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朝向+選材+結構,紫禁城裏的採光“黑科技”
2019-11-15 07:41:11 來源: 科技日報
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太陽光線在金磚地面産生的反射 圖片來源于故宮博物院官網

  紫禁城是明清帝王執政和生活的場所,其建築集我國古代優秀文化、藝術及科技于一體。從滿足人們在建築內部的日常活動角度而言,建築內部採光是極其重要的保障。古代沒有當今社會高科技手段的照明係統,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,他們採取了多個科學的採光方法,滿足了建築內部的採光需求。

  “坐北朝南”的布局有利于建築採光。當建築的門窗朝南開時,稱為建築的布局為“坐北朝南”。我國古建築多為坐北朝南的布局,如先秦文獻《詩經·小雅·斯幹》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。紫禁城古建築群中重要的宮殿均為坐北朝南,在建築南側通開門窗,北部則大部門為墻體,這種布局方式有利于建築採光。太和殿南立面共有11個開間(開間即在長度方向上的柱距),每個開間均設有隔扇門或窗。當隔扇門及窗開啟時,殿外的光線很容易照射進來。其地理學的主要原因在于: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。我國絕大部分領土在北溫帶,在這一廣大地區,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,以獲得最多的採光量,且在夏季可避免太陽直曬,在冬季有利于避免西北寒風侵襲。

  屋檐起翹有利于光源的引入。紫禁城古建築屋頂檐部向外挑出(一般為柱高的1/3左右),並略帶上翹的弧度,形成優美的曲線,稱為挑檐。這種曲線形屋面檐口上翹的做法,遮蔽陽光少,有利于建築內部的採光。紫禁城古建築挑檐做法與現代建築挑檐有明顯區別。現代建築一般沒有大的挑檐,太陽光透過窗玻璃直接進入室內,使室內明亮,但在夏季過量光線射入室內同時會帶進大量熱量,導致空調能耗的上升,且因為窗口亮度較高,給室內的人們帶來直接眩光和反射眩光的幹擾。

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

  這是因為,我國地處北半球,太陽光從南向北照射。因地球的南北兩極並非垂直,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,使得建築外部的陽光照射達到某種特定的效果:在夏天且早上溫度較低時,其照射到建築內部,隨著室外溫度升高,太陽照射室內范圍逐漸減小,正午時分,陽光幾乎位于建築正上方,其只能照射到檐柱外面。這樣有利于避免室內光線過于強烈,且有利于避免室內過熱;而在冬天早上時,陽光尚未照入室內,隨著太陽角度升起,建築內部逐漸接受光照,而到正午時分,陽光幾乎正好射入了室內最內側墻位置。這樣有利于室內獲得最佳的亮度,且有利于避免室內過冷。

  建築內部的材料可反射光源。建築材料對光照可産生明顯的影響,古人利用反射率較高的材料將光線更加有效的引入建築內部空間。如宋代范成大著《桂海虞衡志》載有:“土人以石灰圬壁,及未幹時以滑石末拂拭之,光瑩如玉”,意思是在建築室內的墻壁上抹上滑石後,墻壁會閃閃發光;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的光線。紫禁城宮殿建築的採光離不開光線在建築內部的反射,而這種反射作用主要通過墻體和地面材料進行。

  紫禁城建築內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;而建築內部的青綠色的頂棚表面沒有光澤,反射率低。前者經光斜向照射時,給人們以質感強烈的感覺,增加了建築內部的亮度,且由于光影效果,構件表面會出現明暗變化,顯出輪廓;後者當陽光照射到其表面上時,則給人們以質感平淡的感覺,表面會反射出較淺的漫射光。另外,光線射入建築內部後,由于頂棚的反射率低于地面和墻面的反射率,所以投入建築內部的光線方向是由下向上的,因而建築內部的下方有著清晰的光影,便于帝後在其中的活動,而建築內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,使得紫禁城建築內部光線亮度適宜,達到視覺與感覺的完美相融。

  門窗是建築內部採光的重要通道。紫禁城建築的早期,門窗都是用紙裱糊的。宮廷裏所用窗戶紙質量上乘、採光及防風禦寒效果好,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後,還會放到油裏進行浸泡,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,隨著社會的穩定,經濟的發展,海關的開放,海上貿易得到發展,平板玻璃也隨之輸入我國,並開始使用于紫禁城建築門窗上。

  養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,紫禁城宮殿建築中開始使用玻璃作為窗戶的透光材料。玻璃的應用,大大地改善了紫禁城內的採光條件,更加有利于宮廷人員在建築內部的活動。(周乾 係故宮博物院研究館員)

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【糾錯】 責任編輯: 楊婷
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