纪80年代，笔者在五台山考察期间，曾就五台山古建筑避雷现象一事询问了当地建筑工匠，工匠们并不知道五台山古建筑是如何避雷的，但他们提出“把天电与地电隔绝也许是五台山古建筑实现避雷可能的措施”的观点。
工匠的话提醒了笔者，通过对五台山地区古建筑构造材料进行分析，笔者发现绝缘避雷可能是部分原因。
具体而言，即建筑的台基、墙体、屋顶本身多数为砖石、木材、灰浆等绝缘材料，另一方面建筑本身的大屋顶设计也可一定程度上保持建筑本身在雷雨天气中的干燥程度，使其保持一种绝缘或半绝缘的状态。
随着研究的深入，笔者发现，根据现代避雷科学原理，绝缘避雷实际上是不完全成立的。
以应县木塔为例，其通高67.31米，而仅塔刹就达14.21米，且为纯金属构造，另外塔刹还通过八条铁链固定于塔顶，经过笔者实地考察，八条铁链均未接地。
这种情况下，按照一般认识，10多米高的金属塔刹，在60多米的高空中，不可能不与雷电发生作用，这就是说塔刹本身是引雷的，但塔刹安装在近60米高的绝缘（或半绝缘）塔身上，实际上却并未引雷。
这种情况似乎可以用上世纪七八十年代兴起于美国的消雷学说来解释，该学说关键的一点就是消雷器的尖端通常采用半导体材料与下方金属导体相连，用以实现雷电流幅值的“限流”作用。
而应县木塔则采取与消雷器相反的连接方式，即金属的塔刹在上，而绝缘或半绝缘的塔身（某种程度上可近似为半导体的功用）在下，用来发挥一种类似消雷器式的作用，即由塔刹将大地通过塔身传导过来的电荷以一种较为温和的方式进行放电，使建筑物上空的电场逐渐由强到弱，从而避免雷击。
在随后的调查研究中笔者发现，一些处于群山环抱、“风水”较好环境中的古建筑周围多存在诸如松柏之类的高大树木，这些树木多高于建筑物本身，且树尖很多都呈现焦黑状态，这可能是树尖持续尖端放电的结果。
现代科学已经证实，自然界中草木和山石等尖突部分，是存在大量可见或不可见的尖端放电现象的，这种作用被称为自然消雷作用，自然界大部分的雷电均可通过自然消雷的方式，平和地消除。也就是说，如果古建筑处于一种较为理想的自然消雷环境中，其本身是极不容易遭受雷击的，比较典型的就是五台山古建筑和大理三塔。
综上，绝缘避雷说、人工和自然消雷之说共同构成了目前古建筑避雷效应的一种可能的解释。另外，探讨古建筑避雷效应、弄清楚其背后的科学机制，仅就“是否安装避雷针一项”，可为当前古建筑文物保护部门防雷工作提供新思路。

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院半导体所立场

---

编辑：春雪

新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。