高 策 杨东东 吴文清

(山西大学 科学技术史研究所，太原 030006)

1 问题的缘起

中国古建筑避尘是一种较为普遍的现象。对于这种“蜘蛛不结网、梁上无灰尘”的景象，因普通人无法做出科学解释，民间素有建筑内部装有“避尘珠”法器的说法。从实地调研来看，具有避尘功能的古建筑多以佛教寺院建筑为主，建筑内部“无尘”也是佛教文化的象征。

寺院建筑作为佛国净土的物化形式，是凸显佛教净土文化的无言载体。寺院建筑的“无尘”环境，是净土的具体体现，也是一种无声教化，其意是使被世俗烦恼困扰的人们，在清雅洁净的环境里感受自身的清洁本性，为人们指引一条返本还原、彻见心性的修行之路。同时，寺院建筑的“无尘”也影响和改变着僧人净土信仰的心理和行为。《悲华经·诸菩萨本授记品第四之一》记述了文殊菩萨对寺院建筑无尘的愿望：“合十方无量为一佛刹，真绀琉璃为地，无尘土石沙秽恶荆棘。”[1]《法华经》卷3中也记述了寺院建筑应该具有的样貌：“其佛国土甚为清净，无有砾石、荆棘、秽浊之瑕，山陵溪涧。普大快乐。”[2]

随着对“无尘土石沙”洁净场所的理念追求，寺院建筑避尘环境的营造逐渐发展为比较完善的系统理论，乃至今天全国尚有多处具有避尘功能的寺院建筑遗存。然而，由于中国古代特殊的历史条件和古人重综合而轻分析的特点，寺院建筑如何做到具有避尘功能，未见于文献记载，成为一种“隐形”的实践活动。[3]

本文选取具有典型性避尘现象的山西隰县千佛庵作为研究对象。该建筑群设计独特、工艺考究，尤其是大雄宝殿的悬塑，历经300余年，依然金碧辉煌、一尘不染。以研究壁画佛塑见长的著名画家潘洁兹(1915—2002)在观赏大雄宝殿时感叹：“朱明陈迹尚如新，入眼平生叹未有。”杰出的宗教领袖赵朴初(1907—2000)为大雄宝殿题词：“东土西方微尘不隔，人间天上万象庄严。”[4]都对大雄宝殿内部的洁净现象赞叹有加。为深入分析千佛庵建筑的避尘现象，笔者从环境与方位、空间布局与气流组织方式、大雄宝殿的贴金彩绘悬塑与内部空间环境等方面进行系统分析，以期对千佛庵建筑避尘机理做出合理的解释，进而完善中国古代建筑史的理论体系研究。

2 千佛庵的山川形势与历史沿革

生态环境选择思想是我国古代建筑选址理念的核心，明清时期的寺院建筑生态选择思想已达到泛滥的局面。[5]始建于明末清初的千佛庵在营造洁净场所的实践体系中，地形地貌起到了支撑作用。在千佛庵的历史沿革中，始终坚持因地制宜的自然观和环境平衡的生态观，创造出藏风聚气的优质空间环境。

2.1 千佛庵的山川形势

千佛庵坐落在隰县城西1 000米处的凤凰山腰。隰县全境属黄土高原残塬沟壑区，地形东北高、西南低，海拔大部分在950米至1 300米。东部紫荆山最高峰海拔2 012米，为吕梁山在晋西南地区第一高峰，南部胡城村最低海拔760米，相对高差1 252米。县内沟壑纵横，连绵起伏，由两川、七塬、八大沟组成；1 000米以上的沟道有1 124条，沟壑密度达3.4千米/平方千米，呈条状地貌特征(图1)。由于地形起伏多变，高差较大，对局部地表沉积物、植被类型、水热的再分配、山丘风场的影响较大，形成生物气候条件在整体与局部的明显差异。

图1 隰县地形图(作者依据中国地质数据云绘制)

古代寺院建筑生态环境选择思想始终强调一个整体的环境模式。千佛庵所在的凤凰山并非孤山独峰，乃是唐户塬南北走向西坡底塬的东西向一个分支，与西坡底塬呈丁字形状。凤凰山山顶最高海拔约1 045米，山顶长约100米，宽从10米至40米不等，呈尖嘴状。千佛庵坐西向东，处于凤凰山尖嘴状地形的最前端，海拔约1 010米，南北两侧为陡坡；南坡的坡度为1∶1，垂直高度约25米，坡度角约为60°，沟进深约150米，沟浅无水；北坡的坡度为1∶0.6，垂直高度约40米，坡度角约为73°，沟进深约300米，有泉涌出。两沟在凤凰山前交汇，形成一处开阔的谷地，谷地树木茂密，浓荫蔽日。北侧沟谷的泉水在谷地汇聚，自然生成放生池。千佛庵南北两翼是与凤凰山同向的两道山梁，南侧山梁海拔约1 025米，北侧山梁海拔约1 030米，两道山梁高翘远伸与千佛庵呈环抱姿态奔突于紫川河岸，阻挡了西北强风的入侵。距离紫川河约100米的谷地东面谷口是千佛庵局部环境自然通风的进出口。整体来看，千佛庵局部地形是一个较为封闭式的生态环境单元，后有高起的山脉，前有池水环绕，左辅右弼护，具有“藏风、聚气、得水”俱佳组合的特征，各部分借助能量流动和物质循环，相互影响和依存，形成具有自我组织和自我调节空气质量的生态环境系统。(图2)

图2 千佛庵局部地形3D示意图(作者依据千佛庵局部地形绘制)

2.2 千佛庵的历史沿革

清光绪二十四年(1898)刊本《续修隰州志》卷2《重修千佛庵记》记载：“尝谓千佛庵之在隰，允称负郭之第一胜刹也。庵在郡西北凤凰山之巅。地最耸翠幽雅。洞口石篆庵名曰‘千佛’。而由洞而上重门，题额曰‘道入西天’，郡人因有小西天之号。”[6]坐落在凤凰山的千佛庵自古以来就享有盛誉，因坐西面东，重门题额“道入西天”和佛经中的西天虚实呼应，故民国三年(1914)，僧人显学(1851—1935)修复寺院时，将山门题额“千佛”易名“小西天”。([4]，33页)

千佛庵始建于明崇祯二年(1629)。崇祯十六年(1643)隰州州判杨季淳(生卒年不详)所撰《千佛庵碑记》记载：“东明师真所谓开山祖也!晚而至隰，相成西北隅一山，负乾向巽，形类凤凰。……凿崖取道，幽径耳。出径而登，得平旷地，序所谓刳阜拓境者此也。甃无梁殿三间，中龛诸佛，前缀以轩，旁翼以庑，对面韦陀殿三间，……峰顶有小筑，为摩云阁。……于无梁之上，复构层殿五间。” ([4]，94页) 在明万历年间，五台山火场寺僧东明(生卒年不详)游至隰县，见县城西北山形似凤凰，风水极佳，便以凤凰山为名，募集资金和召集工匠，终于在1629年开始营造如西方极乐净土般清雅洁净的寺院建筑。初期的营构，有下院的无量殿、南北的经舍(南边经舍现为接待室)、韦陀殿(现为僧舍，前置较小韦陀殿以供养韦陀神像)，前院的摩云阁和上院的大雄宝殿也初步完工。据康熙四十八年(1709)刊本《隰州志》卷24《千佛庵碑》记载：“老僧犹以两庑未周，佛像尚缺，复谋与其徒兴秀，孙隆鉴，将重兴版筑，栖妙果于香城。”[7]僧人东明去世后，徒兴秀(生卒年不详)和徒孙隆鉴(生卒年不详)依据初期的建筑空间布局规划，上院增加了文殊、普贤两殿和大雄宝殿的悬塑，前院也增加地藏殿以及钟、鼓两楼，形成以大雄宝殿为主体且较为封闭的建筑空间组合格局。(图3)

图3 千佛庵建筑空间布局平面示意图

此后，千佛庵虽经历代修旧补缺，但整体建筑格局并未发生变化。千佛庵坐落在土质的凤凰山腰且三面临沟，易受雨水的侵蚀。据史料记载，清代的修葺主要为护坡、以石铺院、以砖包山门内外及摩云阁下土壁、修复个别建筑的破损；民国三年的修缮主要为山下建石桥、遍植树木、补临崖砖栏及其破败之处，对大雄宝殿的残破现象进行了修饰；中华人民共和国成立后的维护始于1986年，主要为山体加固、填补塌方、风景区的配套建设，对大雄宝殿存在的隐患进行了落架大修。([4]，32-35页)

3 千佛庵的生态环境因素

千佛庵所处的生态环境对建筑的粉尘污染有至关重要的影响。现代空气洁净技术的研究[8]表明，建筑的选址直接影响建筑物表面和内部的粉尘污染情况，相关因素主要包括绿化、湿度和风。

3.1 绿化的影响

植物净化是重要的防尘措施。[9]清代宋劻(生卒年不详)撰《重修千佛庵记》记载：“两腋幽壑，数种古树，洵有道者所乐栖，亦达士之所共适也。闲步溪桥，木向荣而泉始流。”([6]，182页) 民国金福海(生卒年不详)撰《小西天禁樵碑》记载：“周围遍植树株，今则庙貌焕然，树木苍翠，称本县名胜之冠。”([4]，94-106页) 通过实地调研和场地卫星图的观察，千佛庵周围自然植被覆盖率达70%以上；林木类占自然植被面积的60%，主要分布在谷地和两侧沟谷湿地；灌草丛类占自然植被的40%，主要分布在凤凰山和两侧山梁的坡面。千佛庵生态环境中的植被覆盖率和植被种类空间分布状态起到了很好的滞尘作用。(图4)

图4 千佛庵周围植被分布简图(作者依据实地调研和场地卫星图绘制)

树叶表面自身结构对粉尘颗粒物具有滞留、吸附和黏附的作用。不同树种间滞尘量有明显差异。影响叶片滞尘能力的因素主要为叶片表面的沟状组织和粗糙度、气孔密度和开口大小、茸毛密度和分布特征。千佛庵周围林木为针阔叶混交林，以榆树、松树、柏树、柳树、椿树、刺槐、火炬树、杨树为多。依据树种叶表微结构与滞尘能力的关系研究[10-13]，千佛庵周围数量居多的林木都表现出较强的滞尘效应(表1)。

表1 千佛庵周围树木叶片滞尘特征

凤凰山和两侧山梁的坡面为冲洪积亚砂土、亚黏土和砂卵石层。灌草植被增加了坡面土壤的紧实度，风蚀的几率变小，不易形成粉尘颗粒物污染的来源。进入谷地的外来粉尘颗粒物受地形的限制，其扩散过程需要经过两侧山梁的多次反射作用。灌草植被的存在，使得坡面表层的粗糙度变大，较多粉尘颗粒物会被灌草植被吸附和滞留。在较为平缓的坡面，灌草丛类与针阔叶林混生，在林木叶片滞纳的粉尘颗粒物受降雨、风等自然因素沉降后，灌草植被阻止了二次扬尘起浮现象的产生。

3.2 湿度的影响

吸湿性是环境空气中粉尘颗粒物的主要性质。[14]《隰州志》卷11《寺观》记载：“紫水从北来，绕城而南，奔腾冲激十里至石家庄。地益下，流益驶，其势不可遏。……于是州城之气，聚而不散，磅礴郁积，无沙飞石走之患。”([7]，162页) 隰县地处中纬度，气候干燥，降水少，常形成水热失调和尘土飞扬的现象。贯穿隰县南北的紫川河提供水汽抑制周围尘土飞扬，作用显著。1981—2010年的累年月最多降水量(图5)和累年月平均相对湿度(图6)的数据显示，凤凰山一带累年月最多降水量呈跳跃式曲线变化，累年月平均相对湿度变化却相对平稳。除植被的蒸腾作用，距凤凰山约100米的紫川河人字闸蓄水工程和谷地放生池也起到了增加周围环境相对湿度的关键作用。当相对湿度越大时，空气中水蒸气的气压就越高，粉尘颗粒物会与固体接触界面或其它粉尘颗粒物之间的接触部位会产生液体桥，液体桥产生的液体桥联力会将两者相互粘附到一起，限制了粉尘颗粒物的相对滑移，有效阻止了外来粉尘颗粒物进入千佛庵建筑内部的几率。

图5 1981—2010年累年月最多降水量

图6 1981—2010年累年月平均相对湿度

在相对湿度稳定的情况下，粉尘颗粒物的凝结沉降速度与粉尘颗粒物表面亲疏水性有关，即粉尘颗粒物表面亲水性越强，环境湿度对粉尘颗粒之间作用力的影响越强。[15]据《隰州志》卷24《艺文》记载：“自后山川涤涤，即有霡霂，额顷即止，沙飞土燥如故。”[16]隰县干燥性气候和自古以来的农业生产方式，使得其粉尘颗粒物释放源以地表起尘为主。凤凰山一带塬面地表土质主要为风积黄土且以垂直地带性分布，海拔1 300米以上的土层表面均覆盖有5—10厘米的腐殖质层，土质稳定；海拔1 300米以下土体深厚，土质疏松多孔，无明显腐殖质层，在长期干旱的情况下，土壤团块分裂较快，团块变小，地表粉尘颗粒物起动摩阻风速变小，导致凤凰山一带低层空气中的粉尘颗粒物主要为亲水性碳酸钙质结核或中类钙质结核的土壤粒子。([4]，5-48页) 亲水性碳酸钙类粉尘颗粒物的坍塌角随湿度变化较快，水蒸气在其表面易形成厚度较大的水膜，增加粉尘颗粒物之间的相互附着性，使得气流与粉尘颗粒物表面的接触面积增加，产生的摩擦阻力和重力变大，粉尘自然降落较为显著。

3.3 风的影响

风是大气传播粉尘颗粒物的主要途径。1981—2010年累年月平均风速的数据显示，凤凰山一带累年月平均最大风速为2.4 m/s，累年月平均最小风速为1.5 m/s，平均值为1.8m/s，累年月平均风速较小且较为稳定(图7)。由于隰县复杂多变的地形和较多突出的山脉阻碍了大气边界层的流动，导致气流流动发生大尺度的分离和回流，增强了风的湍急强度，提高了风的流动速度。[17]1981—2010年累年月日最大风速日数的数据显示，凤凰山一带累年月日最大风速≥5.0m/s日数均在15天以上，在风沙日较多的3月、4月、5月超过25天，风速的间歇性增强效果显著且持续时间较长(图8)。依据粉尘颗粒物(除沙尘暴)在大气中的浓度与总排放量成正比，而与风速成反比，风速增加一倍，下侧风的粉尘颗粒物浓度则减少一半的原理([8]，82页)，在平均风速较小的情况下，间歇性的强风使得处在南北走向西坡底塬的凤凰山上层空气的粉尘颗粒物浓度一直处于较低状态。

图7 1981—2010年累年月平均风速

图8 1981—2010年累年月日最大风速≥5.0m/s日数

千佛庵在局部环境中的位置减弱了风携带的粉尘颗粒物含量。千佛庵南北两道山梁的东面缺口是风携带粉尘颗粒物进入谷地的唯一入口，造成局部环境的风向频率主要受东风的影响。在2019年8月21日11时至22日11时，凤凰山一带存在明显的东风，即有风从谷地缺口吹入谷内。(图9)

图9 2019年8月21日至22日24小时整点风力风向实况

采用Fluke 985空气尘埃粒子计数器(福禄克公司，美国)，计数效率0.3μm的粒子为50%，0.45μm以上的粒子为100 %(根据 ISO 21501)，样本入口为等向性运动探头，在千佛庵外部莲花广场、谷地陆地和千佛庵山门的中心位置，手持Fluke 985面向东方，各取4L的空气体量。同时采用TM840M数字风速仪(香港泰克曼公司，中国)，采样速率大约1秒1次，传感器为加硬轴承风扇传感器，在Fluke 985同等测量位置和时间内进行风速测量，得出数据如表2。

表2 不同位置下的风速和粉尘颗粒物测量

测量数据表明，风自莲花广场到千佛庵山门的流速变大，风所携带粉尘颗粒物的粒径和数量明显减少。究其缘由，当东风流经谷口时，因谷口狭窄使得气流过流面积减小，气流被挤压，导致进入谷地风的流速增大，粉尘颗粒物浓度含量变小。千佛庵距离谷地垂直高度约25米，随着高度的增加，风到达千佛庵周围的流速继续变大，促使千佛庵建筑周围的粉尘颗粒物浓度含量持续变小。

3.4 地形环境中气流分布模拟

为更加深入了解千佛庵局部环境具有良好的气流分布，结合凤凰山一带的气候资料、地理信息和千佛庵局部地形空间形态，以计算流体力学分析方法(CFD)模拟千佛庵局部地形气流分布状况。在不影响区域气流大致走向的前提下，以千佛庵谷地东面谷口进风作为可分辨风场，风速设置为全年最大平均风速2.4m/s，采用κ-ε方程湍流模型[18]，应用流体仿真软件Fluent(2021 R1版本)进行模拟分析。(图10)

图10 千佛庵地形环境气流分布图

千佛庵地形环境气流分布模拟结果显示，当外部气流经狭窄谷口顺利进入千佛庵局部环境后，气流速度有明显增加的趋势。在谷地空旷地带，气流保持运行畅通的状态；到达建筑山脚的气流出现明显的分流现象，分别流向千佛庵建筑两侧沟谷；南北两侧山梁周围的气流因运行受阻，部分气流绕行，与来流发生碰撞，气流速度逐渐提高；因千佛庵山脚气流与南北两侧气流均汇聚于千佛庵建筑两侧沟谷，造成两侧沟谷气流发生碰撞，气流速度聚然提高。

4 千佛庵建筑群空间布局对气流和粉尘颗粒物的影响

千佛庵建筑群总面积仅有1 100多平方米，在极其有限的空间内，建有房屋20余间，并以洞为门，把前院、下院、上院分隔并连通。整体布局虽以传统建筑轴线为引导，左右对称，但未呈方整封闭的风格，而是采用回环曲折、参差错落、忽而洞开、忽而幽闭的设计赋予了千佛庵建筑群多样的空间层次感，不但阻碍了外部气流携带粉尘颗粒物的入侵，而且有利于建筑群内部气流的流通和粉尘颗粒物的输出。(图11)

图11 千佛庵建筑全景3D示意图(作者依据实地测量绘制)

4.1 建筑群空间布局中气流的运动状态

千佛庵前院是视野开阔且平面呈尖嘴状的院落，院落顶层的摩云阁为建筑群的最高点，两侧洞门连通下院，也是建筑内部气流的主要通风口。外来气流在前院会出现分流的状况，此时气流趋于稳定。气流在到达两侧洞门所在墙壁的进面后，由于壁面的限制和气流的连续性，有一部分气流向反方向运动，从而在两个洞门外面形成回流区，部分较大粉尘颗粒物沉积下来。同时由于两侧沟谷中山谷风的快速运动，对周围气流产生卷吸作用，回流区的部分气流被卷吸形成上升的涡流，阻止了部分气流携带较小粉尘颗粒物从两侧洞门入侵下院。

前院通往下院两侧洞门的气流运动形式以射流为主。北侧“疑无路”外部门洞高2.3米，宽1.4米，深1米，转折深度2.8米，内部门洞高1.7米，宽0.5米(图12)。南侧“别有天”外部门洞高2.5米，宽1.2米，深1.2米，转折深度2.8米，内部门洞高1.8米，宽1米(图13)。洞门平面呈L形且外宽内窄，似现在高效过滤器阻隔分离微粒气道的设计，迎面的阻力可以有效地对射入气流中的粉尘颗粒物进行拦截捕集。([8]，193页)

图12 “疑无路”洞门示意图

图 13 “别有天”洞门示意图

下院是一个四方院落，长约15米，西面为无量殿，东面为韦驮殿和僧舍，北面为藏经阁，南面为接待室，形成一个闭合的庭院。依据流体力学原理，下院气流因前院两侧门洞通风的原因，气流流层极不稳定。在相对运动中，由于粘滞性而在流层之间产生切应力。按照流速与气流截面关系的定理：

S1V1=S2V2=常数 (S—截面积;V—流速)

北侧“疑无路”外部门洞与内部门洞的截面积比值较大，流速明显增大，切应力为顺流向；南侧“别有天”外部门与内部门洞的截面积比值较小，流速变化相对较小，气流进入为逆流向；顺流向和逆流向的气流易在下院中央形成气流涡体。由于流速较大流层与涡体旋转方向一致，流速较小流层与涡体旋转方向相反，使得流速较大流层的流速更大，流速较小流层的流速更小；流速增大的地方压力减小，流速减小的地方压力增大，形成垂直于流向的压差。当该压差足以克服阻力后，就推动涡体脱离原流层，冲向临近流层([8]，267-270页)，千佛庵正门的位置和外部气流充当了邻层的作用(图14)。下院具备了流层中形成涡体并冲入邻层这两个条件，且空间较小，气流对周围环境的卷吸作用较强，可以迅速有效地排出气流本身和院内因焚香产生的粉尘颗粒物。

图14 下院气流涡体示意图

下院无量殿右侧为通往上院的通道，通道为仅容一人的圆形洞门，且通道的出口没有直接通向上院，而是蜿蜒转折通向了上院的文殊殿内，这样的设计极大地限制了气流携带的粉尘颗粒物从下院上串至上院。上院同样是一个方形院落，不同的是只有三面聚合，西面的大雄宝殿、北面的文殊殿、南面的普贤殿形成一个相对闭合的风影区环境，气流的运动相对稳定。千佛庵前院摩云阁建筑为建筑群最高点，高度约15米，与上院大雄宝殿的直线距离约20米，间距约为前院摩云阁高度的1.3倍。依据现代建筑气候学原理[19]，当建筑为行列式中的平行排列布局时，在风的流动方向上必须有较大建筑间距，才能使风的损失最小化。建筑之间所需的间隔较大，一般要求达到前幢建筑高度的4—5倍。同时下院较高的松柏使局部环境内迎面而来的风偏转向上，越过上院，创造出上院相对封闭的空间环境，外部粉尘颗粒物多数被阻隔在上院以外沉降。在上院的气流运动方面，由于气流流动的连续性和流体间的相互补充，加之上院相对封闭的空间环境和两侧山谷风的影响，气流容易产生涡体交换，使得上院气流流动状态基本为垂直向上，将气流携带的粉尘颗粒物和大雄宝殿前焚香产生的粉尘颗粒物自动扩散到高层快速流动的气流之中，使得大雄宝殿所在的上院环境的粉尘颗粒物含量最少。

4.2 建筑群空间布局中的粉尘颗粒物测量

凤凰山一带四季特征明显，春季为4月至7月，多风少雨，蒸发量大，风沙日较多。为了验证千佛庵空间布局结构下的气流携带粉尘颗粒物状况，2019年5月13日，笔者手持Fluke 985空气尘埃粒子计数器，对莲花广场、谷地、山门以及建筑群的相关位置各取4L的空气体量进行粉尘颗粒物测量，得出数据如表3。

表3 千佛庵环境和建筑结构下的粉尘颗粒物测量

粉尘颗粒物粒径和数量的数据显示，莲花广场到谷地的粉尘颗粒物含量变化显著。对照表2中相关数据，可以看出：春季莲花广场的粉尘颗粒物含量比夏季大，而谷地气流中的粉尘颗粒物含量无明显变化，说明较为封闭的地形和地形内部的生态环境净化功能起到很大的作用。表3数据还显示，山门的粉尘颗粒物含量反而比进入下院正门的粉尘颗粒物含量小，验证了下院涡流携带粉尘颗粒物从正门排出的判断；前院与下院气流中的粉尘颗粒物粒径变化表明，前院阻挡了气流中较大粒径的粉尘颗粒物；由于外侧洞门气流存在回流区，气流的碰撞重叠，导致“疑无路”与“别有天”的外侧洞门气流中粉尘颗粒物含量比内侧洞门大。前院与上院的粉尘颗粒物含量差异较大，主要是由于上院较为闭塞的空间，粉尘颗粒物多数被阻隔在上院以外；下院与上院气流中的粉尘颗粒物含量表明，下院的粉尘颗粒物含量对上院空间环境的影响较小，上院气流容易与山谷风产生涡体交换，气流的垂直向上作用使得粉尘颗粒物的自我扩散较为显著。

在长期无降水和未打扫院落的情况下，在前院、下院和上院地面中心和两侧位置各选取1平米的范围，将其地面灰尘用样品袋进行收集和称重，结果发现：单位面积地面灰尘沉积量分别为前院2.47g/m2、下院1.55g/m2、上院1.39g/m2。三个院落单位面积地面灰尘沉积量存在较明显的下降，原因是前院空间开放，地面沉积灰尘最多；下院空间封闭，虽长期有烧香产生粉尘颗粒物，但由于气流涡体对周围环境的卷吸作用，地面沉积灰尘较少；上院空间气流稳定且以上升气流为主，地面沉积灰尘最少。

灰尘中会包含大量的Si、C、O等元素，也会含有少量的K、Ca、Mn、Fe等金属元素，不同来源的灰尘金属元素组成不同，尘粒通常具有和母料相同的金属元素，因此可通过金属元素组成的对比推测粉尘颗粒物的来源。采用手持式合金分析仪Genius 5000XRF光谱仪(江苏天瑞仪器股份有限公司，中国)，检测对象为粉末，探测器为25mm2、SDD探测器，探测器分辨率最低可达139eV，检测时间为30秒，对凤凰山一带的黄土、千佛庵下院焚香池内的香灰以及三个院落收集的灰尘进行半定量测量分析。测试前先将样品室内自然风干后研磨成粉末，过200目筛，称取样品2g左右，采用半自动压样机，将其压制成以聚乙烯粉末镶边衬底直径2cm的饼状测量圆片，测量结果如表4。

表4 灰尘的金属元素分析

由表4可知，凤凰山一带黄土粒子富含K、Ca、Mn、Fe金属元素，三个院落的灰尘样品都受到周围黄土层风化产生粉尘颗粒物的影响；前院灰尘样品中的金属元素主要为K、Ca、Mn、Fe且含量远多于千佛庵下院焚香池内香灰样品中的金属元素含量，可判断前院地面灰尘主要受外部黄土粒子的影响；下院灰尘样品中的金属元素除了受黄土粒子的影响，其中微量的Ba、Hf、Ta、Pb、Hg、Ti主要来源于焚香池的香灰，可判断下院地面灰尘中含有大量的香灰粉尘颗粒物；上院灰尘样品中的金属元素同样含有香灰样品中微量的Ba、Hf、Pb，可判断上院地面灰尘中也有部分香灰粉尘颗粒物。

4.3 建筑群空间布局中的气流分布模拟

为更好的验证千佛庵寺院建筑群空间布局中存在的气流运动状态，采用计算流体动力学方法(CFD)对千佛庵建筑群气流环境进行三维数值模拟。依据实地测量千佛庵建筑群的外形尺寸，建立三维计算建筑模型(图15)。结合千佛庵建筑群周围地形，应用三维湍流κ-ε方程中Realizable湍流模型[20]。根据千佛庵建筑群门洞尺寸，计算了建筑群各空间2米以下的环境风场(图16)。

图15 千佛庵建筑群三维计算模型

图16 Realizable湍流模型速度矢量图

依据千佛庵建筑群的实测数据和Realizable湍流模型速度矢量图，千佛庵建筑群最大宽度约40米，最高建筑约15米，距北侧山梁约140米，距南侧山梁约110米，阻塞比Rb不足0.01%，满足了阻塞比小于3%的要求[21]，建筑群周围和建筑群内部空气流通性能非常好。前院平面因呈尖嘴状，气流分流现象显著；因受两侧沟谷的影响，建筑群两侧气流速度远大于初始气流的速度；前院有明显气流经门洞进入下院，下院出现有涡流现象；下院有较弱气流经门洞流入上院，受两侧沟谷的垂直热力差和气流回流产生的速度逆压梯度的影响，上院气流与外部气流相互置换，也出现了一定的涡流现象。

结合千佛庵建筑群空间布局中气流运动分析、粉尘颗粒物测量实验以及三维气流模拟，可以得出：在优质的生态环境中，千佛庵建筑群的空间布局对净化建筑空间环境起到了重要的作用。前院建筑形制有效地对外来粉尘颗粒物进行了拦截捕集；下院建筑空间产生的涡流现象具有排出粉尘颗粒物污染的能力；上院建筑处于前院与下院建筑的保护中，且上院建筑空间环境中气流具有携带粉尘颗粒物向外扩散的功能。

5 千佛庵大雄宝殿内部结构与避尘机制

大雄宝殿是上院的主建筑，也是千佛庵的主体建筑，面阔五间，进深六椽，前檐插廊，总面积169.6平方米。关于大殿内悬塑的洁净现象，有学者认为悬塑没有落尘是因为在涂层材料里掺入特殊材料[22]；王哲士主编的《小西天志》认为大雄宝殿佛阁以上悬塑人物，按场景要求就势前倾，与粉尘颗粒物下落的垂直方向形成一定角度，巧妙地避开了粉尘颗粒物的直接坠落，把正面可能沾染的粉尘颗粒物留给了悬塑的背后([4]，85页)。事实上，大雄宝殿殿内悬塑表面并不是绝对不染尘，而是随着高度的增加，上层悬塑表面和背后的粉尘颗粒物逐渐减少，主要原因为贴金彩绘悬塑的几何倾斜、殿内气流的运动状态和殿内常年较高的湿度。

5.1 殿内贴金彩绘悬塑分析

明清时期彩塑的制作工艺已非常完善，悬塑使寺庙艺术更加具有表现力。千佛庵悬塑是现存最具代表性的彩塑之一，它以独特的表现形式，大大拓展了以往彩绘泥塑表现净土世界的境界，被誉为中国雕塑艺术史上的“悬塑绝唱”。[23]从悬塑表面洁净度分析，贴金、彩绘及其倾斜的结构都具有抗粉尘颗粒物污染的作用。

物体表面存在表面自由能，表面自由能相对较高的物体表面非常不稳定，很容易吸附周围的粉尘颗粒物。[24]金具有良好的物理自洁性和化学稳定性，与粉尘颗粒物所含元素的亲和力较弱，降低了悬塑泥胎表面自由能，使得大雄宝殿悬塑表面自由能一直处于相对较低的状态。[25]同时，贴金工艺改变了泥塑表面的亲水性，增强了疏水性，使得悬塑表面比较干燥，降低了对粉尘颗粒物的吸附能力。物体表面吸附粉尘颗粒物的多少还受物体表面粗糙程度的影响，提高物体表面光洁度，可以减少粉尘颗粒物的附着。通过对大雄宝殿悬塑残损断面的观测和分析[26]得知，悬塑在用粗泥塑造形体后，依次叠加细泥棉花层、纸层和白底层，经过多次打磨和抛光后，悬塑胎体本身已经特别光滑，利于贴金工艺的实施和进一步改善泥胎本身的光洁度。

大雄宝殿悬塑作品除了大量采用贴金工艺外，还在悬塑外表和房梁绘有绚丽的彩画。古代彩绘的施工离不开胶矾水，胶矾水是由白矾、水胶(由动物骨骼熬制成的胶)、清水按一定比例调制而成。通常用于彩绘的白矾与水胶质量比为1∶1，水的掺和量根据需要确定。在彩画的基层做好后刷一层胶矾水，可以使基层的底色与染色互不混淆吸附，有利于彩画纹饰清晰地黏印在基层表面。现代科学研究表明，适当量的白矾形成胶体后，具有吸水、干燥、防腐、抑菌等效果，能起到有效防止基层中的石灰等材料返碱并与彩绘颜料发生化学反应，弱化与殿内空气中粉尘颗粒物的粘附等作用，从而长久保证彩绘颜色的干净和鲜艳。[27]

大雄宝殿佛阁以上的悬塑艺术之所以至今保存完好，色彩艳丽如新，原因也表现在悬塑的几何倾斜上。殿内气流中的粉尘颗粒物在悬塑表面上的沉积方式以扩散沉积为主，在相同时间和同等粉尘颗粒物浓度的条件下，粉尘颗粒物在悬塑表面的沉积量取决于粉尘颗粒物和物体表面的接触面积，接触面积愈大，自然沉积的粉尘颗粒物越多。([8]，213-220页) 大雄宝殿悬塑结构采用了透视中的“近缩法”，即有意缩小离视者近的部分，从下往上逐步膨大，且按场景要求的动作，就势前倾，将高处人物塑造成俯视的状态。悬塑均向前倾斜3°—8°，正表面与粉尘颗粒物的接触只在单点上有效，减少了有效的接触面积，粉尘颗粒物的沉积量相应较少。同时悬塑的背面贴金，阻止了粉尘颗粒物在悬塑背面长时间停留产生的吸附作用，较大的接触面积使得粉尘颗粒物更利于团聚成较大的粉尘颗粒物，在殿内气流垂直或涡体运动时，部分粉尘颗粒物在气流和自身重力的影响下，自然沉降的效果也较为显著。

5.2 殿内的气流状态

根据单向流洁净室作用原理，要使得全室的含尘量较低，就要确保送风口粉尘颗粒物浓度较低，且进入室内后能迅速被稀释。([8]，279页) 大雄宝殿唯一送风口为大殿的正门，门宽1.1米，高3.1米，因殿前为风影区，主要受上升气流与外部气流相互置换扩散的影响，气流中的粉尘颗粒物含量较低，送风速度和过程较慢。大雄宝殿殿内宽14.9米，进深9.5米，高7.3米，气流进入殿内后由于扩散面较大，参与稀释的风量与送入殿内的通风量比值较高，通风效果好，起到了混掺稀释作用，符合单向洁净室特性。

气流之间的相互撞击能够显著强化粉尘颗粒物之间的微观混合，达到提高粉尘颗粒物去除效果的目的。[28]大雄宝殿殿内以全景式、立体式艺术方式，塑造了不同时空的众多人物、情节和场景，总体上以5个佛龛将大殿分为5个部分，各部分之间通过山石的环列、树木的交错、屋宇的掩映、祥云的衔接，又彼此连接成一个整体。在佛龛前后，又以多根立柱组成竖向承重网，通过巧妙的镂空连接，塑有众多殿堂楼阁和悬塑人物，疏密有致地覆盖了大殿的大半空间。气流在上下运动中，势必因殿内结构起伏变化而彼此发生碰撞，将会有较小的回流、漩涡在悬塑间产生，吹动和混合内部结构沉降的粉尘颗粒物，将建筑结构内部原来含粉尘颗粒物浓度较高的气流冲淡。由于上下气流的静压差作用和外部气流的卷吸作用，被稀释气流形成一个空气活塞，沿着大雄宝殿这个“气缸”向下推进，把含粉尘颗粒物浓度高的气流由入风口挤出殿外，达到净化殿内空气的作用。

5.3 殿内的湿度分析

通过增加粉尘颗粒物表面湿度，将较小粉尘颗粒物凝结成大粉尘颗粒物加以脱除，是现代室内除尘的主要方式。由于周围环境相对湿度较高，加之大雄宝殿较为封闭，殿内常年相对湿度为60%左右。大殿内的水蒸气容易在粉尘颗粒物之间发生凝结，大大增加了粉尘颗粒物之间的作用力，降低了殿内粉尘颗粒物的可浮性。

粉尘颗粒物间隙饱和蒸汽压的不同与粉尘颗粒物表面不饱和力场的作用，粉尘颗粒物表面和粉尘颗粒物间隙都会凝结或者吸附一部分水蒸气，在粉尘颗粒物表面形成一层水膜，湿度越大，则水膜越厚。大雄宝殿内部常年较高的湿度，使得水蒸气在粉尘颗粒物间隙的饱和蒸汽压远远低于正常情况下的饱和蒸汽压，在毛细凝结的作用下，会在粉尘颗粒物间隙的接触点处形成环状的液相桥联，液桥力会成为殿内粉尘颗粒物混合为较大粉尘颗粒物的主要作用力。同时依据粉尘颗粒物的表面物理吸附研究[29]，一方面由于殿内的粉尘颗粒物多为细小颗粒，粉尘颗粒物粒径越小，粉尘颗粒物表面能越大，对水蒸气的吸附作用越强，越倾向于团聚；另一方面由于殿内气流的碰撞、回流及涡流作用，增加了粉尘颗粒物与水蒸气之间的物理吸附速度，吸附具有无选择性，吸附后的吸附质沿着固有的运动方向位移，产生重复性的多层吸附，导致粉尘颗粒物在摩擦阻力和重力的影响下沉降效果显著。

5.4 殿内粉尘颗粒物测量结果分析

为了测量殿内气流中的粉尘颗粒物含量，2019年5月13日，使用Fluke 985空气尘埃粒子计数器，以殿内地面中心和左右佛台为测量点，在1—5米高度分别取4L的空气体量进行粉尘颗粒物测量。结果发现在同一高度不同位置气流中的粉尘颗粒物含量无明显变化，在垂直高度上变化比较显著(表5)。

表5 大雄宝殿不同高度下的粉尘颗粒物测量

数据显示，以大雄宝殿气流进出口的门高3米为分界线，上层气流的粉尘颗粒物含量和粒径明显小于下部气流的粉尘颗粒物含量和粒径，说明殿内气流的撞击运动和较高的相对湿度使得粉尘颗粒物的自降和向外排出效果显著。

为了分析大雄宝殿殿内粉尘颗粒物样貌特点，用样品袋收集了殿内佛台上长期沉积的灰尘。采用SEM扫描电子显微镜(日立公司，S-4800，日本)，仪器设定为冷场发射源，加速电压0.5—30kV，最小分辨率1nm(15 kV)，对灰尘样品进行分析。首先对灰尘样品进行喷金，然后放入样品台，抽真空后进行观测，观测时选择2 500倍样品进行拍照。(图17)

图17 灰尘样品的主要样貌特征(二次电子像)

图像显示，样品表面都有大量沉积的粉尘颗粒物且形状都不规则。相关研究表明[30]，不规则带棱粉尘颗粒物更容易促使液膜薄化和三相润湿周边的形成，有利于粉尘颗粒物之间的相互吸附，从而降低可浮性。图17中a、b、c表面已凝聚众多细小粉尘颗粒物。该类粉尘颗粒物表面粗糙且微孔隙较多，有利于水蒸气液体小质点的填充，在表面形成厚度较大的水膜，增加粉尘颗粒物间的相互附着性，同时在殿内气流的搅动下，粉尘颗粒物之间的接触面积和频率增加，产生多层次的重复吸附现象，在摩擦阻力和重力的影响下，有利于殿内粉尘颗粒物的自然降落。图17d粉尘颗粒物表面较光滑，受毛细作用力粘附较弱，但表面仍吸附有微细粉尘颗粒物，表明殿内表面光滑的大粒径粉尘颗粒物仍对小粒径粉尘颗粒物具有凝集作用。图17e粉尘颗粒物表层具有显著的氧化等化学反应现象，该粉尘颗粒物表面饱和度较小，具有较强的亲水性，且表面凹凸较大，易于充当殿内粉尘颗粒物之间混合凝聚的粘接剂。

5.5 殿内气流分布模拟

为更加深入的研究千佛庵大雄宝殿殿内气流的运动状态，运用计算流体力学方法(CFD)，通过SIMPLE算法和标准k-ε模型数值[31]进行模拟研究。为简化模型，对大雄宝殿内部众多的贴金彩绘悬塑采用有限体积法进行数值模拟。考虑到上院气流主要受上升气流与外部气流相互置换扩散的影响，大雄宝殿内部送风速度不宜过高，以1m/s进行三维气流数值模拟分析。(图18)

图18 殿内气流分布图

由大雄宝殿内部气流分布模拟发现，大雄宝殿内部高大的空间使得气流进入殿内的流线曲径较大，流线接近平行，殿内气流短时间内未经流体质点的交换。随着时间的变化，外部气流充满全殿水平截面，呈明显层状分布，上下流层发生了垂直于流体运动方向的波动。在殿内贴金彩绘悬塑较多区域，气流相向流动撞击，在撞击区域形成湍动和布朗运动。由于殿内空间整体层流的扰动，撞击后的气流形成径向射流或紊流，对殿内贴金彩绘悬塑结构产生新的撞击，气流速度有变大趋势且局部空间产生较小的涡流现象。

整体上分析，千佛庵大雄宝殿内部的洁净现象是殿内贴金彩绘悬塑和殿内空间环境因素共同作用的效果。殿内贴金、彩绘、倾斜3°—8°的悬塑具有显著的不易粘附粉尘颗粒物的性能。殿门狭窄、内部空间较大以及内部结构的复杂性，使殿内气流的运动状态有助于稀释和排出殿内环境空气中粉尘颗粒物。同时，较高的殿内环境湿度强化了滞留在殿内环境空气中粉尘颗粒物之间的作用力，导致粉尘颗粒物无法长时间漂浮在殿内环境空气中，沉降效果显著。

6 结 论

通过对山西隰县千佛庵寺院建筑避尘现象多角度、全方位、系统性的研究，得出以下结论：

(1)千佛庵寺院建筑高度体现着人与自然和谐共享的设计理念。虽无资料显示千佛庵避尘机制是主动设计的，但其环境选址和建筑布局都巧妙地利用了环境的形态、地势、河流、植被等自然条件，整个建筑群与自然环境浑然一体，建筑形制、避尘效果都达到了建筑设计的极佳效果，营造洁净场所、追求净土文化的主动意识十分明显。

(2)千佛庵寺院建筑的避尘机制是一项系统工程。千佛庵建筑避尘机制并不是单一技术的运用，而是诸多技术模块及其关联互动形成的功能性效果。建造者从气流的运动状态，环境湿度与粉尘颗粒物浓度、粉尘颗粒物粒径的关系等方面，整体性、层级化地解决建筑避尘问题，不仅与早期都江堰体现的系统工程思想相吻合，而且更为精确、更具目的性。

(3)千佛庵寺院建筑避尘机制具有示范意义和价值。千佛庵大雄宝殿具有古代皇室寺院般的高超艺术表现力，满堂悬塑采用贴金彩绘工艺展现西方极乐世界，实现了艺术与避尘的完美结合。整体来看，千佛庵是佛教寺院建筑的理想形态，在建筑理念、艺术追求、避尘机制等方面对寺院建筑的修缮、保护与兴建具有较好示范作用。2016年，江苏宜兴福善寺观音殿的保护修缮就应用了此避尘研究的理论。(1)对千佛庵避尘现象研究的过程中，有幸参与山西大学美术学院彭景跃老师对江苏福善寺观音殿的保护修缮工程。为使其建筑内部结构免遭粉尘颗粒物污染，应用到了此避尘研究理论。

(4)寺院建筑避尘现象是一个有待深入研究的领域。在中国古代建筑中，与千佛庵类似具有避尘现象的建筑还很多，比如宁波保国寺、绍兴平阳寺、西宁塔尔寺、峨眉山离垢园等，其避尘机制也并不一致，需要采用多样化的方法和手段深入探索。期望本文对此类研究有所启示，希冀同仁共同拓展和丰富该领域的研究。