采光、控溫與傳音：故宮生活設施的幾個(gè)考量因
演講人：周乾 演講地點(diǎn)：國家圖書(shū)館文津講壇 演講時(shí)間：2020年9月
故宮（紫禁城）是明清皇帝的居所，內設有多種服務(wù)于帝后宮廷生活的建筑措施或設施。本次講座，我們將基于史料與科學(xué)相結合的分析方法，解讀古代宮廷生活設（措）施的科技、文化和歷史內涵。從歷史角度來(lái)看，這些設施在追求設計科學(xué)、造型精美、使用方便的同時(shí)，體現了我國古代工匠的卓越智慧和高超技藝，堪稱(chēng)我國優(yōu)秀的建筑文化遺產(chǎn)。
倦勤齋室內的通景畫(huà)資料圖片
光影：倦勤齋的通景畫(huà)
建于清乾隆三十八年（1773年）的倦勤齋位于今故宮珍寶館的北端，為乾隆帝退位后的休閑場(chǎng)所。倦勤齋內部裝飾的最重要特點(diǎn)，就是通景畫(huà)在西四間的運用。
通景畫(huà)屬于大型貼落畫(huà)，是清乾隆時(shí)期宮廷內盛行的一種室內裝飾繪畫(huà)。通景畫(huà)的主要工藝特點(diǎn)為宮廷畫(huà)師首先在尺寸很大的紙、絹上作畫(huà)，然后將其貼滿(mǎn)整個(gè)室內的墻面或頂棚，且整個(gè)墻面（頂棚）表現出同一主題。倦勤齋內的通景畫(huà)由意大利畫(huà)家郎世寧與他的學(xué)生共同完成，由20多張畫(huà)拼接而成，鋪貼面積達170平方米，是世界上現存規模最大的通景畫(huà)。
太陽(yáng)光在宮殿灰色金磚地面產(chǎn)生的反射資料圖片
倦勤齋室內的通景畫(huà)由西墻、北墻、頂棚的通景畫(huà)共同組成。其中，西墻繪制的是斑竹（有紫褐色或淡褐色斑點(diǎn)的竹子）搭設的院墻，院墻后還有蔥郁的樹(shù)林和高聳的遠山；北墻繪制的是斑竹搭設的透空籬笆墻，墻中開(kāi)設月亮門(mén)，墻后有宮殿，在藍天白云的映襯下顯得金碧輝煌，宮殿前還有形態(tài)優(yōu)雅的丹頂鶴和翩翩起舞的喜鵲；頂棚繪制的是斑竹架搭設的藤蘿，似乎鋪滿(mǎn)在庭院中，片片綠色的藤蘿葉之間，下垂著(zhù)一串串紫色的藤蘿，且當觀(guān)者站在藤蘿架下時(shí)，會(huì )注意到串串紫藤蘿向自己傾斜，呈現出搖搖欲墜的狀態(tài)，給人身臨其境之感。以上不同的繪畫(huà)內容均有著(zhù)不同的吉祥寓意，如竹子寓意生命常青，喜鵲寓意喜臨門(mén)，紫藤蘿寓意子孫綿綿等。
倦勤齋的通景畫(huà)源于西方的全景畫(huà)。全景畫(huà)是18世紀時(shí)期英國出現的一種繪畫(huà)形式，其主要特點(diǎn)即通過(guò)四周的墻面或整個(gè)頂棚來(lái)展示連續性的場(chǎng)景。當全景畫(huà)用于頂棚時(shí)，又被稱(chēng)為天頂畫(huà)。全景畫(huà)的繪制方法為焦點(diǎn)透視法，其畫(huà)法特點(diǎn)為：畫(huà)面上的所有平行線(xiàn)按一定規律消失在畫(huà)面上或畫(huà)面外的某個(gè)特殊位置。在歷史上，西方全景畫(huà)于清中期由傳教士引入中國，與清廷內的貼落畫(huà)相結合，最終形成了中國特色的通景畫(huà)，并在乾隆時(shí)期得到了繁榮，其產(chǎn)生的視覺(jué)效果在當時(shí)也具有立體性和震撼性。
另一方面，西方的全景畫(huà)與東方的通景畫(huà)也有著(zhù)明顯的區別：全景畫(huà)的繪畫(huà)主題多與宗教活動(dòng)有關(guān)，而通景畫(huà)以中國山水、花鳥(niǎo)風(fēng)景為主題；全景畫(huà)采用陰影投射及明暗對比方法進(jìn)行繪畫(huà)，畫(huà)面明暗反差比較強烈，而通景畫(huà)的畫(huà)面多以明亮色為主，其主要原因在于當初乾隆帝認為陰暗的光線(xiàn)會(huì )污損畫(huà)面；全景畫(huà)由畫(huà)師采用西方顏料直接在墻面或頂棚作畫(huà)，而通景畫(huà)則是由畫(huà)師采用傳統的礦物顏料首先在絹、紙上畫(huà)好，然后裱糊到墻面或頂棚上。
故宮倦勤齋內的通景畫(huà)裝飾借助于透視理論，將西方透視繪畫(huà)方法摻入中國傳統繪畫(huà)風(fēng)格中，并巧妙地運用于宮廷室內裝飾，產(chǎn)生了一種視像錯覺(jué)的藝術(shù)效果，成為東西方文化交流和融合的一種表現形式。
采光：布局、反宇與材料選擇
建筑采光是紫禁城帝王日常生活的重要保障。紫禁城古建筑有多個(gè)引入室外光源的采光方法，主要表現為建筑坐北朝南的布局、屋檐反宇做法、建筑材料的反光及透光等。
暢音閣大戲臺資料圖片
紫禁城內重要的宮殿均采用坐北朝南的布局形式，這是非常有利于采光的。所謂坐北朝南，即建筑的門(mén)窗均設在建筑的南立面，建筑北立面僅僅設出入通道，大部分區域為墻體。古人認為南方代表光明，古代帝王的寶座坐北朝南，《周易·說(shuō)卦》亦載有萬(wàn)物皆相見(jiàn)，南方之卦也的說(shuō)法，說(shuō)明面南的重要性。從地理學(xué)角度而言，我國位于北半球區域，北回歸線(xiàn)穿過(guò)了我國的南部地區。相應的，我國大部分區域處于北溫帶，該區域的日照特點(diǎn)為太陽(yáng)從東偏南的方向升起，而又從西邊方向落下。坐北朝南的建筑布局方式，有利于建筑最大限度地接受光照，因而有利于建筑采光。
屋檐反宇的做法，非常有利于室內采光。紫禁城古建筑屋頂做法一般為挑檐形式，即由屋檐向外挑出柱高的1/3的尺寸。不僅如此，屋檐出挑時(shí)，其端部略帶上翹的弧度，在外觀(guān)上產(chǎn)生優(yōu)美弧度的視覺(jué)效果。這種挑檐做法稱(chēng)為反宇。挑檐的反宇做法不僅有著(zhù)天人合一的建筑意境，而且有利于建筑內部采光。若挑檐不做成反宇形式（現代建筑挑檐多為這種做法），則外部光線(xiàn)直接進(jìn)入室內，容易產(chǎn)生眩目之感，且在夏季容易造成室內溫度過(guò)高；而紫禁城古建筑采用反宇的挑檐形式，使得部分照射到屋檐的光受到了阻擋，另有部分直射入室內的光，由地面漫反射作用，再使得建筑內部獲得采光。這種被過(guò)濾后的光線(xiàn)自然、柔和，給人以舒適之感。不僅如此，反宇還有利于紫禁城古建筑的室內夏天不過(guò)于熱、冬天不過(guò)于冷，體現了古人營(yíng)建智慧。
紫禁城古建筑的室內建筑材料有助于采光，其方式主要包括透光和反射光。從透光角度講，紫禁城宮殿建筑的隔扇、檻窗在早期采用高麗紙封護，這種紙經(jīng)油浸泡，不僅具有良好的防風(fēng)、防潮功能，且紙張由綿繭或桑皮制作而成，因而透光性很好。清雍正元年，養心殿后寢宮窗戶(hù)上安裝了玻璃，此后紫禁城內的宮殿建筑門(mén)窗逐漸安裝了玻璃，其有著(zhù)更好的耐久性和透光性，更有利于室內采光。而從反射光角度而言，淺色的墻體有利于室內反光。室內紅色立柱和灰色金磚地面在施工中有涂刷桐油的工序，因而表面均有光澤，可產(chǎn)生良好的反光效果。不僅如此，由于外部光線(xiàn)是由上至下照入室內的，因而建筑內部的下方會(huì )顯示出清晰的、良好視覺(jué)效果的光影，這種光影提供的光照效果柔美，且提供了充足的光照，以利于皇帝或宮廷其他人員開(kāi)展各種活動(dòng)。
納涼：冰的儲存
北京的夏天炎熱，冰塊為紫禁城內帝后消暑納涼的重要物品。相應的，紫禁城內有專(zhuān)門(mén)藏冰的冰窖5座。每座冰窖均為半地下式建筑做法，而地下較厚的泥土層有利于保持冰窖內溫度的恒定；冰窖的墻壁厚達2米，有利于產(chǎn)生隔熱效果；冰窖的頂棚做成起拱的磚券形式，頂棚上的屋頂則做成硬山形式，屋頂與頂棚之間的架空層有利于阻斷外部的熱量通過(guò)屋頂向室內傳遞。上述建筑特點(diǎn)使得置入冰窖內的冰塊始終保持在恒定的溫度范圍內。此外，冰窖的條石地面考慮了排水坡度，坡度最低點(diǎn)位于冰窖墻角，該位置設有排水口，使得冰塊融化后的水通過(guò)排水口流入暗溝，再匯入附近的集水井。
紫禁城內每座冰窖藏冰5000塊，每塊冰的尺寸為0.5米見(jiàn)方。冰塊的采取一般由專(zhuān)人負責。他們會(huì )在冬至時(shí)，在紫禁城護城河、北海、金水河、中南海河湖附近劃定一塊區域，倒入干凈的水，待水結冰后，在夜間將冰剔鑿成塊，運送至冰窖。選在夜間采冰，是因為可以避開(kāi)日曬，減小冰塊融化的可能性。第二年的五月一日至七月三十日，皇帝會(huì )下令將冰塊從冰窖運出，分別賞賜給后宮及大臣、太監等人，用于制冷或作為冰鎮飲品的原料。由于冰窖內部的溫度有十幾度，因此不可避免有部分冰塊在五月一日前融化，但古人早已有所準備。如《周禮》載有令斬冰，三其凌，其中三其凌就是儲藏三倍所需要的冰塊的意思。紫禁城的冰窖建筑及藏冰方法，滿(mǎn)足了帝王在炎熱夏天避暑納涼的要求，其建筑技藝亦是古代工匠勤勞和智慧的體現。
冬暖：無(wú)煙囪的火地供暖
明清處于我國的小冰期時(shí)期，即歷史上的第四個(gè)寒冷期階段，冬天非常寒冷，且歷經(jīng)時(shí)間長(cháng)，達一百五十余天，室外的最低氣溫可降至零下30攝氏度?？墒菍τ谧辖堑幕实鄱?，他們樂(lè )于在紫禁城里過(guò)冬，且有多位皇帝留下了墨寶來(lái)描述紫禁城里冬日室內的溫暖。比如乾隆皇帝弘歷曾寫(xiě)有詩(shī)文《冬夜偶成》，其中載有人苦冬日短，我愛(ài)冬夜長(cháng)；道光皇帝旻寧撰寫(xiě)的《養正書(shū)屋全集》，其中載有形參鳥(niǎo)道層層接，理悟羊腸面面通。薦以文茵饒雅趣，一堂暖氣著(zhù)簾櫳。在這里，鳥(niǎo)道羊腸即為地下供暖的通道。以上說(shuō)明，紫禁城的宮殿里有供暖系統，使得帝王及其家眷在冬日里感到非常的溫暖舒適。
周乾故宮博物院研究館員，故宮古建專(zhuān)家
曾獲華夏建設科學(xué)技術(shù)獎一等獎。主持省部級以上課題數十項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文、文章200余篇，出版著(zhù)作9種。
實(shí)際上，紫禁城的供暖系統位于地面之下，稱(chēng)為火地。這種地下供暖系統與現代社會(huì )的水地暖、電地暖或暖氣片供暖有著(zhù)異曲同工之處。其供暖原理為：在檻窗（矮墻上的窗戶(hù)）外側有操作口，檻窗的里側有火爐，二者深度均為地面以下1米左右。宮廷服務(wù)人員站在操作口內燒火，火爐產(chǎn)生的熱量蔓延至地下預設的四通八達的通道，加熱地面磚，再由地面磚把熱量散發(fā)到室內，使得室內溫度升高，達到了供暖的需求。
操作口位于室外，不僅不影響室內人員的生活，而且服務(wù)人員還可隔著(zhù)玻璃觀(guān)察室內的供暖效果，以便及時(shí)增減炭火。室外操作口在冬天以外的季節不使用時(shí)，通常蓋上一個(gè)蓋板，以防止小動(dòng)物鉆入。對于火爐產(chǎn)生的熱量（夾雜少量煙霧），其在地下擴散后，仍從地下的專(zhuān)門(mén)小口中排出，該出煙口位于室外臺明階條石的下部。出煙口也用了銅錢(qián)紋的鏤空磚雕堵塞，即美觀(guān)，又實(shí)用，還能防止小動(dòng)物鉆入。這種做法，成為紫禁城的冬天燒炭取暖，但不見(jiàn)一個(gè)煙囪的原因，反映了古代工匠的智慧。需要說(shuō)明的是，紫禁城里也是有煙囪的，坤寧宮西北角就有一個(gè)煙囪，不過(guò)這是清代故宮進(jìn)行薩滿(mǎn)教祭祀活動(dòng)時(shí)煮豬肉排煙的通道，無(wú)關(guān)冬季取暖。
火地在地下的熱量擴散通道稱(chēng)為蜈蚣道。之所以用該名稱(chēng)，是因為整個(gè)火地的排煙系統猶如一只多足蜈蚣：爐腔產(chǎn)生的熱量，沿著(zhù)由外向內的主煙道傳遞；主煙道兩側又伸出很多分支，稱(chēng)為支煙道，使得熱量又沿著(zhù)支煙道向兩側傳遞；最終由支煙道端部的通道（與主煙道平行）排出至出煙口。為保證熱量充分向室內傳遞，各個(gè)煙道做成坡道形狀，其中近檻窗處的坡道地面標高最低，越往里則標高逐漸增高，以符合熱量向上傳遞的原理。當熱量經(jīng)過(guò)在地下的全面擴散后，出煙口時(shí)已經(jīng)非常少了，整個(gè)過(guò)程就是對地面的加熱過(guò)程?；鸬責嵩此璧奶繛榧t籮炭，產(chǎn)于河北易縣等地，由硬木燒制而成，其特點(diǎn)為氣暖而耐久，灰白而不爆（見(jiàn)明代宦官劉若愚所著(zhù)《明宮史》卷二），且炭灰可用于皇帝恭桶的污穢襯墊用。
傳音：地井與藻井的運用
賞戲為明清帝王主要娛樂(lè )休閑活動(dòng)之一。紫禁城內共有十余個(gè)戲臺，而位于寧壽宮花園內的暢音閣則是紫禁城內最大的戲臺。暢音閣共有三層，從下往上分別稱(chēng)為壽臺、祿臺和福臺，每層戲臺面積約為200平方米，三層戲臺共可納千名演員同時(shí)表演。
戲劇演員表演時(shí)，大臣及后妃們坐在暢音閣東西兩側的長(cháng)廊內，皇帝則坐在暢音閣對面的閱視樓內觀(guān)看。由于閱視樓與暢音閣之間有數十米長(cháng)的間隔，那么演員表演時(shí)發(fā)出的聲音，以及樂(lè )器伴奏的聲音如何清晰地傳到皇帝的耳朵里呢？這主要依賴(lài)于暢音閣的古代音響系統。該系統由暢音閣地下室的地井、一層頂棚正中的藻井，以及閉合的庭院空間組成。
暢音閣一層壽臺的地板之下設有地下室，內有空井4個(gè)和水井1個(gè)。它們布置在這里，可產(chǎn)生共鳴效果。共鳴的物理學(xué)原理在于，任何物體都有一個(gè)固有的振動(dòng)頻率，當外來(lái)振動(dòng)的頻率與物體固有頻率相同時(shí)，可形成強度很大的激勵作用，使得物體產(chǎn)生幅度很大的振動(dòng)。對于暢音閣而言，當臺上的演員或樂(lè )器發(fā)出聲音時(shí)，若聲音的頻率與空井振動(dòng)的頻率合拍，則聲音就會(huì )被放大傳出去。4個(gè)空井有4個(gè)固有頻率，與演員或樂(lè )器產(chǎn)生合拍的概率很大，從而產(chǎn)生擴音效果，猶如戲臺的音響。
其實(shí)早在戰國時(shí)期，利用地下空井產(chǎn)生擴音的方法就在軍事上得到了運用。如《墨子·備穴》載：令陶者為罌，容四十斗以上，固順之以薄革，置井中，使聰耳者伏罌而聽(tīng)之。說(shuō)的是命令工匠制作容量為四十斗以上的陶罐，罐頂蒙皮，然后放入井內；當敵人挖隧道時(shí)，傳過(guò)來(lái)的聲音可在罐頂放大，因而能被偵探到。
設置水井的功用，主要是借助其產(chǎn)生混響效果。所謂混響，類(lèi)似于回聲，即聲波發(fā)出后遇到障礙時(shí)會(huì )產(chǎn)生反射；當聲源停止后，若干個(gè)反射聲波混合在一起持續一段時(shí)間，即產(chǎn)生混響效果?；祉憣τ诼曇舻男Ч兄?zhù)重要意義，如果沒(méi)有混響，那么人聽(tīng)到的聲音就會(huì )聽(tīng)起來(lái)比較干澀。另外，不同的場(chǎng)合，混響的最佳時(shí)間并不相同。水井的水位高低不同，可產(chǎn)生不同的聲波反射及混響效果，通過(guò)調節，能夠使得在故宮看戲的帝王后妃獲得最佳聽(tīng)覺(jué)感受。
暢音閣一層頂棚正中有藻井。藻井向上凹進(jìn)，外觀(guān)猶如一個(gè)大喇叭。站在舞臺上的演員發(fā)出的聲音，傳到藻井位置，會(huì )形成匯聚，再集中反射出去。反射的聲音一方面得到了放大，猶如喇叭的擴音功能一樣；另一方面反射的聲音與演員的源聲進(jìn)行混合，同樣能產(chǎn)生混響效果。這也是位于閱視樓內的皇帝能清晰聽(tīng)到戲曲聲的重要原因。
此外，暢音閣與兩側長(cháng)廊、閱視樓形成幾乎封閉的圍合空間，使得戲臺上的聲音始終在圍合區域內傳播與反射，而磨磚對縫的墻體和光亮的琉璃瓦又減少了聲音的吸收，以上有利于皇帝獲得清晰的聲音效果。
浴德：故宮保存的元代建筑
紫禁城里的古建筑一般以木結構為主，其建筑造型極具東方韻味。然而，在武英殿的西側，有一座奇特的建筑，其由磚砌筑而成，且無(wú)論是內飾還是外觀(guān)，均表現出濃郁的阿拉伯風(fēng)情：圓拱形四面相交的室內墻體，圓拱形的屋頂，上帶圓拱形的玻璃罩。這是紫禁城里極為少見(jiàn)的元代建筑，且表現出阿拉伯建筑風(fēng)格。該建筑的名稱(chēng)為浴德堂。那紫禁城里面為什么會(huì )有一座元代的西方建筑呢？據史料記載，波斯建筑師亦黑迭兒丁曾與光祿大夫劉秉忠等負責建造元大都，并參與元朝宮殿的建設，建造了諸多的阿拉伯風(fēng)格建筑。紫禁城建立在元皇宮的基礎上，而明成祖朱棣由南京遷都至北京前，下令蕭洵拆除元代皇宮，并安排專(zhuān)人在元代皇宮遺址上建造紫禁城。而蕭洵在拆除元代皇宮時(shí)，將浴德堂保留下來(lái)了。
蕭洵所著(zhù)《元故宮遺錄》載有臺東百步有觀(guān)星臺，……臺西為內浴室，有小殿在前，可說(shuō)明浴德堂是一座浴室。浴室內平面為正方形形狀，邊長(cháng)約為4米，墻上貼有白色瓷磚，方磚鋪墁地面。建筑內部造型的主要特點(diǎn)為四面墻壁在3.1米高度時(shí)開(kāi)始往上起拱，使得屋頂內部呈穹隆狀。由于建筑內部沒(méi)有使用一根梁，因而浴德堂又俗稱(chēng)為無(wú)梁殿。整個(gè)浴室的重量完全由四面墻體承擔，使得室內的空間自由得以充分發(fā)揮。另外穹頂的上方，有高約1米的帶天窗玻璃圓頂，以利于采光。
關(guān)于浴德堂在明清時(shí)期的用途，有很多說(shuō)法，其主要用途之一仍為帝王浴室。為滿(mǎn)足皇帝的沐浴需求，浴德堂對供水、采光、恒溫等方面都有所考慮。沐浴需要熱水，熱水的水源來(lái)自浴德堂西墻外的水井。服務(wù)人員從水井中取水，并通過(guò)穿墻而過(guò)的高架石槽，將井水引入浴德堂北部的灶房?jì)?。灶房的南墻與浴德堂的北墻為同一堵墻，且在墻高1米處開(kāi)設洞口，埋設銅管。灶房?jì)扔写箦佉豢?，服?wù)人員將引入的井水加熱，再用勺子舀出，使之從銅管流入浴德堂內，這樣的話(huà)，皇帝就獲得了沐浴用的熱水。采光方面，浴德堂的光線(xiàn)主要通過(guò)屋頂的玻璃穿入，建筑內部四面墻體均為白色瓷磚墻，僅在南面設置曲尺形出入口。這種建筑設計形式不僅保護了帝王的隱私，而且對室內采光有利。盡管光線(xiàn)僅從頂部射入，但是白色的瓷磚有很強的光反射性能，因而室內采光是非常充分的。需要說(shuō)明的是，元朝崇尚白色，如《元史·百官志》載有窯廠(chǎng)，大都四窯廠(chǎng)領(lǐng)匠夫三百余戶(hù)，營(yíng)造素白琉璃瓦。恒溫方面，浴德堂各面墻壁厚度均達1米，足以保持室內溫度恒定；浴德堂曲尺形的出入口，使得外部的風(fēng)邪很難直接侵入；頂部的玻璃罩還包括側面天窗，既滿(mǎn)足換氣需求，又幾乎不影響室內的溫度變化。此外，研究人員經(jīng)過(guò)勘察發(fā)現，浴室地板下還有鐵板，鐵板下有火地系統，冬天有專(zhuān)人在室外生火，加熱鐵板（地板），保持了室內的溫暖。
從滿(mǎn)足帝王后妃日常生活角度來(lái)看，紫禁城宮殿建筑的上述各種生活設施集科學(xué)性、簡(jiǎn)潔性、高效性等多種優(yōu)點(diǎn)于一體，是我國古代優(yōu)秀的建筑科技、文化和藝術(shù)的反映。
《光明日報》（ 2020年10月31日10版）
來(lái)源： 光明網(wǎng)-《光明日報》