故宮冬至點亮金匾的古代智慧

周乾，力學博士，最后跑去故宮爬屋頂，對成百的建筑從學術視角進行過“顯微鏡下的觀察”。故宮擁有數量龐大的宮殿建筑群，是印證我國古代建筑技藝、宮廷歷史文化的寶貴實物，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，契合時令，對以下內容分別解讀：故宮里的古代供暖系統、故宮冬至日“點亮金匾”的古代智慧、清代皇家“冬運會”、紫禁城皇帝的新年家宴、明清皇家“煙花秀”、紫禁城皇帝愛喝什么茶、紫禁城皇帝愛喝什么酒、明清宮廷娛樂之“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、故宮古代皇家學校、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），為明清帝王執政及生活的場所。紫禁城古建筑數量眾多，造型優美，技藝精湛，集古代建筑科學、歷史文化于一體。其中，中軸線上的乾清宮在每年冬至時，會出現一番奇特的景象：在正午前后，大殿內“正大光明”匾額及下方的五條金龍會由西向東依次被點亮，發出金色的光芒（圖1）。冬至日是古人極其重視的節日，古代帝王會選擇冬至日祭天，以表達“陰極陽生、萬物生長”的祈愿。而乾清宮內正大光明匾額及金龍在冬至日被點亮，不僅僅是古人的匠心獨運，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光照射到殿內；冬至日的太陽高度角最小，有利于陽光照射到殿內最里側的地面上；金磚地面的鏡面反射功能，有利于陽光通過地面反射到匾額上；東升西落的太陽照射方向，有利于陽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，有利于殿內獲得充足的陽光，并有利于匾額下方的金龍被“點亮”。以下對各個古代智慧予以解讀。

一、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（圖2），北立面一般只在明間開設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部采光。其主要原因在于，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，有利于太陽光充分照射入建筑內部，有利于避免內部過冷過暗。在這里，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。

二、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。正午時分太陽高度角的計算公式可以表示為：

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

（1）式中：α為一天中時刻t（24小時制）的太陽高度角，此處取值t=12；β為北京地區所處緯度，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—地球中心連線的夾角。γ的計算公式表示為：

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

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

將γ=23o26代入（2）式，可得夏至日北京的太陽高度角約為73度。將γ=-23o26代入（2）式，可得冬至日北京的太陽高度角約為27度。由此可得，夏至日和冬至日正午時分，太陽照射乾清宮的示意圖可由圖3表示。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。

三、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，表面光澤性較強的物體會產生鏡面反射，表面較為粗糙的物體會產生漫反射。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，因而不會產生光線匯聚現象。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匯聚到殿內相應的位置。冬至日的太陽高度角最低，太陽照射在乾清宮殿內的范圍，比一年中其他時候要更廣；而照射到金磚地面的陽光，因為金磚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。

需要說明的是，“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”。紫禁城古建筑內的金磚地面鋪墁，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，一般通過冷榨3-4年的桐樹籽得來，外觀呈淺棕黃色，光澤度好。“使灰鉆油”工序規定，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、防水性強等特點，可起到膠結磚灰的作用。光油由生桐油、蘇子油、土籽按重量比100：20：3混合熬制而成，不僅具有較高的強度、韌性、耐水和耐磨性能，而且表面發亮（圖4），因而用于罩面油。澆注桐油的金磚地面堅固密實，其光亮的表面經過陽光照射后，易產生鏡面反射。由上不難發現，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。

四、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。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（圖5右），因而首先點亮“明”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（圖5中），因而“光”“大”字的之間及下方正中部位的龍最亮；正午后，太陽的位置在乾清宮的西南側，陽光照射的方向為東北向（圖5左），因而“正”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“明”“光”“大”“正”字樣及下方的五條龍。

五、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左右），并略帶上翹的弧度，形成優美的曲線，稱為挑檐做法，在古建筑領域則成為“反宇”，見圖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、藝術與智慧。從建筑文化角度來講，古代哲學的陰陽理論認為，天為“陽”、地為“陰”，地面建筑屋檐的“反宇”做法，寓意“陰”充分與“陽”接近，以達到“陰陽合一”“天人合一”的境界。從建筑藝術角度來講，“反宇”做法形成屋頂優美的曲線，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講，“反宇”的建筑做法，使得建筑遮蔽陽光少，因而有利于建筑內部的采光，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，這個角度非常接近于黃赤交角（地球公轉的黃道面與赤道面形成的夾角），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，因而陽光可近似“切向”照射到殿內，光線受阻的范圍極小。對于乾清宮而言，“反宇”使得冬至日正午的陽光，能夠照射到建筑內部深處。在當天，這種照射的范圍達到一年中最大值。這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。

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，以及乾清宮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。上述多專業領域知識在乾清宮的科學運用，是故宮古建筑包含科學、文化、藝術內涵的綜合運用，且無不反映出我國古代工匠卓越的建筑智慧。