朝向+选材+结构，紫禁城里的采光“黑科技”

太阳光线在金砖地面产生的反射图片来源于故宫博物院官网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...

太阳光线在金砖地面产生的反射 图片来源于故宫博物院官网

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）