{教育快讯}朝向+选材+结构，紫禁城里的采光“黑科技”

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故宫是明清两代皇帝居住和统治的地方，其建筑融合了中国古代优秀的文化、艺术和科技。从满足人们在建筑内部的日常活动来看，建筑内部的照明是一个极其重要的保证。在古代，现代社会没有高科技的照明系统。如何最大限度地引入来自大自然的外部光源，已经成为故宫建设者需要解决的重要问题。

中国古代工匠有着丰富的智慧，他们采用了许多科学的照明方法来满足建筑的照明需求。

“朝南”的布局有利于建筑采光。当一个建筑的门窗朝南的时候，建筑的布局就叫做“坐北朝南”。正如《诗经·潇雅四感》所记载的，中国古代建筑大多朝南。君子聚在一起”，意思是看正殿(北室)宽敞明亮，偏殿雄伟，有利于国王休息。故宫古建筑中的重要宫殿都是朝南的，建筑南侧开有门窗，而北面的建筑大多是城墙。这样的布局有利于建筑采光。太和殿南立面有11个开间(开间是长度方向的柱距)，每个开间都设有隔断门或窗。当门窗打开时，寺庙外的光线很容易进来。主要地理原因是:中国位于北半球，亚洲东部，太平洋西岸，北回归线穿过中国南部。中国的大部分领土位于北温带，太阳从东到南升起，从西落下。太和殿的门窗朝南，可以让更多的阳光斜射到大厅，获得最大的采光量。夏天可以避免阳光直射，冬天有利于避开西北冷风。

屋檐的上升有利于光源的引入。故宫古建筑屋顶的屋檐向外挑(一般约为柱子高度的1/3)，略呈上翘弧度，形成一条优美的曲线，称为挑檐。这种弯曲的屋顶檐口翘起方法可以遮挡较少的阳光，有利于建筑内部的照明。故宫古建筑悬檐的做法与现代建筑明显不同。现代建筑一般没有大的挑檐，阳光通过窗玻璃直接进入室内，使房间明亮。然而，在夏季，过多的光线进入房间并带来大量的热量，导致空色调的能耗增加，并且由于窗户的高亮度，给房间内的人带来直接眩光和反射眩光的干扰。

相比之下，故宫古建筑的大挑檐阻止了大量的直射光通过门窗直接进入寺庙，而少量的直射光进入建筑地面，通过地面漫反射到寺庙的其他地方。外部直射光通过挑檐的过滤和屏蔽而变得柔和。而且故宫古建筑挑檐的做法，有助于防止夏天中午阳光照射室内，而冬天中午阳光正好可以照进建筑最深处，从而获得建筑内部最佳的采光效果。

这是因为中国位于北半球，阳光从南向北照射。由于地球的南北两极不是垂直的，而是与太阳有一定的倾角，所以地球绕太阳公转时，太阳光线在北回归线和北回归线之间来回移动，四季阳光照射的高度角是不同的。北京的太阳高度角夏季约76度，冬季约27度。屋檐挑到一定尺寸，使建筑外部的阳光达到一定效果:在夏天和早晨气温较低的时候，照射到建筑内部；随着室外温度的升高，室内日照范围逐渐减小；中午，阳光几乎就在建筑物的正上方，只能照射到檐柱的外侧。这样有利于避免室内光线过大，避免室内过热；冬天的早晨，室内还没有阳光。随着太阳角度的上升，建筑内部逐渐受光，到了中午，太阳几乎打在了房间最里面的墙上。这样有利于在室内获得最佳亮度，避免室内过冷。

建筑内部的材料可以反射光源。建筑材料对光照有明显的影响。古人使用反射率较高的材料，更有效地将光线引入建筑内部。比如宋代范成大的《桂海玉智恒》中就有这样的话:“土人用石灰来舔墙，不干的时候用滑石来擦，光亮如玉”，意思是把滑石抹在建筑内部的墙壁上之后，墙壁就会发光；到了清代，李煜的《李翁藏书及客厅部》载:“石灰粉壁，磨作极光，也在其上；其次是用纸糊，可以让房子的窗户和柱子颜色一致。这意味着用石灰粉刷墙壁，然后使用纸糊可以通过反射增加室内光线。故宫宫殿建筑的采光离不开建筑内部光线的反射，而这种反射主要是由墙体和地面材料进行的。

故宫内部有玉般光滑的金砖地面，朱红色的圆柱，淡黄色的墙壁，表面光亮，反射率高；但是建筑内部的绿松石吊顶没有光泽，反射率低。前者在光线斜照射下，给人以强烈的质感，增加了建筑内部的亮度。由于光影效果，构件表面会发生明暗变化，显现轮廓；当阳光照射到它的表面时，后者给人一种暗沉的感觉，表面会反射出浅浅的漫射光。另外，光线射入建筑后，天花板的反射率低于地板和墙壁的反射率，所以光线输入建筑的方向是从下到上，所以建筑的下部有清晰的光影，方便皇帝在里面活动，而建筑的上部给人一种柔和的感觉。地面自下而上的光线和其表面的漫射光使紫禁城建筑内部的光线亮度合适，达到视觉和感觉的完美结合。

门窗是建筑内部照明的重要通道。紫禁城早期，门窗都是用纸糊的。法庭用窗纸质量高，采光、防风、防寒效果好。贴门窗一定要用最好的韩国纸，因为这种纸是棉茧或桑皮做的一种白色薄纸。这种韧皮纸制成后，会浸泡在油中，可以增加纸张的透明度，进一步增加纸张的韧性。自清代康熙朝以来，随着社会的稳定、经济的发展、海关的开放和海上贸易的发展，平板玻璃也被引进中国，并被用于紫禁城建筑的门窗。

养心殿成为故宫第一座玻璃宫殿。与韩国纸相比，平板玻璃在耐久性、透光率和美观性方面效果更好。此后，玻璃一直被用作紫禁城宫殿建筑窗户的透明材料。玻璃的应用大大改善了故宫内的采光条件，更有利于楼内法院人员的活动。(周乾是故宫博物院的研究馆员)