敦煌莫高窟237窟光環(huán)境研究*

林婧怡 李廣龍 趙齊 張雨辰 張昕

(清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084)

1 引言

本研究隸屬于國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目——中國傳統(tǒng)建筑光環(huán)境保護(hù)的子課題。根據(jù)項(xiàng)目組制定的研究類型域，敦煌莫高窟的光環(huán)境研究對于第Ⅱ光氣候區(qū)傳統(tǒng)建筑以及中國石窟空間的光環(huán)境研究具有重要的參考價(jià)值。

敦煌莫高窟光環(huán)境研究包括如下三部分:(1)典型窟光環(huán)境的現(xiàn)場實(shí)測研究，已完成148窟與237窟;(2)典型窟光環(huán)境的縮尺模型比較研究;(3)典型窟光環(huán)境的軟件模擬比較研究。237窟的數(shù)據(jù)采集于2009年8月16～19日之間進(jìn)行，數(shù)據(jù)分析于2009年11月完成。

2 莫高窟237窟概況

敦煌地處祁連山、塔克拉瑪干沙漠、北塞山、三危山之間的內(nèi)陸沖擊平原。所處地勢決定其具有氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，日照時(shí)間長等特點(diǎn)。年平均降水量39.9毫米，蒸發(fā)量2486毫米。敦煌位于中國第Ⅱ光氣候區(qū) (圖1)，天然光年平均總照度26≤Eq<28(klx)，年平均散射照度11.9 klx。全年日照時(shí)數(shù)為3246.7小時(shí)。

圖1 中國光氣候分區(qū)

莫高窟海拔在1320～1380米之間，氣候極端干燥，降水量少，氣溫變化大，日照時(shí)間長且風(fēng)沙活動頻繁。降水集中于7月份 (占全年的80%)，年平均降雨量為25毫米，蒸發(fā)量為3479毫米，蒸發(fā)量是降水量的150倍，干燥指數(shù)32。年平均氣溫為11℃，六個(gè)月的平均氣溫低于0℃。

莫高窟位于敦煌盆地邊沿的洪積扇臺地上，東臨三危山，西接鳴沙山。石窟坐西向東，石窟群開鑿在大泉河西岸陡壁之中，南北長約1700m，高約25m，有文物的洞窟492個(gè)，廢棄洞窟200個(gè)左右。(圖2)

237窟的建造時(shí)代為中唐 (公元781～848年)，西夏、清重修。該窟由內(nèi)外窟和將其連接的甬道組成，內(nèi)窟為覆斗形頂，西壁開一龕。內(nèi)窟西壁盝頂帳形龕內(nèi)清塑五身，馬蹄形佛床，龕下塑壸門三個(gè)。外窟頂與四壁、內(nèi)窟藻井與四壁均滿布佛教題材的壁畫。

237窟的內(nèi)窟類型屬于覆斗式窟①覆斗式窟，又稱殿堂式窟 (將一個(gè)洞窟看作一座佛殿，甚至于整個(gè)寺院)，是最常見的石窟形制。其平面形狀一般為方形，后壁開龕，窟頂作盝 (盒子)形，猶如一個(gè)倒扣的斗，所以又稱覆斗式窟。這種形制自西魏之后開始盛行，后來較長時(shí)期的石窟營建中都采用了這樣的模式。。特征在于頂部采用四方藻井加四批的覆斗頂，且窟室一壁開龕以立塑像的窟室 (圖3)。此類型自隋唐之后開始盛行，持續(xù)至元朝，是自十六國晚期至元代連續(xù)筑造的唯一窟室形態(tài)。莫高窟中112、172、220、237、249窟均采取此形制。

圖2 莫高窟地貌與237窟的位置

圖3 覆斗式窟形制

3 研究方法

項(xiàng)目組選擇全陰天在無參觀人流時(shí)段對237窟內(nèi)部采光系數(shù)分布進(jìn)行實(shí)測。分三組 (內(nèi)窟、外窟、室外無遮擋處各一組)通過對講機(jī)同時(shí)工作，每組各一臺照度計(jì)進(jìn)行照度記錄。石窟內(nèi)部各界面均勻選擇測點(diǎn)。將窟內(nèi)某點(diǎn)天然光照度值En除以同一時(shí)間室外無遮擋處天空光照度值EW，即可得到該點(diǎn)的采光系數(shù)C，即:C=En/EW。

將測定的各點(diǎn)采光系數(shù)標(biāo)注在石窟平面圖、剖面圖和頂面圖上，繪制各面的等采光系數(shù)曲線，即可得到直觀反映窟內(nèi)各面采光強(qiáng)弱的采光系數(shù)分布偽彩度圖。測得的采光系數(shù)和年平均散射照度值之積，即為年平均照度值。由此可將采光系數(shù)分布圖中各點(diǎn)的采光系數(shù)換算為年平均照度，即可得到237窟內(nèi)各點(diǎn)的年平均照度分布圖。

在數(shù)據(jù)分析過程中，對于各表面的平均采光系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，便于將各界面的采光情況進(jìn)行整體分析。此外，各界面采光系數(shù)之間的比例關(guān)系對于窟內(nèi)視覺分析具有重要意義。

測試數(shù)據(jù)的誤差分析如下:(1)測量儀器精度(0.1 lx)不足，導(dǎo)致測量較暗環(huán)境時(shí)容易產(chǎn)生誤差，如窟內(nèi)北墻和南墻的下部較暗，照度數(shù)據(jù)在0.1lx與0.2lx之間浮動較大;(2)莫高窟東側(cè)種植有樹木，測量時(shí)正值夏季樹葉茂密，起風(fēng)時(shí)會產(chǎn)生較大幅度的晃動，一定程度上影響測試精度。

4 結(jié)論

通過研究237窟內(nèi)采光系數(shù)、年平均照度分布、各界面的平均采光系數(shù)及其比例關(guān)系，以及參考莫高窟其他洞窟的相關(guān)文獻(xiàn)，可以得到如下結(jié)論:

(1)內(nèi)外窟的形制與所對應(yīng)的空間亮度分布的數(shù)據(jù)關(guān)系

外窟與甬道的存在是空間亮度過渡與暗適應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。237窟采取了一種莫高窟較為常見的內(nèi)外窟形制，即內(nèi)外窟之間由一條甬道相聯(lián)系。 (窟內(nèi)各面的年平均照度與分布見表1與圖4～圖7)。

圖4

圖5

圖6

圖7

窟外天然光照度較高，內(nèi)窟天然光照度較低，由此形成了窟外與內(nèi)窟亮度上的對比，不利于人眼對于光亮度變化的適應(yīng)。237窟的外窟與甬道形成了由窟外進(jìn)入內(nèi)窟前亮度變化的柔和過渡，亮度變化產(chǎn)生了“強(qiáng)—中強(qiáng)—中弱—弱”的亮度層級序列，人眼在亮度過渡中逐漸適應(yīng)了黑暗，得以看到內(nèi)窟的塑像和壁畫，這是此類洞窟光環(huán)境的顯著特征。

表1 窟內(nèi)各面的年平均照度與比例關(guān)系

通過分析外窟各界面洞口的位置以及外窟形制、塑像位置，推測石窟建造者對于室外光線進(jìn)行了計(jì)劃性地使用:①外窟東側(cè)墻面開有三個(gè)采光口，其中包括兩個(gè)較高的窗洞口，其平面投影位置與外窟兩側(cè)塑像的位置基本對位，窗洞口的高度在2米以上，與塑像頭部所在位置基本平齊。推測兩側(cè)窗洞口的開啟是為了增加塑像頭部的亮度，類似的手法在96窟中也有所運(yùn)用。②外窟西墻與甬道相接的洞口高度在2米以下，屏蔽了來自高窗洞口的大部分光線，進(jìn)入內(nèi)窟的光線主要經(jīng)由外窟門洞口進(jìn)入，且主要經(jīng)過外窟地面的反射。

(2)年平均照度分布印證光線對于壁畫的破壞程度

據(jù)觀察可知，窟內(nèi)各處壁畫脫落、褪色等損壞程度并不相同，局部較為嚴(yán)重，而這些地方大多為采光系數(shù)較高的區(qū)域，可以在一定程度上印證光線對于壁畫的破壞作用。

通過計(jì)算237窟各界面的年平均照度可知，內(nèi)窟頂棚四個(gè)傾斜面的年平均照度分別為:東面0.66lx，西面 11.82lx，南面 1.00lx，北面 1.81lx(圖8)。年平均照度最大的西面正是壁畫損壞較為嚴(yán)重的位置，尤其是圖8所示照度較高的區(qū)域。其他三面的壁畫保存較為完好。

圖8 237窟內(nèi)窟頂部年平均照度分布

甬道兩壁的年平均照度分別為:北面3.92lx，南面2.53lx，壁畫亦受到損壞。參照內(nèi)窟頂部北面(年平均照度為1.81lx)壁畫保存較為完好，以及甬道南面 (年平均照度為2.53lx)壁畫受到較嚴(yán)重?fù)p壞，可大略推知當(dāng)平均采光系數(shù)超過0.015～0.02%之間的某個(gè)數(shù)值時(shí)，其壁畫容易受到光線的影響而產(chǎn)生脫落、褪色等損壞。當(dāng)然，壁畫的損壞還與人為破壞、CO2濃度、風(fēng)沙侵蝕等因素有關(guān)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮。

(3)由內(nèi)窟的天然光照度分布推測空間使用方式

237窟內(nèi)窟形制為殿堂式窟，即將洞窟作為佛殿。由表1可知，內(nèi)窟始終保持在較為昏暗 (年平平均照度除頂部為2.82 lx外，均低于1 lx)的狀態(tài)，人眼基本無法進(jìn)行辨認(rèn)、識別等作業(yè)。初步推測可排除佛教僧徒于天然光狀態(tài)下在此欣賞壁畫、誦經(jīng)念法的可能性，石窟建造者借此空間的建設(shè)表達(dá)佛教信仰的可能性更大。

5 結(jié)語

莫高窟建成至今歷時(shí)千余年，窟內(nèi)各界面材質(zhì)經(jīng)過了自然或人為的損壞和改造，導(dǎo)致各表面對于光的反射性能有所改變，現(xiàn)場實(shí)測不能準(zhǔn)確溯源窟內(nèi)的歷史光環(huán)境。

237窟開鑿于中唐，西夏和清代均進(jìn)行過重修，宋代、西夏時(shí)期的重修往往對原有壁畫進(jìn)行重新繪制。重新繪制時(shí)需要先將墻壁劃毛，以便加抹的地杖層與原壁粘合牢固，然后再繪制新壁畫。另外，窟內(nèi)地面經(jīng)過了多年磨損和塵灰堆積，反射性能也必然產(chǎn)生變化。目前尚無法得知界面材質(zhì)變化對于采光系數(shù)分布具體的影響。雖然237窟內(nèi)各界面的材質(zhì)和顏色的變化導(dǎo)致了窟內(nèi)天然光環(huán)境的變化，但并不影響本研究的定性分析部分。莫高窟237窟作為內(nèi)外窟以及覆斗式窟形制的重要代表，其光環(huán)境的研究將具有一定參考意義。

［1］ZhangXin，YangGuang，Zhan Qingxuan.Type's domain research on preservation of lighting environment of traditional Chinese architecture， China Illuminating Engineering Journal.2009(4).