中国古建筑在排水设计上蕴藏着古人的诸多巧思,其排水理念、方法及系统历经岁月,仍具借鉴价值。
已知我国最早且完备的城市排水系统,出现于约4600年前的新石器时代晚期,即河南淮阳平粮台龙山时代城址出土的陶质地下排水管道。这些管道节节套扣,两端有明显高差,与排水沟有序相连,其排水设施的完备程度令人称奇。
▲陶质地下排水管道
现代房屋借助科学技术防水防潮,而古代多为木结构建筑,在潮湿环境中易腐,古人在缺乏现代科技的情况下,采用了多种防水防潮手段。
完善的排水系统
排水是建筑建造需重点考量的因素。古代选址建城时十分讲究,会合理规划城市水系渠道,确保雨水和污水能迅速排入大河,满足特殊天气下的泄洪需求。对于建筑而言,合理的排水系统可防止房屋积水损坏,延长其使用寿命。沟渠排水是古代大型建筑(群)的主要排水方式。
秦咸阳宫殿考古发现,建筑群地面已设有系统排水工程设施。地面雨水和生活污水先流入类似现代砂井的排水池(长3.2米,宽2.7米,深0.7米),池底涂抹草泥土以防渗漏,池下有漏斗将积水排入圆形陶制下水管,各路水管均有一定坡度,使污水能快速流入干渠。
▲咸阳宫遗址出土的地漏及排水管
以北京故宫为例,每座宫殿院内都设有排水支沟,宫城墙下有集水干沟。北部雨水汇集到神武门内干沟,流入西边护城河;南部雨水分别流入金水河,再流向东南角护城河。
故宫地面有许多形似铜钱的“钱眼”,这是排水系统进水口,屋顶水流由此进入排水沟渠。整个宫城沟道排水坡度适宜,70公顷的故宫得以无积水之忧,地面始终保持干爽。
▲完善的排水系统
若建筑附近无水系,沟渠引导的积水则通过另一套排水系统,经地面进水口流入地下竖井。竖井相互串联,雨水通过竖井进入涵洞,利用青砖良好的渗水性能与地下水系统连通,实现排水目的。
屋顶的设计
屋顶作为建筑顶部的承重和围护构件,是最直接的挡雨部件。我国传统古建筑最初利用屋顶挡雨,采用高屋脊、大坡度设计,靠近屋脊两侧坡度超60°,檐部坡度不足30°。陡坡使雨水快速流下,借助惯性冲出檐外。
▲常见的中国传统建筑屋顶
为实现排水通畅,古人发明了多种瓦片搭接方式。横排相邻瓦一俯一仰,称阴阳瓦或合瓦屋顶,上方为盖瓦,下方为底瓦,上下搭接的底瓦形成瓦沟,雨水从盖瓦流向瓦沟,再排出屋面。
同时,屋顶建筑材料也考虑了排水需求。早期瓦吸水性强,不利于排水和防水,后来瓦品质提升,吸水率降至3%,与瓷器相当。“改进版”的瓦结合金属、琉璃和锡等材料,让古代建筑屋顶排水能力大幅增强。
▲瓦屋面
此外,古建筑还使用防水材料增强屋面整体防水效果。灰背、泥背、护板灰等材料,由石灰、麻刀(植物纤维)、青灰(含杂质的石墨)等混合而成,类似现代水泥砂浆,涂抹在屋顶接缝或节点位置,固化后形成坚硬防水涂层。
地面与台基
屋顶排出的水流去向也有考量。为防止雨水在地面堆积,中国古建筑常抬高台基。偃师二里头商代宫殿考古发现,当时已有高出地面1米多的台基。高台基可使建筑远离地下水位,保持地面干爽,利于纳阳和通风,是简单有效的防潮措施,被历代沿用,成为古代建筑重要特点。
▲古建筑台基
为减少雨水对台基或墙根的侵蚀,陕西岐山台陈西周遗址就采用铺卵石做散水的方法。战国时期,在台基或外墙根四周用砖、卵石、三合土等材料做成有一定坡度的向外排水斜面。三合土地面是古代常用的经济防潮地面,铺筑时掺加适量盐卤可增加密实度,防止地面开裂,提升隔潮效果。
砖地面是古代主要地面做法,为加强防潮,讲究的铺地砖面层下部设有防潮垫层。秦咸阳宫殿发掘出一种地面,在印纹方砖面层下垫有红烧土瓦砾层。后来多采用砂垫层,厚度从7-8厘米到40多厘米不等。明清北京故宫内还有“架空金砖”做法,砖下有空气层,砖缝用桐油和白面挤缝,表面再攒桐油一道,防潮性能极佳。
墙体
先秦以前,墙体多为防水性差的版筑墙和土坯墙。墙的下半部易受雨水和地下水侵蚀,适当增加厚度有助于防水。秦都咸阳一号宫殿发掘报告显示,当时壁面做法是先在土坯墙上涂抹掺有黍(或粟)基的泥层(即瑾),厚3-4厘米,再用麦糠拌细泥抹平,厚1-2厘米,最后用白色石灰质材料粉刷,显著增强了墙面防水性能。
▲古建筑墙体
古人深知挑檐可护墙,出檐深远是我国木构架建筑的一大特点。盘龙城商代宫殿遗址已有回廊和腰檐,广州出土的汉明器证明当时已有硬山挑檐和排山沟滴。明清建筑中的拔檐砖和博风等墙顶构造也是护墙措施。在西南多雨地区,民居土坯墙还有“披蓑衣”做法,即在墙内每隔一定水平距离夹茅草护墙,并砌加瓦片滴水线。