十七孔桥金光穿洞与北京古城节气时令建筑景观设计思想的探讨

2024-12-17 16:25| 发布者: weiwei |原作者: 王锐英 |来自: 北京桥梁

摘要: 十七孔桥金光穿洞与北京古城节气时令建筑景观设计思想的探讨图片又是一年冬至，金光又一次穿云破雾而来。冬至前后的这几天正午时分，人们在北京故宫乾清宫前能看到一个奇特的景象：大殿内“正大光明”匾额及下方的五 ...

又是一年冬至，金光又一次穿云破雾而来。

冬至前后的这几天正午时分，人们在北京故宫乾清宫前能看到一个奇特的景象：大殿内“正大光明”匾额及下方的五条金龙一改往日的暗淡，由西向东依次被阳光点亮，散发出耀眼的金色光芒。与此同时，人们也再度看到了颐和园十七孔桥“金光穿洞”和天坛公园“光照皇穹宇牌位”的奇观。这些每年在二十四节气的冬至前后出现的被游客啧啧称奇的“冬至之光”现象，反映了古人在建筑采光方面的匠心独运，也引发了人们对古今中外建筑采光的好奇心。

北京有金光穿洞与日照金龙的景观，它们是有意设计的吗？由此推想和观察，老北京城在人们观察日出日落时有没有特意“设计”的景观呢？

地球上日出日落很是寻常，但有几个特殊时刻，可以说自有人类文明就引起人类的特别注意，甚至可以说是人类文明起源的重要因素之一。一年中，日出日落最极致的观察点有6个，这就是二至二分时候，让我们观察一下北京城每年的日出日落极点：

（1）冬至点，时间在12月21-23日，方位在东南和西南大约31度方向，一般日出在早上7：30分，晚上日落16：50分左右；

（2）夏至点，时间在6月21-22日，方位在东北和西北大约30度方向，一般日出在早上4：45分、晚上日落19：45分左右；

（3）春分点，时间在3月21日左右，方位正东西方向，一般日出在早上6点钟，日落在晚上18点钟；

（4）秋分点，时间在9月23日左右，方位正东西方向，一般日出在早上6点钟，日落在晚上18点钟，与春分点完全相同。

一、首先看二分时刻的标志，可以说不是设计也是设计

——西直门、东直门的含义：

每年春分、秋分，初升太阳正对着东边的城门，落日的余晖则正对着西边的城门，呈现了金光射城门洞景观。因为太阳很大又很远，光线完全平行照射在地球上，处于东西两边的每一座城门其实都可享受到阳光直射的关照，包括东华门、西华门、东安门、西安门、长安左门、长安右门，以及现今的新首钢大桥的高大拱券，可以说象征了北京的西大门。

在城门的建筑方面本来无需特加设计，只要保证正东正西即可一年两次看到这样的自然奇观。虽然没有历史记载，姑且相信刘秉忠就是这样设计的吧，因为从城门名字有所透露。如东直门、西直门正处于元大都南北正中，其名字西直门原为和义门、东直门原为崇仁门，即有正当其位的寓意，堪称当仁不让和义薄云天。后来明代直白地将其名字改为东直门、西直门，而且将瓮城建成呈直角形状的四方形，其名、其形、其方位其实皆源自春分、秋分日出日落太阳光线的东西向直射，平分了一年的季节与时间，也平分了元大都，很难说不是故意设计的。不过明代北京东西两侧城墙的正中城门已经改为朝阳门（齐化门）和阜成门（平则门）了，那么东直门和西直门的寓意可能是古城文化的传承吧。

西直门鸟瞰图，俄罗斯摄影师谢尔盖·瓦尔加索夫拍摄，1920年代。

东直门（崇仁门）城门洞，喜仁龙摄影，1921年。请读者猜一下门洞朝向和照片拍摄的季节与大致的时间，答案在本文末尾。

阜成门，西德尼·甘博摄影，1917-1919年。根据光线，读者亦可以大致判断拍摄方向、季节和时间。答案亦在本文末尾。

元大都的金光射城门洞照射了大约90年，令人遗憾的是自元至正十九年（1359年）冬十月起，“京师十一门皆筑瓮城、造吊桥”，从此大都以及明清北京的城门自我“隐遁”了太阳的眷顾，除了正南的城门外，没有一座城门能够正面敞开胸怀，因为在城门的外面都有庞大的瓮城和箭楼阻挡着，出于自我防御的需要，城门的进出通道总是曲折地需要拐过近乎四个直角的“S”弯，才能够重新回到正对城门内大街的方向。不过这样也就出现了另一个更加独特的奇观，你如果站在东边城门的瓮城里，倒可以看到西边落日的光辉从高大的城门洞里射出，如果你站在西边的瓮城里，却能够从高大的城门洞里看到了升起的太阳，而且西直门和东直门门洞中视线尽头就是高大的钟鼓楼，因此太阳的高度角就要稍微大一点。

——景德晚霞、阜成夕照：

北京足够大，城里的建筑倒不影响人们欣赏日出日落，比如历代帝王庙前的景德街牌楼，让梁思成为之倾倒，“衬托着阜成门，可以望见西山，落日余霞时景观尤为优美”。在北京的牌楼里，他说这一对牌楼无论是造型还是雕工都是最好的，是北京最壮美的牌楼。大家可知道，梁思成感觉它最壮美的时候正当春分和秋分之日，正是祭祀历代帝王庙的神圣时刻，因此就有了“阜成落照”的京都奇观。

历代帝王庙前的景德街牌楼，现位于首都博物馆大厅。

——朝阳门的龙抬头

“景德晚霞”说明了老北京们早就意识到了二分时刻的夕阳红。与此对应，朝阳门外的日出也是有讲究的，一是朝阳门之名以及本名齐化门、朝外的东岳庙均为向阳之设计，此外还有一个神秘之处，即朝阳门箭楼是“歪的”，箭楼的中心轴线偏向东南，与城楼的中心轴线正东方向相差9-10度，这个偏斜史无记载，本文推测是朝向“二月二龙抬头”方位，正当雨水之后、惊蛰之前。按照太阳的运行规律，太阳初升时间和位置在“龙抬头”时，当在正东偏南9°到10°左右，刚好与朝阳门箭楼的偏斜角度一致，即白天的箭楼正对初升的太阳，夜晚箭楼又正对着“龙抬头”的天象；等到了春分时则日出当在正东，又正好与朝阳门城楼相对。

1940年朝阳门航拍，志波杨村摄影（注意朝阳门箭楼与城楼不平行）。

北京节气日期和日出地平方位角度

从朝阳门到东大桥方位角（2003年，北京航拍图）

朝阳门箭楼偏斜指向“二月二龙抬头”方位

——长安街、定都阁与新首钢大桥最新景观

今日与此相当的且为大家可欣赏的应该是长安街的日出和日落，尤其前景是天安门前正步通过长安街的国旗班战士们的英姿，如果您恰巧看到出升朝阳和夕阳西下，那是多么为之自豪美妙的时刻！沿着长安街，还有一个新颖景致，那就是北京西部跨越永定河的新首钢大桥，以及正处于大桥桥塔拱券正中的北京西山定都峰上的定都阁，最美妙的必须有一轮红日。

定都峰日落（图片引自网络）

二、其次看二至时刻，可以说是天造地设、匠心独运的设计

春分秋分景致难得，冬至景观更加独特。冬至这一天，太阳运行至黄经270度，直射南回归线，阳光对北半球最倾斜，是一年中白天时间最短的一天，太阳的位置也是最低的。正是在冬至前后借助阳光的实时变化，我国许多地方皆有冬至落日奇观，如洛阳的龙门石窟呈现出了“佛光普照”、“金光穿孔”、“日照西山”、“日月同辉”等奇妙景致，令人叹为观止。

在北京，冬至光照至少有三处比较有名：

——十七孔桥“金光穿洞”

颐和园十七孔桥“金光穿洞”

在北京，最为著名的是冬至日颐和园十七孔桥下的“金光穿洞”。

“金光穿洞”是桥洞被冬至夕阳照亮的景象。每年冬至前后几天内，落日光辉自西南方向射向东北方，正好穿过十七孔桥，将全部十七个拱券的东侧洞壁照亮。

产生“金光穿洞”要有三个条件：

一是时间条件，冬至前后下午4点钟左右，因太阳接近地平线，是一年中太阳高度角最小、光线穿过大气层的行程最长、散射作用达到最大的时间，青、蓝、紫等波长较短的光在大气中大部被散射掉，仅有红、橙、黄等波长较长的光到达桥下，因此呈现出金黄色的壮丽景观。还有相对静止的河面，尤其结冰的冰面形成高强的“反射板”作用，随着太阳运动，反射光线由弱变强、然后由强变弱，景观将持续一段约20分钟的时间“以供游客观赏”。

二是方位条件，你必须站在十七孔桥的西岸北侧甚至附近的水面上，面向东和东偏南方向才能够看到最理想的金光景致，当然这是观看日落阳光折射光线的显而易见的基本条件。从桥位看，十七孔桥并非完全东西向，而是东端略偏南、西端略偏北，方位角接近112度。而冬至北京日落的方位角为240度，如此计算冬至日落时刻，太阳光照射到十七孔桥下石壁的入射角（与桥梁轴线夹角）达到最大51度，按照桥孔石壁横向宽度8米、纵向跨径最小4.2米、最大8.5米计算，入射光线此时能够直接照射桥孔进深为5.2米至10.5米，因此多数桥孔均能够全桥孔照射，最小的桥孔也因光线的折反射和水面映射显现充足的光线。

最佳的全桥观测位置应该在南湖岛以北的水面上，靠近南湖岛的几孔金光，对于西岸北侧的观察者来说角度也是最佳，但因为靠近西岸，受湖岸建筑和视线角度影响，进入桥孔的光线倒不如桥梁中部桥孔多，因此却也大致平衡了各孔光线强度，没有特亮和特暗的桥孔，使观察者感觉几乎每一孔的阳光都很明亮。

至于站在东岸北侧，也是可以观赏到金光穿洞的余晖的，一是落日光线在冰面上的折射，二是在桥孔中的折反射形成的。

经计算还可以看到，光线照满该桥最大桥孔的最小角度为43度，照满最小桥孔为62度，均衡起来非常接近冬至落日方位角51度。前后几乎相差一个节气，落日角度北移5度，入射角为46-47度，净跨7米以下的桥孔不能全部照射到；若达到45度，因为桥体宽度8米，所以小于净跨8米的桥孔均不能全部照射到了。其它节气则受到桥孔的遮挡，光线强度大大减弱。所以十七孔桥整个桥梁只有冬至节气前后才会出现金光射洞的最佳景象。

本文绘制十七孔桥冬至金光穿洞景象原理示意图

三是桥梁条件，十七个桥孔有大有小，但都比较高大，而桥墩比较窄，且很有韵律感，桥券石板尺寸均大而光整，每块石板面积约1-2平米，具有比较高的反射率，有利于光线照射和反射。其实一般的东西向的桥梁都可以发生“金光穿洞”，但因桥孔大小和角度差异以及材料表面性质的限制，不如十七孔桥最为经典。

十七孔桥的建造艺术是高超的，“金光穿洞”是否有意设计虽然很难说，是否科学在主观意愿上也似乎难以推断。但是，在日落方位角和桥梁方位角的相互匹配的如此恰到好处，确实也难以说成是巧合。有人说乾隆等皇帝们都不知道，也没有文献记载，好像不是有意设计的；也有说因为乾隆皇帝都是上午到此处，特别是大冬天的应该躲在紫禁城里，所以没有发现这个奇妙现象，也就没有记载。但是有一点值得怀疑，就是这座桥梁没有一个雅俗共赏的正名，为什么只是叫“十七孔桥”呢？要知道雍正、乾隆皇帝可是给景点命名的高手，圆明园四十景令人叹为观止，为什么颐和园不受重视呢？

看似简单，就因为它是十七孔，因此以桥孔数而名之吗？君不见，颐和园里的其它桥梁无论大小皆有雅趣之名，如绣漪桥、玉带桥、界湖桥、豳风桥、镜桥、练桥、柳桥等等。历史记载该桥本名可能为长桥，但过于随便，属于漫言形容罢了。以十七孔桥成名极有可能是因为“金光穿洞十七孔”的独特性，并引发了观者的惊奇而留下的名字。特别有解释为从两边桥头向中间数，都是九孔，九代表最大的阳数。本文就此推测，阳数之始不就是冬至一阳生吗，十七孔桥以桥下阴水、水上阳桥之全阳表现为一元复始达到万象更新之意，似乎不可排除。无论有否记载或有意无意设计，客观上看，十七孔桥的金光穿洞是很有科学道理的，尤其天造地设般的金光穿洞大大增强了十七孔桥如梦如幻的意境，凸显出十七孔桥的建筑之美、节气时令的彰显，意蕴之深，也带给人们无尽的遐想。

——乾清宫“日照金龙”

每至冬至正午时分，故宫乾清宫内的正大光明匾额的四个大字和匾额下面的五条金龙，随着阳光的缓缓移动，自右向左（自西向东），会被自东向西运动的太阳光一一照亮，正大光明发出金色的光芒，有人称之为“点亮金匾”。这一现象与乾清宫的建筑布局、太阳高度角、金砖地面的反射、太阳东升西落的规律、屋檐出挑、楹柱和门楣高度做法等多个因素密切相关。其实许多坐北面南的建筑物都会发生这样的现象，只要角度合适即可实现。即室内应该照亮的位置，刚好处于入射光线反射的位置，不一定是冬至，也就是某一天的正午阳光射向室内地面的一点，此时入射角与该照亮物体的反射光线的反射角相同。要照亮正大光明匾确实需要设计，一是屋檐和门楣高度，二是室内距离，三是匾额悬挂高度，至于金砖只是因为其“镜面”因素起到增强效果的作用，不是关键因素。这个设计难度不高，但要巧合则有一定的难度。因为故宫和乾清宫的著名，特别是照亮的不是普通物品，而是正大光明匾与金龙，那就成为正在大放光芒的独特一景了。

乾清宫“金匾映金龙”（引自网络）

乾清宫“金匾映金龙”

乾清宫“金匾映金龙”二至太阳入射角度（引自网络）

有人说冬至日的太阳高度角是“点亮金匾”的必备条件，此说不准确，因为只要有阳光射入室内的地方，都能够照亮处于恰当位置的“金匾”。而且在一年中，每天正午时分的太阳高度角并不相同，就北京而言，夏至日的太阳高度角最大，约为73度；冬至日的太阳高度角最小，约为27度，所以照亮室内的反射角从73度到27度，在此范围内的悬挂物或屋顶内部均在某一天可以被照亮。若说“必备条件”应该是正大光明匾额和五条金龙的悬挂高度。

——皇穹宇“穹宇神牌”

与“日照金龙”相同的还有“穹宇神牌”现象。每年冬至这天，天坛祈年殿和皇穹宇里的神牌会被阳光点亮。其道理与正大光明“日照金龙”完全一样，并不是特别“神奇”的景致，但极大可能也是有意设计的，如果不是“初心”，也可以是后来室内装饰摆设、门楣改造有意做成的。尤其冬至阳光射入室内对于乾清宫、皇穹宇来说，屋檐根本不是影响因素，对乾清宫是前廊楹柱上的横梁（檐枋），对皇穹宇是大门上的门楣（中楹）。

天坛皇穹宇“穹宇神牌”（引自网络）

太阳光线是光怪陆离的，往往有科学原理在其中。例如北京阜成门外慈慧寺是座大庙、古庙，建于明代，其最神秘之处被人称为“倒影庙”，因为庙中毗卢殿内的墙壁上会出现倒立的人影，人们不知其所以然。后来发现殿门下部有一个小小的孔洞，外面有人走动，是因“小孔成像”原理映现在大殿中。

——钟鼓楼的影调：

冬至那天，读者在自家几乎都可以看到正午时分照进屋里最深处的光线，一般不会觉得惊奇，反而会生发一年又到头的感叹。如果前面有一个物体，就会看到拉长的影子，可以告诉身边的小朋友，这是你又长了一岁的标志，甚至深入浅出地给这个小学生科普一下地球和太阳运动的天文知识了。

如果中午时间，带小朋友恰好走到钟鼓楼广场上，你还可以让他（她）观察一下鼓楼的影子已经到了广场的中央，也就是鼓楼和钟楼之间的正中，这时冬至的太阳高度角大约为27度。首先可以让孩子步测一下鼓楼影子的长度（不要忽略鼓楼建筑的南北宽度的一半），然后就可以计算一下鼓楼的高度了。其次还可以测量一下自己身体的高度和影子长度，以此核对一下鼓楼的尺寸。

三、第三，故宫有一座巨大的天文钟

白天可以观测日光、日影，那么冬至的夜晚呢，自然是夜观天象看星星。这就是“昼参诸日中之景（影），夜考之极星，以正朝夕。”（《周礼·考工记·匠人》）

让我们在日落之后，来到故宫午门前找一找北斗七星和北极星吧。如果天气晴朗，您将会发现“斗柄指北，天下皆冬”所言不虚。

一座巨大的天文钟：二十四节气时令表。

读者们根据对故宫建筑的了解，甚至还可以仔细观察和发挥想象力——首先可以找到午门东西两侧的五凤楼，楼上有四个攒尖顶，顶上一共有四颗宝珠（上图中的黄圈所在）；然后再在故宫里找一找，还有三颗宝珠，就在中轴线上。一共七颗宝珠，如果将它们连线，一座大熊星座的北斗七星将赫然出现在紫禁城的上空。

特别注意这座北斗七星的斗柄指向正北方，注意斗勺的开口方向一定向西，不是向东，本应是北斗七星以镜像落地才是正确表达。这个北斗七星阵不仅表示为冬季，而且还是冬至，更加特别的还寓意了“一元复始，万象更新”的祈望。这应该是紫禁城规划的深刻意义吧！

特定日子和特定天气下，太阳光照产生的奇妙景致可以说遍布全世界，有瀑布、森林、湖光山色，有建筑、高塔、假山、墙壁、门窗、水池等等各种载体和万花筒般的景象，并影响了建筑采光、通风和冬暖夏凉，皆为阳光的直射、反射、折射等光学和热辐射效应。最为关键的是中国人早在七八千年前就已经发现日月星辰和斗转星移的秘密，发明和一直应用“立杆测影”的科学方法，通过模拟星象，结合自然环境，象天设地营造了美妙的人居空间，这是中国最悠久的关于时间、空间和建筑的科学技术。

解答1：东直门老照片，本文推测为自东向西拍摄，地点在瓮城之内，透过城门洞可以看到落日阳光从西北方照亮了城门洞的南墙，所以拍摄时间很接近夏至，即1921年的6月22日（农历五月十七日）前后。

解答2：阜成门老照片，本文推测为自西北向东南拍摄，地点在箭楼北侧城台上，观察阳光投射角度，时间应在立春或者立冬前后（参见本文“北京节气日期和日出地平方位角度示意图”）。