筆者于上世紀80年代攻讀碩士期間,聽聞五臺山古建筑群有避雷針的消息后,頓生疑惑與興趣,隨即前往五臺山進行實地考察,然而并未發現傳聞中的避雷針。隨后筆者爬梳了五臺山地區的相關史志文獻,亦未見任何雷擊記載。
五臺山地區古建筑群歷史悠久,其現存古建筑從唐代中晚期一直到清代都有保留。按照正常的雷電活動頻率,如此之多的古建筑千百年來不遭雷擊實為不易也頗令人費解。
帶著疑問,筆者進行了更加廣泛的調查,結果顯示這種現象,并非五臺山一處,其他地區的古建筑也存在類似情況,如應縣木塔、大理三塔、太原雙塔等。
這些事實表明,古建筑不遭雷擊這種現象可能存在某種科學機制,這種機制是否與現代科學避雷裝置一致,還是另有原因,值得深入思考和討論。
同時就防雷而言,這些未遭雷擊的古建筑其保險系數幾乎達到100%,而現代科學避雷裝置的保險系數也僅為95%左右。
另外,現存古建筑多為國保、省保等重點文物保護單位,其安裝避雷針是否存在避雷功能的重疊和經濟的浪費,也是值得進一步考慮的。
中國古建筑以木材為基本材料之一,以木為構架,不依靠墻體承重,擁有極佳的抗震性能,所謂“墻倒屋不塌”,但木構建筑的耐久性較差,防火防潮防腐性能都不如磚石結構,其中最致命的缺點就是防火性能差,其結構經過長期風化作用極為干燥,一旦遭雷擊,則極易發生火災。
值得注意的是,山西現有元以前木結構古建筑遺存495座,約占全國580座的85%。其中五臺山南禪寺大殿,建于唐建中三年(782年),距今已有1240年。如此數量眾多、年代久遠的木構建筑,未遭雷擊保存下來,不得不承認這些古建筑一定存在某種避雷效應。
鐵塔、銅塔、銅殿等純金屬古建筑是中國古建筑中存量較少但極有特色的一種建筑類型。其中較負盛名的就是武當山金殿(實為銅殿),該金殿歷史上曾有一種神奇的“雷火煉殿”現象,即每當金殿上空有雷云時,金殿上的龍頭、龍須就“冒火”放光。
上世紀60年代,由于武當山地區搞基建在金殿附近建立了一座測量鐵塔,至此之后“雷火煉殿”現象消失,且之后兩年內,雷擊金殿的龍頭被擊壞了兩個。之后有關部門在其上安裝了現代避雷針。經過考證,武當山金殿歷史上并無明確雷擊記載。
在多數中國古建筑群中,尤其是在建筑群中的主殿正前方兩側,一般均會栽種兩棵樹木(北方柏樹可能多一些、南方銀杏樹可能多些)。這兩棵樹可能有其風水或園林設計方面的意圖,但其從避雷角度而言是不無作用的。
根據筆者近年走訪的一些古建筑情況來看,也確實看到古建筑周邊的樹木遭受雷擊的明顯痕跡,這也是一個有意思的現象。
再說高層古建筑。中國目前高度前十的分別為:布達拉宮主樓、涇陽崇文塔、汾陽文峰塔、定縣開元塔、寧城大明塔、蘇州報恩寺塔、邛崍回瀾塔、慶州白塔、太平興國寺塔、遼陽白塔。
這之中僅有布達拉宮、開元塔和回瀾塔有雷擊記載,但布達拉宮僅有的兩次雷擊記載發生在1984年和2001年,而且是由于現代消防管道引起,其本身在長達300多年歷史上未有雷擊記載。
同樣經過筆者統計,在位于高海拔的西藏地區有多達1400余座城堡類建筑,而這些建筑很多直接建在山頂上,這些建筑很大一部分也沒有明確的雷擊記載,且均未安裝避雷針。
據現代專家復原推斷,北魏洛陽永寧寺塔的高度達到155米,可能是中國歷史上存在過的最高建筑,建成16年后毀于雷火。
《洛陽伽藍記》對此有詳細記載:“永熙三年浮圖為火所燒,帝登凌云臺望火……當時雷雨晦冥。雜下霰雪。百姓道俗咸來觀火……火經三月不滅。”
故宮中古建筑在歷史上曾多次遭受雷擊,以體仁閣為例,《清實錄》中就記述了其發生的一次雷災,“據留京辦事王大臣等奏,初三日亥刻雷雨體仁閣失火,初四日寅刻,始行救熄”。
筆者初步統計了中國現存20米以上古建筑落雷情況。結果顯示,全國現存20米以上高層古建筑(民國以前,高塔、大殿為主)約602座,其中有雷擊記錄(文獻記載、雷擊痕跡、新聞報道)的僅有116座,無落雷記錄的有486座,從整體上來看,未遭雷擊的古建筑仍然是占絕大多數的。
上世紀80年代,筆者在五臺山考察期間,曾就五臺山古建筑避雷現象一事詢問了當地建筑工匠,工匠們并不知道五臺山古建筑是如何避雷的,但他們提出“把天電與地電隔絕也許是五臺山古建筑實現避雷可能的措施”的觀點。
工匠的話提醒了筆者,通過對五臺山地區古建筑構造材料進行分析,筆者發現絕緣避雷可能是部分原因。
具體而言,即建筑的臺基、墻體、屋頂本身多數為磚石、木材、灰漿等絕緣材料,另一方面建筑本身的大屋頂設計也可一定程度上保持建筑本身在雷雨天氣中的干燥程度,使其保持一種絕緣或半絕緣的狀態。
隨著研究的深入,筆者發現,根據現代避雷科學原理,絕緣避雷實際上是不完全成立的。
以應縣木塔為例,其通高67.31米,而僅塔剎就達14.21米,且為純金屬構造,另外塔剎還通過八條鐵鏈固定于塔頂,經過筆者實地考察,八條鐵鏈均未接地。
這種情況下,按照一般認識,10多米高的金屬塔剎,在60多米的高空中,不可能不與雷電發生作用,這就是說塔剎本身是引雷的,但塔剎安裝在近60米高的絕緣(或半絕緣)塔身上,實際上卻并未引雷。
這種情況似乎可以用上世紀七八十年代興起于美國的消雷學說來解釋,該學說關鍵的一點就是消雷器的尖端通常采用半導體材料與下方金屬導體相連,用以實現雷電流幅值的“限流”作用。
而應縣木塔則采取與消雷器相反的連接方式,即金屬的塔剎在上,而絕緣或半絕緣的塔身(某種程度上可近似為半導體的功用)在下,用來發揮一種類似消雷器式的作用,即由塔剎將大地通過塔身傳導過來的電荷以一種較為溫和的方式進行放電,使建筑物上空的電場逐漸由強到弱,從而避免雷擊。
在隨后的調查研究中筆者發現,一些處于群山環抱、“風水”較好環境中的古建筑周圍多存在諸如松柏之類的高大樹木,這些樹木多高于建筑物本身,且樹尖很多都呈現焦黑狀態,這可能是樹尖持續尖端放電的結果。
現代科學已經證實,自然界中草木和山石等尖突部分,是存在大量可見或不可見的尖端放電現象的,這種作用被稱為自然消雷作用,自然界大部分的雷電均可通過自然消雷的方式,平和地消除。也就是說,如果古建筑處于一種較為理想的自然消雷環境中,其本身是極不容易遭受雷擊的,比較典型的就是五臺山古建筑和大理三塔。
綜上,絕緣避雷說、人工和自然消雷之說共同構成了目前古建筑避雷效應的一種可能的解釋。另外,探討古建筑避雷效應、弄清楚其背后的科學機制,僅就“是否安裝避雷針一項”,可為當前古建筑文物保護部門防雷工作提供新思路。