采光、控温与传音：故宫生活设施的几个考量因素
演讲人：周乾 演讲地点：国家图书馆“文津讲坛” 演讲时间：2020年9月
故宫（紫禁城）是明清皇帝的居所，内设有多种服务于帝后宫廷生活的建筑措施或设施。本次讲座，我们将基于史料与科学相结合的分析方法，解读古代宫廷生活设（措）施的科技、文化和历史内涵。从历史角度来看，这些设施在追求设计科学、造型精美、使用方便的同时，体现了我国古代工匠的卓越智慧和高超技艺，堪称我国优秀的建筑文化遗产。
建于清乾隆三十八年（1773年）的倦勤斋位于今故宫珍宝馆的北端，为乾隆帝退位后的休闲场所。倦勤斋内部装饰的最重要特点，就是通景画在西四间的运用。
通景画属于大型贴落画，是清乾隆时期宫廷内盛行的一种室内装饰绘画。通景画的主要工艺特点为宫廷画师首先在尺寸很大的纸、绢上作画，然后将其贴满整个室内的墙面或顶棚，且整个墙面（顶棚）表现出同一主题。倦勤斋内的通景画由意大利画家郎世宁与他的学生共同完成，由20多张画拼接而成，铺贴面积达170平方米，是世界上现存规模最大的通景画。
倦勤斋室内的通景画由西墙、北墙、顶棚的通景画共同组成。其中，西墙绘制的是斑竹（有紫褐色或淡褐色斑点的竹子）搭设的院墙，院墙后还有葱郁的树林和高耸的远山；北墙绘制的是斑竹搭设的透空篱笆墙，墙中开设月亮门，墙后有宫殿，在蓝天白云的映衬下显得金碧辉煌，宫殿前还有形态优雅的丹顶鹤和翩翩起舞的喜鹊；顶棚绘制的是斑竹架搭设的藤萝，似乎铺满在庭院中，片片绿色的藤萝叶之间，下垂着一串串紫色的藤萝，且当观者站在藤萝架下时，会注意到串串紫藤萝向自己倾斜，呈现出摇摇欲坠的状态，给人身临其境之感。以上不同的绘画内容均有着不同的吉祥寓意，如竹子寓意生命常青，喜鹊寓意喜临门，紫藤萝寓意子孙绵绵等。
倦勤斋的通景画源于西方的全景画。全景画是18世纪时期英国出现的一种绘画形式，其主要特点即通过四周的墙面或整个顶棚来展示连续性的场景。当全景画用于顶棚时，又被称为天顶画。全景画的绘制方法为焦点透视法，其画法特点为：画面上的所有平行线按一定规律“消失”在画面上或画面外的某个特殊位置。在历史上，西方全景画于清中期由传教士引入中国，与清廷内的贴落画相结合，最终形成了中国特色的通景画，并在乾隆时期得到了繁荣，其产生的视觉效果在当时也具有立体性和震撼性。
另一方面，西方的全景画与东方的通景画也有着明显的区别：全景画的绘画主题多与宗教活动有关，而通景画以中国山水、花鸟风景为主题；全景画采用阴影投射及明暗对比方法进行绘画，画面明暗反差比较强烈，而通景画的画面多以明亮色为主，其主要原因在于当初乾隆帝认为阴暗的光线会污损画面；全景画由画师采用西方颜料直接在墙面或顶棚作画，而通景画则是由画师采用传统的矿物颜料首先在绢、纸上画好，然后裱糊到墙面或顶棚上。
故宫倦勤斋内的通景画装饰借助于透视理论，将西方透视绘画方法掺入中国传统绘画风格中，并巧妙地运用于宫廷室内装饰，产生了一种视像错觉的艺术效果，成为东西方文化交流和融合的一种表现形式。
建筑采光是紫禁城帝王日常生活的重要保障。紫禁城古建筑有多个引入室外光源的采光方法，主要表现为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。
紫禁城内重要的宫殿均采用“坐北朝南”的布局形式，这是非常有利于采光的。所谓“坐北朝南”，即建筑的门窗均设在建筑的南立面，建筑北立面仅仅设出入通道，大部分区域为墙体。古人认为南方代表光明，古代帝王的宝座坐北朝南，《周易·说卦》亦载有“万物皆相见，南方之卦也”的说法，说明面南的重要性。从地理学角度而言，我国位于北半球区域，北回归线穿过了我国的南部地区。相应的，我国大部分区域处于北温带，该区域的日照特点为太阳从东偏南的方向升起，而又从西边方向落下。“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，非常有利于室内采光。紫禁城古建筑屋顶做法一般为挑檐形式，即由屋檐向外挑出柱高的1/3的尺寸。不仅如此，屋檐出挑时，其端部略带上翘的弧度，在外观上产生优美弧度的视觉效果。这种挑檐做法称为“反宇”。挑檐的“反宇”做法不仅有着“天人合一”的建筑意境，而且有利于建筑内部采光。若挑檐不做成“反宇”形式（现代建筑挑檐多为这种做法），则外部光线直接进入室内，容易产生眩目之感，且在夏季容易造成室内温度过高；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挡，另有部分直射入室内的光，由地面漫反射作用，再使得建筑内部获得采光。这种被过滤后的光线自然、柔和，给人以舒适之感。不仅如此，“反宇”还有利于紫禁城古建筑的室内夏天不过于热、冬天不过于冷，体现了古人营建智慧。
紫禁城古建筑的室内建筑材料有助于采光，其方式主要包括透光和反射光。从透光角度讲，紫禁城宫殿建筑的隔扇、槛窗在早期采用高丽纸封护，这种纸经油浸泡，不仅具有良好的防风、防潮功能，且纸张由绵茧或桑皮制作而成，因而透光性很好。清雍正元年，养心殿后寝宫窗户上安装了玻璃，此后紫禁城内的宫殿建筑门窗逐渐安装了玻璃，其有着更好的耐久性和透光性，更有利于室内采光。而从反射光角度而言，浅色的墙体有利于室内反光。室内红色立柱和灰色金砖地面在施工中有涂刷桐油的工序，因而表面均有光泽，可产生良好的反光效果。不仅如此，由于外部光线是由上至下照入室内的，因而建筑内部的下方会显示出清晰的、良好视觉效果的光影，这种光影提供的光照效果柔美，且提供了充足的光照，以利于皇帝或宫廷其他人员开展各种活动。
纳凉：冰的储存
北京的夏天炎热，冰块为紫禁城内帝后消暑纳凉的重要物品。相应的，紫禁城内有专门藏冰的冰窖5座。每座冰窖均为半地下式建筑做法，而地下较厚的泥土层有利于保持冰窖内温度的恒定；冰窖的墙壁厚达2米，有利于产生隔热效果；冰窖的顶棚做成起拱的砖券形式，顶棚上的屋顶则做成硬山形式，屋顶与顶棚之间的架空层有利于阻断外部的热量通过屋顶向室内传递。上述建筑特点使得置入冰窖内的冰块始终保持在恒定的温度范围内。此外，冰窖的条石地面考虑了排水坡度，坡度最低点位于冰窖墙角，该位置设有排水口，使得冰块融化后的水通过排水口流入暗沟，再汇入附近的集水井。
紫禁城内每座冰窖藏冰5000块，每块冰的尺寸为0.5米见方。冰块的采取一般由专人负责。他们会在冬至时，在紫禁城护城河、北海、金水河、中南海河湖附近划定一块区域，倒入干净的水，待水结冰后，在夜间将冰剔凿成块，运送至冰窖。选在夜间采冰，是因为可以避开日晒，减小冰块融化的可能性。第二年的五月一日至七月三十日，皇帝会下令将冰块从冰窖运出，分别赏赐给后宫及大臣、太监等人，用于制冷或作为冰镇饮品的原料。由于冰窖内部的温度有十几度，因此不可避免有部分冰块在五月一日前融化，但古人早已有所准备。如《周礼》载有“令斩冰，三其凌”，其中“三其凌”就是储藏三倍所需要的冰块的意思。紫禁城的冰窖建筑及藏冰方法，满足了帝王在炎热夏天避暑纳凉的要求，其建筑技艺亦是古代工匠勤劳和智慧的体现。
明清处于我国的“小冰期”时期，即历史上的第四个寒冷期阶段，冬天非常寒冷，且历经时间长，达一百五十余天，室外的最低气温可降至零下30摄氏度。可是对于紫禁城的皇帝而言，他们乐于在紫禁城里过冬，且有多位皇帝留下了“墨宝”来描述紫禁城里冬日室内的温暖。比如乾隆皇帝弘历曾写有诗文《冬夜偶成》，其中载有“人苦冬日短，我爱冬夜长”；道光皇帝旻宁撰写的《养正书屋全集》，其中载有“形参鸟道层层接，理悟羊肠面面通。荐以文茵饶雅趣，一堂暖气着帘栊”。在这里，“鸟道”“羊肠”即为地下供暖的通道。以上说明，紫禁城的宫殿里有供暖系统，使得帝王及其家眷在冬日里感到非常的温暖舒适。
周乾 故宫博物院研究馆员，故宫古建专家
曾获华夏建设科学技术奖一等奖。主持省部级以上课题数十项，发表学术论文、文章200余篇，出版著作9种。
实际上，紫禁城的供暖系统位于地面之下，称为“火地”。这种地下供暖系统与现代社会的水地暖、电地暖或暖气片供暖有着异曲同工之处。其供暖原理为：在槛窗（矮墙上的窗户）外侧有操作口，槛窗的里侧有火炉，二者深度均为地面以下1米左右。宫廷服务人员站在操作口内烧火，火炉产生的热量蔓延至地下预设的四通八达的通道，加热地面砖，再由地面砖把热量散发到室内，使得室内温度升高，达到了供暖的需求。
操作口位于室外，不仅不影响室内人员的生活，而且服务人员还可隔着玻璃观察室内的供暖效果，以便及时增减炭火。室外操作口在冬天以外的季节不使用时，通常盖上一个盖板，以防止小动物钻入。对于火炉产生的热量（夹杂少量烟雾），其在地下扩散后，仍从地下的专门小口中排出，该出烟口位于室外台明阶条石的下部。出烟口也用了铜钱纹的镂空砖雕堵塞，即美观，又实用，还能防止小动物钻入。这种做法，成为“紫禁城的冬天烧炭取暖，但不见一个烟囱”的原因，反映了古代工匠的智慧。需要说明的是，紫禁城里也是有烟囱的，坤宁宫西北角就有一个烟囱，不过这是清代故宫进行萨满教祭祀活动时煮猪肉排烟的通道，无关冬季取暖。
火地在地下的热量扩散通道称为“蜈蚣道”。之所以用该名称，是因为整个火地的排烟系统犹如一只多足“蜈蚣”：炉腔产生的热量，沿着由外向内的主烟道传递；主烟道两侧又伸出很多分支，称为“支烟道”，使得热量又沿着支烟道向两侧传递；最终由支烟道端部的通道（与主烟道平行）排出至出烟口。为保证热量充分向室内传递，各个烟道做成坡道形状，其中近槛窗处的坡道地面标高最低，越往里则标高逐渐增高，以符合热量向上传递的原理。当热量经过在地下的全面扩散后，出烟口时已经非常少了，整个过程就是对地面的加热过程。火地热源所需的炭为“红箩炭”，产于河北易县等地，由硬木烧制而成，其特点为“气暖而耐久，灰白而不爆”（见明代宦官刘若愚所著《明宫史》卷二），且炭灰可用于皇帝恭桶的污秽衬垫用。
传音：地井与藻井的运用
赏戏为明清帝王主要娱乐休闲活动之一。紫禁城内共有十余个戏台，而位于宁寿宫花园内的畅音阁则是紫禁城内最大的戏台。畅音阁共有三层，从下往上分别称为寿台、禄台和福台，每层戏台面积约为200平方米，三层戏台共可纳千名演员同时表演。
戏剧演员表演时，大臣及后妃们坐在畅音阁东西两侧的长廊内，皇帝则坐在畅音阁对面的阅视楼内观看。由于阅视楼与畅音阁之间有数十米长的间隔，那么演员表演时发出的声音，以及乐器伴奏的声音如何清晰地传到皇帝的耳朵里呢？这主要依赖于畅音阁的古代“音响”系统。该系统由畅音阁地下室的地井、一层顶棚正中的藻井，以及闭合的庭院空间组成。
畅音阁一层寿台的地板之下设有地下室，内有空井4个和水井1个。它们布置在这里，可产生共鸣效果。共鸣的物理学原理在于，任何物体都有一个固有的振动频率，当外来振动的频率与物体固有频率相同时，可形成强度很大的激励作用，使得物体产生幅度很大的振动。对于畅音阁而言，当台上的演员或乐器发出声音时，若声音的频率与空井振动的频率“合拍”，则声音就会被放大传出去。4个空井有4个固有频率，与演员或乐器产生“合拍”的概率很大，从而产生扩音效果，犹如戏台的“音响”。
其实早在战国时期，利用地下空井产生扩音的方法就在军事上得到了运用。如《墨子·备穴》载：“令陶者为罂，容四十斗以上，固顺之以薄革，置井中，使聪耳者伏罂而听之。”说的是命令工匠制作容量为四十斗以上的陶罐，罐顶蒙皮，然后放入井内；当敌人挖隧道时，传过来的声音可在罐顶放大，因而能被侦探到。
设置水井的功用，主要是借助其产生混响效果。所谓“混响”，类似于回声，即声波发出后遇到障碍时会产生反射；当声源停止后，若干个反射声波混合在一起持续一段时间，即产生“混响”效果。混响对于声音的效果有着重要意义，如果没有混响，那么人听到的声音就会听起来比较干涩。另外，不同的场合，混响的最佳时间并不相同。水井的水位高低不同，可产生不同的声波反射及混响效果，通过调节，能够使得在故宫看戏的帝王后妃获得最佳听觉感受。
畅音阁一层顶棚正中有藻井。藻井向上凹进，外观犹如一个大喇叭。站在舞台上的演员发出的声音，传到藻井位置，会形成汇聚，再集中反射出去。反射的声音一方面得到了放大，犹如喇叭的扩音功能一样；另一方面反射的声音与演员的源声进行混合，同样能产生混响效果。这也是位于阅视楼内的皇帝能清晰听到戏曲声的重要原因。
此外，畅音阁与两侧长廊、阅视楼形成几乎封闭的围合空间，使得戏台上的声音始终在围合区域内传播与反射，而磨砖对缝的墙体和光亮的琉璃瓦又减少了声音的吸收，以上有利于皇帝获得清晰的声音效果。
浴德：故宫保存的元代建筑
紫禁城里的古建筑一般以木结构为主，其建筑造型极具东方韵味。然而，在武英殿的西侧，有一座奇特的建筑，其由砖砌筑而成，且无论是内饰还是外观，均表现出浓郁的阿拉伯风情：圆拱形四面相交的室内墙体，圆拱形的屋顶，上带圆拱形的玻璃罩。这是紫禁城里极为少见的元代建筑，且表现出阿拉伯建筑风格。该建筑的名称为“浴德堂”。那紫禁城里面为什么会有一座元代的西方建筑呢？据史料记载，波斯建筑师亦黑迭儿丁曾与光禄大夫刘秉忠等负责建造元大都，并参与元朝宫殿的建设，建造了诸多的阿拉伯风格建筑。紫禁城建立在元皇宫的基础上，而明成祖朱棣由南京迁都至北京前，下令萧洵拆除元代皇宫，并安排专人在元代皇宫遗址上建造紫禁城。而萧洵在拆除元代皇宫时，将浴德堂保留下来了。
萧洵所著《元故宫遗录》载有“台东百步有观星台，……台西为内浴室，有小殿在前”，可说明浴德堂是一座浴室。浴室内平面为正方形形状，边长约为4米，墙上贴有白色瓷砖，方砖铺墁地面。建筑内部造型的主要特点为四面墙壁在3.1米高度时开始往上起拱，使得屋顶内部呈穹隆状。由于建筑内部没有使用一根梁，因而浴德堂又俗称为“无梁殿”。整个浴室的重量完全由四面墙体承担，使得室内的空间自由得以充分发挥。另外穹顶的上方，有高约1米的带天窗玻璃圆顶，以利于采光。
关于浴德堂在明清时期的用途，有很多说法，其主要用途之一仍为帝王浴室。为满足皇帝的沐浴需求，浴德堂对供水、采光、恒温等方面都有所考虑。沐浴需要热水，热水的水源来自浴德堂西墙外的水井。服务人员从水井中取水，并通过穿墙而过的高架石槽，将井水引入浴德堂北部的灶房内。灶房的南墙与浴德堂的北墙为同一堵墙，且在墙高1米处开设洞口，埋设铜管。灶房内有大锅一口，服务人员将引入的井水加热，再用勺子舀出，使之从铜管流入浴德堂内，这样的话，皇帝就获得了沐浴用的热水。采光方面，浴德堂的光线主要通过屋顶的玻璃穿入，建筑内部四面墙体均为白色瓷砖墙，仅在南面设置曲尺形出入口。这种建筑设计形式不仅保护了帝王的隐私，而且对室内采光有利。尽管光线仅从顶部射入，但是白色的瓷砖有很强的光反射性能，因而室内采光是非常充分的。需要说明的是，元朝崇尚白色，如《元史·百官志》载有“窑厂，大都四窑厂领匠夫三百余户，营造素白琉璃瓦”。恒温方面，浴德堂各面墙壁厚度均达1米，足以保持室内温度恒定；浴德堂曲尺形的出入口，使得外部的风邪很难直接侵入；顶部的玻璃罩还包括侧面天窗，既满足换气需求，又几乎不影响室内的温度变化。此外，研究人员经过勘察发现，浴室地板下还有铁板，铁板下有火地系统，冬天有专人在室外生火，加热铁板（地板），保持了室内的温暖。
从满足帝王后妃日常生活角度来看，紫禁城宫殿建筑的上述各种生活设施集科学性、简洁性、高效性等多种优点于一体，是我国古代优秀的建筑科技、文化和艺术的反映。
《光明日报》（ 2020年10月31日 10版）