周乾，力學(xué)博士，最后跑去故宮爬屋頂，對(duì)成百的建筑從學(xué)術(shù)視角進(jìn)行過(guò)“顯微鏡下的觀察”。故宮擁有數(shù)量龐大的宮殿建筑群，是印證我國(guó)古代建筑技藝、宮廷歷史文化的寶貴實(shí)物，這可把這位故宮博物院的研究員給高興壞了。

編者按：

本專欄將由故宮博物院以“故宮建筑與宮廷生活”為主題，十五期連載，契合時(shí)令，對(duì)以下內(nèi)容分別解讀：故宮里的古代供暖系統(tǒng)、故宮冬至日“點(diǎn)亮金匾”的古代智慧、清代皇家“冬運(yùn)會(huì)”、紫禁城皇帝的新年家宴、明清皇家“煙花秀”、紫禁城皇帝愛(ài)喝什么茶、紫禁城皇帝愛(ài)喝什么酒、明清宮廷娛樂(lè)之“秋千”、故宮古建筑的防火方法、故宮古建筑的防震智慧、故宮里的端午宮俗、故宮里的古代冰箱、故宮古代排水系統(tǒng)、故宮古代皇家學(xué)校、明清皇家祭月與賞月。

位于北京市中心的紫禁城（故宮博物院前身），為明清帝王執(zhí)政及生活的場(chǎng)所。紫禁城古建筑數(shù)量眾多，造型優(yōu)美，技藝精湛，集古代建筑科學(xué)、歷史文化于一體。其中，中軸線上的乾清宮在每年冬至?xí)r，會(huì)出現(xiàn)一番奇特的景象：在正午前后，大殿內(nèi)“正大光明”匾額及下方的五條金龍會(huì)由西向東依次被點(diǎn)亮，發(fā)出金色的光芒（圖1）。冬至日是古人極其重視的節(jié)日，古代帝王會(huì)選擇冬至日祭天，以表達(dá)“陰極陽(yáng)生、萬(wàn)物生長(zhǎng)”的祈愿。而乾清宮內(nèi)正大光明匾額及金龍?jiān)诙寥毡稽c(diǎn)亮，不僅僅是古人的匠心獨(dú)運(yùn)，而且包含了諸多的建筑智慧。其中，坐北朝南的建筑布局有利于陽(yáng)光照射到殿內(nèi)；冬至日的太陽(yáng)高度角最小，有利于陽(yáng)光照射到殿內(nèi)最里側(cè)的地面上；金磚地面的鏡面反射功能，有利于陽(yáng)光通過(guò)地面反射到匾額上；東升西落的太陽(yáng)照射方向，有利于陽(yáng)光依次照射在匾額的“明”“光”“大”“正”字及下面的金龍上，且在正午時(shí)分恰好照射在正中龍的位置（匾額下面一共有5條龍）；屋檐起翹的古代科學(xué)，有利于殿內(nèi)獲得充足的陽(yáng)光，并有利于匾額下方的金龍被“點(diǎn)亮”。以下對(duì)各個(gè)古代智慧予以解讀。

一、坐北朝南的建筑布局

冬至日的陽(yáng)光能夠照射在乾清宮內(nèi)正大光明匾額上，其首要前提是乾清宮坐北朝南的建筑布局方式。這種布局方式的特點(diǎn)為：建筑的長(zhǎng)度方向與東西向平行，寬度方向與南北向平行，南立面每間房均開(kāi)設(shè)隔扇門或檻窗（圖2），北立面一般只在明間開(kāi)設(shè)用于出入通道的隔扇門。坐北朝南的建筑布局方式有利于乾清宮建筑內(nèi)部采光。其主要原因在于，北京位于北回歸線以北，相對(duì)于地球而言，太陽(yáng)從東南向升起，從西南向降落，終年都是由偏南方向照射，因而建筑的南立面利于采光。不僅如此，夏季的太陽(yáng)高度角較大，陽(yáng)光不宜照射入建筑內(nèi)部，可避免內(nèi)部過(guò)熱過(guò)亮；而冬季太陽(yáng)高度角較小，當(dāng)建筑南部開(kāi)設(shè)門窗時(shí)，有利于太陽(yáng)光充分照射入建筑內(nèi)部，有利于避免內(nèi)部過(guò)冷過(guò)暗。在這里，太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)照射方向與地平面的夾角?！白背稀笔亲辖侵匾獙m殿的布局方式。不僅僅乾清宮，紫禁城中軸線上所有建筑的布局方式均為坐北朝南?！吨芤住ふf(shuō)卦》有：“圣人南面而聽(tīng)天下，向明而治?！币馑季褪枪攀ハ韧踝背隙?tīng)治天下，面向光明的陽(yáng)光而治理天下。由此可反映古代帝王對(duì)坐北朝南建筑布局方式的重視。

二、冬至日的最小太陽(yáng)高度角

正午時(shí)分（即12點(diǎn)）的太陽(yáng)高度角，屬冬至日在一年中最小，有利于陽(yáng)光照射到乾清宮深處。每天正午時(shí)分，太陽(yáng)處于正南方位，照射方向與乾清宮殿內(nèi)正中位置垂直，為陽(yáng)光反射到正大光明匾額上提供了良好的條件。然而在一年中，每天正午時(shí)分的太陽(yáng)高度角并不相同。正午時(shí)分太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式可以表示為：

sinα=sinβ×sinγ+cosβ×cosγ×cos[（t-12）×15] ................. （1）

（1）式中：α為一天中時(shí)刻t（24小時(shí)制）的太陽(yáng)高度角，此處取值t=12；β為北京地區(qū)所處緯度，此處取值β≈40度（北緯）。將t=12、β=40代入（1）式，即可得：

α=90o-（40-γ）.................... （2）

（1）（2）式中的γ為赤緯角，即地球赤道平面與太陽(yáng)—地球中心連線的夾角。γ的計(jì)算公式表示為：

γ=23.45sin[2π（284+N）/365]................................. （3）

（3）式中，N為日期序號(hào)。將N=1，2…365依次代入（3）式，求得不同日期的赤緯角。不難發(fā)現(xiàn)：在夏至日（考慮6月22日，N=173）時(shí)，赤緯角達(dá)到最大值，此時(shí)γ=23o26；在冬至日（考慮12月22日，N=356）時(shí)，赤緯角達(dá)到最小值，此時(shí)γ=-23o26。

將γ=23o26代入（2）式，可得夏至日北京的太陽(yáng)高度角約為73度。將γ=-23o26代入（2）式，可得冬至日北京的太陽(yáng)高度角約為27度。由此可得，夏至日和冬至日正午時(shí)分，太陽(yáng)照射乾清宮的示意圖可由圖3表示。在夏至日，由于太陽(yáng)高度角過(guò)大，陽(yáng)光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻擋，僅照射在門口，未能進(jìn)入殿內(nèi)，因而夏天乾清宮內(nèi)并不會(huì)很熱（夏涼）；在冬至日，由于太陽(yáng)高度角很小，陽(yáng)光很容易穿過(guò)屋檐照射到殿內(nèi)深處（冬暖），且反射到正大光明匾額位置上。

三、金磚地面的鏡面反射

陽(yáng)光照在任何物體表面都會(huì)產(chǎn)生反射。相比而言，表面光澤性較強(qiáng)的物體會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，表面較為粗糙的物體會(huì)產(chǎn)生漫反射。鏡面反射的特點(diǎn)在于：太陽(yáng)光（可近似認(rèn)為是平行光）照射到物體表面后，仍以平行光方式產(chǎn)生反射，且反射角與入射角相等。漫反射的特點(diǎn)在于：太陽(yáng)光照射到物體表面后，盡管仍產(chǎn)生反射、入射角與反射角相等，但是朝不同方向產(chǎn)生反射，因而不會(huì)產(chǎn)生光線匯聚現(xiàn)象。對(duì)于乾清宮而言，其門口部位采用的是表面較為粗糙的花斑石地面，因而產(chǎn)生的是漫反射；其殿內(nèi)采用的是金磚地面，其表面如鏡般光亮，因而產(chǎn)生鏡面反射，且反射后的光束可集中匯聚到殿內(nèi)相應(yīng)的位置。冬至日的太陽(yáng)高度角最低，太陽(yáng)照射在乾清宮殿內(nèi)的范圍，比一年中其他時(shí)候要更廣；而照射到金磚地面的陽(yáng)光，因?yàn)榻鸫u表面的鏡面反射作用，被反射到了“正大光明”匾額及下方的龍上。

需要說(shuō)明的是，“金磚”屬于土質(zhì)方磚的一種，產(chǎn)地源于蘇州城北的陸慕鎮(zhèn)余窯村。這個(gè)地方的土質(zhì)源于陽(yáng)澄湖底的泥，土質(zhì)細(xì)膩、含膠狀體豐富、可塑性強(qiáng)，加工制作的磚顆粒細(xì)膩，質(zhì)地致密堅(jiān)硬，且造價(jià)昂貴，因而民間稱為“金磚”。紫禁城古建筑內(nèi)的金磚地面鋪墁，有一道“使灰鉆油”的工序，所使用的油為桐油。生桐油是一種植物蛋白膠，一般通過(guò)冷榨3-4年的桐樹(shù)籽得來(lái)，外觀呈淺棕黃色，光澤度好?！笆够毅@油”工序規(guī)定，在鋪墁完的金磚面層上分3次澆筑桐油，第1次在干透的地面上刷生桐油1-2遍，第2次用麻絲搓1-2遍灰油，第3次刷1-2遍光油。其中，灰油由生桐油、土籽灰、樟丹按100：7：4（重量比）混合熬制形成，具有干燥快、防潮好、防水性強(qiáng)等特點(diǎn)，可起到膠結(jié)磚灰的作用。光油由生桐油、蘇子油、土籽按重量比100：20：3混合熬制而成，不僅具有較高的強(qiáng)度、韌性、耐水和耐磨性能，而且表面發(fā)亮（圖4），因而用于罩面油。澆注桐油的金磚地面堅(jiān)固密實(shí)，其光亮的表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射后，易產(chǎn)生鏡面反射。由上不難發(fā)現(xiàn)，冬至日正午時(shí)分的陽(yáng)光能夠反射到殿內(nèi)的正大光明匾額正中，金磚地面的鏡面反射功能無(wú)疑起到了關(guān)鍵作用。

四、東升西落的太陽(yáng)照射

由于地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還自西向東自轉(zhuǎn)，因而太陽(yáng)相對(duì)于地球而言，每天做東升西落的運(yùn)動(dòng)。由于冬天的赤緯角低，因而太陽(yáng)升起降落的方向是從東南向升起、在西南向降落。陽(yáng)光照射到乾清宮內(nèi)部的位置隨著太陽(yáng)位置的變化而變化。冬至日，在正午前，太陽(yáng)位置在乾清宮的東南側(cè)，陽(yáng)光的照射方向?yàn)槲鞅毕颍▓D5右），因而首先點(diǎn)亮“明”字及西邊的龍；在正午時(shí)，太陽(yáng)的位置在乾清宮的正南側(cè)，陽(yáng)光照射的方向?yàn)楸毕颍▓D5中），因而“光”“大”字的之間及下方正中部位的龍最亮；正午后，太陽(yáng)的位置在乾清宮的西南側(cè)，陽(yáng)光照射的方向?yàn)闁|北向（圖5左），因而“正”字及下方最東側(cè)的龍最亮。由上可知，冬至日的正午前后，陽(yáng)光由西向東依次點(diǎn)亮“明”“光”“大”“正”字樣及下方的五條龍。

五、屋檐起翹的古代科學(xué)

屋檐起翹有利于光線的射入。紫禁城古建筑屋頂檐部向外挑出（一般為柱高的1/3左右），并略帶上翹的弧度，形成優(yōu)美的曲線，稱為挑檐做法，在古建筑領(lǐng)域則成為“反宇”，見(jiàn)圖6。這種曲線形屋面檐口上翹的做法，包含了古代建筑的文化、藝術(shù)與智慧。從建筑文化角度來(lái)講，古代哲學(xué)的陰陽(yáng)理論認(rèn)為，天為“陽(yáng)”、地為“陰”，地面建筑屋檐的“反宇”做法，寓意“陰”充分與“陽(yáng)”接近，以達(dá)到“陰陽(yáng)合一”“天人合一”的境界。從建筑藝術(shù)角度來(lái)講，“反宇”做法形成屋頂優(yōu)美的曲線，在空中形成建筑屋頂美妙的剪影，增加了古建筑的造型之美。

從古代建筑智慧角度來(lái)講，“反宇”的建筑做法，使得建筑遮蔽陽(yáng)光少，因而有利于建筑內(nèi)部的采光，且在冬至日獲得最大范圍的光照。紫禁城古建筑屋檐起翹的斜度，一般在26度至30度之間，這個(gè)角度非常接近于黃赤交角（地球公轉(zhuǎn)的黃道面與赤道面形成的夾角），可反映古人表達(dá)“天人合一”的寓意。不僅如此，屋檐起翹的角度，與冬至日正午的太陽(yáng)高度角幾乎相等，因而陽(yáng)光可近似“切向”照射到殿內(nèi)，光線受阻的范圍極小。對(duì)于乾清宮而言，“反宇”使得冬至日正午的陽(yáng)光，能夠照射到建筑內(nèi)部深處。在當(dāng)天，這種照射的范圍達(dá)到一年中最大值。這不僅使得殿內(nèi)不至于過(guò)冷，而且有利于陽(yáng)光通過(guò)金磚地面，反射到正大光明匾額上。

由上述分析可知，乾清宮坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午時(shí)分最低的太陽(yáng)高度角，光亮金磚地面的反射作用，太陽(yáng)相對(duì)地球東升西落的運(yùn)行規(guī)律，以及乾清宮科學(xué)合理的屋檐起翹角度，使得乾清宮正大光明匾額及下方的五條金龍，在冬至日的正午被依次點(diǎn)亮。上述多專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)在乾清宮的科學(xué)運(yùn)用，是故宮古建筑包含科學(xué)、文化、藝術(shù)內(nèi)涵的綜合運(yùn)用，且無(wú)不反映出我國(guó)古代工匠卓越的建筑智慧。