紫禁城古代生活设施科学性研究

周 乾

（故宫博物院 故宫学研究所，北京100009）

位于北京市中心的紫禁城（今故宫博物院）有房屋九千余间，为明清帝王执政及生活场所。紫禁城内的宫殿建筑历经600年保存完好，在遮风避雨、抵御自然灾害等方面，有着牢固的建筑构造。［1-2］而从满足日常生活角度而言，明清时期帝后及大量宫廷服务人员在其中生活，除了满足日常衣食住行的必备物资外，建筑附属设施的可靠、完善是极其重要的生活保障。从建筑科技角度而言，古代虽然没有高科技设施（备）来满足上述宫廷生活的日常需求，但是古代工匠依据长期的实践经验和建筑智慧，巧妙地利用简单的科学原理，来建造满足帝后日常生活的建筑设施。相对而言，现有关于我国古代建筑设施的科学性研究成果较少。基于此，本文对紫禁城的防暑、御寒、采光、沐浴、看戏等日常生活所需的宫廷生活设施进行探讨，分析其科学性，以推进古建筑的保护和研究。

一、避暑设施科学性研究

北京夏季气温高，容易中暑，［3］建筑的避暑设施极其重要。紫禁城西部隆宗门的斜对面，有五座联排建筑，为冰窖所在位置，用于藏冰。［4］每座冰窖的建筑形制完全相同：为半地下室式结构，长约11米，宽约6米，条石地面，端部设排水口，以备冰块融化后的水排到室外附近的井内；墙体厚约2.0米，其下碱为高约1.5米的条石，上身为高约2.6米的砖砌体；墙体之上的外部做成硬山屋顶形式（图1），内部则为砖砌圆拱（图2）。建筑不设窗，仅在南北两侧开设大门，作为搬运冰块的出入口。清代冰窖的建筑做法一般为［5］：柏木桩基础，基础之上用豆渣石做柱础和地面，地面之上的墙体下部为条石、上部为城砖，且无论是条石还是城砖，都采用旧料。此外，豆渣石为具有药用功能的矿石，能去除水中的细菌和杂质。［6］

图1 冰窖北立面

图2 冰窖内部

冰窖的藏冰或用于室内制冷，或用于冷冻新鲜食物，或用于宫廷人员消暑食用。紫禁城内在清代有冰窖五座，每座藏冰5 000块，每块冰为近似正立方体形状，边长为0.5米，乾隆朝《钦定大清会典一》卷七十四亦载有“紫禁城内窖五，藏冰二万五千块”［7］。这些冰块一般由宫中专职人员（清宫设满汉冰窖监督各1人）负责，在冬至前准备好。这些专职人员命差役在筒子河、北海、中南海等河湖周边预先留出一块空地，倒入干净的水。待水结冰后，再由差役进行切割，并运送至宫中冰窖。在古代，采冰又名“打冰”（图3），且在夜间进行。如晚清文人富察敦崇著《燕京岁时记》载有“冬至三九则冰坚，于夜内凿之，声如錾石，曰打冰”［8］。之所以选在夜间“打冰”，其主要原因在于夜间的冰未受日晒，更加易于保存。存储的冰块一般在第二年的五月初一至七月三十日使用。此外，藏于冰窖的冰块在存储期间会融化部分，但剩余的冰块足以满足宫内使用需求。古人早有“备用”冰块的经验，如《周礼注疏卷第五》载有“凌人掌冰正，岁十有二月，令斩冰，三其凌”［9］，其中“三其凌”即为“储藏三倍冰量”的含义。

图3 打冰

夏天炎热时节，紫禁城冰窖内的藏冰块可用于“冰箱”制冷。紫禁城里的冰箱与现代冰箱不一样，其外观为一个盒子，主要制冷设备不是现代冰箱的压缩机，也不用电，而是利用冰块，其制冷方式具有绿色环保特点，且制冷效果也很好。［10］图4为明万历蓝琉璃釉竹节方冰箱。琉璃又名“五色石”，是在高温下将水晶琉璃母石熔化而成的一种结晶体。烧制后的琉璃外观晶莹剔透，精致而又细腻，在古代被视为艺术佳品。我国早在西周时期就掌握了琉璃制作技术。［11］图4中的冰箱形状为方斗形，上部略大，为琉璃烧制而成，外观呈蓝色，中部和底部各有一道竹节纹。该冰箱的主要制冷构造为：盖板及四壁厚3厘米左右，冰块放入后，不会很快熔化；顶板有4个铜钱形状的通气孔，使得冰块熔化后冒出的冷气由上述位置传入室内；底部有排水口，冰块融化后产生的水迅速排出，流入冰箱下方预先放好的盆中；冰箱高约0.6米，中部可设架空隔板，隔板下部放冰块，上部放瓜果，使得冰块融化时，产生的凉气既可以使得瓜果降温，又可以使得室内凉爽。

图4 明万历蓝琉璃釉竹节方冰箱

在炎热的夏季，紫禁城部分院落内搭设凉棚，以获得避暑效果。［12］凉棚为临时性建筑，其搭设一般由内务府负责。搭设后的凉棚可以遮挡阳光、且因为空间开阔，因而有利于空气流动，产生降温作用。如图5所示为紫禁城西六宫之长春宫凉棚烫样，该烫样制作于咸丰九年（1859）左右。［13］由图可知，长春宫庭院里的凉棚高出四面建筑一大截，足以遮挡大量阳光；“人字坡”形状的屋顶顶棚形成架空层，使得屋顶上的热量很难传入凉棚的顶棚以下空间；凉棚四周又设有通透的高窗形成空气对流，凉棚的上述构造形成紫禁城帝王夏季避暑的便利设施。需要说明的是，烫样为工匠用纸、竹片、秫秸等材料制作成的三维建筑模型，专门呈送给皇帝御览，待皇帝批准后，再用于指导施工。

图5 长春宫凉棚烫样（局部）

二、御寒设施科学性研究

明清时期我国北方处于历史上的第4个寒冷时期，冬天异常寒冷，最低温度可降至零下30度。［14］然而对于紫禁城里的帝王而言，他们觉得紫禁城的冬天非常温暖，甚至有皇帝作诗表达舒适惬意的心情。如乾隆帝的《冬夜偶成》载有“人苦冬日短，我爱冬夜长”［15］，道光帝的《养正书屋全集》载有“花砖细布擅奇工，暗热松枝地底烘”［16］等。明清帝王之所以喜欢在紫禁城里过冬，主要原因在于紫禁城里有特殊的供暖系统——火地。“火地”顾名思义，就是用火的热量使得地面升温，并进一步使得室内升温的一种供暖方法。这种供暖方法的最大特点在于热量从地砖下面传递并循环，不占据室内空间。

图6—图7为紫禁城古建筑火地平面、横剖面示意图。［17］由图6可知，服务人员在室外烧火，热量由室内正中向内扩散，期间加热地砖，剩余热量再由两侧的出烟口排出。地砖下面四通八达的火道俗称为“蜈蚣道”。由图7可知，服务人员的操作口在槛墙（窗户下的矮墙）外侧；而制造热源的炭火则在槛墙里侧，且为火地系统的最低点；炭火燃烧后产生的热沿着逐渐向上的坡道蔓延，并逐渐加热坡道上部的地砖层，使得地面温度逐渐升高，并进一步使得室内温度升高。

图6 故宫古建筑火地平面示意图

图7 故宫古建筑火地剖面示意图

服务人员的操作口位于窗户外面的地面以下，尺寸一般为0.8 m×0.8 m×1 m（长×宽×高）。在明代，紫禁城负责烧炭的人员由惜薪司安排，清代由内务府营造司安排。服务人员进入操作口，可往室内地下的炉腔烧炭火。操作口在不使用时会被厚木板盖上，可防止小动物钻入，并有利于宫中人员在室外行走，见图8。操作口在室外，且服务人员站在操作口内，可隔着窗户看见室内，便于与室内使用人员交流，并及时增减炭火，以保证室内温度的适宜。另操作口设在室外，还有利于避免火源产生的烟雾在室内蔓延或其他安全隐患。地下热量经过主、支烟道扩散到室内地下的各个位置，然后回转，通过室外台基下的出烟口排向室外。出烟口与操作口的位置关系见图8。由于火源产生的绝大部分热量已在室内地下扩散，因而从出烟口排出的热量已经非常少了。需要说明的是，出烟口相当于紫禁城古建筑的“烟囱”，而这种烟囱位于建筑地面之下的台明部位，显得非常的隐蔽。另由图8可知，“烟囱”的出口采用镂空纹饰的砖砌筑，既实用又美观，体现了古代工匠的智慧。此外，紫禁城古建筑火地烧炭实际不会产生多少烟雾。这是因为，紫禁城里取暖使用的木炭，是一种用通州、大兴、易州一带山中硬木烧成的红箩炭。明朝宦官刘若愚所著《酌中志》载有：“凡宫中所用红箩炭者，皆易州一带山中硬木烧成，运至红箩厂，按尺寸锯截，编小圆荆筐，用红土刷筐而盛之，故名曰‘红箩炭’也。每根长尺许，圆径二三寸不等，气暖而耐久，灰白而不爆”。［18］由此可知，红箩炭质量好，燃烧不会产生烟雾，而木炭燃尽产生的炭灰，还被收集起来，用于马桶、便盆中的衬垫物。［19］

图8 出烟口与操作口的位置关系

三、采光设施科学性研究

室内是紫禁城内的帝后日常活动的主要场所，而充足的光线来源则是他们开展各种活动的重要保障。古代并没有先进的照明设备，工匠们在营建紫禁城建筑时，依靠自己的智慧，巧妙地采取各种措施（设施），最大幅度地将自然光引入室内，来满足室内的采光需求。下面对紫禁城古建筑室内采光的方法进行解读。［20］

其一是建筑整体采取“坐北朝南”的布局形式。所谓“坐北朝南”，即房子位于北侧，房屋背朝北，门开在南侧。我国自古以来建筑多以“坐北朝南”布局形式为主。如《诗经》载有“哙哙其正，哕哕其冥。君子攸宁”，［21］意即建筑内部采光效果好，白天非常明亮，夜里显得光明，君王住在里面会感到安宁。紫禁城里重要的宫殿建筑均为坐北朝南的布局，这种布局有利于自然光源的进入。如图9所示的太和殿南立面中，其开间为11间（在古建筑领域中，长度方向的柱距被称为“开间”），各开间均有采光用的隔扇或槛窗。当这些门窗均处于开启状态时，即可获得充足的光源。“坐北朝南”布局的科学依据在于：［22］我国处于北半球地带，大部分领土位于北回归线以北，太阳升起的方向是东偏南，而降落的方向是向西，期间阳光是南向斜射入室内，因而建筑在南向开设门窗时，有利于纳入光线。

图9 太和殿南立面

其二是建筑屋檐有利于外部光线的进入。紫禁城古建筑的屋檐一般为挑檐做法，即屋顶在屋檐部位向外出挑，同时向上曲翘，形成优美的曲线造型，如图10所示。这种曲翘的挑檐形式，使得无论在夏天还是冬天，都有利于光线进入室内，且有利于保持室内恒温。［23］在夏天时，太阳的照射角约为76度；早上太阳升起时，室外温度较低，太阳照度较弱，太阳照进室内最深处；随后太阳渐渐升起，室外温度逐渐升高，阳光强度增大，但室内照射范围逐渐减小；至正午时太阳照射角约达到76度，光线最强，但其通过曲翘的屋檐后，仅能进入门外位置，见图11。挑檐阻挡了大量光线直射入室内，避免了室内亮度过大，亦满足了“避暑”需求。在冬天时，太阳的照射角度约为27度，早上太阳升起时，阳光逐渐照入室内，室内光线逐渐增强；到正午时，太阳照射角达到27度左右，且通过曲翘的屋檐恰好能照射到室内最深处，挑檐有利于阳光直射入室内最深处，见图12，很大程度上满足了采光和“冬暖”需求。

图10 起翘的屋檐

图11 夏天正午太阳的照射范围

图12 冬天正午太阳的照射范围

其三是殿内的墙体和地面材料有利于光源反射。石灰是我国古代应用较早的胶凝材料，其颜色白亮，有利于反射光线，古人多用于室内墙壁抹灰，并具有较好的室内采光效果。如《说郛》载有：“土人以石灰圬壁，及未干时以滑石末拂拭之，光莹如玉”，［24］意即当地居民用石灰粉刷墙壁，趁着石灰粉未干，再在墙壁上抹滑石粉，那么墙壁就会发出像白玉一样的亮光。又如《闲情偶寄》载有：“石灰垩壁，磨使极光，上着也；其次则用纸糊，纸糊可使屋柱窗楹共为一色”，［25］意即石灰刷过的墙又白又亮，这是屋内明亮的主要原因，如没有石灰，用白纸糊墙壁，也可以产生较好的反光效果。紫禁城建筑内部的墙壁多用浅白色石灰，亦有采用纸糊墙板的内立面做法，有利于室内采光，由于工艺原因，建筑内部的立柱、地面均采用桐油涂刷，表面有着鲜艳的光泽，亦有利于反光，增加室内的亮度，建筑内部的青绿色顶棚表面则没有光泽，反射率低。上述室内建筑材料产生的整体采光效果为：帝后在建筑内活动时，光线由上往下投射，下方有着清晰的光影（图13），而上方的光线非常柔和，总体在视觉上产生相融的效果。

图13 太阳光在太和殿金砖地面产生的反射

隔扇和槛窗是光线进入建筑内部的重要通道。紫禁城内建筑早期的门窗洞口均采用高丽纸糊。这种纸以绵茧造成，色白如绫，且在制作过程中有一道放在油中浸泡的工序，因而既有利于透光，又有利于防潮。清康熙时期，随着海上贸易的发展，平板玻璃开始由西欧进入宫廷，［26］并逐渐应用于紫禁城内的门窗上。据档案记载，雍正帝为养心殿室内采光方便，于元年（1723）十月初一日下谕旨，令工匠在后寝宫安装玻璃，即“窗外做三面窗罩一个……面安玻璃，顶、后面或安板子，或做窗户穿堂。北边东西窗玻璃二块，高一尺八寸五分，宽一尺四寸七分亦可、宽九寸七分亦可”［27］。由此可知，养心殿是紫禁城最早安装了玻璃用于采光的建筑。自此，平板玻璃在紫禁城建筑中逐渐广泛应用（图14）。相对于高丽纸而言，平板玻璃的透光率、耐久性要更好，因而进一步改善了建筑内部的采光条件。

图14 紫禁城隔扇上的玻璃

由上可知，紫禁城建筑内部的采光，主要通过合理布置建筑朝向，利用曲翘的屋檐、透光性较好的门窗洞口封护材料来纳入光线；利用反射性能较好的墙体、地面材料来反射光线，使得室内达到最佳的采光效果。

四、沐浴设施科学性研究

沐浴是古代宫廷生活的重要组成内容。紫禁城西部武英殿的后院有浴德堂（图15），其主要功能之一即为帝王沐浴的场所。［28］这座建筑与紫禁城里其他建筑风格差异很大，具有明显的土耳其风格：砖砌的墙体，穹窿顶，屋顶有天窗。文献载有“台东百步有观星台……台西为内浴室”［29］，其中的“浴室”即为浴德堂。浴德堂的设计源于一名波斯（今伊朗）建筑师之手，其名字叫亦黑迭儿丁。亦黑迭儿丁是元世祖忽必烈时期的一名留居我国的西域建筑师，得到元世祖的信任。至元四年（1267），亦黑迭儿丁与光禄大夫刘秉忠执掌修建元大都，并将我国古建筑理念与伊斯兰教、喇嘛教、蒙古建筑风格结合起来。［30］在对元大都的规划设计过程中，亦黑迭儿丁参照蒙古汗国首府哈拉和林城的建筑风格，设计出多座伊斯兰教风格建筑，浴德堂即为其中之一。［31］元朝被灭亡后，朱棣下令拆毁元大都宫殿，但浴德堂幸运地保留下来，直至现在。

图15 浴德堂前殿匾额

浴德堂的建筑风格与公元十世纪左右的阿拉伯澡堂风格有着诸多相似之处。文献载有“环绕着一个居中的大厅，大厅上面，罩着一个圆屋顶，屋顶周围镶着许多圆形的小玻璃窗，让光线透进来”［32］。浴德堂的浴室也位于建筑内的中心位置，其平面形状接近方形，边长约为4米，见图16。浴室的顶棚也是穹窿形，其做法为四面墙体在离地面一定高度起拱，拱直径为浴室四边对角线的长度，然后各拱相交于浴室正上方，见图17。穹顶正上方有高为1米的玻璃顶棚，其平面投影亦为圆形，见图18。需要说明的是，浴德堂浴室墙体四面全部贴上白色瓷砖，且所有墙体上不设梁，墙体重量完全由四面拱承担，保证了浴室内部空间的充足，因而又被称作“无梁殿”［33］。

图16 浴德堂平面示意图

图17 浴德堂浴室内景（局部）

图18 浴德堂的玻璃屋顶

为满足皇帝的沐浴需求，浴德堂有着多个科学的保障设施。

首先，浴德堂的热水供应充足而又方便。浴德堂西侧院墙外面，有水井一口，见图16。井口直径约为0.2米，其位置在离地面约为2米的高台上，挨着井口有长方形蓄水槽及逐渐向下倾斜的长条形引水槽，见图19。引水槽向东曲折延伸，穿过院墙，贴着浴德堂后檐墙继续向东延伸，至灶房北墙时转折穿墙进入灶房，见图16。由于灶房地面比井口低2米，因而水源由于重力原因而流入灶房非常方便。灶房内有铜锅一口，可对井水进行加热。灶房南墙（亦浴室北墙）有盛热水石槽一个，石槽底部有一根铜管穿墙进入浴室内，见图20-图21。由此可知，服务人员在灶房对井水进行加热，至适当温度后舀至石槽内，石槽内的水经过铜管流入了浴室，帝王在沐浴时就可以获得源源不断的热水。上述热水供应系统，巧妙地利用井口与地面的高差，采取简单的工具即满足了帝王沐浴所需的热水需求。

图19 水井与水槽

图20 铜锅与盛热水石槽

图21 浴室北墙

其次，浴室内的采光亦得到保障。浴室内的采光来源主要源于穹顶正中的采光玻璃窗户。该玻璃窗户的直径约为0.6米，光源由室内顶棚照射进来后，不仅可营造一种庄严虔诚的氛围，而且通过墙壁上白色的瓷砖进行反射，使得室内有充足的光源。需要说明的是，浴室墙壁上不开设窗户，一方面有利于保护帝王的隐私，另一方面有利于保证浴室内部的温度不产生骤变。另外，元代的宫殿建筑砖瓦颜色与明代不同，元代宫殿建筑用色崇尚白色。如文献载有“窑厂。大都四窑厂领匠夫三百余户，营造素白琉璃瓦”［34］。从物理学角度讲，白色是复色光，是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这七种颜色组成的，一个不透明物体会吸收与它不同的光而反射与它相同的光，所以白色能反射所有的光，表现出很好的反射效果，浴德堂浴室内白色的瓷砖增加了浴室内部的亮度。

其三，浴德堂浴室有着良好的恒温措施。保证帝王在沐浴时恒定的环境温度，是帝王免受邪风凉气侵扰的重要前提。从图16所示的平面布局来看，浴室的位置在前殿、灶房之间，皇帝若要进行沐浴，从大门进去后，要曲折穿过几道门方可到达浴室。这种出入通道的平面由于弯折的尺子，不利于通风，有利于保持浴室内部的温度恒定。不仅如此，浴室周边的墙体厚达1米，有着良好的隔热效果。再者，浴室地下是有地暖的，以利于帝王冬天沐浴。地暖的具体做法为：方砖地面下面有铁板一层，铁板下面为架空的砖砌沟槽，沟槽端部通向浴室西侧的烧火间（图16）。［35］烧火间烧火产生的热量通过架空沟槽传递给铁板，铁板的传热性能好，直接向上传给地面砖，地面砖再将热量向室内扩散，因而浴室的内部非常温暖。

五、休闲设施科学性研究

明清帝后的主要娱乐活动之一就是看戏。故宫里面的戏台较多，但体量最大的要数畅音阁。畅音阁位于故宫东部宁寿宫区域，包括上、中、下三层，每层的建筑面积约200平方米，且一层戏台下还有地下室，最多可容纳千人同时表演，可谓古代的“国家大剧院”（图22）。畅音阁两侧为长廊，是后妃及大臣看戏场所；对面是阅是楼，为皇帝看戏场所。阅是楼与畅音阁之间，是一个约一百平米的小广场。为保证皇帝能够清晰地听到乐器的伴奏和演员的发声，畅音阁有着优良的“音响”系统，以下进行解读。

图22 畅音阁大戏台

首先是空井的共振效果。［36］畅音阁一层内侧有台阶通地下室，地下室有5个井，4角各1个，为空心井；中心有1个，为水井。由于地下室顶板为木板（即一层舞台地面），而当地下室的出入门口关闭后，这5口井相当于密封的木顶“共鸣箱”，可产生扩音效果。其中，空心井通过共振扩音。在日常生活中，共振现象很普遍，一个简单的例子是晃动的秋千在较小的外力作用下可产生较大幅度的摇摆。其原理在于：两个振动的物体具有相同或相近的频率。［37］畅音阁地下室的空间也相当于一种“秋千”，而各种表演的乐器则相当于“外力”，当二者的频率合拍时，空井便会产生共振效果。但是与秋千的摆动仅与某种频率合拍，而畅音阁演员发声或乐器伴奏时，则有多个频率的振动，因而在地下室设置4个空井，可与多个频率的声波产生共振作用，因而产生了声音放大效果。［38］这种共振原理早在战国时期就得到过运用。如《墨子·备穴》载有“令陶者为罂，容四十斗以上，固幎之以薄皮革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之”［39］。即守城的士兵们把空陶器用蒙皮包起来，每个陶器的容积不小于四十升，然后把这些陶器在城墙下每隔一定距离埋设一个，当敌人有挖攻城隧道的动静时，蒙皮的陶器会产生共振并把声音放大，守城的士兵就能很容易听到，并采取抵抗措施。上述蒙皮的陶器、地下空井的共振机理一致，可反映古人的智慧。

其次是水井的混响及藻井的扩音效果。如前所述，封闭的空井可产生共振效果，而井中有水时，则可以产生混响效果。所谓混响，即声源发声停止后的一段时间内，由于声音的多次反射，仍能被人听到效果。混响可以使声音变得鲜活，更具有临场感，增强了声音的润色。当水井中有水时，有利于声波的反射；［40］水位高低的不同，产生反射的音效各异。除此之外，在畅音阁一层戏台顶棚的正中，有一个上方向的上凹造型，称为藻井（图23）。研究表明：与不设藻井的平顶相比，藻井不仅有装饰作用，在舞台中还起到扩音效果。［41-42］其扩音原理为：其凹形面有利于将声音汇集，再集中反射出去，使得演唱者的声音更加圆润，同时也有利于远处的观众获得更好的欣赏效果，类似于传声筒。其实，我国古代传声筒制作，即“传声筒者，截竹筒两枚，空其两端，各以一面用皮纸冒之……相去数丈，属口者随意言语”［43］，即利用与藻井类似的聚音原理制作而成。

图23 畅音阁藻井（仰视）

再次，畅音阁整体院落的封闭布置方式亦有利于产生较好的音响效果。从院落布局来看，戏楼、长廊、阅是楼形成相对封闭的空间（图24），演员的说唱声及乐器的伴奏声从舞台发出时，经过空井、水井、藻井的扩音、聚音作用，传向院落，并经过建筑立面的反射作用传到帝后、大臣耳中，期间声音产生的损失较少。另外，紫禁城墙体多为表面光亮的磨砖对缝做法，门窗立柱上有光亮的油饰彩画，均有利于声波的反射。在围合式结构所形成的环状密封环境下，戏台、长廊、阅是楼等多元体对声音混响时间指标有着较大影响：即演员的声音通过上述建筑形成多次、多因素、多角度的反射，使得声音能量在几乎无损情况下传播，并产生不同的混响效果，增加声音的空间感和美妙感。［44］

图24 畅音阁院落东视

由上可知，紫禁城内畅音阁虽然没有先进的扩音设备，但是古代工匠巧妙地在地下室安装了扩音、混响设施，并利用建筑造型来产生聚音效果，利用建筑布局来产生传音效果，满足了宫廷人员的欣赏需求。

紫禁城内有着多个满足帝王日常生活需求的设施，如采用冰窖、冰箱和凉棚满足防暑需求，采用火地来满足御寒需求，采用合理布置建筑朝向、有效的透光及反光材料来满足采光需求，采用巧妙地引水、加热和恒温设施来满足沐浴需求，采用空井、水井、藻井及封闭式的建筑布置来满足赏戏需求等。上述生活设施构造简单，使用科学合理，体现了我国古代工匠的建筑智慧。