故宫“金匾”背后的古代智慧

周乾

每年冬至正午前后，乾清宫大殿内“正大光明”匾额及下方金龙由西向东依次被点亮，发出金色光芒

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，北立面一般只在明间开设用于出入通道的隔扇门。这种建筑布局方式有利于乾清宫建筑内部采光。

因为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，利于太阳光充分照射入建筑内部，也有利于避免内部过冷过暗。这里的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。

北京四合院也大多采用坐北朝南的建筑布局（图片来源/维基百科）

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。已知在夏至日，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。

正午時分阳光照射乾清宫示意图

知识链接

金砖是金子做的吗？

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”。浇筑桐油的金砖地面坚固密实，其光亮的表面经过阳光照射后，易形成镜面反射。

金砖地面的镜面反射

阳光照在任何物体表面都会产生反射。相比而言，表面光泽性越强的物体越会产生镜面反射，表面较为粗糙的物体则会产生漫反射。

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，因而不会产生光线会聚现象。

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会聚到殿内相应的位置。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。

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。

光亮的金砖表面被阳光照射后，易产生镜面反射

此外，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，因而首先点亮“正”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，因而“大”字的东侧及下方正中间部位的龙最亮;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，因而“明”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“正大光明”字样及下方的五条龙。

屋檐起翘不仅增加造型之美，而且利于建筑内部采光

阳光照射乾清宫“正大光明”匾额及下方金龙示意图

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），并略带上翘的弧度，形成优美的曲线，这种曲线形屋面檐口上翘的做法，称为挑檐做法。挑檐做法不仅增加了建筑的造型之美，而且遮蔽阳光少，有利于建筑内部的采光。紫禁城古建筑屋檐起翘的斜度一般在26°～30°之间，这个角度非常接近于地球公转的黄道面与赤道面形成的夹角（黄赤交角），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。对于乾清宫而言，屋檐起翘使得冬至日正午的阳光能够照射到建筑内部深处。而在正午时分，这种照射的范围达到最大值，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。

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。这么多专业领域知识在乾清宫的科学运用，无不反映出古代工匠卓越的建筑智慧。

（责任编辑/陈天昊 美术编辑/李子夜）