故宮“金匾”背后的古代智慧

周乾

每年冬至正午前后，乾清宮大殿內“正大光明”匾額及下方金龍由西向東依次被點亮，發出金色光芒

坐北朝南的建筑布局

冬至日的陽光能夠照射在乾清宮內正大光明匾額上，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為：建筑的長度方向與東西向平行，寬度方向與南北向平行，南立面每間房均開設隔扇門或檻窗，北立面一般只在明間開設用于出入通道的隔扇門。這種建筑布局方式有利于乾清宮建筑內部采光。

因為北京位于北回歸線以北，相對于地球而言，太陽從東南向升起，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，夏季的太陽高度角較大，陽光不宜照射入建筑內部，可避免內部過熱過亮;而冬季太陽高度角較小，當建筑南部開設門窗時，利于太陽光充分照射入建筑內部，也有利于避免內部過冷過暗。這里的太陽高度角是指太陽照射方向與地平面的夾角。

“坐北朝南”是紫禁城重要宮殿的布局方式。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。《周易·說卦》有：“圣人南面而聽天下，向明而治”，意思就是古圣先王坐北朝南而聽治天下，面向光明的陽光而治理天下。由此可反映古代帝王對坐北朝南建筑布局方式的重視。

北京四合院也大多采用坐北朝南的建筑布局（圖片來源/維基百科）

坐北朝南的建筑布局利于南立面采光

冬至日的最小太陽高度角

正午時分（即12點）的太陽高度角，屬冬至日在一年中最小，有利于陽光照射到乾清宮深處。每天正午時分，太陽處于正南方位，照射方向與乾清宮殿內正中位置垂直，為陽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，每天正午時分的太陽高度角并不相同。已知在夏至日，由于太陽高度角過大，陽光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻擋，僅照射在門口，未能進入殿內，因而夏天乾清宮內并不會很熱（夏涼）;在冬至日，由于太陽高度角很小，陽光很容易穿過屋檐照射到殿內深處（冬暖），且反射到正大光明匾額位置上。

正午時分陽光照射乾清宮示意圖

知識鏈接

金磚是金子做的嗎？

金磚屬于土質方磚的一種，產地源于蘇州城北的陸慕鎮余窯村。這個地方的土質源于陽澄湖底的泥，土質細膩、含膠狀體豐富、可塑性強，加工制作的磚顆粒細膩，質地致密堅硬，且造價昂貴，因而民間稱為“金磚”。澆筑桐油的金磚地面堅固密實，其光亮的表面經過陽光照射后，易形成鏡面反射。

金磚地面的鏡面反射

陽光照在任何物體表面都會產生反射。相比而言，表面光澤性越強的物體越會產生鏡面反射，表面較為粗糙的物體則會產生漫反射。

鏡面反射的特點在于：太陽光（可近似認為是平行光）照射到物體表面后，仍以平行光方式產生反射，且反射角與入射角相等。

漫反射的特點在于：太陽光照射到物體表面后，盡管仍產生反射、入射角與反射角相等，但是朝不同方向產生反射，因而不會產生光線會聚現象。

對于乾清宮而言，其門口部位采用的是表面較為粗糙的花斑石地面，因而產生的是漫反射;其殿內采用的是金磚地面，其表面如鏡般光亮，因而產生鏡面反射，且反射后的光束可集中會聚到殿內相應的位置。冬至日正午時分的陽光能夠反射到殿內的正大光明匾額正中，金磚地面的鏡面反射功能無疑起到了關鍵作用。

東升西落的太陽照射

由于地球在繞太陽公轉的同時，還自西向東自轉，因而太陽相對于地球而言，每天做東升西落的運動。

光亮的金磚表面被陽光照射后，易產生鏡面反射

此外，由于冬天的赤緯角低，因而太陽升起降落的方向是從東南向升起、在西南向降落。陽光照射到乾清宮內部的位置隨著太陽位置的變化而變化。冬至日，在正午前，太陽位置在乾清宮的東南側，陽光的照射方向為西北向，因而首先點亮“正”字及西邊的龍;在正午時，太陽的位置在乾清宮的正南側，陽光照射的方向為北向，因而“大”字的東側及下方正中間部位的龍最亮;正午后，太陽的位置在乾清宮的西南側，陽光照射的方向為東北向，因而“明”字及下方最東側的龍最亮。由上可知，冬至日的正午前后，陽光由西向東依次點亮“正大光明”字樣及下方的五條龍。

屋檐起翹不僅增加造型之美，而且利于建筑內部采光

陽光照射乾清宮“正大光明”匾額及下方金龍示意圖

屋檐起翹的古代科學

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），并略帶上翹的弧度，形成優美的曲線，這種曲線形屋面檐口上翹的做法，稱為挑檐做法。挑檐做法不僅增加了建筑的造型之美，而且遮蔽陽光少，有利于建筑內部的采光。紫禁城古建筑屋檐起翹的斜度一般在26°～30°之間，這個角度非常接近于地球公轉的黃道面與赤道面形成的夾角（黃赤交角），可反映古人表達“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高度角幾乎相等。對于乾清宮而言，屋檐起翹使得冬至日正午的陽光能夠照射到建筑內部深處。而在正午時分，這種照射的范圍達到最大值，不僅使得殿內不至于過冷，而且有利于陽光通過金磚地面反射到正大光明匾額上。

乾清宮坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午時分最低的太陽高度角，光亮金磚地面的反射作用，太陽相對地球東升西落的運行規律，以及科學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亮。這么多專業領域知識在乾清宮的科學運用，無不反映出古代工匠卓越的建筑智慧。

（責任編輯/陳天昊 美術編輯/李子夜）