故宫古建筑防火的传统科学方法
周 乾
（故宫博物院 故宫学研究所，北京 100009）
位于北京市中心的故宫又名紫禁城，在历史上曾经是明清帝王居住及生活场所。故宫拥有数量庞大的宫殿建筑群，且构造组成以木材为主。从古建筑保护角度而言，由于木材具有易燃特点，因而，防火为故宫古建筑保护的重要内容。有研究表明：紫禁城自建成至今的600余年里，遭受火灾近60次。［1］在长期与火灾斗争过程中，紫禁城的历代保护人员积累了丰富的方法，其中不乏科学的内容。从研究现状而言，部分学者探讨了故宫古建筑的传统防火方法，［2-6］但对其中科学内容的归纳分析，相关研究则相对较少。本文基于现有成果，开展故宫古建筑传统防火的科学方法研究，相关成果可为我国古建筑保护提供参考。
水是古人灭火的常用物质，而故宫古建筑灭火用水源主要来自于内金水河与铜（铁）缸。
（一）内金水河
故宫内有一条蜿蜒流动的长河，被称为内金水河，其名称与天安门前的外金水河对应。内金水河之水源自北京西郊的玉泉山，从故宫西北角楼附近的水关进宫，沿着故宫西段城墙，由北向南流至西华门附近，而后转折向东流，经武英门前，穿过断虹桥，再向东横跨太和门广场（见图1），尔后向北流动，再转至东向，流经文渊阁前，继而向南流动，从东华门附近的水关出宫，汇入东华门外筒子河。该处河水向南流入菖蒲河（全长约600米），再向东流向玉河，并由玉河向南流向前三门护城河（位于内城南面），最后汇入京城的东部通惠河。故宫内金水河的总长约为2.1千米，深度为4 米左右，河两边的侧壁及河底均由条石铺墁而成。不同区域的宽度并不相同，最宽处接近12米，而最窄处几乎不超过2米。河水或露明，或在地下流动。蜿蜒流动的河水不仅增加了故宫的灵气，而且可产生良好的建筑艺术效果。
图1 太和门前的内金水河
内金水河的功能非常丰富，而其重要功能之一则是提供灭火的水源。［7-8］如前所述，故宫古建筑数量多，且多由易燃木材建造而成，无论是人为用火不慎还是雷电作用，均容易诱发火灾。建筑一旦失火，则需要充足的水来灭火。尽管故宫内有数十口水井，但其分布较散，不能为故宫宫殿的救火提供充足的水。内金水河的布置在一定程度上可缓解该问题。内金水河在故宫内呈弯弯曲曲状平面布置，其主要原因就是为了充分接近部分宫殿，以利于及时提供救火的水源。明人刘若愚在《酌中志》之 “大内规制纪略” 有类似记载：
“是河也，非为鱼泳在藻以资游赏，亦非故为曲折以耗物料，恐意外回禄之变，此河实可赖” 。［9］在这里， “回禄” 意即火灾。不仅如此，书中还说明了宫中井水不足以用于救火，因而内金水河水具有必要性：
“又如天启年，一号殿哕鸾宫被灾者二次，如只靠井中汲水，能救几何耶？疏通此河脉，诚急务也” 。［10］书中还列举：明天启四年（1624）午门以南的六科廊火灾、天启六年（1626）武英殿以西的油漆房火灾，均为用内金水河之水灭火。其中，六科廊灭火用水源于太和门前内金水河，油漆房灭火用水源于武英门前内金水河。［11］
内金水河水用于火灾扑救的用途，还可见于清代史料。如据《光绪朝上谕档》记载：光绪十四年（1888）十二月十五日的夜间，因为值班的护军用火不慎，引燃贞度门。火势顺着夜风，迅速蔓延到贞度门以西的太和门。［12］光绪帝师翁同龢撰有《翁同龢日记》，其中较为详细地描述了救火过程：他于十六日清晨得知太和门失火，便连忙蹬车进宫。他看到贞度门的门罩已被烧毁，立柱正在燃起熊熊大火，立刻叫人隔离火道，但火班人员无人应答。而太和门广场前的内金水河面，有火班人员正取水救火。但由于时值隆冬季节，河水早已结冰，且缺乏消防预案，因而火班人员凿冰一尺深，才取到水，并利用水龙（一种机械的灭火设备）灭火。十二月十七日，火势被阻断在昭德门。而在此次火灾中，贞度门、太和门、昭德门均被烧毁。尽管取水过程曲折，但是内金水河之水用于灭火的功能可见一斑。［13］
另乾隆四十一年（1776）建造的文渊阁，也考虑了利用金水河之水防火。文渊阁是乾隆帝用于贮藏《四库全书》之场所，乾隆帝在对其进行选址时，将建筑位置确定在文华殿区域的北部。建筑门前十米即有内金水河穿过。此处的内金水河主要作用包括两个方面：其一是提供了丰富的消防水源，一旦建筑失火，有利于及时取水扑火；
其二是阻隔火势蔓延，文渊阁南面为文华殿，一旦文华殿失火，由于有内金水河相隔，因而不易蔓延到文渊阁。［14］
（二）铜（铁）缸
水缸是贮水设施。故宫中轴线及内廷区域的部分建筑，距离内金水河、水井等水源较远时，建筑前则会安放水缸（见图2）。水缸存贮满水，为的是建筑遭受火患时，及时提供水，以利于扑灭火势。清代史料中， “缸” 通常被称为 “海” ，寓意可存储很多水。据光绪朝《钦定大清会典三》卷九十五之 “内务府·掌关防处” 载：
“紫禁城各处安设镀金海共十八口，大铜海二十二口，大铁海四口，中铜海一百五十二口，小铜海八口，小铁海一百四口；
共计三百有八口” 。这说明至光绪时期，宫里的缸种类较多，按口径可分为大缸、中缸、小缸三种，按材质可分为铜镀金缸、铜缸、铁缸三种，共有三百零八口。重要的宫殿门前，安放鎏金铜缸，而铁缸常见于前朝区域的广场地面或后宫院落内。另根据故宫博物院院藏档案（编号：19510340z）记载，1944 年，日军拉走铜缸六十六口，用于熔铸成枪炮。目前，故宫存缸二百余口。
图2 太和殿前铜缸
故宫宫殿用金属制作水缸，而不用其他材料，其主要原因与五行相生之 “金生水” 理论有关。如《春秋繁露》卷十 “五行对第三十八” 载 “木生火、火生土、土生金、金生水”［15］。而之所以 “金生水” ，其主要原因在于，古人认为金属矿物多与水并存。如先秦古籍《山海经》之 “南山经第一” 载 “其首曰招瑶之山，临于西海之上。多桂多金玉” （金属矿石位于西海之滨）， “涿水出焉，而南流注于虖勺，其中多黄金” （涿水河中有很多金沙）。［16］又如先秦古籍《管子》之 “地数七十七” 载 “而葛卢之山发而出水，金从之……雍狐之山发而出水，金从之” （葛卢山、雍狐山之山洪过后，露出金属矿石）。［17］另根据《总管内务府呈皇极殿添安置铜缸约需铜斤工料清单》（中国第一历史档案馆，奏案05-0317-092）记载，宫中大铜缸的口径可达五尺（约1.6米），烧造时需费铜五千余斤。如此大体积的铜缸，为消防用水提供了较为充足的保障。
为保证一年四季缸内有足够存水，宫内采取了多种措施。如乾隆时期的《钦定宫中现行则例》（第一种）卷三 “安设” 载：
“凡宫内等处所设铜缸、铁缸，每逢小雪节，首领太监等安设缸盖、缸套，酌量天气寒暄熏火化冰。至开年惊蛰节，撤收。其大铜缸一口，每日用黑炭四斤；
小铜缸一口，每日用黑炭三斤；
俱自十一月初一起，至次年二月初一止” 。［18］上述内容说明，每年冬季冰冻时期，会有太监专门安设缸盖、缸套，并在缸底生火，主要目的是防止缸中的水结冰，或者用于及时除去缸里的冰块。
宫中水缸对灭火的作用，可由嘉庆二年（1797）乾清宫火灾反映出来。据《史料旬刊》载：嘉庆二年十月二十一日酉刻（17 ～19点），太监郝世通因用火不慎，将未完全熄灭的木炭倒在乾清宫东穿堂楠木格旁，引燃乾清宫。内廷后三宫之乾清宫、交泰殿被毁，而坤宁宫被保住了。火灾后，乾隆帝对失职太监进行了处罚，也奖赏了 “竭力汲水救护” 的有功人员。而内廷后三宫处于紫禁城中轴线北部区域，距离内金水河、井亭等水源位置较远，因而救火人员使用的水源，最大可能是宫殿附近的缸中水。［19］
由于砖石材料不可燃，因而故宫的古建筑在营建或修缮时，采用了砖石砌筑的防火墙、砖石房，以隔离、阻断火势。
（一）防火墙
防火墙为故宫古建筑防火的重要科学手段。故宫里的历代工匠基于长期的防火经验，积累了利用防火墙隔火的方法。防火墙就是能阻断火势的墙体，故宫内的防火墙均为砖墙砌筑。其隔火的主要原理，即利用粘土材料的不可燃性，形成一道高大厚实的屏障，以阻挡火势蔓延。故宫里面的防火墙形式较为丰富。分割建筑空间的隔断墙、院落之间的院墙、硬山屋顶类建筑的山墙，以及封后檐墙等，均为防火墙做法。［20］
位于故宫中轴线核心位置的太和殿，其两侧的隔墙即为防火墙。太和殿的命运非常沧桑，自明永乐十八年（1420）初建以来，在历史上至少遭受过五次火灾，［21］而今天呈现在大众面前的太和殿，则是清康熙三十六年（1697），第五次复建后的建筑形制。太和殿在第五次复建之前，建筑两侧为木质的斜廊。史料之一即《皇城宫殿衙署图》显示，太和殿两侧为斜廊，经刘敦桢先生考证，约为康熙十八年（1679）绘制。［22］另据《康熙起居注》记载：康熙十八年的十二月初三，太和殿因火灾被焚毁。火灾起因为位于紫禁城西北侧的御膳房内6 名用火的太监因操作不慎，诱发大火。火势顺着西北风向南窜，越过了乾清门广场，依次穿过后右门、中右门，然后又因西风，火势沿着太和殿西侧的木质斜廊蔓延至太和殿，并烧毁太和殿及其东侧的木质斜廊。两年后，太和殿复建工程开工，木质斜廊被改成了当前的防火墙样式。［23］显而易见，这种防火墙的主要目的，是在太和殿周边建筑失火的时候，阻隔火势蔓延，达到保护太和殿的目的。
对于故宫内等级较低的长廊式庑房，为避免其中一间房失火而出现 “火烧连营” 的场景，亦设有防火隔断墙。以保和殿东西两侧的庑房为例：建筑总长约150 米，在纵向包含30 个开间（分为30 个部分），而每隔5 个开间则有一段厚达1.5 米的防火墙。各防火墙从地面到屋顶，将建筑划分为不同的 “独立” 区域，而任意区域失火时，不会殃及其他区域。为便于人员穿行于不同房间内，在建筑前檐设有廊子。而前述防火墙亦在廊内设置，但在适当位置留出券洞。券洞离门窗位置较远，不易导致火势蔓延。由上可知，防火隔断墙的设置，有利于发挥隔火性能。
故宫内有很多独立的院落，各院落在布局时，彼此之间有较高的围墙分割，起到了防火墙的功能。另各院落围墙之间的间距较宽，亦有利于阻止建筑物之间的火势蔓延。这种 “院墙式” 防火墙的布置，主要原因与火灾密切相关。据明人余继登撰《典故纪闻》记载：嘉靖十年（1531）正月辛亥（二十六日）， “大内东偏” （今南三所一带）的建筑失火，烧毁房屋14楹（ “1楹” 即两根立柱之间的建筑空间）。嘉靖帝召见并训诫大学士张璁：
“宫中地隘而屋众，且贯以通栋，所以每有火患” 。他认为大内东偏的火灾主要原因，即为建筑之间过于密集，引发火势蔓延。他要求扩大院落之间的间距，不同区域的建筑群以院墙相隔，且应学习南京各宫墙多用砖砌的做法，在紫禁城内建造宫墙或院墙时， “不用木” ，以满足隔火的需要。［24-25］易知，嘉靖已经发现紫禁城内房屋的间距过密，且多座建筑连在一起，容易诱发连串着火。另院墙防火的优势在于：若某个院落的建筑失火时，由于院墙有可靠的阻隔高度及距离，因而火源不会窜入另一个院落，且院墙之间较宽的空间也有利于灭火人员和车辆通行。
故宫内常见的一种防火墙形式，即为封后檐墙（又名封护檐墙或风火檐墙）。这种墙体位于建筑的后檐，施工特点为：墙体从地面到瓦底，均为砖墙砌筑，不开设门窗，也不让屋檐部位的檩、枋、椽子等木构件露明（见图3）。封后檐墙用于建筑等级较低的硬山、悬山屋顶类建筑，且这种做法源于雍正时期。据鄂尔泰等人撰《国朝宫史》载：雍正五年（1727）十一月二十三日，雍正帝视察乾清宫两侧的庑房时注意到，这种庑房不仅长、房间数量多，而且多为护军或太监使用，一旦在房屋内用火不慎，火星会窜到房檐，并殃及邻近建筑。［26］他下令：
“宫中火烛最要小心” ， “可将围房后檐改为风火檐” ，且对于宫中用火（做饭、取暖）的建筑，其后檐墙均改为风火檐墙，以减少或避免火灾发生。［27］封后檐墙的做法，由雍正首提。这种防火墙的科学性主要在于：屋内发生火患时，火势不会诱燃屋檐的木质构件，也不会窜入相邻的建筑。封后檐墙做法在紫禁城内应用后，逐渐在全国盛行，并形成了清代建筑施工的一种工艺做法。
图3 封后檐墙
故宫内硬山屋顶类建筑的山墙，亦具有防火功能。所谓硬山类屋顶，即建筑仅有前后两坡，且在山面（建筑的两侧面）有墙体从地面一直砌筑到瓦底，将山面的屋架封砌在墙体以内。［28］尽管均属于防火墙，硬山山墙与封后檐墙有着明显的区别：前者用于硬山类建筑两侧，且出现于明代；
［29］后者用于硬山、悬山类建筑的后檐，且出现于清代。硬山山墙的防火科学性在于：通过砖墙的阻隔，避免建筑外部的灾火蔓延至建筑内部。需要说明的是，硬山山墙的做法与徽州马头墙有相似之处。马头墙亦属于山墙做法，但是墙身高出屋顶，且露出屋顶以上的部分做成马头形状。马头墙的防火功能，较早见于1977年出土的《石碑记》载：
“视火墙一筑，足以御患于千百载者” 。［30］由此可知，防火山墙做法，在明代时期，就出现于宫中和民间。
（二）砖石房
相对木材而言，砖石一般不会燃烧。紫禁城里的工匠在长期与火灾斗争中，总结了用砖石代替木材的方法，建造了砖石房。砖石房的建筑特点为：核心材料为砖石，但表面被雕刻成木构件的形状，且配以油漆彩画，使得建筑的外观与邻近木结构建筑无异。故宫里的石头房有两种典型做法：一种是用于长廊式建筑，每隔一定距离，就有一间房被建造成砖石房，以利于隔火；
另一种是整个宫殿整体均为砖石建造，形成 “石室” 。［31-32］
第一种形式可见于后三宫东西两侧的庑房。后三宫位于故宫内廷的中轴线区域，由乾清宫、交泰殿、坤宁宫组成。龙光门、凤彩门、永祥门、增瑞门等4座门廊位于庑房区域，分别为乾清宫、坤宁宫与庑房的连接通道出口。这4座门廊的南边第一间房（图4中黑色标记部分），面宽约1.6米，进深约7.7米，外观与其他建筑无异，但墙体之上的檩、垫板、枋、斗拱、椽子、望板等构件均由石材雕刻而成。显而易见，这种做法，使得无论是后三宫还是两侧的庑房，何处着火，火势都不能互窜。
图4 石头房所在位置平面
勘查显示，上述砖石房的施工特点为：建筑四周均为墙体，不开设门窗；
墙体内部用碎砖填充至梁底标高；
墙体上方（即梁底至屋顶）的露明处，用石材雕刻成各种木构件的形状，并做出油漆彩画，使之与其他房间造型融合；
墙体上方的内部，则由砖砌筑成券拱形式，形成砖拱顶，来取代普通建筑所用的木制梁架；
砖拱顶的上方，则为灰泥及瓦面，且瓦面的露明做法与其他房间完全融于一体。易知，上述施工方式避免了各种木构件的使用，使得石头房隔火作用能够完全发挥出来。需要说明的是，这4处石头房由于历经时间长久，部分彩画外皮脱落，露出了石材芯。
由于建筑屋顶的椽子、屋檐的斗拱等构件无 “卷杀” 做法（ “卷杀” ，即建筑构件外表的端部做成弧线形式），由此可推测上述石头房的建造年代为清代。而根据史料记载，紫禁城后三宫区域在清代仅发生过一次严重火灾，即清嘉庆二年的乾清宫、交泰殿火灾。据故宫博物院编《史料旬刊》之 “嘉庆二年乾清宫失火案” 记载：时年农历十月二十一日傍晚，掌火太监郝士通因贪图路近，把取暖用炭盆放在乾清宫东面穿堂的楠木格子旁，未燃尽的木炭不慎诱发火灾。大火点燃乾清宫、交泰殿，并迅速穿过乾清宫两侧的木质斜廊向东西两侧配殿蔓延，且连交泰殿北部的坤宁宫屋檐也被熏黑了。［33］坤宁宫免受火灾的主要原因，不仅在于救火人员对乾清宫火势的及时扑救，还在于当时刮的是西北风，火势很难由南向北逆行蔓延至坤宁宫。
分析认为，在第二年的后三宫复建工程中，乾隆太上皇下令在上述四座门廊的南侧改建石头房，以防止火势蔓延，达到隔火目的。其主要依据有二：其一，乾隆感慨坤宁宫因 “幸赖西北风起” 并未严重受损，［34］因此隔火房更适合于设在南侧。其二，在火灾前，乾清宫有木质斜廊直接通向凤彩门、龙光门，坤宁宫有木质斜廊直接通向增瑞门、永祥门，且这四座门廊均为木质结构；
火灾发生时，这四座门廊均被引燃，并使得火势在北风作用下，向门廊南侧的庑房蔓延。在乾清宫重建工程中，为避免类似问题再次发生，木制斜廊被拆除，四座门廊与其南边的庑房之间，增建了石头房。
第二种石头房的典型代表，则为皇史宬正殿（见图5）。皇史宬位于故宫外东南角，今北京市东城区南池子大街136 号，距离东华门约500 米，为紫禁城的重要组成部分。皇史宬为明清帝王珍藏档案的场所。据《明经世文编》卷七十六记载：明弘治五年（1492）五月，大学士丘浚向嘉靖帝进呈，希望在文渊阁附近建造一座全砖石的建筑，来存放皇家档案，如实录、圣训、玉牒（帝王的家谱）等。这个建议得到了嘉靖帝的批准。［35］嘉靖十三年（1534）七月，皇史宬建设开工，两年后完工。［36-37］现存皇史宬由宬门、正殿、配殿、御碑亭等建筑组成，建筑外观的风格与紫禁城浑然一体，互为辉映。
图5 皇史宬正立面
皇史宬正殿的所有建筑材料均为防火材料。其中，建筑坐落于石质须弥座台基上，建筑底部亦为石质须弥座基座，基座之上为砖砌筑的墙体，墙体顶部的匾额、柱头、额枋、斗拱、椽子等构件均为石材雕刻而成，屋顶则为粘土质琉璃瓦。建筑南面设有砖石砌筑的券洞5 个，各个券洞均有厚重的实榻门。实榻门及门钉，均为石材雕刻而成。建筑东西外墙上，均开设高窗，窗户的边框及菱花纹芯，均由石材雕刻而成。砖墙四角设有石质角柱。由上可知，皇史宬正殿整体为砖石打造，具有良好的防火性能。
从建筑设计角度而言，皇史宬正殿的设计方法有利于防火。建筑底部的台基高达1.5米，使得广场地面有火源时，很难窜到上面。从建筑上部露出的柱头来看，建筑外观呈面宽9间、进深5间的高等级布局样式。而实际上，建筑内部为一个大通间，不设梁柱，因而又被称为 “无梁殿” 。这种内部设计方式，既增大了建筑内部使用空间，又避免了使用木质构件。为支撑屋顶灰泥、瓦件，殿内采用砖砌拱形顶的样式，即通过砖块之间的侧向挤压力来形成建筑的顶棚，并以此来代替木质屋架。殿内地面之上，有1.4 米高的须弥座式石台，石台上存放了150余个金匮。金匮内即为明清皇家档案。由于石台离殿内地面较高，因而，万一地面有火源，很难窜上至金匮。而金匮为龙纹鎏金铜皮包樟木做法，铜的耐热性较好，即使金匮外有火源，也很难殃及金匮内的档案。另建筑东西侧窗户底部距离地面达3米，如此高的位置，外部火焰是很难窜入的。不仅如此，紫禁城内普通宫殿建筑的窗户一般开设为南向以适应北京的风向特征，而此处的窗户却开设为东西向，因而，可以避免较大的风力进入，相应也减小了因风致火的隐患。上述砖石房的设计方法，使得皇史宬建成至今，从未遭受过火灾，匮内档案也未因火灾而受损。
需要说明的是，故宫内还有一座没有完工建筑，名为灵沼轩，其核心建筑材料为石材及钢铁（见图6），而其选材的主要原因是为防火。［38-39］灵沼轩位于紫禁城东六宫，又名 “水晶宫” “水殿” ，是一座钢与石质墙体混合承重的近代文物建筑。灵沼轩前身是始建于明代的延禧宫，在历史上曾经是嫔妃生活场所。延禧宫的建筑材料、建筑风格与东六宫其他建筑相同，但在历史上多次遭受火灾，而在道光二十五年（1845）五月二十二日火灾后，此处为一片废墟。宣统元年（1909），清政府决定在延禧宫废墟上建造水殿，其构造与布局设想为：建筑四周开挖水池，建筑坐落于水池中，而水池之水源于玉泉山；
建筑共分为三层，每层九间，另各层四角均设铁亭一座；
以铜为建筑框架材料，玻璃为墙体、地面材料打造宫殿；
进入殿内，俯身可赏鱼，且犹如置身玻璃世界；
隆裕太后取名为灵沼轩，俗称 “水晶宫” 。［40］不料因为清政府国力衰弱，此工程开工至1911 年清政府被推翻后停工，且直至今天，仍处于停工状态。而未完工的建筑，其选材方式与当初的设想并不相同，而是采用钢铁梁柱框架与石质墙体组合的构造方式。尽管如此，从防火角度而言，灵沼轩选用的石、铁等材料，比木材具有更好的耐火性。［41］
图6 灵沼轩正立面
故宫古建筑防火，不仅在于对建筑本身采取各种防火措施，还包括采用科学有效的灭火工具。在明清时期，紫禁城内不仅有传统的灭火工具，如水桶、钩子、云梯等，还有相对先进的灭火设备，可称为灭火枪。灭火枪可包括唧筒、水龙两种类型，均为通过机械作用出水。其中， “唧筒” 一词见于宋代《武经总要》中，该书之 “制度十二” 载：
“唧筒，用长竹，下开窍，以絮裹水杆，自窍唧水” ，［42］并配有示意图。
“水龙” 即水铳，其构造做法见于《远西奇器图说》。［43］该书由邓玉涵口授，明人王徵笔译，为介绍西方力学的早期著作。书中以图文并茂的方式，介绍了西方当时最为先进的灭火设备——水铳（水龙）。尽管灭火原理相同，但唧筒和水龙有着明显的区别。［44-45］
唧筒在清宫档案中又称 “激筒” ，如《雍正元年各作成做活计清档》载雍正谕旨：
“（三月）二十二日，府内取来小激筒一件。舅舅隆科多传：上曰照此小激筒样做四个，养心殿用” 。［46］故宫藏清代内务府制作的唧筒，外观为长竹节状（见图7），铜质。从构造上讲，唧筒可由外套筒、内套筒、活塞（皮质）、连杆、喷头、支架、阀门等组件组成。其中，内套筒从外套筒抽出后，唧筒总长度可达两米；
最上层内套筒的顶部，安装有喷头，为出水用；
最下层外套筒的底部开有若干小孔，主要用途为汲水；
阀门有两个，一个开则另一个闭，用于产生汲水、喷水压力。唧筒在使用时，往往配合以水桶。具体而言，唧筒支架立于桶中，便于救火人员汲水、喷水，桶中水由下层套筒底部孔中进入套筒内，并通过活塞运动喷出套筒，以浇灭失火建筑。唧筒汲水、喷水的基本原理为：套筒内活塞上行，筒内空气体积增大，气压力小于外部气压，进水阀门开启而出水阀门关闭，套筒汲水；
活塞下行，筒内空气体积减小，气压大于外部气压，进水阀门关闭而出水阀门开启，套筒喷水。唧筒为单人操作，射程可达二十余米，可满足普通宫殿建筑的灭火需求。
图7 故宫博物院藏唧筒
水龙又名 “激桶” ，且在清中期起，逐渐取代了唧筒。如清乾隆七年（1742）的《国朝宫史》卷八载， “乾清宫等处安设激桶六十五架，慈宁宫等处安设激桶十架，宁寿宫等处安设激桶十架” 。［47］故宫藏一座水龙模型（见图8），为内务府造办处制作，在构造上的主要组件包括：水箱（侧立面有 “水龙” 字样，底部有抬杠）、铜缸（位于水箱内，与水箱通过软管、阀门相连）、压梁、活塞、铁杆（2 根，上下向布置，分别与压梁、活塞相连）、阀门、将军柱、喷头等部件。其中，铜缸共有四个，每个均为圆柱体形，各铜缸间用软管、阀门相连接，两个用于补水，另两个用于喷水；
活塞位于铜缸内，由铜片与软皮制作而成；
将军柱用于连接压梁中部和水箱，犹如压梁的支点；
水箱底部有四根抬杠，便于救火人员搬运。救火人员使用水龙灭火时，通过上下向对压梁两端施加力，产生类似于等臂杠杆状运动的效果，使得铁杆带动活塞做上下向运动，带动铜缸内气压或大或小变化，并带动进水阀、出水阀开闭，进而产生汲水和喷水效果。另喷头可外接水管，使得水朝任意方向喷出，以利于准确扑灭火灾。
图8 水龙模型
唧筒与水龙具有相同的出水原理：通过人力操作，带动活塞产生机械运动，并产生汲水和喷水效果。然而，唧筒仅能单人操作，出水力较小，喷水射程有限，且方向单一；
水龙可多人操作，出水力大，喷水射程较大，且可以灵活地向多个方向喷水。唧筒纯粹通过手动外力来汲水、喷水，水龙则通过杠杆产生力矩（力×力臂），相应产生的作用力远大于前者。这是因为铁杆力臂远小于救火人员的力臂，在弯矩平衡的条件下，铁杆产生的拉（压）力远大于消防人员作用力。由上可知，水龙具有更高的灭火效率，机械化功能更强，操作也更方便。相应地，《远西奇器图说》高度评价了水龙的优点：
“火力正胜，人不可近” ， “不拘多高、多远，皆可立到” ，［48］认为只要有了水龙，五六人产生的灭火功效，胜似上百人提桶浇水灭火。
需要说明的是，上述灭火枪不仅仅具有科学性，还是古代中国对外交流的重要物证。如《远西奇器图说》里的水龙（水铳），即反映了明代东西方的机械科学交流；
而据《朝鲜李朝实录中的中国史料》记载：清雍正元年（1723），朝鲜使臣许远回国后，请奏景宗李昀，说在京师里看到了先进的水铳（水龙），希望在本国进行仿造。此建议获得了李昀的同意。［49］上述史料作为较早的文献记载，丰富了我国古代机械消防工具的历史文化内容。
科学的灭火离不开专业的救火组织。有研究认为，世界上最早的消防队出现在我国宋朝。［50］北宋时期，由于京城繁荣，商铺众多且密集，容易诱发火灾。为便于管理，宋仁宗赵祯即位后，采取了较为严格的防火措施，其中就包括消防队的前身——军巡铺。据宋人孟元老所撰《东京梦华录》载：
“每坊巷三百步许，有军巡铺屋一所，铺兵五人” ，即在当时的京城（汴京，今河南开封），每隔百米，设有军巡铺一座，有5 名救火官兵日夜巡逻；
“又于高处砖砌望火楼，楼上有人卓望，下有官屋数间，屯驻军兵官余人” ，即凡是在地势较高位置都建造有望火楼，有站岗士兵瞭望，而望火楼下有救火官兵上百人，随时准备出发灭火；
灭火工具种类丰富，有 “大小桶、洒子、麻搭、斧锯、梯子、火叉、大索、铁猫儿之类” ；
灭火由上述人员进行，不劳百姓。［51］明代紫禁城内灭火事项为禁卫军执行，且没有专职消防机构。如明永乐十三年（1415）正月十三日午门火灾，就是由禁卫军灭火。［52］清顺治起，紫禁城内开始成立专职的救火队伍，可称为 “皇家救火队” 。在清朝各个朝代， “皇家救火队” 的队员及救火管理措施逐渐完善，为科学灭火发挥了重要作用。［53］
顺治、康熙时期的 “皇家救火队” 主要为 “八旗火班” 。据《钦定八旗通志》载：顺治初年，八旗火班设立。［54］乾隆朝《钦定大清会典则例一》卷一百八，详细地说明了八旗火班设立之初的人员设定：设火班八处，每处均有满、汉、蒙三旗官兵值守，人数约90人；
一旦某处失火，一半官兵去救火，另一半则原地待命。然而，由于初期管理经验不足，八旗火班作用发挥不明显。如康熙十八年（1679）十二月初三寅时（凌晨3 ～4 点），太和殿失火，起因即御膳房内太监用火不慎，火势由御膳房延烧后右门、中右门，自太和殿西斜廊窜至太和殿。［55］同年十二月二十一日，康熙皇帝下令，处死引发火灾的六名太监，并下令加强对防火的管理。［56］
雍正年间，雍正帝加强了对 “皇家救火队” 的管理。据嘉庆朝《钦定大清会典事例二》卷八百六十三载：雍正元年规定， “八旗火班” 各旗救火官兵人数为70人，各班大臣、参领等官员要加强巡查；
雍正五年（1727）规定，给八旗火班之汉军旗添设马匹，以利于巡查；
雍正六年（1728）规定，夜间有紧急集合事项时，调动火班的兵丁需要 “呈递名牌” ；
雍正十年（1732）规定，设立 “火班” 八处，每处派参领1人，官员5人，领催5名，马甲45名；
同年规定，设立激桶八处，每处派参领1人，官员3人，领催3名，马甲27名。［57］另据《八旗通志》载：雍正五年（1727）还设立了 “防范火班” ，遇有紧急（火灾）情况时，值班之护军统领、司钥长等，于左翼门等二十三处护军，每处调2人，共46名协同内府值班官兵前往事发地点。［58］
乾隆时期， “皇家救火队” 的管理得到了进一步加强，并且有了 “队部” 。据《八旗通志》载：乾隆六年（1741）再次规定，八旗火班八处，每处满、蒙、汉各旗官兵轮流值守，设都统或副都统1人，参领2 人，参领以下官员 8 人，领催 8 人，骑兵 72 人；
发生火灾时，由一半官兵救火，另一半官兵值守。［59］另据光绪朝《钦定大清会典事例三》载：乾隆四十八年（1783）规定， “紫禁城内火班，原设步军校二人，步军四十名，护军八名，内务府马甲服役人四十名，銮仪卫校尉十名” ，在此基础上， “增设协尉一人，步军六十名，銮仪卫官一人，校尉二十名” ，且火班的 “队部” 设在造办处外的围房［60］（今故宫博物院工程管理处北长房，见图9）。
图9 火班 “队部”
嘉庆时期， “皇家救火队” 有了管理章程。如据《清实录》卷二九一载：嘉庆十九年（1814）设立了火班章程。该章程规定，宫内、圆明园需要火班官兵前来救火时，各官兵可直接携带激桶到现场扑救，无需等待主管激桶的官员到现场确认；
当需要开启宫门放行火班官兵时，由当日值班的乾清门侍卫中，指派2人开门引入，且无需等待主管激桶的官员到场；
乾清门其他侍卫原地待命；
如皇帝亲自去现场查看火情，乾清门侍卫须佩带弓刀，敬谨随扈。［61］又据《钦定总管内务府现行则例》记载：嘉庆二十四年（1819），火班章程进一步被完善，明确了火班官兵进门制度、各处激桶的存放管理方法等内容；
另增加了100名身体强健的披甲人（驻防士兵，等级低于八旗士兵）， “于操演技艺后演习激桶” ，以提升救火能力。［62］
光绪时期， “消防” 一词被正式使用。
“消防” 为日本语，在江户时代已开始使用。［63］我国较早使用 “消防” 一词，可见《北京市志稿》载：
“光绪二十九年（1903）七月，始于警务学堂附设消防科，拔选长警，专事训练” 。［64］据《清史稿》卷一百十九载：警政司下设消防队，习艺所员外郎1人任消防队总理；
另消防队还包括五品警官3名，六品、七品警官各6 人，八品、九品警官各 8 人。［65］光绪三十二年（1906），消防队改为消防公所，由京师警察厅管辖。［66］京师警察厅派消防队驻扎于紫禁城内，负责其消防安全，直至1924年故宫博物院成立。［67］
有研究表明：紫禁城在清代遭受的火灾次数远少于明代。［68］由于明代并没有专职的救火队，因而，清代成立的救火队起到不可忽视的作用。
故宫古建筑传统防火的科学方法主要包括：内金水河弯曲设计，以充分接近部分宫殿建筑，使之及时获取消防水源；
距离内金水河较远的宫殿区域多设有铜（铁）缸，可存储较充足的消防用水，以利于及时扑灭火灾；
隔断墙、院墙、封后檐墙、硬山山墙等不同形式的防火墙，以砖为主要建筑材料，均具有良好的隔火性能；
部分建筑以石头代替木材作为核心材料，建筑整体可产生良好的防火效果；
唧筒和水龙借助机械作用灭火，是清代紫禁城里先进的灭火设备；
清代紫禁城成立的救火队，通过不断完善，提升了火灾扑救能力。