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朝向+选材+结构,紫禁城里的采光“黑科技”

来源:科技日报2019-11-15 09:33

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  紫禁城是明清帝王执政和生活的场所,其建筑集我国古代优秀文化、艺术及科技于一体。从满足人们在建筑内部的日常活动角度而言,建筑内部采光是极其重要的保障。古代没有当今社会高科技手段的照明系统,如何最大程度地引进自然界的外部光源,则成为紫禁城建造者需要解决的重要问题。

  我国古代工匠具有丰富的智慧,他们采取了多个科学的采光方法,满足了建筑内部的采光需求。

  “坐北朝南”的布局有利于建筑采光。当建筑的门窗朝南开时,称为建筑的布局为“坐北朝南”。我国古建筑多为坐北朝南的布局,如先秦文献《诗经·小雅·斯干》记载,“哙哙其正,哕哕其冥。君子攸宁”,意思就是指只见正殿(北房)宽敞明亮,偏殿富丽堂皇,利于君王休息。紫禁城古建筑群中重要的宫殿均为坐北朝南,在建筑南侧通开门窗,北部则大部门为墙体,这种布局方式有利于建筑采光。太和殿南立面共有11个开间(开间即在长度方向上的柱距),每个开间均设有隔扇门或窗。当隔扇门及窗开启时,殿外的光线很容易照射进来。其地理学的主要原因在于:我国位于北半球,在亚洲的东部,太平洋的西岸,北回归线穿过我国南部。我国绝大部分领土在北温带,在这一广大地区,太阳多从东偏南升起,从西边落下。太和殿门窗朝南,可使更多的太阳光线斜射到殿内,以获得最多的采光量,且在夏季可避免太阳直晒,在冬季有利于避免西北寒风侵袭。

  屋檐起翘有利于光源的引入。紫禁城古建筑屋顶檐部向外挑出(一般为柱高的1/3左右),并略带上翘的弧度,形成优美的曲线,称为挑檐。这种曲线形屋面檐口上翘的做法,遮蔽阳光少,有利于建筑内部的采光。紫禁城古建筑挑檐做法与现代建筑挑檐有明显区别。现代建筑一般没有大的挑檐,太阳光透过窗玻璃直接进入室内,使室内明亮,但在夏季过量光线射入室内同时会带进大量热量,导致空调能耗的上升,且因为窗口亮度较高,给室内的人们带来直接眩光和反射眩光的干扰。

  相比而言,紫禁城古建筑的大挑檐阻挡了大量直射光经由门窗直接直射入殿内,少部分直射光射入建筑地面,经由地面漫反射到殿内其他地方。外部直射光经过挑檐的过滤和遮挡变得柔和。不仅如此,紫禁城古建筑挑檐做法在夏天有利于避免阳光在正午时间照入室内,而在冬天正午时分阳光则恰能照入建筑最深处,以获得建筑内部最佳的采光效果。

  这是因为,我国地处北半球,太阳光从南向北照射。因地球的南北两极并非垂直,而是与太阳有一定的倾斜角度,地球在围绕太阳公转时,太阳光线在南回归线与北回归线之间来回移动,四季阳光照射的高度角是不一样的。北京地区的太阳高度角夏季约为76度,冬季约为27度。屋檐往外挑出一定的尺寸,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,其照射到建筑内部,随着室外温度升高,太阳照射室内范围逐渐减小,正午时分,阳光几乎位于建筑正上方,其只能照射到檐柱外面。这样有利于避免室内光线过于强烈,且有利于避免室内过热;而在冬天早上时,阳光尚未照入室内,随着太阳角度升起,建筑内部逐渐接受光照,而到正午时分,阳光几乎正好射入了室内最内侧墙位置。这样有利于室内获得最佳的亮度,且有利于避免室内过冷。

  建筑内部的材料可反射光源。建筑材料对光照可产生明显的影响,古人利用反射率较高的材料将光线更加有效的引入建筑内部空间。如宋代范成大著《桂海虞衡志》载有:“土人以石灰圬壁,及未干时以滑石末拂拭之,光莹如玉”,意思是在建筑室内的墙壁上抹上滑石后,墙壁会闪闪发光;清代李渔著《笠翁偶集·居室部》载有:“石灰垩壁,磨使极光,上着也;其次则用纸糊,纸糊可使屋柱窗楹共为一色”,意思是用白灰粉刷墙面,再用纸糊,通过反光作用可增加室内的光线。紫禁城宫殿建筑的采光离不开光线在建筑内部的反射,而这种反射作用主要通过墙体和地面材料进行。

  紫禁城建筑内部有光润如玉的金砖地面、朱红的立柱和浅黄色的墙壁,其表面均有光泽,反射率较高;而建筑内部的青绿色的顶棚表面没有光泽,反射率低。前者经光斜向照射时,给人们以质感强烈的感觉,增加了建筑内部的亮度,且由于光影效果,构件表面会出现明暗变化,显出轮廓;后者当阳光照射到其表面上时,则给人们以质感平淡的感觉,表面会反射出较浅的漫射光。另外,光线射入建筑内部后,由于顶棚的反射率低于地面和墙面的反射率,所以投入建筑内部的光线方向是由下向上的,因而建筑内部的下方有着清晰的光影,便于帝后在其中的活动,而建筑内部的上方给人以柔和之感。这些来自地面的自下而上的光与来自其表面的漫射光,使得紫禁城建筑内部光线亮度适宜,达到视觉与感觉的完美相融。

  门窗是建筑内部采光的重要通道。紫禁城建筑的早期,门窗都是用纸裱糊的。宫廷里所用窗户纸质量上乘、采光及防风御寒效果好,糊饰门窗必须使用最好的高丽纸,因为这种纸张是一种用绵茧或桑皮制造的白色绵纸,这种韧皮纸制作出来之后,还会放到油里进行浸泡,一来是增加纸张的透光度,二来是能够进一步增加纸张的韧性。从清代康熙朝开始,随着社会的稳定,经济的发展,海关的开放,海上贸易得到发展,平板玻璃也随之输入我国,并开始使用于紫禁城建筑门窗上。

  养心殿成为紫禁城中第一个装上玻璃的宫殿。与高丽纸相比,平板玻璃不论在耐久性、透光率,还是美观上,都具有更好的效果。自此,紫禁城宫殿建筑中开始使用玻璃作为窗户的透光材料。玻璃的应用,大大地改善了紫禁城内的采光条件,更加有利于宫廷人员在建筑内部的活动。(周乾 系故宫博物院研究馆员)

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