朝向+選材+結(jié)構(gòu)，看紫禁城里的采光“黑科技”！

紫禁城是明清帝王執(zhí)政和生活的場所，其建筑集我國古代優(yōu)秀文化、藝術(shù)及科技于一體。從滿足人們在建筑內(nèi)部的日常活動角度而言，建筑內(nèi)部采光是極其重要的保障。古代沒有當(dāng)今社會高科技手段的照明系統(tǒng)，如何最大程度地引進自然界的外部光源，則成為紫禁城建造者需要解決的重要問題。

我國古代工匠具有豐富的智慧，他們采取了多個科學(xué)的采光方法，滿足了建筑內(nèi)部的采光需求。

“坐北朝南”的布局有利于建筑采光。當(dāng)建筑的門窗朝南開時，稱為建筑的布局為“坐北朝南”。我國古建筑多為坐北朝南的布局，如先秦文獻《詩經(jīng)·小雅·斯干》記載，“噲噲其正，噦噦其冥。君子攸寧”，意思就是指只見正殿（北房）寬敞明亮，偏殿富麗堂皇，利于君王休息。紫禁城古建筑群中重要的宮殿均為坐北朝南，在建筑南側(cè)通開門窗，北部則大部門為墻體，這種布局方式有利于建筑采光。太和殿南立面共有11個開間（開間即在長度方向上的柱距），每個開間均設(shè)有隔扇門或窗。當(dāng)隔扇門及窗開啟時，殿外的光線很容易照射進來。其地理學(xué)的主要原因在于：我國位于北半球，在亞洲的東部，太平洋的西岸，北回歸線穿過我國南部。我國絕大部分領(lǐng)土在北溫帶，在這一廣大地區(qū)，太陽多從東偏南升起，從西邊落下。太和殿門窗朝南，可使更多的太陽光線斜射到殿內(nèi)，以獲得最多的采光量，且在夏季可避免太陽直曬，在冬季有利于避免西北寒風(fēng)侵襲。

屋檐起翹有利于光源的引入。紫禁城古建筑屋頂檐部向外挑出（一般為柱高的1/3左右），并略帶上翹的弧度，形成優(yōu)美的曲線，稱為挑檐。這種曲線形屋面檐口上翹的做法，遮蔽陽光少，有利于建筑內(nèi)部的采光。紫禁城古建筑挑檐做法與現(xiàn)代建筑挑檐有明顯區(qū)別?，F(xiàn)代建筑一般沒有大的挑檐，太陽光透過窗玻璃直接進入室內(nèi)，使室內(nèi)明亮，但在夏季過量光線射入室內(nèi)同時會帶進大量熱量，導(dǎo)致空調(diào)能耗的上升，且因為窗口亮度較高，給室內(nèi)的人們帶來直接眩光和反射眩光的干擾。

相比而言，紫禁城古建筑的大挑檐阻擋了大量直射光經(jīng)由門窗直接直射入殿內(nèi)，少部分直射光射入建筑地面，經(jīng)由地面漫反射到殿內(nèi)其他地方。外部直射光經(jīng)過挑檐的過濾和遮擋變得柔和。不僅如此，紫禁城古建筑挑檐做法在夏天有利于避免陽光在正午時間照入室內(nèi)，而在冬天正午時分陽光則恰能照入建筑最深處，以獲得建筑內(nèi)部最佳的采光效果。

這是因為，我國地處北半球，太陽光從南向北照射。因地球的南北兩極并非垂直，而是與太陽有一定的傾斜角度，地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)時，太陽光線在南回歸線與北回歸線之間來回移動，四季陽光照射的高度角是不一樣的。北京地區(qū)的太陽高度角夏季約為76度，冬季約為27度。屋檐往外挑出一定的尺寸，使得建筑外部的陽光照射達(dá)到某種特定的效果：在夏天且早上溫度較低時，其照射到建筑內(nèi)部，隨著室外溫度升高，太陽照射室內(nèi)范圍逐漸減小，正午時分，陽光幾乎位于建筑正上方，其只能照射到檐柱外面。這樣有利于避免室內(nèi)光線過于強烈，且有利于避免室內(nèi)過熱；而在冬天早上時，陽光尚未照入室內(nèi)，隨著太陽角度升起，建筑內(nèi)部逐漸接受光照，而到正午時分，陽光幾乎正好射入了室內(nèi)最內(nèi)側(cè)墻位置。這樣有利于室內(nèi)獲得最佳的亮度，且有利于避免室內(nèi)過冷。

建筑內(nèi)部的材料可反射光源。建筑材料對光照可產(chǎn)生明顯的影響，古人利用反射率較高的材料將光線更加有效的引入建筑內(nèi)部空間。如宋代范成大著《桂海虞衡志》載有：“土人以石灰圬壁，及未干時以滑石末拂拭之，光瑩如玉”，意思是在建筑室內(nèi)的墻壁上抹上滑石后，墻壁會閃閃發(fā)光；清代李漁著《笠翁偶集·居室部》載有：“石灰堊壁，磨使極光，上著也；其次則用紙糊，紙糊可使屋柱窗楹共為一色”，意思是用白灰粉刷墻面，再用紙糊，通過反光作用可增加室內(nèi)的光線。紫禁城宮殿建筑的采光離不開光線在建筑內(nèi)部的反射，而這種反射作用主要通過墻體和地面材料進行。

紫禁城建筑內(nèi)部有光潤如玉的金磚地面、朱紅的立柱和淺黃色的墻壁，其表面均有光澤，反射率較高；而建筑內(nèi)部的青綠色的頂棚表面沒有光澤，反射率低。前者經(jīng)光斜向照射時，給人們以質(zhì)感強烈的感覺，增加了建筑內(nèi)部的亮度，且由于光影效果，構(gòu)件表面會出現(xiàn)明暗變化，顯出輪廓；后者當(dāng)陽光照射到其表面上時，則給人們以質(zhì)感平淡的感覺，表面會反射出較淺的漫射光。另外，光線射入建筑內(nèi)部后，由于頂棚的反射率低于地面和墻面的反射率，所以投入建筑內(nèi)部的光線方向是由下向上的，因而建筑內(nèi)部的下方有著清晰的光影，便于帝后在其中的活動，而建筑內(nèi)部的上方給人以柔和之感。這些來自地面的自下而上的光與來自其表面的漫射光，使得紫禁城建筑內(nèi)部光線亮度適宜，達(dá)到視覺與感覺的完美相融。

門窗是建筑內(nèi)部采光的重要通道。紫禁城建筑的早期，門窗都是用紙裱糊的。宮廷里所用窗戶紙質(zhì)量上乘、采光及防風(fēng)御寒效果好，糊飾門窗必須使用最好的高麗紙，因為這種紙張是一種用綿繭或桑皮制造的白色綿紙，這種韌皮紙制作出來之后，還會放到油里進行浸泡，一來是增加紙張的透光度，二來是能夠進一步增加紙張的韌性。從清代康熙朝開始，隨著社會的穩(wěn)定，經(jīng)濟的發(fā)展，海關(guān)的開放，海上貿(mào)易得到發(fā)展，平板玻璃也隨之輸入我國，并開始使用于紫禁城建筑門窗上。

養(yǎng)心殿成為紫禁城中第一個裝上玻璃的宮殿。與高麗紙相比，平板玻璃不論在耐久性、透光率，還是美觀上，都具有更好的效果。自此，紫禁城宮殿建筑中開始使用玻璃作為窗戶的透光材料。玻璃的應(yīng)用，大大地改善了紫禁城內(nèi)的采光條件，更加有利于宮廷人員在建筑內(nèi)部的活動。（周乾 系故宮博物院研究館員）