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古代建筑如何防火?

2019年4月15日,法国巴黎圣母院突遭大火,木质屋顶结构被严重损毁,这让古代建筑的安全问题再次成为社会关注的焦点。为什么古代建筑更加怕火?为什么扑救古代建筑火灾格外纠结?如何避免火灾带来的严重后果?让我们从消防专业的角度来回答这些问题。


全木制,更怕火


古代建筑失火往往更令人心痛,原因之一是建筑中可能保存有大量的珍贵文物。比如,古代最著名的因火灾导致文物损毁的案例应该是《晋书·五行志》中记载的一段:“惠帝元康五年闰月庚寅,武库火。是以累代异宝,王莽头,孔子屐,汉高祖断白蛇剑及二百八十万器械,一时荡尽”。东汉的重要文物、传世国宝以及传说中被历代君王保存了272年的王莽头颅,都因为这一场大火而焚毁。另一个原因则是古代建筑本身就是某种文物和文化的象征。比如,被誉为“韩国一号国宝”的崇礼门,一直是当地的地标式建筑,却也因为一次纵火和失败的灭火行动而永久损坏。

无奈的是,古代建筑偏偏更易着火。中国古代建筑通常以木质结构为主。马可·波罗和利玛窦来到中国时,首先感到惊讶的是木质建筑的数量之广泛,远超同时代的欧洲。对此,建筑史学家梁思成认为,我国古代工匠没有掌握石材垫灰技术(用类似石膏的东西填补石材缝隙,改进石材的局部受力条件),导致石材容易因受力不均而损坏,这是其中的技术性原因。而我国大部分地区高温多雨的气候条件也令保暖密闭的石质建筑难以流行。相反,木质建筑的最大优势就是通风。古代没有空调,要想舒适,首选木材。当然,木质建筑的缺点也显而易见,那就是不利于保暖和易发生火灾。保暖问题不难解决,我国大部分地区四季差异明显,冬季可采用火炉取暖。火灾问题就比较难办了,唐代之前的古代建筑保留至今者凤毛麟角,很多都是毁于火灾。

不过,由于加工工艺不同,即便是在全木制的古代建筑中,防火能力也有强弱之分。古代建筑的防火薄弱环节在哪里呢?我们常说“雕梁画栋”,“画栋”是热厚型材料,这种材料的特点是内部蓄热大,表面升温慢,所以点火困难。而“雕梁”就不同了,结构特点决定其内部的热损失小,大部分热量停留在表面,所以升温迅速,点火快。可见,木材的形态改变之后,其点火特征也随之发生了改变。2011年,福建法海寺发生火灾,焚烧后的废墟中仅剩几尊木制佛像矗立其中。可不要以为这是佛祖显灵,不过是因为雕成佛像的木疙瘩是热厚型材料,传热点火异常缓慢,因此才会在火场中幸存。如果木材经过木匠的修饰加工之后变成了热薄型材料,就很容易烧着了。一般情况下,容易点火的热薄型材料往往集中在天花板附近。古代没有天花板的设计,屋顶部多为复杂的榫卯结构,也属于热薄型材料,相对柱子而言更易着火。

既然防火最薄弱的环节集中在古代建筑的顶部,那么,把建筑的“天花板”抬高能不能起到防火的效果呢?这个方法不是没人想过。李善《文选》注引《汉书》曰:“柏梁灾,越俗有火灾,复起屋,必以大,用胜服之,于是作建章宫。”讲的就是汉太初元年 (公元前104年) 柏梁台发生大火之后,雄才大略的汉武帝想听取越巫的意见。越巫提出,火灾后新建起的宫殿必须规模更大,才能克制火灾,于是汉武帝批准修建了规模宏大的建章宫。且不管这是不是汉武帝奢侈的一个借口,单说这建议背后确实存在一定的理论依据。毕竟,空间越高大,起火处(一般是地面附近)距离顶部的热薄型材料就越远,且越不容易达到轰燃状态。只不过,这一原则仅适用于单层的宫殿建筑。对于普通的民宅而言,木材本身易燃的缺点导致我国古代建筑普遍以平面布局的合院建筑风格为主,以避开高层布局带来的火灾竖向蔓延隐患,但同时也会带来建筑布局紧密、缺乏充足的防火间距等一系列问题。

木材的另一项重要特征是会因为失水发生老化,老化的木材更容易着火。古代建筑火灾很容易发生重大损失,关键原因就是火灾负荷高(建筑中的可燃物多)、燃烧温度高且蔓延速度快。当燃烧放热超过水源的吸热能力时,救火行动就会失败,这是扑灭古代建筑火灾的主要难点。为什么韩国崇礼门的火灾救不了?因为建筑最终达到了轰然状态。所谓轰燃,是指天花板下的烟气层达到一定温度,向下的热辐射强度达到点火强度,让周围所有的可燃物都被瞬间点燃。此时,消防水根本达不到且覆盖不了所有的燃料表面,救火行动很难成功。这是所有高强度火灾无法扑救的关键,即消防水的吸热量不足以抵消燃料的放热量。

相对较粗的立柱属于热厚型材料,而在屋顶下方的横梁以及藻井等结构都属于热薄型材料,更易着火。

 (图片选自李乾朗的古代建筑画集《穿墙透壁:剖视中国经典古代建筑》)


除此之外,相比于现代建筑,古代建筑的火灾扑救总是格外纠结。因为救火行动可能造成比火灾本身更大的损失。比如,储藏钢琴的仓库是对水源高度敏感的地方,如果不加区别地洒水,有可能导致洒水损失超过火灾损失。同理,古代建筑往往保存有大量珍贵文物,这些文物怕不怕水,怕不怕常见的灭火剂?这都是需要全面衡量的问题。所以,消防队员在面临古代建筑火灾时,总是要小心翼翼地确认文物性质和储存地点,才敢投入充足的灭火力量。当然,这个确认过程最好提前进行。韩国崇礼门发生火灾时,消防部门与文物部门竟然交涉了50分钟之久才确定了救火方案,最终只能换来国宝轰燃坍塌的结果。现代消防工作,越来越重视火场的战略,什么火可以救,什么火需要救,什么火不能救,都需要应急指挥者在决策前考虑清楚。火场的过火损失与灭火损失,其实都是火灾损失,区别在于决策者的防护重点是什么,救人?拯物?减少社会影响?这些细微的目标差异, 都有可能导致不同的救火效果。

2008年韩国崇礼门大火


古代防火心理战


既然木质建筑这么容易着火,那古人有没有什么防火高招呢?

最流行的是压胜理论。所谓压胜,是求助于“厌胜之术”,又称魇镇之术,即使用法术诅咒或祈祷以达到制胜所厌恶的人、物或鬼怪的目的。按照我国传统的五行理论,水克火,所以厌胜总是使用和水相关的形象和概念,最典型的建筑结构是鸱吻和藻井。

在古代建筑房脊的两端有2个对称的、高高耸起的动物装饰物,形状像鱼又像龙,卷头缩尾,背插宝剑,张开大口衔着正脊,这就是鸱吻。在地方和民间建筑中,此类装物饰千变万化,以狎鱼、海马、鳌龟等各种形象出现。总之,都是兴云作雨的水中神兽,古人期望借助它们的神力来避火。1960年,在我国湖北省荆州市的沙市郊区发现了现存最早的纪年脊兽,瓦内壁刻有“元光元年” (公元前134年)字样,证明古人的这一防火策略最早可追溯至西汉年间。虽然鸱吻完全没有防火功能(所谓防雷功能也很牵强,防雷需要接地),但作为建筑的美学特征和古人避火的愿望寄托,其心理作用不可忽视,近似于现代的防火口号,时刻提醒人们注意防火。仔细一想,后世还真没有哪一种防火口号可以达到鸱吻这样深入人心的效果。

古代经典的消防语言:鸱吻

古代的消防语言:藻井

  

古代的二十八星宿中有一颗代表南方的东井星,被后人赋予了治水功能。因此,东汉的《风俗通》中写道:“井者,东井之像也,藻,水中之物,皆取以压火灾出。”大火需要用水扑灭,那么在建筑里面添加一块象征水源的藻井(以水藻型装饰物为特征的天井,也称作“覆海”)便成为古代大型室内空间常见的消防语言。显然,这种图案复杂的设计也没有阻火的效果(不仅不防火,藻井结构本身还是热薄型材料,反而更易着火),同样算是一种视觉提醒和心理安慰手段。

除了具体的建筑结构,古代还有一些有趣的防火禁忌体现在语言文字上,如“门不带钩”“取名带水”等,都是通过一种特定的方式来传达防火的意愿。再如,古代的一些口头语也可以看作防火禁忌,如用“失慎”来指代“失火”,用“走水”指代“走火”等。总之,要少提“火”字,以免冲撞火神,这些都可以看作是古代消防文化的一部分,是典型的心理战术。

除了心理战术,古代也有比较实用的防火办法,如阻火隔离,包括火瓦、火巷和防火墙等。在屋顶使用陶瓦代替茅草的阻火方法曾在中国古代多次出现,如唐睿宗景云元年至玄宗开元二年(710~714年)宋璟教人烧瓦改造店肆,唐宪宗元和初(806年)杨于陵教民陶瓦易蒲屋,宋仁宗天圣年间(1023~1032年)曹克明教以陶瓦,北宋政和年间(1111~1118年)杭州人史徽教烧瓦替代茅草修屋以绝火患……可见,在中国古代,人们花费了几百年的时间,才逐渐用陶瓦替换了草屋顶。在人类学家罗伯特·路威的眼中,用不易燃烧的陶瓦替换草屋顶是城市文明和进步的象征,欧洲也花费了数百年才做到这一点。

徽派建筑的特征——防火墙, 体现了古代民居的防火意识 (阻火隔离) 。


徽派建筑的典型特征——“青砖黛瓦马头墙”,其实也是为了防火。其中,“马头墙”也被称为“防火墙”。为什么徽派建筑会以防火墙而闻名?因为徽州的地理条件是“七山二水一分田”,有限的田地用来种庄稼,剩下的建筑用地少得可怜,人们只能密集居住,也就带来了火灾隐患。比山墙还高出一大截的防火墙可以限制火势的横向蔓延,因此得到推广,成为徽派建筑的典型标志。


现代防火重材料


既然古代建筑火灾的主要燃料是木材,那么自然要研究针对木材的防火技术,这其中就包括阻燃技术。早在春秋时期,人们就意识到阻燃的必要性。据清代沈自南《艺林汇考》卷二记载:“《演繁露·郡国志》曰:鸡陂之侧,即春申君之子假居之地也。后有守居之。以数失火,故涂以雄黄,遂名黄堂”。雄黄是什么?雄黄又称石黄、黄金石或鸡冠石,是一种含硫和砷的矿石,质软,性脆,通常为粒状、致密块状或粉末状,条痕呈浅橘红色。简单说来,雄黄就是一种无机盐填料,可以提高木材的导热系数,这样一来,火焰需要预热的燃料量增加,热损失增加,结果就是燃料表面点火更加困难。

顺着这种改变材料物理性质的阻火思路,人们又开发出了各种新型的阻燃材料,如脱水成炭催化剂、发泡剂、有机难燃剂等。主要目的有三:增加散热(如脱水成炭催化剂,可以通过改变热分解过程达到散热目的)、增加点火难度(如有机难燃剂)和进行物理隔离(如发泡剂,发泡后膨胀隔离氧气)。这些防火涂料可以局部改变材料的点火性能,达到延迟点火过程、降低发烟量以及降低发热效率等效果。但是,阻燃材料并不能改变燃料本身的发热量,且毒性和环保方面的评估也多有争议,因此是治标不治本的方法,推行起来困难重重。

既然防火涂料并不能从根本上上解决问题,那么另一种物理隔热的方法—利用石膏板来保护木材—就显得更为重要了。为什么石膏能够防火呢?

第一,石膏属于无机材料,具有不燃性。

第二,石膏的主要成分二水硫酸钙中含有两个结晶水,在脱水过程中吸热,分解温度在200℃~350℃之间。因此,遇到火情时,只有等其中的两个结晶水全部分解完之后,火焰高温才能使石膏的温度继续升高。在结晶水消耗完之前,石膏板背面的温度永远不会高于脱水温度,低于木材的燃点,可以很好地保护位于其后面的易燃材料。

第三,石膏产品属于多孔材料,其导热系数随密度的降低而降低,因此,石膏产品本身也可以当作保温材料使用。熟石膏遇水后发生水合反应,游离水蒸发后会在固化的石膏制品中留下大量孔隙而形成一种多孔材料。而在实际应用的建材领域,人们往往还会故意添加发泡剂(类似于肥皂的化学品)或发泡石(一种加热后膨胀的石头)让石膏的水合过程产生大量气泡,进一步降低石膏制品的密度,以便于加工。而且,多孔材料不仅能够防火保温,还能起到很好的隔音效果。这是因为石膏细孔的尺寸接近声波高频部分的波长,因此,这部分声波在细孔内发生共振,导致能量衰减。

常见木材的着火温度


由此可见,石膏建材适用于室内除了承重部件以外的顶、墙、地等多种区域,通过选用不同的品种和不同的结构,可分别满足防火、保温、隔声等功能要求。当然,其中最重要的还是石膏的防火特性,可以保护承重部件(如木材结构的大梁、高层建筑的承重钢材),避免温度急升,让建筑物在着火之后能支撑到专业消防队员赶来。目前,石膏板已是木质结构建筑的基本配置。在古代建筑的修缮和防火改造工程中,也可以根据不同的防火要求,选择适合的石膏板材。


初具规模的古代应急系统


虽然古代厌胜之术盛行,但“不怕一万,就怕万一”,看看紫禁城中硕大的“门海”,就知道古人也觉得自己的厌胜之术不靠谱。停水备火是古人最主要的消防应急对策,各类古籍多有记载,如东汉汉章帝建初年间(公元76~83年)廉范开火禁令储水,唐宪宗元和四年(809年)袁州李将顺筑防疏沟,北宋太宗至道年间(995~997年)疏李渠绝火灾,宋天圣年间(1023~1032年)曹克明激江水入城,北宋哲宗元祐四年(1089年)苏东坡开河以备火……这些停水之策,都还是灭火的初级准备,并不需要组织专门的消防队伍,是消防系统的初级阶段。

以故宫的门海为代表的古代消防对策——停水备火


此外,北京故宫的金水河、徽州宏村的水源管理、重庆市内的多处停水池、杭州的西湖,其最初的设计与管理都有防火的考量,算是古代消防系统的一部分。在缺乏消防工具(主要是投水手段,即消防泵浦)的古代,阻火和停水是最主要的防火手段。

更进一步,古人还会办消防队。公元1023年,宋仁宗赵桢登基后,降旨在京厢军中挑选精干军士,组成专事消防应急的机构—军巡铺。宋徽宗年间(1110年前后),张择端还把当时的消防组织画了下来,就记录在成为千古绝唱的《清明上河图》中。值得一提的是,当时的消防队位于古代的重点保护单位(如城门)和危险品仓库(彩虹桥码头)之间,离各主要服务地点的行动距离均等,交通四通八达,非常符合现代消防站的设置原则。

仔细看画中(下图),墙上的工具有两人高,属于比较长的工具。火场行动最怕火场辐射,辐射强度随着距离成平方衰减。所以,在火场行动使用长工具很有优势。再看看,院子里的那匹马是干什么用的?《东京梦华录》里说“每遇有遗火去处,则有马军奔报。军厢主、马步军殿前三衙、开封府各领军级扑灭,不劳百姓。”原来,驻扎在这里的军巡铺并没有管事的领导,一旦发生灾情需要快马加鞭跑去向领导汇报工作。那么,为什么这些队员都在打盹呢?因为火灾通常集中发生在某些特殊时段,通常是炊煮时间和夜深人静的时段。《清明上河图》画的是晌午时分,大家都比较清醒,因此,这些消防队员都无事可做。对消防工作者而言,无事就是好事。

北宋之后,地方上也开始出现一些零星的消防组织,并颁布各种与消防有关的条例规定。如,南宋绍兴二十八年(1158年)南剑州知府胡舜举创办水铺,开中国官督民办消防之滥觞,明万历四年(1574年)庞尚鹏制定《防御火灾事宜》,清初毛奇龄(1623~1716)著有《杭城治火议》,乾隆二十年 (1755年) 湖南巡抚陈洪谋《救火事宜十一条》等,都可以看作是古代消防系统组织灭火、防灾自救的管理办法。

《清明上河图》局部,院落内是大宋的官办消防组织——军巡铺。


多样化的现代消防对策


相比之下,现代的消防系统更加完善,消防策略也更加多样化,对保护古代建筑有特殊的安排。古代建筑通常分成两种,一种是装饰性建筑,如韩国崇礼门,除了建筑的形制(地标和象征作用)不再有其他功能;另一种是功能性建筑,如巴黎圣母院,仍然执行类似博物馆的功能。那么,我们该如何保护这些古代建筑呢?

2018年9月启动的故宫养心殿大修工程。排查火灾隐患、进行防火改造都是古代建筑修缮的重要一环。


最好的办法,当然是安装自动灭火系统,首选气体灭火系统。为什么不能用水?因为水对于建筑本身就是一种伤害,误发的火警、管道的泄漏,都会给古代建筑本身造成很大的损害,尤其是保存大量文物的功能性建筑。另外,由于古代建筑火灾蔓延特别快,有可能超出水源的扑救能力,所以以水灭火的系统不够可靠,不能保证灭火成功。相比之下,气体灭火系统存在多种优势。第一,响应灵敏,由于气体灭火系统多使用成本较高的感烟元件,比水系统普遍使用的价格低廉的感热元件更敏感,通常情况下,气体灭火系统的反应要比水系统提早2~3分钟;第二,没有水损,灾情解除后可以立即恢复正常;第三,只要响应及时,可在封闭空间内降低氧气和燃气浓度,保证灭火。然而,气体灭火系统的成本更高,对古代建筑进行全面保护存在很大的经济压力。

退而求次,可以增加早期报警。有专家曾经说过,一栋建筑的安全水平,取决于其与消防队的距离,距离越近越安全。此话不假,消防队是解决火灾问题的最终手段,消防队的响应时间往往决定了火灾后果的严重程度。为了保证消防队员及时到场,需要尽早提供可靠的报警。现代社会最大的问题,不是不报警,而是频繁误报导致相关人员忽视一些经常性的报警。在漏报与误报之间,存在一个可接受的平衡点,需要消防系统的设计者仔细权衡。

第三种办法是提高早期干涉的救火水平。火场失控,大部分原因是初次响应的人员没有正确应对。为了避免早期救援的手忙脚乱,对应急响应者的素质要有更高的要求。平时应通过演练、制定预案等方式提高关键时刻的灭火效率。

最后一种是后备办法,就是把建筑的形制按照正确的方式记录下来。大部分古代建筑的重要性体现在建筑的形制而不是材料上,如果形制能够保留,哪怕是重建的建筑(按照原来的工艺并保留一定数量的原件)仍然可以算作古代建筑。所以,复制并妥善保留古代建筑的形制,也是现代消防策略的一部分。尤其是装饰性建筑,如果能够妥善保留复制品和设计图,那么,古代建筑的保护压力和维护成本都将大大降低。今天的故宫一直在动态的维护修缮之中,但谁又能否认故宫的古代建筑价值和文化作用呢?


来源:《科学世界》2019年第08期

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