付宗馳，羅 暢，劉玉豪，裘鴻菲

(1.石河子大學 農(nóng)學院，新疆 石河子 832003；2.華中農(nóng)業(yè)大學 園藝林學學院，湖北 武漢 430070)

“建筑之始，產(chǎn)生于實際需要，受制于自然物理”，“莫不各自在其環(huán)境中產(chǎn)生”.“中國建筑乃一獨立結構系統(tǒng)，歷史悠長…直至最近半世紀，未受其他建筑之影響”[1].古建筑是人類經(jīng)過歷史上長期實踐自然形成的[2]，是一個民族自然觀念、社會生活觀念、審美觀念等的綜合體現(xiàn)[3].對于中國古建筑的研究有助于加深對建筑本質的理解，有助于建筑類歷史文化的保護，也有助于指引中國未來建筑的發(fā)展.

關于中國古建筑的傳統(tǒng)研究開啟于1925年“營造學會”的建立，朱啟鈐、梁思成和劉敦楨等是這個時代的杰出代表人物，他們開啟了對于中國古建筑的測繪、保護和對《營造法式》的解讀.隨著測量技術的進步、研究方法的拓展，直到現(xiàn)在這項工作不斷取得階段性研究成果，豐富著人們對古代建筑的認知，中國古代建筑設計理論不斷得以完善，研究主要有四個方面.一是關于單體遺存建筑實地測繪、數(shù)據(jù)分析的研究[4-6]，研究的著力點涵蓋為古建筑的維修保護提供建議、解讀對比印證《營造法式》技術理論、揭示古代建筑尺度規(guī)律[7-8]等，屋檐作為建筑的一部分被淹沒在整體木構架研究之中.二是比較型研究，通過對比、關聯(lián)分析古代建筑發(fā)展.這類研究多是探究建造技術源流[9-11]，較多注重木構架或某類木構件做法的技術演變，屋檐作用及對自然環(huán)境的適應沒有被系統(tǒng)提及.三是關于古建筑結構力學性能的研究[12-14]，為古建筑保護、維修等提供科學依據(jù).四是中國古代建筑史[15-17]研究中通過大量的實例全面介紹了中國古代建筑不同時期、不同區(qū)域、不同文化影響范圍的建筑特征及發(fā)展，但在闡述建筑發(fā)展演繹時多是立足于政治、經(jīng)濟、工程技術、文化藝術等方面，對于自然環(huán)境的影響涉及較少或分析不足.

古建筑經(jīng)由長期試錯過程，由深諳當?shù)刭Y源、氣候、技術的工匠建造而成，相比于現(xiàn)代建筑，更多地體現(xiàn)了關注氣候的被動式建筑設計策略[2].因此，向傳統(tǒng)學習是當下氣候被動式建筑研究的重要途徑.深屋檐不但是中國古建筑的典型特征，同樣被廣泛應用于亞洲、非洲和歐洲其他國家的傳統(tǒng)建筑中.許多使用定性[18-21]、實測驗證[22-24]和軟件模擬[25-28]的研究指出屋檐通過遮陽可有效緩解夏季炎熱、改善室內(nèi)光環(huán)境.相應地利用氣候適應性原理研究古建筑亦是一個新途徑.本研究考慮溫度的影響，并以氣候四要素之一的光照為著力點，以關鍵時間節(jié)點的光線為工具，來分析古建筑與光照的關系.

1 研究方法

24個研究對象，座北朝南的占60.87%，受地形影響非座北朝南的占21.74%，真正不明原因且非座北朝南的只占17.39%.分析過程中，將建筑均默認為坐北朝南.在建筑剖面圖中，經(jīng)建筑屋檐下沿繪制關鍵時間節(jié)點光線(圖中自外向內(nèi)依次為夏至、處暑、大寒、冬至光線)，求出光線在建筑上的落影點.通過分析光線落點與建筑物的位置關系，尋找建筑與光線的適應規(guī)律，進而解讀中國古建筑.

2 研究對象及其數(shù)據(jù)來源

以唐代至清代著名高等級建筑(有充足的建造資金，可充分集成當時先進的建造技術，最是中國古建筑最高水平的代表)為研究對象，具體研究對象的選擇依據(jù)有三點：一是能夠找到準確可靠的建筑斷面圖；二是不同緯度分布；三是研究對象盡可能多.

地理位置即經(jīng)緯度(主要是緯度)，由“百度地圖拾取坐標系統(tǒng)(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)”查尋取得.關鍵時間節(jié)點太陽光線的高度角按照《太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算》[29]計算取得.在本研究中屋檐高度和深度被分別定義為屋檐遮陽檐線到臺明的垂直距離和該檐線到檐柱柱頭中線的水平距離，詳見圖1(a)表示.由于對遮陽效果有直接影響的為屋檐高深比，因此通過將建筑斷面圖插入到CAD2016中量取屋檐高深的相對值(三次)，最終取平均高深比.

3 關鍵時間節(jié)點光線

我國古代木構建筑多有模數(shù)關系，保證了在一定時期內(nèi)建筑風格的統(tǒng)一.這種模數(shù)關系或許是以政治文化中心的都城所在地氣候條件為依托發(fā)展而來的，因此在分析建筑過程中，除運用建筑所在地光線之外，都城光線也應當被納入分析范疇.

對確定的某區(qū)域，太陽高度角變化是影響光照強度的最核心因素.通常太陽高度角越大地面接受到的太陽輻射強度越高.一天當中，最大太陽高度角出現(xiàn)在真太陽時12時.一年當中的真太陽時為12時，最大太陽高度角出現(xiàn)在夏至日，最小太陽高度角出現(xiàn)在冬至日.因此，在光線分析時選擇夏至日與冬至日真太陽時12時光線作為兩個關鍵的節(jié)點光線.

氣溫是人體熱舒適最重要的影響因素之一，人們對光照的喜好是建立在不同溫度基礎之上的.低溫喜好更多的太陽輻射，高溫則偏好避光.基于人們在溫度影響下對光照的喜好規(guī)律，處暑日(簡言之本日之后氣溫逐漸降低)與大寒日(簡言之本日之后氣溫逐漸升高)也被作為兩個重要的時間節(jié)點日，而其太陽真時12時光線被選作為另外兩個關鍵時間節(jié)點光線.

4 古建筑屋檐光線分析

4.1 唐代建筑

唐代建筑選擇目前僅現(xiàn)存的南禪寺大殿(圖1(a))、佛光寺東大殿(圖1(b))、廣仁王廟大殿(圖1(c))和天臺庵大殿[30](圖1(d))為研究對象，研究對象基本信息詳見表1.

建筑所在地處暑光線剛好落在圖1(a)～(c)建筑檐柱柱腳附近很小的范圍內(nèi)，冬至日光線剛好落在圖1(a)、圖1(b)檐柱頂部，落在圖1(c)建筑外墻頂部.這樣能夠避免熱季輻射強度最強時刻的光線照射在屋身，而使冷季輻射強度最弱當天輻射強度最強的光線能夠照射到屋身，在兼顧兩季的基礎上，表現(xiàn)出了良好的氣候適應性.其中圖1(c)建筑所在地與當時都城長安緯度接近，面同樣表現(xiàn)出這樣的規(guī)律，可以推測這三座建筑有“本土化”的特質且在不歷史上不斷的修葺中得到了很好的尊重.圖1(d)建筑與所在地光線之間無上述規(guī)律反應，可能是在后期的修葺過程中對其做了重大改變[5]造成的.

圖1 光線與唐代建筑關系圖

4.2 宋、遼、金、元建筑

由于宋“雖在戰(zhàn)爭上屢敗于遼、金，而文化上遼、金節(jié)節(jié)府首于漢族.文物藝術之動向，唯宋是瞻[1]”，因此此階段都城取北宋都城開封，研究對象選擇獨樂寺觀音閣(圖2(a))、永壽寺雨花宮(圖2(b))、北岳廟德寧殿(圖2(c))、正定縣文廟大成殿(圖2(d))、佛宮寺釋迦塔(圖2(e))、獨樂寺山門(圖2(f))、玄妙觀三清殿(圖2(i))、隆興寺轉輪藏殿(圖2(j))、廣濟寺三大士殿(圖2(k))、善化寺三圣殿(圖2(m))、永樂寺三清殿(圖2(n))、保國寺大殿(圖2(p))，這些建筑的基本信息詳見表1.

開封處暑日光線落在建筑臺面上的落點位于圖2(p)、圖2(a)建筑檐柱柱腳較遠的位置，位于圖2(b)～(i)檐柱柱腳外側很近的位置，位于圖2(j)～(n)建筑檐柱中心線附近.建筑所在地處暑日光線在建筑臺面上的落點位于圖2(i)、圖2(p)建筑檐柱外側較遠處，位于圖2(a)建筑檐柱柱腳外側，位于圖2(b)～(e)建筑檐柱中心線附近，位于圖2(f)、圖2(j)～(m)建筑檐柱內(nèi)側.

從分析結果看，如若這些建筑的氣候適應性參照的是建筑所在地光照，圖2(a)建筑則與唐代建筑表現(xiàn)一致；圖2(b)～(e)建筑雖與唐代建筑的表現(xiàn)略有不同(處暑日光線照射到柱體及墻面底部，或照射到檐柱內(nèi)側較小的范圍內(nèi))，但亦可以解釋為這些建筑比唐代建筑更加注重冷季的氣候適應；而圖2(i)和圖2(p)建筑在南方而采取更加遮陽的熱季氣候適應策略；但如若將這些建筑作為一個整體來看，圖2(f)及圖2(j)～(m)建筑無法得到很好的解釋，雖說也有這三個建筑依據(jù)自身環(huán)境的需要采取了更加注重冬季采暖的可能性.

如若這些建筑的氣候適應性參照的是開封光照，則圖2(b)～(i)建筑與唐代建筑表現(xiàn)出驚人的一致性，即處暑日光線在建筑臺面上的落點位于檐柱柱腳外側很近的位置；圖2(a)建筑可解釋為因多種制約因素的影響而采取了減小檐柱高從而使檐出與檐高比例增大[4]，從而導致處暑日光線落點外移；圖2(p)建筑可解釋為由于地處南方，更加注重熱季的遮陽；圖2(j)～(n)建筑處暑日光線落點位于檐柱中心線附近，雖與唐代建筑氣候適應性表現(xiàn)略有不同，但依然滿足對于光照的氣候適應性規(guī)律，且表現(xiàn)穩(wěn)定.另外，仔細分析可見總體而言，圖2(b)～(f)建筑及圖2(j)～(m)建筑隨著建筑所在地緯度的增大，光線的落點逐漸向檐柱中心線內(nèi)側移動，即隨著緯度增加建筑在氣候適應性策略選擇上越來越注重冷季使建筑屋身更多受到太陽輻射，這是否可解讀為依據(jù)某一典型氣候區(qū)光照設計出的氣候適應性建筑在一定的地理范圍內(nèi)是適用的？

綜合以上分析，考慮到該時期是中國建筑發(fā)展史上一個承上啟下的階段，該時期建筑氣候適應性設計應當是參照當時文化、政治、經(jīng)濟中心開封的光照條件來制定的.同時，參照首都光照制定的氣候適應性建筑似乎在一定地域范圍內(nèi)亦有對建筑所在地光照較好的氣候適應性.但在與文化中心較遠的南方或北方，亦有部分建筑采取適應當?shù)貧夂蛱攸c的氣候適應性措施(如圖2(a)、圖2(p)).另外，在滿足對于光照氣候適應性規(guī)律的前提下，處暑日光線在建筑臺面上的落點似乎有兩種選擇——檐柱柱腳外側很近的位置(圖2(b)～(i))和檐柱中心線附近(圖2(j)～(n)).

圖2 光線與宋、遼、金、元建筑關系圖

如果以上結論成立，則可推測出兩層含義：一是《營造法式》的編著團隊對建筑的氣候適應性有明確的認識，并以開封的地理位置作為參照編制了《營造法式》；二是《營造法式》這種以“材”為基本模數(shù)的設計方法[31]雖沒有對各部件做絕對要求，但在后續(xù)運用中制約工匠對氣候適應性理解與把握，另外在一定地域范圍內(nèi)對于建筑風格推廣、建筑質量保證均能起到重要的積極意義.

4.3 明、清建筑

明、清建筑選擇明長陵祾恩殿(圖3(a))、紫禁城太和殿(圖3(b))、故宮文淵閣(圖3(c))、報恩寺華嚴藏殿(圖3(d))、報恩寺大雄寶殿(圖3(e))、紫禁城午門正樓(圖3(f))、太廟中殿(圖3(g))、太廟后殿(圖3(h))為研究對象，建筑基本信息詳見表1.

建筑所在地夏至日光線在建筑臺面上的落點，位于在圖3(a)～(c)建筑檐柱柱腳外側很近處，位于圖3(f)～(i)建筑外側較遠處，位于圖3(d)、3(e)很遠處，表現(xiàn)很不穩(wěn)定.總體而言這些建筑的氣候適應性不是參考所在地夏至日光線而設計.

建筑所在地處暑日光線在建筑臺面上的落點，位于圖3(a)～(c)及圖3(f)～(i)建筑檐柱內(nèi)側非關鍵位置，位于圖3(d)、3(e)建筑檐柱中心線.考慮到圖3(d)、3(e)建筑所在地平武縣與明代第一都城南京緯度接近，其表現(xiàn)出的與宋代建筑做法類似的氣候適應性設計當是參考南京光線的無意而為，并不是主動適應所在地氣候的有意做法.總體而言，這些建筑的氣候適應性亦不是參照所在地處暑日光線而設計.

南京處暑日光線在建筑臺面上的落點，位于圖3(a)～(e)建筑檐柱中心線，位于圖3(f)～(i)檐柱柱腳外側.這種表現(xiàn)與宋代建筑如出一轍，即該時期建筑氣候適應性設計應當是參照當時文化、政治、經(jīng)濟中心南京的光照條件制定的，且處暑日光線在建筑臺面上的落點有兩種選擇——檐柱柱腳外側很近的位置或檐柱中心線附近.作為明、清兩朝都城，但建筑卻沿用以南京(北京與南京緯度相差約7.5°)氣候為參照制定的規(guī)制，原因有待進一步研究.

圖3 光線與明、清建筑關系圖

4.4 建筑朝向

建筑朝向對屋檐的遮陽效果有重要影響[32-34].中國古建筑有座北朝向的傳統(tǒng)，該傳統(tǒng)朝向也被認為是最優(yōu)的[35]，但研究對象中依然有約39%的建筑朝向非坐北朝南，同時它們又與其他建筑保持與光線適應的一致性規(guī)律，即光線落點位置基本相同.原因可能有以下兩個方面：一是并非所有古建筑均進行與其所在場地相結合的氣候適應性設計，而是在外觀上與本區(qū)域的建筑保持基本一致；二是木頭的材料強度已經(jīng)被充分挖掘，無法再通過增加出檐深度實現(xiàn)安全完美的遮陽.

4.5 屋檐遮陽規(guī)律

利用畫法幾何和陰影透視原理，不同時刻(10∶00、10∶30、11∶00、12∶00、13∶00、13∶30、14∶00)建筑屋檐與太陽光線的關系如圖4.由圖4可發(fā)現(xiàn)坐北朝南建筑的屋檐熱季12∶00遮陽效果是最差的，即只要12∶00能夠實現(xiàn)南正面的充分遮陽，其他時刻均能實現(xiàn)充分遮陽(本文研究對象均適用此規(guī)律).同樣可得到冷季12∶00遮陽效果最好，即12∶00建筑南墻面受到的太陽照射比例最大.

圖4 熱季不同時刻光線與屋檐的關系

4.6 屋檐高深比

表1列出了建筑的高深比，唐代建筑平均高深比為1.90(天臺庵大殿屋檐與光線的關系與其他相差太大，排除在統(tǒng)計之外)，宋、遼、金、元建筑為2.09，明、清建筑為2.50.由此看出中國古建筑屋檐高深比有隨時間逐漸增大的現(xiàn)象，雖然高深比的定義略有不同但李暉[36]研究中的數(shù)據(jù)也支持該現(xiàn)象的存在.本研究發(fā)現(xiàn)唐代建筑氣候適應設計參照的是當?shù)毓饩€，平均緯度為37.44°；宋—元參照的是開封光線，緯度為34.80°；明清建筑參照的是南京光線，緯度為32.04°.高深比與緯度結合可以發(fā)現(xiàn)，隨著氣候適應設計參照地緯度的增加屋檐高深比減小，粗略分析這與中國古建筑屋檐執(zhí)行一致的遮陽策略相關.緯度低相應的太陽高度角高，同樣實現(xiàn)南立面恰好的全部遮陽需要的屋檐高深比就大，反之亦然.由此可以推斷，隨著歷史上政治中心的南北移動，建筑與參照地光線的氣候適應性設計帶來了中國古建筑屋檐尺寸的變化.

表1 古建筑基本信息匯總表

5 結論與不足

5.1 結論

(1)中國古建筑屋檐至晚到唐代，就已經(jīng)發(fā)展出了與光照相適應的氣候適應性設計方法.其實質是避免熱季(4月19日—8月22日之間的126 d)光線照射在屋身，而使冷季輻射強度最弱當天光線能夠照射到整個屋身，從而兼顧冷熱兩季人們對太陽輻射的不同需求.而且當時建筑的設計者能夠很好地運用這種方法，并依據(jù)建筑所在地的氣候條件設計并建造出氣候適應性建筑.同時中國古建筑氣候適應性也存在與具體朝向不能完美匹配的不足.

(2)從宋、明建筑屋檐均能夠實現(xiàn)與自己都城的光照相適應來看，這種氣候適應性建筑設計及建造技術，并沒有隨著戰(zhàn)亂與朝代更迭而失傳，而是被完整地傳承下來.

(3)明朝掌握氣候適應性設計的技術，但出于某種考慮在遷都北京時可能沿用了基于南京光照的氣候適應性屋檐.又或許是隨著政治中心的北移，建筑熱舒適面臨的突出矛盾發(fā)生了重大變化，建筑氣候適應性策略也隨之主動發(fā)生變化，有待進一步研究.

四、光線適應設計參照地緯度的變化帶來了中國古建筑屋檐尺寸的變化.

5.2 不足

本研究基于分析光線落點與檐柱的關系圖得到相關結論，雖然通過圖可以清晰地展示它們之間的關系，但在對比中只能使用描述性語言分析解讀，得益于屋檐與光線適應關系的穩(wěn)定存在，使得此方法才得以可行.同時也期待研究者設計出基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法開展相關的研究.

圖片來源

文中圖片均為作者改繪，原圖來源如下：圖1(a)引自文獻[15]，圖1(b)、圖2(b)～(c)、圖2(d)～(f)、圖2(j)～(k)、圖3(a)、圖3(c)、圖3(c)引自文獻[1]，圖1(c)底圖引自文獻[30]，圖1(d)底圖引自文獻[5]，圖2(a)、圖2(i)、圖2(n)、圖3(b)、圖3(d)～(i)底圖引自文獻[10]，圖2(m)、圖2(p)底圖引自文獻[37]