本报记者 尹晓宇
团队研究的山西五台山古建筑。 束金奇摄
团队成员在讨论。 受访者供图
从唐代到明清，中国古人为了更好地适应当时当地的气候环境，不断调整建筑屋顶坡度，以应对气候变化带来的百年尺度的降雪变化，维持建筑安全并减少维修成本。
古建筑屋顶的设计与气候变化有什么关系？这是中国科学院院士、南京大学大气科学学院符淙斌团队与中国科学院地理科学与资源研究所研究员葛全胜团队近年来一直研究的课题。
“屋顶坡度与中国东中部地区冬半年的平均温度呈负相关。在寒冷时期，屋顶变得明显陡峻；温暖时期，屋顶坡度明显下降。但反映屋顶坡度的‘屋顶高跨比’即屋顶举高与前、后橑檐枋间距的比例达到约23%之后，就再也没有低于这个数值。”研究团队成员、南京大学历史学院准聘副教授李思洋这样解释。
考虑建筑功能需求，揭示屋顶坡度变化原因
唐代建筑疏朗开阔、宋代建筑精巧细致、明清建筑陡峻繁复……中国建筑在不同时代风格演变的同时，屋顶或陡或缓的坡度变化，同样引起了团队的注意。“是什么因素推动了屋顶坡度的变化？”
此前，一些前辈学者在古建筑调查研究中就发现，从唐到明清之间，屋顶坡度整体上呈现出变陡的趋势，屋顶坡度从8世纪的约20%上升到18世纪的约35%。对于这种变化，传统建筑史研究往往从建筑技术发展、审美风格演变等角度探讨建筑屋顶坡度的时代差异。
“但建筑具有很强的居住属性，所以我们好奇，在建筑风格随时代演变的背后，是否存在建筑本身功能需求的影响呢？”提出疑问后，团队开始了调研。
调研过程中，团队发现一个有意思的现象：山西平顺龙门寺中保留着五代至明清时期的建筑遗存，在寒冷时期建造的大雄宝殿(1098年)和东配殿(1498年至1504年)呈现出更陡峻的屋顶，屋顶高跨比分别为29.67%和30.50%。而温暖时期的天王殿(1271年至1294年)则更为平缓，为26.92%。
“最终，我们尝试从气候角度来理解这一现象。”团队成员、南京大学大气科学学院准聘助理教授丁可解释。
要在千年尺度上证明这个假设，没有现成的古建坡度变化序列和气象数据可以使用，团队梳理了唐到明清期间有明确测绘记录的北方地区官式建筑200多座，建立了一个古建屋顶高跨比的数据库，并对历史时期气候变化资料进行搜集整理。
统计发现，屋顶坡度的时代变化呈现百年尺度的波动式上升趋势，且温暖时期屋顶坡度较小，寒冷时期屋顶坡度较大。
梳理坡度和历史气候变化关系，发现屋顶变陡的排雪动机
众多气象要素，究竟以哪个或者哪几个作为研究方向成了要考虑的关键。
“房屋坡度的变化到底是受风、降雨还是降雪的影响？”“风？作为封闭式建筑，仅屋顶坡度发生变化，对室内空气温度的影响较为有限。”“降雨？那温暖时期降雨增加，屋顶应该会变得更陡，以增加排水能力，这与观察到的趋势不一致。”……
经过数次讨论，一些假设被排除，而保障屋顶的排雪能力就成了最大的可能。
“由于现有建筑遗存多位于中国东中部的半干旱、半湿润地区，冬季天气相对寒冷、降雪量较大，我们猜测，让屋顶的雪能快速滑落，从而防止损坏房屋，可能是屋顶设计中的重要因素。为了验证这一猜测，我们先要去古籍中寻找气候偏冷、屋顶坡度较大时的降雪资料，看看这些时期是否确实出现过更频繁、更极端的降雪记录。”丁可解释道。
在此基础上，团队进一步结合现代气象数据、历史温度重建数据和历史考古资料，重建了千年来中国东中部地区降雪量的变化，模拟了单纯为应对降雪变化所需的屋顶坡度变化。结果表明，依据降雪量所推算的理想屋顶坡度变化与近千年来建筑遗存屋顶坡度变化几乎一致。
“这意味着，降雪天气对中国传统建筑的设计可能存在显著影响。”丁可解释道。
查阅大量资料，研究建筑形制对气候变化的适应
研究过程中，团队还发现一个奇怪的问题：建于公元940年以前的古建，屋顶坡度系统性地小于后世。比如龙门寺西配殿建于五代后唐同光三年(925年)，从气象上来看与明清一样属于冷期，但屋顶坡度并没有明清时期那样大。值得注意的是，这一阶段的屋顶坡度正处于快速增长的阶段，这可能体现了这一时期的营造者们在冷期排雪需求增加的影响下，通过技术调整寻求屋顶坡度增大的过程。
这个猜想的一个有趣的例证是，屋顶高跨比从公元782年五台山南禅寺大殿的19.24%发展到公元1098年平顺龙门寺大殿的29.67%，从营造角度来看，建筑屋顶、梁架中部分构件似乎发生了一定的相对位置变化。例如，最下层梁栿的相对位置从低于橑檐枋变为与橑檐枋等高或高于橑檐枋。此段时间的结构变化，虽然与古建筑木结构的系统性发展有关，但其客观效果的确有利于更陡屋顶的建造。
此外，从明清小冰期中的明代中后期开始，一种新的屋面曲线设计方法——“举架法”开始出现并逐渐被广泛使用。运用这种方法设计的屋顶坡度进一步加大，并在18世纪30年代被写入官方建筑规范，成为此后官式建筑屋顶的设计准则。
“通过梳理研究，我们可以看到，中国历代营造者似乎在建筑形制、技术调整的过程中实现了对于气候变化的适应。”李思洋说。
基于气候与古建的学科交叉研究，团队2025年发表了一项新的研究成果，指向“六朝时代斗拱发展之谜”：为何在三国两晋南北朝时期斗拱出跳承檐这一形制有所减少？且为何这一现象只出现在该时期？
由于国内唐以前的木构建筑实例已不存在，研究团队梳理了约250例建筑形象资料，并结合温度重建资料及相关理想实验，发现由斗拱出跳支承的深远出檐，会显著降低建筑接受的日照强度与时长；而三国两晋南北朝时期整体偏冷，居民对太阳辐射取暖的需求随之上升，从而出现了缩短建筑出檐的设计取向。由此，团队推测，该时期的气候背景可为斗拱出跳承檐形制的减少提供一种可能解释。
“古建中的智慧还有许多值得发掘，而气候变化提供了一个可供观察的新视角。”研究团队表示，他们正把这个视角延伸到考古学领域中更长时间段、更多方面的研究。
解读气候适应史的“立体文献”
作为中国古代建筑显著的外观特征之一，屋顶的形态与自然环境密不可分。它不仅是建筑技术与艺术的结晶，更是一部记录气候适应史的“立体文献”。
要解读这部“文献”，需要结合建筑史学与气候科学的交叉视角，这一研究路径为理解古代建筑演变提供了新方法。其重点在于选取关键角度，对历代建筑屋顶的形制变化进行量化，并与高分辨率古气候重建记录系统进行比对，进而运用数理模型检验其内在关联，最终在千年尺度上追溯人类应对气候变化的智慧。
(本报记者尹晓宇整理)
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