故宫建筑群防雷体系模拟展示和整体评价研究

故宫建筑群防雷体系模拟展示和整体评价研究

齐飞倪斌李超

1.故宫博物院，北京100009；2.中兵勘察设计研究院，北京100053

摘要：作为世界上建筑面积最大的皇家木构建筑群和中国首批世界文化遗产，故宫博物院的建筑结构体系和遗产价值决定了故宫建筑防雷保护的重要性。雷电造成故宫历史上多起灾害事故的发生，甚至整座建筑的焚毁。1925年故宫博物院成立后，供电设备、安防消防设备和相应的金属管线陆续引入，增加了建筑物遭受雷击的风险。现有的避雷针、带混装，以带为主的避雷设施，在一定程度上保护了建筑遗产免受雷击损害。虽然避雷装置安全检测有相关规范指导和系统的数据统计记录，但由于古建筑群的建筑特殊性，不仅要对高大建筑进行相应的防雷保护，还要对建筑群内的低矮建筑和古树进行雷电防护。目前的防护设计不足以综合评估建筑群区域内的整体保护效果，造成防护设施的重复布设和遗漏，影响建筑整体美观。因此，需要在软件平台上借助先进的摄影测量和三维展示手段，对故宫建筑群防雷体系做模拟展示和整体评价，从而直观地反映出雷电防护范围，找到保护死角，为决策者提供直观的防雷改造依据，并为中国古建筑群防雷设计规范和相关标准的制定提供一定的借鉴。

关键词：建筑群；防雷体系；防护范围；三维模拟展示

北京故宫，又称紫禁城，是世界上现存规模最大、保存最完整的古代宫殿木构建筑群。1987年被联合国教科文组织列为“世界文化遗产”。

据明清两代文献记载，故宫发生的较大雷击事故就有29起，而建国以来发生的较大雷击事故也有十余起，小到建筑上砖瓦装饰物的击毁，大至整座建筑的焚毁。

依据国标《GB50057—2000建筑物防雷设计规范Codefordesignprotectionofstructuresagainstlightning》（2011年版）附录A《建筑物年预计雷击次数》中提供的公式，结合气象资料对应取值，计算出故宫预计年雷击次数为3～4次，属于雷电活动较频繁且易受雷害的地区。究其原因，主要有以下3点：

（1）紫禁城周围有50米宽的护城河，城内有蜿蜒的金水河，地下又有古河道。

（2）故宫院内草木和高大古树较多，其水含量较好，土壤潮湿。

（3）故宫基础是人工夯填的三七灰土（生石灰和土的比例是3：7）和素土构成的多层结构，其防水性能很好，电阻值很高，导电性能差。

上述原因使得故宫地区土壤电阻率相对较低，为雷电流提供了一个良好的泄放通道，和恶劣天气的影响下就容易发生雷击事故。

1.故宫建筑雷电防护概况

故宫古建筑保护中提出防雷项目是在1955年。针对故宫建筑群特色，分别在1957、1958、1960-1965、1984、1990等时间给故宫主要高大建筑安装了避雷针、带。1991年故宫制定了《北京故宫博物院建筑物防雷规程》，详细说明了故宫建筑物防雷的总体规划、防雷设计守则及维护管理办法。1993年国家文物局避雷装置安全检测站设立在故宫古建部，对防雷装置实行年度检测，实时排除安全隐患。经过几代故宫人的不懈努力，至2000年，故宫大部分建筑都安装了防雷装置，这些装置防护效果良好，达到了预期目的，平安渡过了五十余年。现有的避雷针、避雷带混装，以带为主的避雷设施，在一定程度上保护了建筑遗产的安全。

2.故宫建筑群特点及其防雷设计体系的局限

2.1故宫建筑群特点

故宫古建筑群包括有高至38米的午门，低至3米的矮小房屋，大小不等的单体建筑又构成错落有致的院落群体；有以太和殿为首的处于空旷广场之上的高大单体建筑，也有绿化面积占故宫总面积7.6%的乾隆花园、御花园等（图1）。

2.2故宫建筑群防雷设计体系的局限

以东六宫和西六宫多数院落为例，现有接闪器为安装在最高殿座正脊两端吻兽上的避雷针，院落内其他建筑再无接闪器。设计之初仅装设两支避雷针的依据是优先考虑较高建筑物的防护，在满足当时设计规范的要求下，雷电防护范围已经可以包含整个院落。

历史记载，清宫在光绪三十三年十二月底引入了电灯。1925年故宫博物院成立后，电话及其他用途用电设备的线路又陆续引入建筑物内。室内最早固定电线采用瓷夹板、瓷柱、瓷瓶等构件，管线明、暗敷设的方式。故宫古建筑群内的基础设施没有预先埋设，都是随着使用需求逐步实现的，因此强、弱电线缆多数沿墙、沿建筑物明敷设，进入到室内后也是大量敷设在墙上或顶棚内外，为保护木构架建筑，多数使用金属线管，另外装修时还使用了大量的金属物。随着办公系统自动化程度的提高，资料存储等工作更多的依赖于电子信息系统，因此增加了大量的电子信息设备。以上这些金属管线和设备的增多，都大大增加了建筑物遭受雷击的风险。

故宫内现有避雷针、避雷带的安装方式多为以下3种情况：

（1）有正脊的殿宇，在正脊两端的吻兽上各有单支避雷针

（2）四角攒尖的屋顶有单支避雷针

（3）部分建筑的正脊和檐头敷设有避雷带。

（4）金属屋顶和屋面上的金属饰物，被充分利用作为接闪器。

故宫现还有大量的避雷装置线路隐蔽在筒瓦下，一定程度上保持了古建筑物原有的风貌。但随着日益改变的天气条件，《建筑物防雷设计规范》要求的不断更新和提高，行业、地方标准的出台，现有的防雷体系已经不能满足现行规范要求，达不到防护水平，这就需要重新对建筑群进行综合防护考虑，对防雷装置进行更新和改造。

现阶段，故宫内各单体建筑的接闪器防护范围均通过滚球法计算。滚球法确定保护范围有以下5种情况：单支避雷针、双支等高避雷针、双支不等高避雷针、避雷带、避雷带和避雷针结合。针对不同的类别，计算得出的接闪器保护范围只针对每个单体建筑，相对于古建筑群而言，每一院落防雷整体工程是需要进行区域总体综合考虑的。

防雷装置施工图设计的绘制有如下5点要求：

（1）建筑外部防雷设施主要图纸由接闪器布点、引下线敷设、屏蔽以及接地装置平面图组成。

（2）将接闪器的布设位置在立面图中绘制出来，主要突出接闪器。

（3）雷电防护的危险区域需要在图纸上明确表示。

（4）雷电防护范围图上要绘制示出接闪器所在建筑物的部位以及高度。

（5）雷电防护范围由垂直保护范围图和水平保护范围图组成。

如果能够达到以上所述完整的设计要求，对于防雷装置和防护范围的表示也只是局限于二维平面图和立面图上的点、线（图2）。单体建筑或建筑群用滚球法计算防雷保护范围的结果，用传统图纸和文字的表示方法，令非防雷专业人员不容易看出防雷设计是否有布设方面缺陷。布设如若遗漏，势必增大建筑群造受雷电灾害的可能；而重复布设，不但会造成经济上的浪费，而且影响建筑整体美观。

3.故宫建筑群防雷模拟展示

3.1故宫文华殿区避雷装置及检测数值

故宫文华殿区避雷装置现状如下（图3）：文华殿东西两端吻兽上各有一支避雷针，正脊一根避雷带，西侧一根避雷引下线；后殿东西两端吻兽上各有一支避雷针，正脊一根避雷带，西侧一根避雷引下线；文渊阁东西两端吻兽上各有一支避雷针，正脊一根避雷带，东侧一根避雷引下线。

国家文物局避雷装置安全检测站在每年雨季来临前（4～5月）要对故宫内所有防雷装置进行检测，现有2012年的检测数据如下（表1）。

3.2建筑群防雷模拟展示的研究

目前，雷电防护设计不足以综合评估建筑群整体防雷保护效果。为解决这一问题，选取文华殿区为示范单元，在三维虚拟现实开发平台上，用现场采集的建筑物基础数据进行三维建模，将防雷装置数据以1：1尺寸建立到虚拟场景中，最后以三维模拟方式展示此区域防雷体系，从而多角度直观的反映出雷电防护范围，从中找出防护不足。

3.2.1项目研究的步骤

对于此项目的研究按照以下4个步骤逐一进行：

（1）获取文华殿区建筑物及防雷装置的基础数据。

通过现场测量采集基础数据（使用的仪器有：全站仪、激光测距仪、基本测量工具、单反数码照相机等），对现场环境进行细致、大量的拍摄，场景说明照片能够在建筑物三维建模时减小误差，使建筑物细节还原的更加准确。

防雷装置基础数据在二维图中有信息参数技术支持。点击任一装置的点或线，其相关信息便可读取出来（图4、图5）。

（2）文华殿区建筑群三维建模。

用现场采集的建筑物基础数据进行三维建模。

（3）生成雷电防护范围三维模型。

单根避雷针的保护范围如同一座尖顶的圆锥形帐棚，又像一把撑开的伞，在这个圆锥体内部空间，就是避雷针的安全范围。而多支避雷针的保护范围就需要通过计算体现出多个“圆锥体”的结合。将文华殿、主敬殿、文渊阁的建筑高度和各自接闪器高度的数据带入“滚球法”公式，通过CAD软件程序的解算，得出区域的雷电综合防护范围，同时生成三维模型（图6）。

（4）防雷体系模拟展示。

将雷电防护范围的三维模型和建筑三维模型进行叠加。用与建筑群对比强烈的颜色来表示雷电防护范围，还可任意角度观看（图7、图8）。

图中的蓝色区域即为避雷装置的综合防护范围，被蓝色区域覆盖住的受到避雷装置保护，反之，在蓝色区域外的便不被保护。这种雷电防护范围的三维展示方式更加直观，一目了然。

3.2.2项目研究发现的问题

通过防雷体系模拟展示，发现文华殿区防雷装置现状已然不满足当前防雷安全要求。高大的树冠甚至部分树身已经超过避雷针的防护范围，建筑本体也有大部分露在防护范围之外（图9）。如遇雷雨天气，完全不受避雷装置保护的部分遭受雷击的可能性更大。

高大或孤立的树木容易遭受雷击，而故宫院内古树众多，雷击一旦发生，不但会对古树本身造成直接伤害，轻则树皮被剥落，重则引起火灾，还会严重威胁到附近古建筑和人身的安全。雷电波侵入还会影响到建筑内部使用的强、弱电设备，轻则失灵，重则导致设备直接损毁。如果雷电防护不完善，势必会造成直接经济损失。

文物保护单位工作人员可借助此种展示手段，及时采取补救措施，保证文物建筑群内的任一建筑或树木的安全。此方法还可以确定经济合理的防雷方案，不但为树单独做防护措施，还能提高建筑物上的避雷装置等级以扩大防护范围。

3.2.3研究项目的意义

（1）雷电防护范围的模拟展示相对于传统平面表示方法更具优势，表2便是对上述两种方法的简单归纳总结对比。

（2）将建筑本体和防雷装置在内的所有相关信息都纳入到此平台中。点击任意防雷装置，其基本信息都可在相应菜单中显示，还可以将避雷装置独立或者综合的保护范围展示出来（图10、图11）。相对于平面表示来讲，在查询数据资料的时候可以更加快速准确。

（3）借助此种展示方式，可以将建筑群原貌和添加的防雷保护范围对比查看（图12）。通过单体建筑防护范围和建筑群防护范围的对比，找出综合防雷体系在古建筑群中的应用。

3.2.4项目研究需要改进之处

在进一步研究开发的过程中，准备配合防雷体系三维展示，依据《建筑物防雷设计规范》的滚球法，结合古建筑群特殊参数，找到一种更适合古建筑防雷范围的计算方法。进一步开发研究虚拟现实开发平台的实时解算功能，实现防雷区域的快速计算。

4.故宫建筑群防雷体系整体评估及预期设想

通过故宫建筑群防雷体系模拟展示，可以直观看到现阶段防雷体系缺失的具体位置。

文物保护是千年大计，防雷方案应在符合国家及行业标准的基础上，参考国际先进标准拟定，防雷设备选型必须充分考虑文物建筑的防雷安全，其所使用的保护性防雷产品应以可靠性为前题并同时具有耐久性，力求将其遭雷击受损的概率降至最低。

现阶段，设计人员依然通过图纸方式完成防雷设计工作，与此同时，审核人员也在以识图的方式，凭借丰富经验断定防护范围是否满足要求。如果在设计和审核的过程中，借助建筑群防雷体系三维模拟展示的手段，就可以及时纠正设计不足，又可以帮助审核人员节省时间，完善设计要求。而对于雷击风险评估，非防雷专业的决策者们也可以通过直观的三维展示，充分理解评估结论，以便方案的进一步深化和通过。

《中国文物保护古迹准则》中第6.1条中指明：文物古迹的记录档案也是它们价值的载体，真实、详细的记录文件在传递历史信息方面与实物遗存具有同等重要的地位。监测检查记录包括对建筑物避雷安全设施等进行定期检测的记录。

目前，文华殿区没有雷击计数器，历史上也没有遭受雷击的记载，但并不能就此判定区域内没有落雷历史。建议增加文华殿区防雷装置，补充文华殿东侧引下线一根、文华殿后殿东侧引下线一根、文渊阁西侧引下线一根。并在6根引下线上都加装雷击计数器。通过对雷击计数器的技术革新，使其在雷电流经过时，能够记录下瞬时电压、电流等基本数据，并通过传感器将数据即时回传到监测中心，以便相关工作人员记录。通过雷击计数器的瞬时电压、电流峰值，可以精确判断出接闪的避雷针。如果故宫可以大面积展开防雷体系三维模拟展示，并且增补适当位置的雷击计数器，系统详尽的数据就可以对故宫内雷电活动的情况起到记录作用。通过长时间的观测记录，也可判断出故宫内雷电活动频繁地带，由此引起文物保护人员的重视，继而断定避雷装置是否需要更换或者增补，防患于未然。

5.古建筑群防雷体系三维模拟展示的推广与应用

防雷体系模拟展示，有助于完善遗产地古建筑群防雷保护工作。遗产地根据防雷监测数据，可提出防雷工程整改意见和任务书，直至防雷改造工程的完工验收，都离不开防雷体系模拟展示的指导。防雷改造工程流程图见图13。

如果模拟展示能够应用于防雷相关行业，一定会给遗产地的监测工作和行业技术的提升带来质的飞跃，真正做到既能有效保护文物建筑，又避免过度安装防雷装置对文物建筑带来的不利影响，体现在安全前提下的最小干预的原则。

参考文献：

［1］白丽娟.故宫博物院古建筑防雷保护工作的回顾.故宫博物院院刊.2005：121.

［2］尚国华、芮谦.紫禁城宫殿采光和照明的发展.中国紫禁城学会论文集.第二辑.

［3］中国文物古迹保护准则

［4］GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》（2011年版）