紫禁城建筑的古代采光方法
（本文载于《科技日报》2019年11月15日第8版，原题为《朝向+选材+结构，紫禁城里的采光“黑科技”》，有修改）
紫禁城是明清帝王执政和帝后生活的场所，其建筑集我国古代优秀文化、艺术及科技于一体。从满足帝后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，下面对这些方法进行解读。
“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。如图1所示为太和殿南立面，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。
图1 太和殿南立面
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，称为挑檐做法，见图2。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，紫禁城古建筑大挑檐的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，见图3，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，见图4，这样有利于室内获得最佳的亮度，且有利于避免室内过冷。
图2 起翘的屋檐
图3 夏天正午太阳的照射范围
图4 冬天正午太阳的照射范围
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（图5），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。
图5 太阳光在太和殿金砖地面产生的反射
门窗是建筑内部采光的重要通道。紫禁城建筑的早期时期，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。据史料记载，为便于养心殿采光，雍正元年(1723)十月初一日，雍正下谕旨，令养心殿后寝宫“西次间后窗下一扇中心开一活窗……穿堂北边东西窗安玻璃二块”。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（图6）。玻璃的应用，大大地改善因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。
图6 紫禁城隔扇上的玻璃
综上所述，紫禁城建筑的古代采光方式简易科学，包括建筑布局的巧妙规划，屋檐较大尺寸的出檐，建筑内部材料的合理使用，门窗的透光等方法，最大限度地将外部自然光源引入建筑内部，合理地将光线进行投射和反射，有效地满足了帝王及家族成员在建筑内部的活动需求，是古代科技在建筑中的应用，可反映古代工匠的智慧，对现代建筑的内部采光亦可提供有效参考。