古人的智慧:紫禁城排水系统详解

我要发布     发布日期:2019-08-08 09:24:08  来源:紫禁城古建筑的传统防震方法  作者:周乾
核心提示:位于北京市中心的紫禁城(今故宫博物院),是明清帝王执政及生活的场所。紫禁城古建筑群建立于明永乐十八年(1420),距今已近600年。紫禁城现占地面积72万平方米,有房屋9000余间,是世界上现存规模最大、保存最完整的的木结构古代宫殿建筑群,也属于世界文化遗产。

  位于北京市中心的紫禁城(今故宫博物院),是明清帝王执政及生活的场所。紫禁城古建筑群建立于明永乐十八年(1420),距今已近600年。紫禁城现占地面积72万平方米,有房屋9000余间,是世界上现存规模最大、保存最完整的的木结构古代宫殿建筑群,也属于世界文化遗产。不仅如此,紫禁城古建筑有着清晰的轴线、开阔的格局、严谨的形制、绚丽的彩绘、生动的空间、精美的装饰、优美的造型、真实的信息、丰富的景观,其无论在建筑结构,还是在建筑艺术、建筑技艺、建筑文化等方方面面都代表着我国明清官式木构古建的最高水准,是我国古代宫殿建筑的精粹。


  今天小编就来带你全方面了解紫禁城的排水系统:


  北京的地势北依燕山、东临渤海,其地形属于北高南低,因而水流的方向为西北向东南流。北京城每年的汛期一般在6—9月,历史上遭受水灾的事件多次发生,如明代的276年间,北京地区有104个年份发生水灾,其中严重水灾29次;清代的268年间,北京地区发生水灾的年份有128个,其中特大水灾5次,严重水灾30次。位于北京市中心的紫禁城为明清皇宫,距今近600年,有着精密完善的排水系统,建成至今从未在雨季遭受过水患。紫禁城地面顺应北京地区地理环境而建,整体形势亦呈北高南低、中间高两边低的走向。其中紫禁城北门神武门地平标高约为46.050米,南门午门地平标高约为44.280米,竖向地平高差约2米,排水坡度约为千分之二。这种排水坡度为自然排水创造了有利条件,使雨水能顺利从紫禁城中排出,排水方向亦为西北向东南。紫禁城的排水系统可包括屋顶、地上和地下三个部分。所谓屋顶排水,即雨水降落到屋顶后,从屋顶排至地面;地上排水,即是指地表雨水流入明沟、再流入暗沟或内金水河;地下排水,即暗沟的水排入内金水河。需要说明的是,“金”在古代环境地理学中指的是西方,“内金水河”即指从西方流入紫禁城的河水。紫禁城的内金水河源于北京西部的玉泉山,从紫禁城的西北角流入(图1),东南角流出(图2)。紫禁城屋顶排水巧妙;而地上、地下排水系统纵横交叉,巧妙地通向各个宫殿及院落,它们将雨水由中轴线排向东西两侧,再统一由北向南排向内金水河,并及时排出紫禁城,经筒子河流入通惠河。


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  图1内金水河入口


  Fig.1Infalloftheinnergoldenriver


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  图2内金水河出口


  Fig.2Outfalloftheinnergoldenriver


  1屋顶排水


  紫禁城古建筑的屋顶都是坡屋顶,这使得雨水降落到屋顶后,均会顺着屋顶坡度由上向下排向地面。为达到良好的排水效果,并避免建筑屋檐下部的木构件遭受雨淋,紫禁城古建筑屋顶的坡面非平面,而是坡顶到坡底由陡峭变缓和的一种曲面形式,见图3。这使得雨水降落到屋顶后,能够迅速往下排,且到坡底位置时,又能够向前方排出,即“上尊而宇卑,则吐水疾而霤远”(《周礼·考工记》),其结果一方面使得屋顶的雨水能够迅速排走,另一方面屋檐下的立柱、门窗位置受到了防水保护。屋顶瓦件的设计与安装亦有一定的科学性。屋脊与屋顶相交的位置称为“正当沟”,为防止该位置渗水,古代工匠采用立瓦封住正当沟,并用“压当条”盖住正当沟的顶部,“压当条”往前伸出一定尺寸,犹如一个小出檐,见图4。为了使屋顶雨水有序往下排,瓦面做成一道道小沟状,称为“瓦垄”。瓦垄由板瓦与筒瓦(竹筒状的瓦)组成,板瓦为底瓦,筒瓦为盖瓦。筒瓦扣在两个相邻的板瓦上,上下筒瓦之间一节一节搭扣,上下板瓦之间一块块扣压(上瓦压下瓦),各个瓦件之间用灰泥抹实,以上做法既有利于排水,同时也利于防止瓦面的雨水渗入基层。瓦顶的最下端即屋檐上的第一块瓦,板瓦前伸做成三角尖状,称为“滴子”,其主要目的是让瓦垄的雨水汇集成一条直线下落;筒瓦端部做成大圆饼状,称为“猫头”,其主要目的是充分扣压在滴子端部,防止雨水渗入屋檐内,见图5。上述屋顶的坡度、瓦件的使用均有利于屋顶排水。


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  图3瓦顶曲面


  Fig.3Curvedroofwithtiles


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  图4屋脊排水瓦


  Fig.4Drainagetilesonroofridge


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  图5屋檐排水瓦


  Fig.5Drainagetilesoneave


  2地面排水


  2.1台基排水


  紫禁城古建筑一般坐落在高高的台基之上,这样不仅有利于建筑本身的稳定及建筑防潮,而且能够体现出宫殿建筑的高大与威严。作为皇帝执政的代表性建筑,紫禁城前朝三大殿(太和殿、中和殿、保和殿)的台基做法为我国古建筑台基工艺的最高等级,即采用三层须弥座叠加而成,称为“三台”,总高度达8.13米,见图6。三台的周圈为石质须弥座,上表皮为地砖,而核心部分则为分层夯实的灰土。为避免其在雨季因存水、渗水导致下沉,紫禁城三台的排水极其重要。而三台由于所处位置的特殊性及建筑做法的高等级性,其排水做法极其引人瞩目,亦可作为紫禁城古建筑台基排水方法的代表。


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  图6太和殿三台


  Fig.6Three-layerbaseplatformofTaihePalace


  前朝三台由三层须弥座台基叠加而成,每层台基的地面都有3%~5%的坡度,使得上层台基的水直排向下层台基。每层台基的边界都有栏板。每块栏板端部都有望柱(短柱),栏板底部正中有直径为0.1米的近似半圆形泄水口,而望柱底部则伸出类似于龙头的石质构件。这个石质的“龙头”称为排水兽,其形象为古建筑龙生九子的老六“虫八虫夏”。排水兽探出栏板底部外侧约0.8米,其宽度同望柱宽、高度同底部须弥座的上枋层,截面尺寸为0.28米×0.28米。兽嘴有直径约为0.03米的圆孔,其贯穿排水兽,并与栏板内侧的地面相通。这种设计不仅与台基整体尺寸相协调,而且有利于雨水向前方排出,并且可避免栏板底部有雨水回流。不仅如此,龙头造型的排水兽与三大殿的皇家宫殿氛围相融合,产生恢弘的艺术效果。三大殿的三台一共有1142个排水兽,在雨季每个兽头都能发挥排水作用,如图7所示的2016年7月20日太和殿三台排水,具有“千龙吐水”的场景效果。


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  图7三台排水


  Fig.7Drainageofthethree-layerbaseplatform


  紫禁城普通宫殿建筑的台基多做成台阶形式通向地面,其排水方式为雨水沿台阶流向地面。而在太和门广场、东华门城墙马道等区域,为便于较多人员通行,并防止产生滑倒,有一种特殊台阶地面,称为“礓嚓”,其做法为建筑台基通向地面为锯齿形坡道,锯齿高出坡面约1厘米,各锯齿间距约为12厘米(即条砖的厚度)。礓嚓排水方法为台基上雨水顺着锯齿形坡道直接满铺向下排向地面,在大雨时期亦可形成壮观效果,如图8所示的2018年7月16日协和门礓嚓台阶排水场景。


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  图8礓嚓台阶排水照片


  Fig.8Drainageofsawtoothshapestep


  2.2广场排水


  紫禁城整体地势北高南低,内金水河的流向为由东北向西南,以上决定了紫禁城各宫殿广场的排水方向为西北向东南。下面以太和殿广场为例来说明紫禁城广场地面排水方法。太和殿广场正中有一条汉白玉铺砌的石材路面,南北向宽2.2米,截面为“熊背”形,中间比两边高0.03米,两端与之相连的为0.6米宽的散水,这称为“御路”,见图9。御路是古代皇帝通行太和殿广场的专用道路,不仅位于紫禁城中轴线上,而且比太和殿广场其他区域地势要高。这使得广场的雨水首先由御路向东西两侧排,并达到广场东西侧端部。尔后,雨水顺着两侧的明沟向南排,到广场南端后,通过一个铜钱形状的雨水口进入暗沟,该雨水口称为“钱眼”,见图10。由于广场西高东低,因而暗沟的雨水汇入东南角,进入了更深的涵洞,见图11。这个涵洞向东穿过太和殿东南端的庑房,直接排入文华殿区域的内金水河。由上可知,太和殿广场的地面排水流向是中间→东西两侧、北→南、明沟→暗沟→涵洞→内金水河。


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  图9太和殿广场


  Fig.9SquareofTaihePalace


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  图10钱眼与暗沟


  Fig.10Coppercoinshapegullyandblindditch


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  图11太和殿广场东南角的涵洞


  Fig.11CulvertatsoutheastcornerofsquareofTaihePalace


  紫禁城内廷区域为后妃的居所,其建筑体量普遍较小,犹如一个个小型四合院。这些院落的地面相当于小的“广场”,其排水方法与宫殿广场类似。在庭院正中,有十字形交叉的铺砖地面,见图12,称为甬路,专供人员行走,甬路的断面亦为中间高、两边低,因而雨水由甬路正中流向两侧牙子,再顺着牙子流向庭院东南角。庭院中各个建筑屋檐下都有散水,坡度约为5%,因而建筑底部亦不会存水,散水底部的雨水亦排向东南角。上述雨水汇集到庭院东南角的钱眼位置(图13),由钱眼进入暗沟,再由暗沟排向内金水河。对于毗连的院落,其共用院墙底部一般开有洞口,见图14,以利于排水畅通。


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  图12庭院内的甬路


  Fig.12Pavedpathofcourtyard


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  图13庭院内的钱眼


  Fig.13Coppercoinshapegullyincourtyard


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  图14院墙底部的排水口


  Fig.14Outfallatbottomofcourtyardwall


  2.3城墙排水


  紫禁城四周为高10米、宽5.78米的城墙。城墙由内墙、外墙及墙芯土体组成,土体之上为地砖面层。研究表明:雨水渗入城墙地面会引起地面下沉,并增加墙芯土的侧压力,导致墙体开裂,对城墙的稳定性形成不利影响。因而城墙在雨季的排水亦很重要。我国古代城墙的排水主要通过墙上的排水槽来实现。紫禁城城墙的排水亦为此法,主要通过石质(豆渣石)水槽进行,即内墙每隔10米左右安装一个石质水槽,水槽宽约0.45米,凸出墙体约0.6米,雨水通过水槽排出墙体,见图15。为避免雨水顺着水槽底部边界回流到墙体侧面,石槽下方安装有铁皮,铁皮从石槽端部向外伸出0.15米左右,并利于雨水向前、向远方排出,如图16所示2018年7月21日午门城台排水槽排水所示。需要说明的是,紫禁城外墙无排水槽,其主要目的是利于保持城墙外表面庄严、壮观的效果。对于城墙地面而言,其外墙侧的高度比内墙侧高0.03米左右,以利于雨水排向水槽。


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  图15城墙排水槽


  Fig.15Thewaterchanneloncitywall


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  图16城墙排水槽排水


  Fig.16Workingstatusofthewaterchanneloncitywall


  3地下排水


  紫禁城地上的雨水一般通过地下排水系统排向南部的内金水河。其中,神武门内(南侧)宫墙的北侧,有一条自西向东的排水道,它是紫禁城最北侧的排水道,内宽0.35米,深1.8~2.9米,其上部铺设石板,且每隔一定距离的石板上有泄水的小孔,见图17。该下水道源于紫禁城的西北角,向东延伸到紫禁城东北角,其间,分别在建福宫、西六宫、东六宫、乾隆花园(珍宝馆)、十三排区域设置南向分支,以接纳紫禁城宫殿区域的雨水,并将其向南运送到内金水河。比如,位于乾隆花园区域分支的下水道,其向南经过东筒子巷、御茶膳房,再流入文华殿东侧的内金水河,见图18。又如,紫禁城东侧十三排区域的下水道,经北十三排、南十三排,向南流入清史馆区域的内金水河。图19为南十三排附近消防管线施工时挖出的暗沟,断面宽该暗沟为东西向,其作用是将十三排建筑其中一个院落的雨水沿东西排入上述下水道,再经过下水道流向南端的金水河。再如,西六宫区域的下水道,向南流经乾清宫,再穿过养心殿,期间将沿途各宫殿的雨水汇集,再经隆宗门向南流入武英殿附近的内金水河。由上可知,紫禁城的地下排水系统纵横交错,条理有序,可将各个宫殿区域内的雨水排向东南端的内金水河。


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  图17神武门下水道


  Fig.17SewerinthesouthofShenwuGatearea


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  图18东华门东侧的内金水河


  Fig.18InnergoldenriverintheeastofDonghuaGatearea


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  图19排水暗沟断面


  Fig.19Sectionviewofblindditch


  4维护保养


  紫禁城完善的排水系统离不开及时有效的维护和保养,明代负责此项工作的机构为二十四衙门的惜薪司,清代为内务府营造司。历史上,紫禁城排水系统的维护是全面和深入的。如清代紫禁城内最后一次大规模的河道沟渠清理工程,于光绪十一年(1885)4月开工,工期历时2年,工程量包括清除了内金水河2100米长河道的全部淤泥,修砌了两岸河墙及15座桥梁,并将紫禁城内总长度约为8000米的所有大小沟渠淤泥清理,同时还修整了河帮、更换了沟盖等排水设施,保证了内金水河排水的通畅,以及各排水设施的有效运行。故宫博物院成立后,对紫禁城排水系统的维护和保养亦为重视,每年在汛期前会对屋顶的瓦件进行检查修补(图20),对古雨水沟进行疏通(图21)、养护,更换失效的排水管道,及时修砌水沟、水渠、内金水河的侧帮,清除淤泥和杂草,定期对排水系统进行巡查,保证其有效的运行。


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  图20瓦顶修缮


  Fig.20Roofrepair


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  图21疏通排水沟


  Fig.21Draindredging


  5结束语


  紫禁城的排水系统包括屋顶、地上和地下三个部分,其屋顶排水方式巧妙,地上明沟、地下暗沟,下水道的各条排水线路纵横交织,沟通各个宫殿庭院,形成一个庞大而完整的排水网络。紫禁城排水系统设计精良,施工可靠,历年及时维护保养,不仅从未遭受过水患,而且至今能够完整地发挥功能。这体现了古代工匠的勤劳和智慧,对我国现代城市的排水措施也提供了宝贵的借鉴与参考。


  参考文献


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