故宫冬至点亮金匾的古代智慧

周乾，力学博士，最后跑去故宫爬屋顶，对成百的建筑从学术视角进行过“显微镜下的观察”。故宫拥有数量庞大的宫殿建筑群，是印证我国古代建筑技艺、宫廷历史文化的宝贵实物，这可把这位故宫博物院的研究员给高兴坏了。

编者按：

本专栏将由故宫博物院以“故宫建筑与宫廷生活”为主题，十五期连载，契合时令，对以下内容分别解读：故宫里的古代供暖系统、故宫冬至日“点亮金匾”的古代智慧、清代皇家“冬运会”、紫禁城皇帝的新年家宴、明清皇家“烟花秀”、紫禁城皇帝爱喝什么茶、紫禁城皇帝爱喝什么酒、明清宫廷娱乐之“秋千”、故宫古建筑的防火方法、故宫古建筑的防震智慧、故宫里的端午宫俗、故宫里的古代冰箱、故宫古代排水系统、故宫古代皇家学校、明清皇家祭月与赏月。

位于北京市中心的紫禁城（故宮博物院前身），为明清帝王执政及生活的场所。紫禁城古建筑数量众多，造型优美，技艺精湛，集古代建筑科学、历史文化于一体。其中，中轴线上的乾清宫在每年冬至时，会出现一番奇特的景象：在正午前后，大殿内“正大光明”匾额及下方的五条金龙会由西向东依次被点亮，发出金色的光芒（图1）。冬至日是古人极其重视的节日，古代帝王会选择冬至日祭天，以表达“阴极阳生、万物生长”的祈愿。而乾清宫内正大光明匾额及金龙在冬至日被点亮，不仅仅是古人的匠心独运，而且包含了诸多的建筑智慧。其中，坐北朝南的建筑布局有利于阳光照射到殿内；冬至日的太阳高度角最小，有利于阳光照射到殿内最里侧的地面上；金砖地面的镜面反射功能，有利于阳光通过地面反射到匾额上；东升西落的太阳照射方向，有利于阳光依次照射在匾额的“明”“光”“大”“正”字及下面的金龙上，且在正午时分恰好照射在正中龙的位置（匾额下面一共有5条龙）；屋檐起翘的古代科学，有利于殿内获得充足的阳光，并有利于匾额下方的金龙被“点亮”。以下对各个古代智慧予以解读。

一、坐北朝南的建筑布局

冬至日的阳光能够照射在乾清宫内正大光明匾额上，其首要前提是乾清宫坐北朝南的建筑布局方式。这种布局方式的特点为：建筑的长度方向与东西向平行，宽度方向与南北向平行，南立面每间房均开设隔扇门或槛窗（图2），北立面一般只在明间开设用于出入通道的隔扇门。坐北朝南的建筑布局方式有利于乾清宫建筑内部采光。其主要原因在于，北京位于北回归线以北，相对于地球而言，太阳从东南向升起，从西南向降落，终年都是由偏南方向照射，因而建筑的南立面利于采光。不仅如此，夏季的太阳高度角较大，阳光不宜照射入建筑内部，可避免内部过热过亮；而冬季太阳高度角较小，当建筑南部开设门窗时，有利于太阳光充分照射入建筑内部，有利于避免内部过冷过暗。在这里，太阳高度角是指太阳照射方向与地平面的夹角。“坐北朝南”是紫禁城重要宫殿的布局方式。不仅仅乾清宫，紫禁城中轴线上所有建筑的布局方式均为坐北朝南。《周易·说卦》有：“圣人南面而听天下，向明而治。”意思就是古圣先王坐北朝南而听治天下，面向光明的阳光而治理天下。由此可反映古代帝王对坐北朝南建筑布局方式的重视。

二、冬至日的最小太阳高度角

正午时分（即12点）的太阳高度角，属冬至日在一年中最小，有利于阳光照射到乾清宫深处。每天正午时分，太阳处于正南方位，照射方向与乾清宫殿内正中位置垂直，为阳光反射到正大光明匾额上提供了良好的条件。然而在一年中，每天正午时分的太阳高度角并不相同。正午时分太阳高度角的计算公式可以表示为：

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

（1）式中：α为一天中时刻t（24小时制）的太阳高度角，此处取值t=12；β为北京地区所处纬度，此处取值β≈40度（北纬）。将t=12、β=40代入（1）式，即可得：

α=90o-（40-γ）.................... （2）

（1）（2）式中的γ为赤纬角，即地球赤道平面与太阳—地球中心连线的夹角。γ的计算公式表示为：

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

（3）式中，N为日期序号。将N=1，2…365依次代入（3）式，求得不同日期的赤纬角。不难发现：在夏至日（考虑6月22日，N=173）时，赤纬角达到最大值，此时γ=23o26；在冬至日（考虑12月22日，N=356）时，赤纬角达到最小值，此时γ=-23o26。

将γ=23o26代入（2）式，可得夏至日北京的太阳高度角约为73度。将γ=-23o26代入（2）式，可得冬至日北京的太阳高度角约为27度。由此可得，夏至日和冬至日正午时分，太阳照射乾清宫的示意图可由图3表示。在夏至日，由于太阳高度角过大，阳光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻挡，仅照射在门口，未能进入殿内，因而夏天乾清宫内并不会很热（夏凉）；在冬至日，由于太阳高度角很小，阳光很容易穿过屋檐照射到殿内深处（冬暖），且反射到正大光明匾额位置上。

三、金砖地面的镜面反射

陽光照在任何物体表面都会产生反射。相比而言，表面光泽性较强的物体会产生镜面反射，表面较为粗糙的物体会产生漫反射。镜面反射的特点在于：太阳光（可近似认为是平行光）照射到物体表面后，仍以平行光方式产生反射，且反射角与入射角相等。漫反射的特点在于：太阳光照射到物体表面后，尽管仍产生反射、入射角与反射角相等，但是朝不同方向产生反射，因而不会产生光线汇聚现象。对于乾清宫而言，其门口部位采用的是表面较为粗糙的花斑石地面，因而产生的是漫反射；其殿内采用的是金砖地面，其表面如镜般光亮，因而产生镜面反射，且反射后的光束可集中汇聚到殿内相应的位置。冬至日的太阳高度角最低，太阳照射在乾清宫殿内的范围，比一年中其他时候要更广；而照射到金砖地面的阳光，因为金砖表面的镜面反射作用，被反射到了“正大光明”匾额及下方的龙上。

需要说明的是，“金砖”属于土质方砖的一种，产地源于苏州城北的陆慕镇余窑村。这个地方的土质源于阳澄湖底的泥，土质细腻、含胶状体丰富、可塑性强，加工制作的砖颗粒细腻，质地致密坚硬，且造价昂贵，因而民间称为“金砖”。紫禁城古建筑内的金砖地面铺墁，有一道“使灰钻油”的工序，所使用的油为桐油。生桐油是一种植物蛋白胶，一般通过冷榨3-4年的桐树籽得来，外观呈浅棕黄色，光泽度好。“使灰钻油”工序规定，在铺墁完的金砖面层上分3次浇筑桐油，第1次在干透的地面上刷生桐油1-2遍，第2次用麻丝搓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、防水性强等特点，可起到胶结砖灰的作用。光油由生桐油、苏子油、土籽按重量比100：20：3混合熬制而成，不仅具有较高的强度、韧性、耐水和耐磨性能，而且表面发亮（图4），因而用于罩面油。浇注桐油的金砖地面坚固密实，其光亮的表面经过阳光照射后，易产生镜面反射。由上不难发现，冬至日正午时分的阳光能够反射到殿内的正大光明匾额正中，金砖地面的镜面反射功能无疑起到了关键作用。

四、东升西落的太阳照射

由于地球在绕太阳公转的同时，还自西向东自转，因而太阳相对于地球而言，每天做东升西落的运动。由于冬天的赤纬角低，因而太阳升起降落的方向是从东南向升起、在西南向降落。阳光照射到乾清宫内部的位置随着太阳位置的变化而变化。冬至日，在正午前，太阳位置在乾清宫的东南侧，阳光的照射方向为西北向（图5右），因而首先点亮“明”字及西边的龙；在正午时，太阳的位置在乾清宫的正南侧，阳光照射的方向为北向（图5中），因而“光”“大”字的之间及下方正中部位的龙最亮；正午后，太阳的位置在乾清宫的西南侧，阳光照射的方向为东北向（图5左），因而“正”字及下方最东侧的龙最亮。由上可知，冬至日的正午前后，阳光由西向东依次点亮“明”“光”“大”“正”字样及下方的五条龙。

五、屋檐起翘的古代科学

屋檐起翘有利于光线的射入。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，在古建筑领域则成为“反宇”，见图6。这种曲线形屋面檐口上翘的做法，包含了古代建筑的文化、艺术与智慧。从建筑文化角度来讲，古代哲学的阴阳理论认为，天为“阳”、地为“阴”，地面建筑屋檐的“反宇”做法，寓意“阴”充分与“阳”接近，以达到“阴阳合一”“天人合一”的境界。从建筑艺术角度来讲，“反宇”做法形成屋顶优美的曲线，在空中形成建筑屋顶美妙的剪影，增加了古建筑的造型之美。

从古代建筑智慧角度来讲，“反宇”的建筑做法，使得建筑遮蔽阳光少，因而有利于建筑内部的采光，且在冬至日获得最大范围的光照。紫禁城古建筑屋檐起翘的斜度，一般在26度至30度之间，这个角度非常接近于黄赤交角（地球公转的黄道面与赤道面形成的夹角），可反映古人表达“天人合一”的寓意。不仅如此，屋檐起翘的角度，与冬至日正午的太阳高度角几乎相等，因而阳光可近似“切向”照射到殿内，光线受阻的范围极小。对于乾清宫而言，“反宇”使得冬至日正午的阳光，能够照射到建筑内部深处。在当天，这种照射的范围达到一年中最大值。这不仅使得殿内不至于过冷，而且有利于阳光通过金砖地面，反射到正大光明匾额上。

由上述分析可知，乾清宫坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午时分最低的太阳高度角，光亮金砖地面的反射作用，太阳相对地球东升西落的运行规律，以及乾清宫科学合理的屋檐起翘角度，使得乾清宫正大光明匾额及下方的五条金龙，在冬至日的正午被依次点亮。上述多专业领域知识在乾清宫的科学运用，是故宫古建筑包含科学、文化、艺术内涵的综合运用，且无不反映出我国古代工匠卓越的建筑智慧。