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紫禁城古建屋顶上 藏着这些绿色秘密

来源:科技日报2019-05-17 09:18

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  近年来,绿色建筑越来越受到人们的关注。绿色建筑技术注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化,能够最大限度地节约资源,是人与自然和谐相处的一种建筑形式。其实,在北京城中,有着近600年历史的紫禁城古建筑不仅雄伟壮观,也兼具保温、隔热、排水等功能,彰显着古人对绿色建筑的精益求精。

  通常,紫禁城古建筑屋顶的木板基层之上,会分层铺墁各种泥背,如护板灰、青灰、麻刀泥等等。泥背的导热系数和导温系数都比较小,厚度达30厘米的泥背层犹如给古建筑穿上了保暖服,使外界的温度变化很难影响到建筑内部。

  坡屋顶的形式则使得古建筑的屋面板与天花板之间形成了一个架空层。夏天,架空层可以拦截直接照射到屋顶的太阳辐射热,使屋顶变成两次传热,避免太阳辐射热直接作用在建筑内部,冬季,架空层的存在也使得室外的寒冷不能直接传入建筑内部,保证了古建筑的冬暖夏凉。

  我国古建筑风格的一大特色,就是屋檐特别是屋角的檐部常常向上翘起,故宫的古建筑也不例外。在宫殿的屋顶转角处,四角翘伸,形如飞鸟展翅,轻盈活泼。远远望去,建筑群中层层叠叠的飞檐更是营造出壮观的气势和中国古建筑特有的韵味。其实,这种挑檐做法不仅美观,还有着为建筑物保温隔热的功能——夏天,它有利于避免阳光在正午照入室内,冬天,正午阳光则恰能照入建筑最深处。这是因为,我国地处北半球,四季阳光照射的高度角并不一样。北京地区的太阳高度角夏季约为76度,冬季约为27度。通过挑檐做法,屋檐往外挑出一定的尺寸,就可以使得建筑外部的阳光照射达到某种特定的效果:在夏天且早上温度较低时,其可以照射到建筑内部。到了正午时分,阳光几乎位于建筑正上方,就只能照射到檐柱外面,使太阳的热量无法传入建筑内部,保持屋内的凉爽;在冬天,随着太阳的升起,建筑内部逐渐接受光照,到正午时分,阳光几乎正好射入室内最内侧墙位置,使得屋内暖意洋洋。

  紫禁城古建筑屋顶之“绿”,还表现为优秀的排水性能。紫禁城古建中的屋面不是平面型,而是采用曲面的形式,对应屋面的坡度是屋顶部位陡峭、屋檐部分平缓。这种曲面形式极其有利于屋顶排水。从瓦面层来看,其由底瓦与盖瓦组成,形成一道道瓦垄。底瓦又称板瓦,形状上凹,铺墁时上层瓦压下层瓦,使得雨水由上往下排出时,不会渗入到下面的泥背层;底瓦的两端由竹筒状的盖瓦连接,盖瓦内有着厚厚的铺瓦泥,对接缝起到了密封作用,并且使得底瓦层由上而下形成了一道道排水线。与此同时,曲面屋顶的坡度设置,使得雨水落入屋顶上部迅速下排,而到屋檐部位则水平向外排出。

  《周礼·考工记》形容这种屋顶坡度的做法为“上尊而宇卑,则吐水疾而霤远”。不仅如此,这种巧妙构造之法的功效与优势还表现在它的排雨速率与时间上。根据物理推算,曲面形的界面要比平面形的界面在排水时间上会更快些,并且不容易产生积水的现象,而紫禁城古建中屋顶的界面在弧度与角度的推算上,都十分得当。除此之外,紫禁城古建中的屋顶出檐深远,还有利于防止雨水对建筑内部木构件的侵蚀,保护其内部梁柱与斗拱构造的完好性。

  (周 乾 作者系故宫博物院研究馆员)

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