來源:科技日報

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。從滿足人們在建築内部的日常活動角度而言，建築内部采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系統，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，他們采取了多個科學的采光方法，滿足了建築内部的采光需求。

“坐北朝南”的布局有利于建築采光。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，“哙哙其正，哕哕其冥。君子攸甯”，意思就是指隻見正殿（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，北部則大部門為牆體，這種布局方式有利于建築采光。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内，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），并略帶上翹的弧度，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，有利于建築内部的采光。紫禁城古建築挑檐做法與現代建築挑檐有明顯區别。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内，使室内明亮，但在夏季過量光線射入室内同時會帶進大量熱量，導緻空調能耗的上升，且因為窗口亮度較高，給室内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内，少部分直射光射入建築地面，經由地面漫反射到殿内其他地方。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内，而在冬天正午時分陽光則恰能照入建築最深處，以獲得建築内部最佳的采光效果。

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，其照射到建築内部，随着室外溫度升高，太陽照射室内範圍逐漸減小，正午時分，陽光幾乎位于建築正上方，其隻能照射到檐柱外面。這樣有利于避免室内光線過于強烈，且有利于避免室内過熱；而在冬天早上時，陽光尚未照入室内，随着太陽角度升起，建築内部逐漸接受光照，而到正午時分，陽光幾乎正好射入了室内最内側牆位置。這樣有利于室内獲得最佳的亮度，且有利于避免室内過冷。

建築内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将光線更加有效的引入建築内部空間。如宋代範成大著《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”，意思是在建築室内的牆壁上抹上滑石後，牆壁會閃閃發光；清代李漁著《笠翁偶集·居室部》載有：“石灰垩壁，磨使極光，上着也；其次則用紙糊，紙糊可使屋柱窗楹共為一色”，意思是用白灰粉刷牆面，再用紙糊，通過反光作用可增加室内的光線。紫禁城宮殿建築的采光離不開光線在建築内部的反射，而這種反射作用主要通過牆體和地面材料進行。

紫禁城建築内部有光潤如玉的金磚地面、朱紅的立柱和淺黃色的牆壁，其表面均有光澤，反射率較高；而建築内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，增加了建築内部的亮度，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，光線射入建築内部後，由于頂棚的反射率低于地面和牆面的反射率，所以投入建築内部的光線方向是由下向上的，因而建築内部的下方有着清晰的光影，便于帝後在其中的活動，而建築内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，使得紫禁城建築内部光線亮度适宜，達到視覺與感覺的完美相融。

門窗是建築内部采光的重要通道。紫禁城建築的早期，門窗都是用紙裱糊的。宮廷裡所用窗戶紙質量上乘、采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，還會放到油裡進行浸泡，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，随着社會的穩定，經濟的發展，海關的開放，海上貿易得到發展，平闆玻璃也随之輸入我國，并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，平闆玻璃不論在耐久性、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内的采光條件，更加有利于宮廷人員在建築内部的活動。（周乾 系故宮博物院研究館員）

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