基于光线落点分析的中国古建筑屋檐研究

付宗驰，罗 畅，刘玉豪，裘鸿菲

(1.石河子大学 农学院，新疆 石河子 832003；2.华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉 430070)

“建筑之始，产生于实际需要，受制于自然物理”，“莫不各自在其环境中产生”.“中国建筑乃一独立结构系统，历史悠长…直至最近半世纪，未受其他建筑之影响”[1].古建筑是人类经过历史上长期实践自然形成的[2]，是一个民族自然观念、社会生活观念、审美观念等的综合体现[3].对于中国古建筑的研究有助于加深对建筑本质的理解，有助于建筑类历史文化的保护，也有助于指引中国未来建筑的发展.

关于中国古建筑的传统研究开启于1925年“营造学会”的建立，朱启钤、梁思成和刘敦桢等是这个时代的杰出代表人物，他们开启了对于中国古建筑的测绘、保护和对《营造法式》的解读.随着测量技术的进步、研究方法的拓展，直到现在这项工作不断取得阶段性研究成果，丰富着人们对古代建筑的认知，中国古代建筑设计理论不断得以完善，研究主要有四个方面.一是关于单体遗存建筑实地测绘、数据分析的研究[4-6]，研究的着力点涵盖为古建筑的维修保护提供建议、解读对比印证《营造法式》技术理论、揭示古代建筑尺度规律[7-8]等，屋檐作为建筑的一部分被淹没在整体木构架研究之中.二是比较型研究，通过对比、关联分析古代建筑发展.这类研究多是探究建造技术源流[9-11]，较多注重木构架或某类木构件做法的技术演变，屋檐作用及对自然环境的适应没有被系统提及.三是关于古建筑结构力学性能的研究[12-14]，为古建筑保护、维修等提供科学依据.四是中国古代建筑史[15-17]研究中通过大量的实例全面介绍了中国古代建筑不同时期、不同区域、不同文化影响范围的建筑特征及发展，但在阐述建筑发展演绎时多是立足于政治、经济、工程技术、文化艺术等方面，对于自然环境的影响涉及较少或分析不足.

古建筑经由长期试错过程，由深谙当地资源、气候、技术的工匠建造而成，相比于现代建筑，更多地体现了关注气候的被动式建筑设计策略[2].因此，向传统学习是当下气候被动式建筑研究的重要途径.深屋檐不但是中国古建筑的典型特征，同样被广泛应用于亚洲、非洲和欧洲其他国家的传统建筑中.许多使用定性[18-21]、实测验证[22-24]和软件模拟[25-28]的研究指出屋檐通过遮阳可有效缓解夏季炎热、改善室内光环境.相应地利用气候适应性原理研究古建筑亦是一个新途径.本研究考虑温度的影响，并以气候四要素之一的光照为着力点，以关键时间节点的光线为工具，来分析古建筑与光照的关系.

1 研究方法

24个研究对象，座北朝南的占60.87%，受地形影响非座北朝南的占21.74%，真正不明原因且非座北朝南的只占17.39%.分析过程中，将建筑均默认为坐北朝南.在建筑剖面图中，经建筑屋檐下沿绘制关键时间节点光线(图中自外向内依次为夏至、处暑、大寒、冬至光线)，求出光线在建筑上的落影点.通过分析光线落点与建筑物的位置关系，寻找建筑与光线的适应规律，进而解读中国古建筑.

2 研究对象及其数据来源

以唐代至清代著名高等级建筑(有充足的建造资金，可充分集成当时先进的建造技术，最是中国古建筑最高水平的代表)为研究对象，具体研究对象的选择依据有三点：一是能够找到准确可靠的建筑断面图；二是不同纬度分布；三是研究对象尽可能多.

地理位置即经纬度(主要是纬度)，由“百度地图拾取坐标系统(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)”查寻取得.关键时间节点太阳光线的高度角按照《太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算》[29]计算取得.在本研究中屋檐高度和深度被分别定义为屋檐遮阳檐线到台明的垂直距离和该檐线到檐柱柱头中线的水平距离，详见图1(a)表示.由于对遮阳效果有直接影响的为屋檐高深比，因此通过将建筑断面图插入到CAD2016中量取屋檐高深的相对值(三次)，最终取平均高深比.

3 关键时间节点光线

我国古代木构建筑多有模数关系，保证了在一定时期内建筑风格的统一.这种模数关系或许是以政治文化中心的都城所在地气候条件为依托发展而来的，因此在分析建筑过程中，除运用建筑所在地光线之外，都城光线也应当被纳入分析范畴.

对确定的某区域，太阳高度角变化是影响光照强度的最核心因素.通常太阳高度角越大地面接受到的太阳辐射强度越高.一天当中，最大太阳高度角出现在真太阳时12时.一年当中的真太阳时为12时，最大太阳高度角出现在夏至日，最小太阳高度角出现在冬至日.因此，在光线分析时选择夏至日与冬至日真太阳时12时光线作为两个关键的节点光线.

气温是人体热舒适最重要的影响因素之一，人们对光照的喜好是建立在不同温度基础之上的.低温喜好更多的太阳辐射，高温则偏好避光.基于人们在温度影响下对光照的喜好规律，处暑日(简言之本日之后气温逐渐降低)与大寒日(简言之本日之后气温逐渐升高)也被作为两个重要的时间节点日，而其太阳真时12时光线被选作为另外两个关键时间节点光线.

4 古建筑屋檐光线分析

4.1 唐代建筑

唐代建筑选择目前仅现存的南禅寺大殿(图1(a))、佛光寺东大殿(图1(b))、广仁王庙大殿(图1(c))和天台庵大殿[30](图1(d))为研究对象，研究对象基本信息详见表1.

建筑所在地处暑光线刚好落在图1(a)～(c)建筑檐柱柱脚附近很小的范围内，冬至日光线刚好落在图1(a)、图1(b)檐柱顶部，落在图1(c)建筑外墙顶部.这样能够避免热季辐射强度最强时刻的光线照射在屋身，而使冷季辐射强度最弱当天辐射强度最强的光线能够照射到屋身，在兼顾两季的基础上，表现出了良好的气候适应性.其中图1(c)建筑所在地与当时都城长安纬度接近，面同样表现出这样的规律，可以推测这三座建筑有“本土化”的特质且在不历史上不断的修葺中得到了很好的尊重.图1(d)建筑与所在地光线之间无上述规律反应，可能是在后期的修葺过程中对其做了重大改变[5]造成的.

图1 光线与唐代建筑关系图

4.2 宋、辽、金、元建筑

由于宋“虽在战争上屡败于辽、金，而文化上辽、金节节府首于汉族.文物艺术之动向，唯宋是瞻[1]”，因此此阶段都城取北宋都城开封，研究对象选择独乐寺观音阁(图2(a))、永寿寺雨花宫(图2(b))、北岳庙德宁殿(图2(c))、正定县文庙大成殿(图2(d))、佛宫寺释迦塔(图2(e))、独乐寺山门(图2(f))、玄妙观三清殿(图2(i))、隆兴寺转轮藏殿(图2(j))、广济寺三大士殿(图2(k))、善化寺三圣殿(图2(m))、永乐寺三清殿(图2(n))、保国寺大殿(图2(p))，这些建筑的基本信息详见表1.

开封处暑日光线落在建筑台面上的落点位于图2(p)、图2(a)建筑檐柱柱脚较远的位置，位于图2(b)～(i)檐柱柱脚外侧很近的位置，位于图2(j)～(n)建筑檐柱中心线附近.建筑所在地处暑日光线在建筑台面上的落点位于图2(i)、图2(p)建筑檐柱外侧较远处，位于图2(a)建筑檐柱柱脚外侧，位于图2(b)～(e)建筑檐柱中心线附近，位于图2(f)、图2(j)～(m)建筑檐柱内侧.

从分析结果看，如若这些建筑的气候适应性参照的是建筑所在地光照，图2(a)建筑则与唐代建筑表现一致；图2(b)～(e)建筑虽与唐代建筑的表现略有不同(处暑日光线照射到柱体及墙面底部，或照射到檐柱内侧较小的范围内)，但亦可以解释为这些建筑比唐代建筑更加注重冷季的气候适应；而图2(i)和图2(p)建筑在南方而采取更加遮阳的热季气候适应策略；但如若将这些建筑作为一个整体来看，图2(f)及图2(j)～(m)建筑无法得到很好的解释，虽说也有这三个建筑依据自身环境的需要采取了更加注重冬季采暖的可能性.

如若这些建筑的气候适应性参照的是开封光照，则图2(b)～(i)建筑与唐代建筑表现出惊人的一致性，即处暑日光线在建筑台面上的落点位于檐柱柱脚外侧很近的位置；图2(a)建筑可解释为因多种制约因素的影响而采取了减小檐柱高从而使檐出与檐高比例增大[4]，从而导致处暑日光线落点外移；图2(p)建筑可解释为由于地处南方，更加注重热季的遮阳；图2(j)～(n)建筑处暑日光线落点位于檐柱中心线附近，虽与唐代建筑气候适应性表现略有不同，但依然满足对于光照的气候适应性规律，且表现稳定.另外，仔细分析可见总体而言，图2(b)～(f)建筑及图2(j)～(m)建筑随着建筑所在地纬度的增大，光线的落点逐渐向檐柱中心线内侧移动，即随着纬度增加建筑在气候适应性策略选择上越来越注重冷季使建筑屋身更多受到太阳辐射，这是否可解读为依据某一典型气候区光照设计出的气候适应性建筑在一定的地理范围内是适用的？

综合以上分析，考虑到该时期是中国建筑发展史上一个承上启下的阶段，该时期建筑气候适应性设计应当是参照当时文化、政治、经济中心开封的光照条件来制定的.同时，参照首都光照制定的气候适应性建筑似乎在一定地域范围内亦有对建筑所在地光照较好的气候适应性.但在与文化中心较远的南方或北方，亦有部分建筑采取适应当地气候特点的气候适应性措施(如图2(a)、图2(p)).另外，在满足对于光照气候适应性规律的前提下，处暑日光线在建筑台面上的落点似乎有两种选择——檐柱柱脚外侧很近的位置(图2(b)～(i))和檐柱中心线附近(图2(j)～(n)).

图2 光线与宋、辽、金、元建筑关系图

如果以上结论成立，则可推测出两层含义：一是《营造法式》的编著团队对建筑的气候适应性有明确的认识，并以开封的地理位置作为参照编制了《营造法式》；二是《营造法式》这种以“材”为基本模数的设计方法[31]虽没有对各部件做绝对要求，但在后续运用中制约工匠对气候适应性理解与把握，另外在一定地域范围内对于建筑风格推广、建筑质量保证均能起到重要的积极意义.

4.3 明、清建筑

明、清建筑选择明长陵祾恩殿(图3(a))、紫禁城太和殿(图3(b))、故宫文渊阁(图3(c))、报恩寺华严藏殿(图3(d))、报恩寺大雄宝殿(图3(e))、紫禁城午门正楼(图3(f))、太庙中殿(图3(g))、太庙后殿(图3(h))为研究对象，建筑基本信息详见表1.

建筑所在地夏至日光线在建筑台面上的落点，位于在图3(a)～(c)建筑檐柱柱脚外侧很近处，位于图3(f)～(i)建筑外侧较远处，位于图3(d)、3(e)很远处，表现很不稳定.总体而言这些建筑的气候适应性不是参考所在地夏至日光线而设计.

建筑所在地处暑日光线在建筑台面上的落点，位于图3(a)～(c)及图3(f)～(i)建筑檐柱内侧非关键位置，位于图3(d)、3(e)建筑檐柱中心线.考虑到图3(d)、3(e)建筑所在地平武县与明代第一都城南京纬度接近，其表现出的与宋代建筑做法类似的气候适应性设计当是参考南京光线的无意而为，并不是主动适应所在地气候的有意做法.总体而言，这些建筑的气候适应性亦不是参照所在地处暑日光线而设计.

南京处暑日光线在建筑台面上的落点，位于图3(a)～(e)建筑檐柱中心线，位于图3(f)～(i)檐柱柱脚外侧.这种表现与宋代建筑如出一辙，即该时期建筑气候适应性设计应当是参照当时文化、政治、经济中心南京的光照条件制定的，且处暑日光线在建筑台面上的落点有两种选择——檐柱柱脚外侧很近的位置或檐柱中心线附近.作为明、清两朝都城，但建筑却沿用以南京(北京与南京纬度相差约7.5°)气候为参照制定的规制，原因有待进一步研究.

图3 光线与明、清建筑关系图

4.4 建筑朝向

建筑朝向对屋檐的遮阳效果有重要影响[32-34].中国古建筑有座北朝向的传统，该传统朝向也被认为是最优的[35]，但研究对象中依然有约39%的建筑朝向非坐北朝南，同时它们又与其他建筑保持与光线适应的一致性规律，即光线落点位置基本相同.原因可能有以下两个方面：一是并非所有古建筑均进行与其所在场地相结合的气候适应性设计，而是在外观上与本区域的建筑保持基本一致；二是木头的材料强度已经被充分挖掘，无法再通过增加出檐深度实现安全完美的遮阳.

4.5 屋檐遮阳规律

利用画法几何和阴影透视原理，不同时刻(10∶00、10∶30、11∶00、12∶00、13∶00、13∶30、14∶00)建筑屋檐与太阳光线的关系如图4.由图4可发现坐北朝南建筑的屋檐热季12∶00遮阳效果是最差的，即只要12∶00能够实现南正面的充分遮阳，其他时刻均能实现充分遮阳(本文研究对象均适用此规律).同样可得到冷季12∶00遮阳效果最好，即12∶00建筑南墙面受到的太阳照射比例最大.

图4 热季不同时刻光线与屋檐的关系

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为1.90(天台庵大殿屋檐与光线的关系与其他相差太大，排除在统计之外)，宋、辽、金、元建筑为2.09，明、清建筑为2.50.由此看出中国古建筑屋檐高深比有随时间逐渐增大的现象，虽然高深比的定义略有不同但李晖[36]研究中的数据也支持该现象的存在.本研究发现唐代建筑气候适应设计参照的是当地光线，平均纬度为37.44°；宋—元参照的是开封光线，纬度为34.80°；明清建筑参照的是南京光线，纬度为32.04°.高深比与纬度结合可以发现，随着气候适应设计参照地纬度的增加屋檐高深比减小，粗略分析这与中国古建筑屋檐执行一致的遮阳策略相关.纬度低相应的太阳高度角高，同样实现南立面恰好的全部遮阳需要的屋檐高深比就大，反之亦然.由此可以推断，随着历史上政治中心的南北移动，建筑与参照地光线的气候适应性设计带来了中国古建筑屋檐尺寸的变化.

表1 古建筑基本信息汇总表

5 结论与不足

5.1 结论

(1)中国古建筑屋檐至晚到唐代，就已经发展出了与光照相适应的气候适应性设计方法.其实质是避免热季(4月19日—8月22日之间的126 d)光线照射在屋身，而使冷季辐射强度最弱当天光线能够照射到整个屋身，从而兼顾冷热两季人们对太阳辐射的不同需求.而且当时建筑的设计者能够很好地运用这种方法，并依据建筑所在地的气候条件设计并建造出气候适应性建筑.同时中国古建筑气候适应性也存在与具体朝向不能完美匹配的不足.

(2)从宋、明建筑屋檐均能够实现与自己都城的光照相适应来看，这种气候适应性建筑设计及建造技术，并没有随着战乱与朝代更迭而失传，而是被完整地传承下来.

(3)明朝掌握气候适应性设计的技术，但出于某种考虑在迁都北京时可能沿用了基于南京光照的气候适应性屋檐.又或许是随着政治中心的北移，建筑热舒适面临的突出矛盾发生了重大变化，建筑气候适应性策略也随之主动发生变化，有待进一步研究.

四、光线适应设计参照地纬度的变化带来了中国古建筑屋檐尺寸的变化.

5.2 不足

本研究基于分析光线落点与檐柱的关系图得到相关结论，虽然通过图可以清晰地展示它们之间的关系，但在对比中只能使用描述性语言分析解读，得益于屋檐与光线适应关系的稳定存在，使得此方法才得以可行.同时也期待研究者设计出基于数据统计分析的方法开展相关的研究.

图片来源

文中图片均为作者改绘，原图来源如下：图1(a)引自文献[15]，图1(b)、图2(b)～(c)、图2(d)～(f)、图2(j)～(k)、图3(a)、图3(c)、图3(c)引自文献[1]，图1(c)底图引自文献[30]，图1(d)底图引自文献[5]，图2(a)、图2(i)、图2(n)、图3(b)、图3(d)～(i)底图引自文献[10]，图2(m)、图2(p)底图引自文献[37]