採光、控溫與傳音：故宮生活設施的幾個考量因素
演講人：周乾 演講地點：國家圖書館“文津講壇” 演講時間：2020年9月
故宮（紫禁城）是明清皇帝的居所，內設有多種服務於帝后宮廷生活的建築措施或設施。本次講座，我們將基於史料與科學相結合的分析方法，解讀古代宮廷生活設（措）施的科技、文化和歷史內涵。從歷史角度來看，這些設施在追求設計科學、造型精美、使用方便的同時，體現了我國古代工匠的卓越智慧和高超技藝，堪稱我國優秀的建築文化遺產。
建於清乾隆三十八年（1773年）的倦勤齋位於今故宮珍寶館的北端，爲乾隆帝退位後的休閒場所。倦勤齋內部裝飾的最重要特點，就是通景畫在西四間的運用。
通景畫屬於大型貼落畫，是清乾隆時期宮廷內盛行的一種室內裝飾繪畫。通景畫的主要工藝特點爲宮廷畫師首先在尺寸很大的紙、絹上作畫，然後將其貼滿整個室內的牆面或頂棚，且整個牆面（頂棚）表現出同一主題。倦勤齋內的通景畫由意大利畫家郎世寧與他的學生共同完成，由20多張畫拼接而成，鋪貼面積達170平方米，是世界上現存規模最大的通景畫。
倦勤齋室內的通景畫由西牆、北牆、頂棚的通景畫共同組成。其中，西牆繪製的是斑竹（有紫褐色或淡褐色斑點的竹子）搭設的院牆，院牆後還有蔥鬱的樹林和高聳的遠山；北牆繪製的是斑竹搭設的透空籬笆牆，牆中開設月亮門，牆後有宮殿，在藍天白雲的映襯下顯得金碧輝煌，宮殿前還有形態優雅的丹頂鶴和翩翩起舞的喜鵲；頂棚繪製的是斑竹架搭設的藤蘿，似乎鋪滿在庭院中，片片綠色的藤蘿葉之間，下垂着一串串紫色的藤蘿，且當觀者站在藤蘿架下時，會注意到串串紫藤蘿向自己傾斜，呈現出搖搖欲墜的狀態，給人身臨其境之感。以上不同的繪畫內容均有着不同的吉祥寓意，如竹子寓意生命常青，喜鵲寓意喜臨門，紫藤蘿寓意子孫綿綿等。
倦勤齋的通景畫源於西方的全景畫。全景畫是18世紀時期英國出現的一種繪畫形式，其主要特點即通過四周的牆面或整個頂棚來展示連續性的場景。當全景畫用於頂棚時，又被稱爲天頂畫。全景畫的繪製方法爲焦點透視法，其畫法特點爲：畫面上的所有平行線按一定規律“消失”在畫面上或畫面外的某個特殊位置。在歷史上，西方全景畫於清中期由傳教士引入中國，與清廷內的貼落畫相結合，最終形成了中國特色的通景畫，並在乾隆時期得到了繁榮，其產生的視覺效果在當時也具有立體性和震撼性。
另一方面，西方的全景畫與東方的通景畫也有着明顯的區別：全景畫的繪畫主題多與宗教活動有關，而通景畫以中國山水、花鳥風景爲主題；全景畫採用陰影投射及明暗對比方法進行繪畫，畫面明暗反差比較強烈，而通景畫的畫面多以明亮色爲主，其主要原因在於當初乾隆帝認爲陰暗的光線會污損畫面；全景畫由畫師採用西方顏料直接在牆面或頂棚作畫，而通景畫則是由畫師採用傳統的礦物顏料首先在絹、紙上畫好，然後裱糊到牆面或頂棚上。
故宮倦勤齋內的通景畫裝飾藉助於透視理論，將西方透視繪畫方法摻入中國傳統繪畫風格中，並巧妙地運用於宮廷室內裝飾，產生了一種視像錯覺的藝術效果，成爲東西方文化交流和融合的一種表現形式。
建築採光是紫禁城帝王日常生活的重要保障。紫禁城古建築有多個引入室外光源的採光方法，主要表現爲建築坐北朝南的佈局、屋檐反宇做法、建築材料的反光及透光等。
紫禁城內重要的宮殿均採用“坐北朝南”的佈局形式，這是非常有利於採光的。所謂“坐北朝南”，即建築的門窗均設在建築的南立面，建築北立面僅僅設出入通道，大部分區域爲牆體。古人認爲南方代表光明，古代帝王的寶座坐北朝南，《周易·說卦》亦載有“萬物皆相見，南方之卦也”的說法，說明面南的重要性。從地理學角度而言，我國位於北半球區域，北迴歸線穿過了我國的南部地區。相應的，我國大部分區域處於北溫帶，該區域的日照特點爲太陽從東偏南的方向升起，而又從西邊方向落下。“坐北朝南”的建築佈局方式，有利於建築最大限度地接受光照，因而有利於建築採光。
屋檐反宇的做法，非常有利於室內採光。紫禁城古建築屋頂做法一般爲挑檐形式，即由屋檐向外挑出柱高的1/3的尺寸。不僅如此，屋檐出挑時，其端部略帶上翹的弧度，在外觀上產生優美弧度的視覺效果。這種挑檐做法稱爲“反宇”。挑檐的“反宇”做法不僅有着“天人合一”的建築意境，而且有利於建築內部採光。若挑檐不做成“反宇”形式（現代建築挑檐多爲這種做法），則外部光線直接進入室內，容易產生眩目之感，且在夏季容易造成室內溫度過高；而紫禁城古建築採用“反宇”的挑檐形式，使得部分照射到屋檐的光受到了阻擋，另有部分直射入室內的光，由地面漫反射作用，再使得建築內部獲得採光。這種被過濾後的光線自然、柔和，給人以舒適之感。不僅如此，“反宇”還有利於紫禁城古建築的室內夏天不過於熱、冬天不過於冷，體現了古人營建智慧。
紫禁城古建築的室內建築材料有助於採光，其方式主要包括透光和反射光。從透光角度講，紫禁城宮殿建築的隔扇、檻窗在早期採用高麗紙封護，這種紙經油浸泡，不僅具有良好的防風、防潮功能，且紙張由綿繭或桑皮製作而成，因而透光性很好。清雍正元年，養心殿後寢宮窗戶上安裝了玻璃，此後紫禁城內的宮殿建築門窗逐漸安裝了玻璃，其有着更好的耐久性和透光性，更有利於室內採光。而從反射光角度而言，淺色的牆體有利於室內反光。室內紅色立柱和灰色金磚地面在施工中有塗刷桐油的工序，因而表面均有光澤，可產生良好的反光效果。不僅如此，由於外部光線是由上至下照入室內的，因而建築內部的下方會顯示出清晰的、良好視覺效果的光影，這種光影提供的光照效果柔美，且提供了充足的光照，以利於皇帝或宮廷其他人員開展各種活動。
納涼：冰的儲存
北京的夏天炎熱，冰塊爲紫禁城內帝后消暑納涼的重要物品。相應的，紫禁城內有專門藏冰的冰窖5座。每座冰窖均爲半地下式建築做法，而地下較厚的泥土層有利於保持冰窖內溫度的恆定；冰窖的牆壁厚達2米，有利於產生隔熱效果；冰窖的頂棚做成起拱的磚券形式，頂棚上的屋頂則做成硬山形式，屋頂與頂棚之間的架空層有利於阻斷外部的熱量通過屋頂向室內傳遞。上述建築特點使得置入冰窖內的冰塊始終保持在恆定的溫度範圍內。此外，冰窖的條石地面考慮了排水坡度，坡度最低點位於冰窖牆角，該位置設有排水口，使得冰塊融化後的水通過排水口流入暗溝，再匯入附近的集水井。
紫禁城內每座冰窖藏冰5000塊，每塊冰的尺寸爲0.5米見方。冰塊的採取一般由專人負責。他們會在冬至時，在紫禁城護城河、北海、金水河、中南海河湖附近劃定一塊區域，倒入乾淨的水，待水結冰後，在夜間將冰剔鑿成塊，運送至冰窖。選在夜間採冰，是因爲可以避開日曬，減小冰塊融化的可能性。第二年的五月一日至七月三十日，皇帝會下令將冰塊從冰窖運出，分別賞賜給後宮及大臣、太監等人，用於製冷或作爲冰鎮飲品的原料。由於冰窖內部的溫度有十幾度，因此不可避免有部分冰塊在五月一日前融化，但古人早已有所準備。如《周禮》載有“令斬冰，三其凌”，其中“三其凌”就是儲藏三倍所需要的冰塊的意思。紫禁城的冰窖建築及藏冰方法，滿足了帝王在炎熱夏天避暑納涼的要求，其建築技藝亦是古代工匠勤勞和智慧的體現。
明清處於我國的“小冰期”時期，即歷史上的第四個寒冷期階段，冬天非常寒冷，且歷經時間長，達一百五十餘天，室外的最低氣溫可降至零下30攝氏度。可是對於紫禁城的皇帝而言，他們樂於在紫禁城裡過冬，且有多位皇帝留下了“墨寶”來描述紫禁城裡冬日室內的溫暖。比如乾隆皇帝弘曆曾寫有詩文《冬夜偶成》，其中載有“人苦冬日短，我愛冬夜長”；道光皇帝旻寧撰寫的《養正書屋全集》，其中載有“形參鳥道層層接，理悟羊腸面面通。薦以文茵饒雅趣，一堂暖氣着簾櫳”。在這裡，“鳥道”“羊腸”即爲地下供暖的通道。以上說明，紫禁城的宮殿裡有供暖系統，使得帝王及其家眷在冬日裡感到非常的溫暖舒適。
周乾 故宮博物院研究館員，故宮古建專家
曾獲華夏建設科學技術獎一等獎。主持省部級以上課題數十項，發表學術論文、文章200餘篇，出版著作9種。
實際上，紫禁城的供暖系統位於地面之下，稱爲“火地”。這種地下供暖系統與現代社會的水地暖、電地暖或暖氣片供暖有着異曲同工之處。其供暖原理爲：在檻窗（矮牆上的窗戶）外側有操作口，檻窗的裡側有火爐，二者深度均爲地面以下1米左右。宮廷服務人員站在操作口內燒火，火爐產生的熱量蔓延至地下預設的四通八達的通道，加熱地面磚，再由地面磚把熱量散發到室內，使得室內溫度升高，達到了供暖的需求。
操作口位於室外，不僅不影響室內人員的生活，而且服務人員還可隔着玻璃觀察室內的供暖效果，以便及時增減炭火。室外操作口在冬天以外的季節不使用時，通常蓋上一個蓋板，以防止小動物鑽入。對於火爐產生的熱量（夾雜少量煙霧），其在地下擴散後，仍從地下的專門小口中排出，該出煙口位於室外臺明階條石的下部。出煙口也用了銅錢紋的鏤空磚雕堵塞，即美觀，又實用，還能防止小動物鑽入。這種做法，成爲“紫禁城的冬天燒炭取暖，但不見一個煙囪”的原因，反映了古代工匠的智慧。需要說明的是，紫禁城裡也是有煙囪的，坤寧宮西北角就有一個煙囪，不過這是清代故宮進行薩滿教祭祀活動時煮豬肉排煙的通道，無關冬季取暖。
火地在地下的熱量擴散通道稱爲“蜈蚣道”。之所以用該名稱，是因爲整個火地的排煙系統猶如一隻多足“蜈蚣”：爐腔產生的熱量，沿着由外向內的主煙道傳遞；主煙道兩側又伸出很多分支，稱爲“支菸道”，使得熱量又沿着支菸道向兩側傳遞；最終由支菸道端部的通道（與主煙道平行）排出至出煙口。爲保證熱量充分向室內傳遞，各個煙道做成坡道形狀，其中近檻窗處的坡道地面標高最低，越往裡則標高逐漸增高，以符合熱量向上傳遞的原理。當熱量經過在地下的全面擴散後，出煙口時已經非常少了，整個過程就是對地面的加熱過程。火地熱源所需的炭爲“紅籮炭”，產於河北易縣等地，由硬木燒製而成，其特點爲“氣暖而耐久，灰白而不爆”（見明代宦官劉若愚所著《明宮史》卷二），且炭灰可用於皇帝恭桶的污穢襯墊用。
傳音：地井與藻井的運用
賞戲爲明清帝王主要娛樂休閒活動之一。紫禁城內共有十餘個戲臺，而位於寧壽宮花園內的暢音閣則是紫禁城內最大的戲臺。暢音閣共有三層，從下往上分別稱爲壽臺、祿臺和福臺，每層戲臺面積約爲200平方米，三層戲臺共可納千名演員同時表演。
戲劇演員表演時，大臣及后妃們坐在暢音閣東西兩側的長廊內，皇帝則坐在暢音閣對面的閱視樓內觀看。由於閱視樓與暢音閣之間有數十米長的間隔，那麼演員表演時發出的聲音，以及樂器伴奏的聲音如何清晰地傳到皇帝的耳朵裡呢？這主要依賴於暢音閣的古代“音響”系統。該系統由暢音閣地下室的地井、一層頂棚正中的藻井，以及閉合的庭院空間組成。
暢音閣一層壽臺的地板之下設有地下室，內有空井4個和水井1個。它們佈置在這裡，可產生共鳴效果。共鳴的物理學原理在於，任何物體都有一個固有的振動頻率，當外來振動的頻率與物體固有頻率相同時，可形成強度很大的激勵作用，使得物體產生幅度很大的振動。對於暢音閣而言，當臺上的演員或樂器發出聲音時，若聲音的頻率與空井振動的頻率“合拍”，則聲音就會被放大傳出去。4個空井有4個固有頻率，與演員或樂器產生“合拍”的概率很大，從而產生擴音效果，猶如戲臺的“音響”。
其實早在戰國時期，利用地下空井產生擴音的方法就在軍事上得到了運用。如《墨子·備穴》載：“令陶者爲罌，容四十鬥以上，固順之以薄革，置井中，使聰耳者伏罌而聽之。”說的是命令工匠製作容量爲四十鬥以上的陶罐，罐頂蒙皮，然後放入井內；當敵人挖隧道時，傳過來的聲音可在罐頂放大，因而能被偵探到。
設置水井的功用，主要是藉助其產生混響效果。所謂“混響”，類似於回聲，即聲波發出後遇到障礙時會產生反射；當聲源停止後，若干個反射聲波混合在一起持續一段時間，即產生“混響”效果。混響對於聲音的效果有着重要意義，如果沒有混響，那麼人聽到的聲音就會聽起來比較乾澀。另外，不同的場合，混響的最佳時間並不相同。水井的水位高低不同，可產生不同的聲波反射及混響效果，通過調節，能夠使得在故宮看戲的帝王后妃獲得最佳聽覺感受。
暢音閣一層頂棚正中有藻井。藻井向上凹進，外觀猶如一個大喇叭。站在舞臺上的演員發出的聲音，傳到藻井位置，會形成匯聚，再集中反射出去。反射的聲音一方面得到了放大，猶如喇叭的擴音功能一樣；另一方面反射的聲音與演員的源聲進行混合，同樣能產生混響效果。這也是位於閱視樓內的皇帝能清晰聽到戲曲聲的重要原因。
此外，暢音閣與兩側長廊、閱視樓形成幾乎封閉的圍合空間，使得戲臺上的聲音始終在圍合區域內傳播與反射，而磨磚對縫的牆體和光亮的琉璃瓦又減少了聲音的吸收，以上有利於皇帝獲得清晰的聲音效果。
浴德：故宮保存的元代建築
紫禁城裡的古建築一般以木結構爲主，其建築造型極具東方韻味。然而，在武英殿的西側，有一座奇特的建築，其由磚砌築而成，且無論是內飾還是外觀，均表現出濃郁的阿拉伯風情：圓拱形四面相交的室內牆體，圓拱形的屋頂，上帶圓拱形的玻璃罩。這是紫禁城裡極爲少見的元代建築，且表現出阿拉伯建築風格。該建築的名稱爲“浴德堂”。那紫禁城裡面爲什麼會有一座元代的西方建築呢？據史料記載，波斯建築師亦黑迭兒丁曾與光祿大夫劉秉忠等負責建造元大都，並參與元朝宮殿的建設，建造了諸多的阿拉伯風格建築。紫禁城建立在元皇宮的基礎上，而明成祖朱棣由南京遷都至北京前，下令蕭洵拆除元代皇宮，並安排專人在元代皇宮遺址上建造紫禁城。而蕭洵在拆除元代皇宮時，將浴德堂保留下來了。
蕭洵所著《元故宮遺錄》載有“臺東百步有觀星臺，……臺西爲內浴室，有小殿在前”，可說明浴德堂是一座浴室。浴室內平面爲正方形形狀，邊長約爲4米，牆上貼有白色瓷磚，方磚鋪墁地面。建築內部造型的主要特點爲四面牆壁在3.1米高度時開始往上起拱，使得屋頂內部呈穹隆狀。由於建築內部沒有使用一根樑，因而浴德堂又俗稱爲“無樑殿”。整個浴室的重量完全由四面牆體承擔，使得室內的空間自由得以充分發揮。另外穹頂的上方，有高約1米的帶天窗玻璃圓頂，以利於採光。
關於浴德堂在明清時期的用途，有很多說法，其主要用途之一仍爲帝王浴室。爲滿足皇帝的沐浴需求，浴德堂對供水、採光、恆溫等方面都有所考慮。沐浴需要熱水，熱水的水源來自浴德堂西牆外的水井。服務人員從水井中取水，並通過穿牆而過的高架石槽，將井水引入浴德堂北部的竈房內。竈房的南牆與浴德堂的北牆爲同一堵牆，且在牆高1米處開設洞口，埋設銅管。竈房內有大鍋一口，服務人員將引入的井水加熱，再用勺子舀出，使之從銅管流入浴德堂內，這樣的話，皇帝就獲得了沐浴用的熱水。採光方面，浴德堂的光線主要通過屋頂的玻璃穿入，建築內部四面牆體均爲白色瓷磚牆，僅在南面設置曲尺形出入口。這種建築設計形式不僅保護了帝王的隱私，而且對室內採光有利。儘管光線僅從頂部射入，但是白色的瓷磚有很強的光反射性能，因而室內採光是非常充分的。需要說明的是，元朝崇尚白色，如《元史·百官志》載有“窯廠，大都四窯廠領匠夫三百餘戶，營造素白琉璃瓦”。恆溫方面，浴德堂各面牆壁厚度均達1米，足以保持室內溫度恆定；浴德堂曲尺形的出入口，使得外部的風邪很難直接侵入；頂部的玻璃罩還包括側面天窗，既滿足換氣需求，又幾乎不影響室內的溫度變化。此外，研究人員經過勘察發現，浴室地板下還有鐵板，鐵板下有火地系統，冬天有專人在室外生火，加熱鐵板（地板），保持了室內的溫暖。
從滿足帝王后妃日常生活角度來看，紫禁城宮殿建築的上述各種生活設施集科學性、簡潔性、高效性等多種優點於一體，是我國古代優秀的建築科技、文化和藝術的反映。
《光明日報》（ 2020年10月31日 10版）