《新儀象法要》的圖說(shuō)表達(dá)

陳 悅

(中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190)

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《新儀象法要》的圖說(shuō)表達(dá)

陳 悅

(中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190)

《新儀象法要》是中國(guó)古代以“圖說(shuō)”方式表達(dá)技術(shù)與科學(xué)知識(shí)傳統(tǒng)的杰出代表。文章對(duì)該書(shū)“圖”與“說(shuō)”的內(nèi)容和表達(dá)方法條分縷析,具體探討其較為完整的繪制系統(tǒng),以及繪制者的闡釋邏輯。指出該書(shū)全面呈現(xiàn)了水運(yùn)儀象臺(tái)的基本構(gòu)造原理和功能,其“圖說(shuō)”及所表達(dá)的技術(shù)知識(shí)具有較高的可行性與可信性。作為宋代技術(shù)繪圖的典范,《法要》為技術(shù)圖像表達(dá)法的逐漸形成,以及系統(tǒng)化和專(zhuān)門(mén)化做出了重要示范。

《新儀象法要》 技術(shù)圖 圖說(shuō) 圖像表達(dá)

儀器和機(jī)械等“器物”體現(xiàn)著人類(lèi)的技術(shù)發(fā)明與才智。以文字、圖像等形式表達(dá)器物的技術(shù)與科學(xué)知識(shí),逐步形成技術(shù)規(guī)范,甚至形成理論知識(shí)。中國(guó)古代發(fā)展了以“圖說(shuō)”的方式表達(dá)技術(shù)與科學(xué)知識(shí)的傳統(tǒng),《新儀象法要》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《法要》)是其中的杰出代表?！斗ㄒ肥侵袊?guó)現(xiàn)存最詳細(xì)的古代天文儀器“圖說(shuō)”,它以63幅繪圖,結(jié)合文字,全面解說(shuō)了集機(jī)械、儀器、甚至建筑為一體的復(fù)雜裝置。本文主要討論《法要》作者表達(dá)水運(yùn)儀象臺(tái)構(gòu)造原理的“圖說(shuō)”之法。

1 技術(shù)圖說(shuō)傳統(tǒng)與《法要》的成書(shū)

中國(guó)古代技術(shù)“圖說(shuō)”的源頭來(lái)自繪畫(huà)藝術(shù)與文字描述?！皥D”如東漢的壁畫(huà)《車(chē)馬出行圖》(圖1),對(duì)馬車(chē)的繪畫(huà)明顯采用了斜投影的繪法,視點(diǎn)也比平視略有提高；而戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的手工藝官書(shū)《考工記》,則以文字記錄了手工業(yè)各工種規(guī)范、生產(chǎn)技術(shù)、制造工藝、營(yíng)建制度等。

圖1 車(chē)馬出行圖[9]

中國(guó)古代早期的科技文獻(xiàn)基本以文字表達(dá)為主,即便提到機(jī)械和器具圖像,圖也多已佚失。到11世紀(jì)北宋中期,“圖”與文字說(shuō)明逐漸結(jié)合,形成專(zhuān)門(mén)的技術(shù)“圖說(shuō)”[1],成為中國(guó)人表達(dá)器物和技術(shù)知識(shí)的新傳統(tǒng)。同時(shí),北宋風(fēng)俗畫(huà)對(duì)技術(shù)知識(shí)的刻畫(huà)也達(dá)到相當(dāng)高的寫(xiě)實(shí)水平,成為一種重要的表達(dá)技術(shù)和科學(xué)知識(shí)的途徑。如《清明上河圖》(圖2)以散點(diǎn)透視法細(xì)致地展現(xiàn)出北宋技術(shù)圖景,其中有建筑、橋梁、內(nèi)河船舶、車(chē)輛、生活用具及其他器物,顯示出技術(shù)繪圖法在繪畫(huà)中的滲透。對(duì)復(fù)雜技術(shù)實(shí)踐的描繪,如果僅有圖而無(wú)文字,讀者只能獲得表象知識(shí),難以進(jìn)行精確復(fù)原；如果僅有文字而無(wú)圖,即使具備數(shù)據(jù)、形制、原理說(shuō)明這些關(guān)鍵信息,也難以達(dá)到直觀呈現(xiàn)。對(duì)技術(shù)圖說(shuō)而言,“圖”與“說(shuō)”結(jié)合,互為表里地完整記錄技術(shù)實(shí)踐,將設(shè)計(jì)者和工匠的知識(shí)進(jìn)行融合和表達(dá),更利于復(fù)雜技術(shù)的理解、復(fù)原和傳播。古代技術(shù)“圖說(shuō)”,是現(xiàn)代包含機(jī)械制圖在內(nèi)的工程專(zhuān)業(yè)制圖出現(xiàn)之前最為有效的技術(shù)說(shuō)明。

關(guān)于中國(guó)古代技術(shù)圖,現(xiàn)有研究并不多,主要集中于對(duì)部分農(nóng)具和工程圖學(xué)史的研究[2],后者多以現(xiàn)代工程圖學(xué)的概念和理論為視角梳理中國(guó)古代技術(shù)圖的成就?！斗ㄒ返南嚓P(guān)研究數(shù)量較多,內(nèi)容涵蓋全篇譯注、版本?？?、機(jī)械原理、歷算功能、計(jì)時(shí)功能等[3- 7],然而卻少有從其技術(shù)圖說(shuō)視角做出的專(zhuān)論[8]*已有論文較為籠統(tǒng)地以現(xiàn)代機(jī)械制圖的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)歸類(lèi)《法要》內(nèi)容,強(qiáng)調(diào)其標(biāo)準(zhǔn)化水平,不過(guò)較少對(duì)圖做具體分析。,本文特以此為切入點(diǎn)進(jìn)行解析。

圖2 《清明上河圖》局部

水運(yùn)儀象臺(tái)是由北宋蘇頌(1020～1101)在精通天算和制作機(jī)巧之器的韓公廉、專(zhuān)長(zhǎng)儀器的王沇之等人的協(xié)助下,主持建造的一套天文觀測(cè)-演示-計(jì)時(shí)裝置。韓公廉先就樞輪(水輪)裝置進(jìn)行計(jì)算,并制成模型；得到蘇頌認(rèn)可后,1088年先后主持建造水運(yùn)儀象臺(tái)的小木樣(元祐三年五月)和大木樣(元祐三年十二月)。1092年(元祐七年六月)裝有銅制天文儀器等實(shí)用裝置的儀象臺(tái)正式建成,被置于汴京(今開(kāi)封)西南角的“合臺(tái)”。[10]

《法要》是關(guān)于水運(yùn)儀象臺(tái)的建筑、裝置的機(jī)械構(gòu)造、零部件的圖說(shuō)。其內(nèi)容大體包含總圖、局部圖、零部件簡(jiǎn)圖,以反映臺(tái)體和裝置的結(jié)構(gòu)、布局、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、裝配關(guān)系等,是有關(guān)水運(yùn)儀象臺(tái)構(gòu)造的重要技術(shù)文件([6],3頁(yè))。

《法要》初稿完成于元祐三年閏十二月二日(1089年l月16日)至元祐四年三月八日(1089年4月21日)之間。[11]紹圣三年(1096年)“元祐渾儀所”又修一稿,是關(guān)于銅制水運(yùn)儀象的設(shè)計(jì)圖和說(shuō)明文字,其對(duì)第一稿所做修改或許導(dǎo)致了后世傳本中圖樣的差別[12]?，F(xiàn)存《法要》的版本主要沿承兩條脈系,一為以南宋乾道八年(1172年)吳興施元之刻本為底本的三卷本系統(tǒng),一為明抄本《儀象法纂》一卷本。([11],267頁(yè))兩個(gè)版本中的技術(shù)繪圖,不僅數(shù)量差別較大,而且繪圖手法和細(xì)節(jié)也存在諸多區(qū)別,抄本不應(yīng)是摹制的《法要》副本。《儀象法纂》繪圖較之《法要》筆法粗疏隨意,本文主要關(guān)注內(nèi)容更全面的三卷本《法要》，本文所引《法要》圖均據(jù)此本[13]。

對(duì)于水運(yùn)儀象臺(tái)的圖說(shuō)與建造之間的先后關(guān)系,也就是,究竟先設(shè)計(jì)繪圖,還是先制成裝置,或者是邊制作邊繪圖,學(xué)界一直未有定論。筆者認(rèn)為,要說(shuō)操作順序?yàn)橄壤L出設(shè)計(jì)圖,以圖指示工匠制作,這還缺乏明確的證據(jù)。實(shí)際上,中國(guó)古代試制新裝置,都要經(jīng)歷一個(gè)探索和試錯(cuò)的過(guò)程,先為一套復(fù)雜機(jī)械裝置繪制設(shè)計(jì)圖的做法似乎過(guò)于超前。較為可能的情況是,先制作后繪圖,或者邊制作邊繪圖。水運(yùn)儀象臺(tái)的建造在先,并不排除某些制作過(guò)程中繪制過(guò)草圖,草圖后來(lái)被收入《法要》。按照實(shí)際裝置,邊繪制、整理圖,邊寫(xiě)文字說(shuō)明,這對(duì)《法要》作者來(lái)說(shuō)是比較容易做到的。

《法要》的撰寫(xiě)目的決定了其內(nèi)容和形式。蘇頌的“進(jìn)儀象狀”表明,此書(shū)是為呈獻(xiàn)皇帝閱覽而作?！皥D說(shuō)”形式,直觀扼要,準(zhǔn)確地表達(dá)了儀象臺(tái)的“法要”,即制作方法的要義。

2 《法要》之圖說(shuō)

《法要》施元之本,“書(shū)首列進(jìn)狀一首,上卷自渾儀至水趺共十七圖，中卷自渾象至冬至?xí)灾行菆D共十八圖，下卷自?xún)x象臺(tái)至渾儀圭表共二十五圖。圖后各有說(shuō)。”[14]書(shū)中三卷繪圖和文字內(nèi)容的安排與水運(yùn)儀象臺(tái)上下布局相對(duì)應(yīng)。水運(yùn)儀象臺(tái)是一座棱臺(tái)結(jié)構(gòu)建筑,上有木構(gòu)裝置,以水作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置,從而達(dá)到天文鐘的功能。其中的天文鐘部分,由棱臺(tái)上、中、下三層分別安放的渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置組成,對(duì)應(yīng)著天象觀測(cè)、演示和計(jì)時(shí)三種功能。下文依原文次序,將各功能區(qū)塊加以分解,具體分析其圖說(shuō)內(nèi)容。

2.1 渾儀

《法要》卷上為關(guān)于放置于臺(tái)頂?shù)臏唭x的圖說(shuō),繪圖共計(jì)17幅。渾儀由三重儀構(gòu)成,每重儀又由多個(gè)環(huán)組成。相關(guān)圖說(shuō)可歸為儀類(lèi)、環(huán)類(lèi)和其余零部件三類(lèi)。

儀類(lèi)圖包含渾儀全圖、六合儀、三辰儀、四游儀(圖3～圖6)。六合、三辰、四游儀由外而內(nèi)套疊安置,形成渾儀的觀測(cè)部分。

圖3 渾儀

圖4 六合儀

圖5 三辰儀

圖6 四游儀

環(huán)類(lèi)繪圖包含天經(jīng)雙環(huán)、陰緯單環(huán)、天常單環(huán)、三辰儀雙環(huán)、赤道單環(huán)、黃道雙環(huán)、四象單環(huán)、天運(yùn)單環(huán)、四游儀雙環(huán),共9幅(圖7～圖15)。順序由六合儀上各環(huán),到三辰儀,再至四游儀各環(huán),依次繪制。

圖7 天經(jīng)雙環(huán)

圖8 陰緯單環(huán)

圖9 天常單環(huán)

圖10 三辰儀雙環(huán)

圖11 赤道單環(huán)

圖12 黃道雙環(huán)

圖13 四象單環(huán)

圖14 天運(yùn)單環(huán)

圖15 四游儀雙環(huán)

其余部件繪圖包括望筒直距、龍柱、鰲云、水趺(圖16～圖19)。望筒直距是置于四游儀上用于窺望的部件。樞輪驅(qū)動(dòng)四游儀隨天同步運(yùn)轉(zhuǎn),使四游儀上的望筒自動(dòng)跟蹤觀測(cè)目標(biāo),這個(gè)設(shè)計(jì)是后世轉(zhuǎn)儀鐘(便于恒穩(wěn)觀測(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天文儀器)的雛形[15]。龍柱、鰲云用作渾儀的支柱,水趺是兼顧水平和圭表作用的底座。

圖16 望筒直距

圖17 龍柱

圖18 鰲云

圖19 水趺

以渾儀觀測(cè)天象,是中國(guó)古代一直沿用的方法。唐代李淳風(fēng)在《隋書(shū)·天文志》中對(duì)前趙孔挺制作的渾儀做過(guò)具體的文字描述,是現(xiàn)存最早的關(guān)于渾儀具體結(jié)構(gòu)的確切記載?，F(xiàn)存南京紫金山天文臺(tái)的渾儀(圖20),是明正統(tǒng)年間仿制北宋制式的渾儀的實(shí)物遺存。而《法要》中的繪圖,則是最早的存世渾儀圖,其圖說(shuō)均可與文獻(xiàn)及存世渾儀實(shí)物相印證。

圖20 紫金山天文臺(tái)的渾儀[16]

2.2 渾象

《法要》卷中是對(duì)置于儀象臺(tái)中部的渾象的說(shuō)明,包含有渾象、渾象六合儀(含渾象地柜)、渾象赤道牙3幅繪圖(圖21～圖23)以及用于對(duì)照參看的14幅星圖和四時(shí)昏曉中星圖。

渾象由渾象球、六合儀、地柜、傳動(dòng)裝置四部分構(gòu)成。渾象的3幅繪圖,依次展示了球形渾象和地柜組成的外觀全貌,渾象外安置的六合儀與地柜的分解結(jié)構(gòu),以及渾象的中心部件——渾象及安于其上的赤道牙與動(dòng)力來(lái)源(天輪)的齒輪構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中,最后一幅渾象赤道牙圖,在描繪機(jī)構(gòu)部件外觀的同時(shí),展示了天輪與赤道牙嚙合從而驅(qū)動(dòng)渾象的原理。

圖21 渾象

圖22 渾象六合儀

圖23 渾象赤道牙

北宋前早已存在關(guān)于流水驅(qū)動(dòng)渾象的文字說(shuō)明,如有關(guān)東漢張衡、唐一行的渾象的記載,而《法要》給出了具體圖示。

在渾象構(gòu)造圖后附有多幅標(biāo)記于渾象之上的星圖(圖24～圖28)。渾象與星圖,“俯仰之異也”。置于最先的是近天極的紫微垣星圖。次是平展開(kāi)來(lái)的東北方、西南方中外官星圖。再次者是“北極圖”和“南極圖”,將平展的官星圖從中腰截開(kāi),上、下半部分別與北天極紫微垣星圖、表明南天極無(wú)星圖記錄的空白相拼合。為了能夠與圓形的南北天極星圖自然拼接,平展圖必須經(jīng)變形處理為兩端對(duì)接的環(huán)形圖,即所謂“天形如蓋,即天心為蓋之杠軸,列舍如蓋之撩輻,分布十二次舍之度數(shù)”。最后是多幅為授民事、頒政令所參考的中星圖。

圖24 渾象紫微垣星圖

圖25 渾象東北方中外官星圖

圖26 渾象西南方中外官星圖

圖27 渾象北極圖

圖28 渾象南極圖

馬王堆漢墓出土的石刻星圖、敦煌星圖這些早期的平面星圖,除將北天極附近的紫微垣星圖投影在圓圖上之外,其余星均按分野依次以橫圖繪出?！斗ㄒ匪L紫微垣星圖與早期星圖相比,雖然星的數(shù)量不同,但繪圖的布局大致相近,將渾象北極、南極圖繪為圓形圖,使星圖更具“合天形”的效果。

總體而言,《法要》星圖的投影、布列和繪制方法與之前區(qū)別不大,因非本文關(guān)注重點(diǎn),不再贅述。

2.3 水運(yùn)儀象臺(tái)

圖29 水運(yùn)儀象臺(tái)

《法要》卷下是對(duì)水運(yùn)儀象臺(tái)的總體構(gòu)造和對(duì)放置于儀象臺(tái)下部的報(bào)時(shí)及傳動(dòng)裝置具體結(jié)構(gòu)的解說(shuō),繪圖共計(jì)23幅。

卷下第一幅圖為“水運(yùn)儀象臺(tái)”(圖29),是全臺(tái)的外觀總圖。其描繪內(nèi)容包括：(1)水運(yùn)儀象臺(tái)的整體外觀與布局,用來(lái)觀測(cè)、演示、報(bào)時(shí)儀器由上至下放置,其中置于臺(tái)頂用以觀測(cè)的渾儀覆以可脫摘板屋,演示和報(bào)時(shí)裝置分別在臺(tái)體之內(nèi)的上部和下部；(2)由天池、平水壺形成的漏刻部分本應(yīng)隱藏于臺(tái)體之內(nèi),繪圖卻將板壁剖開(kāi)描繪,這種繪圖的功效類(lèi)似于現(xiàn)代制圖的剖視?！八\(yùn)儀象臺(tái)”圖與后續(xù)各圖按照由表及里的繪圖順序,這一順序與觀者的視覺(jué)認(rèn)識(shí)過(guò)程相一致,卻與建造者通常由里及表的制作工序不同,說(shuō)明這些圖應(yīng)是水運(yùn)儀象臺(tái)建造完成之后繪制的。

2.4 運(yùn)動(dòng)儀象制度

卷下第二幅圖為“運(yùn)動(dòng)儀象制度”(圖30)。與其他繪圖以?xún)x器、部件等命名的做法有所不同,此圖是關(guān)乎各裝置“運(yùn)動(dòng)”的“制度”?！斑\(yùn)”是運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)之意,“動(dòng)”指活動(dòng)、移動(dòng)等狀態(tài)的變化。動(dòng)力、傳動(dòng)及控制裝置之“運(yùn)”導(dǎo)致觀測(cè)、演示儀器之“動(dòng)”?！爸贫取?按相關(guān)圖說(shuō)的內(nèi)容推知,應(yīng)指基本構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及制作方法。

圖30 運(yùn)動(dòng)儀象制度

“運(yùn)動(dòng)儀象制度”圖,與水運(yùn)儀象臺(tái)外觀總圖相對(duì)應(yīng),以描繪臺(tái)體內(nèi)部的主要儀器、部件、傳動(dòng)裝置、控制裝置為主,相當(dāng)于水運(yùn)儀象臺(tái)的裝配總圖。而其相應(yīng)的“說(shuō)”,先由樞輪、機(jī)輪開(kāi)始,再天柱、天束、地極、天池、平水壺、退水壺、升水上下輪,具體解說(shuō)了各部件如何裝配、安放位置、部件數(shù)量等內(nèi)容,屬于動(dòng)力和傳動(dòng)部分；最后介紹了天衡、天關(guān)、天權(quán)、關(guān)舌、天條、格叉、樞權(quán)、天鎖等部件各自的位置,與別的部件的聯(lián)動(dòng)關(guān)系以及起到的作用,這屬于傳動(dòng)控制部分?？梢?jiàn),“運(yùn)動(dòng)儀象制度”圖涵蓋了儀象臺(tái)的核心機(jī)構(gòu)和全盤(pán)布局的內(nèi)容,說(shuō)明了如何以“水運(yùn)”傳動(dòng)并控制各儀器定時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

就繪圖而言,“運(yùn)動(dòng)儀象制度”圖的復(fù)雜程度較其他圖更高,具體體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：(1)具有非常顯著的散點(diǎn)透視特點(diǎn),如樞輪為正視圖,八重機(jī)輪和退水壺則是視點(diǎn)提高的正投影,臺(tái)架、胡梯、壺架、天池、平水壺、地柜、地極、地足雖均類(lèi)似于現(xiàn)代的軸測(cè)圖卻左、右視點(diǎn)不一,這種根據(jù)需要調(diào)整視角作圖的方式,是中國(guó)傳統(tǒng)繪畫(huà)的重要特點(diǎn)；(2)全圖不僅將“水運(yùn)儀象臺(tái)”圖的外部裝飾去除,而且將整個(gè)臺(tái)體剖開(kāi),將內(nèi)部裝飾、建筑結(jié)構(gòu)和遮擋一并去除,以剖視圖的方式凸顯內(nèi)部關(guān)鍵裝置及相互關(guān)系；(3)外形規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)或裝置多采用平行投影；(4)繪圖將位于外圍的部件進(jìn)一步向外移出,如胡梯、天池、平水壺、地極等均不在其實(shí)際應(yīng)在的位置,如此處理不僅給觀者以空間舒朗感,而且可使各部分的描繪更為清晰,減少擋礙。

2.5 司辰(報(bào)時(shí)裝置)

運(yùn)動(dòng)儀象制度之后,繪圖分別具體刻畫(huà)報(bào)時(shí)裝置、傳動(dòng)及動(dòng)力裝置、控制裝置三個(gè)部分。首先描繪的是安放于臺(tái)體前方下部用于演示的報(bào)時(shí)裝置。

相關(guān)繪圖包含總體外觀圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、分層圖、各層輪圖。其中,外觀圖命名為木閣(圖31),繪圖對(duì)稱(chēng)、規(guī)整,是典型的界畫(huà)。晝夜機(jī)輪圖(圖32)是木閣去除外部裝飾后展示出的內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造,此部分是報(bào)時(shí)裝置的核心傳動(dòng)裝置,各輪對(duì)應(yīng)著各層報(bào)時(shí)演示部件。機(jī)輪軸圖(圖33)展示傳動(dòng)裝置的支架和主軸(即天柱),主軸由兩塊拼合的“天束”束于中間,可以轉(zhuǎn)動(dòng)。

主軸有8個(gè)機(jī)輪貫于其上。其中天輪與撥牙機(jī)輪為重要的傳動(dòng)輪。最上端的天輪(圖34)與渾象赤道牙嚙合,帶動(dòng)渾象轉(zhuǎn)動(dòng)。撥牙機(jī)輪(圖35),則將來(lái)自樞輪的動(dòng)力通過(guò)天柱傳給貫于其上的其他各輪。

圖31 木閣

圖32 晝夜機(jī)輪

圖33 機(jī)輪軸

圖34 天輪

圖35 撥牙機(jī)輪

后附六層報(bào)時(shí)裝置圖,將每層建筑外觀圖和相應(yīng)層的轉(zhuǎn)輪成組地展示出來(lái)(圖36～圖44)：最上一層晝時(shí)鐘鼓輪演示時(shí)初(搖鈴)、刻(擊鼓)、時(shí)正(叩鐘),二層晝夜時(shí)初正司辰輪演示時(shí)初(服緋司辰執(zhí)牌出)、時(shí)正(服紫司辰執(zhí)牌出),三層報(bào)刻司辰輪演示刻至(服綠司辰執(zhí)牌出),四層夜漏金鉦輪通過(guò)擊鉦示意日入后每更每籌直至日出,五層夜漏司辰輪以司辰執(zhí)牌演示對(duì)應(yīng)于四層擊鉦的更籌時(shí)刻。總圖中木閣四、五層安置于同一檐楣下,在層圖中二者也一并繪出。

圖36 第一層

圖37 晝時(shí)鐘鼓輪

圖38 第二層

圖39 晝夜時(shí)初正輪

圖40 第三層

圖41 報(bào)刻司辰輪

圖42 第四、五層

圖43 夜漏金鉦輪

圖44 夜漏司辰輪

2.6 驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)裝置

《法要》描繪的驅(qū)動(dòng)裝置主要指“樞輪”(圖45),樞輪是用以驅(qū)動(dòng)渾儀、渾象、計(jì)時(shí)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)水輪,其下是盛水的退水壺。以立式水輪驅(qū)動(dòng)天文儀器,是對(duì)傳統(tǒng)做法的承襲。[17]

傳動(dòng)裝置以“鐵樞軸、天柱、天轂”(圖46)示意。樞軸是由樞輪向天柱傳動(dòng)的軸,天柱是向渾儀、渾象以及報(bào)時(shí)裝置傳動(dòng)的立軸,天轂是支柱向渾儀和渾象傳動(dòng)的臥軸。三個(gè)軸上都帶有齒輪,圖中以上輪、中輪、下輪、地轂、前轂、后轂等小字標(biāo)出傳動(dòng)齒輪的位置,各部件在繪圖中的布局和橫豎位置關(guān)系,簡(jiǎn)潔地展示出傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)關(guān)系、安置方式和傳動(dòng)原理。

圖45 樞輪、退水壺

圖46 鐵樞軸、天柱、天轂

2.7 控制裝置

《法要》的控制裝置由動(dòng)力水源、樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)的控制裝置、退水循環(huán)三部分構(gòu)成。

動(dòng)力水源來(lái)自于天池、平水壺(圖47)。天池是退水被提升到最高處后流入的盛水裝置,平水壺與天池相連,水流入平水壺后逐漸平緩。二者均起到調(diào)節(jié)水流量的作用。從平水壺流出,注入樞輪的水保持晝夜均勻。實(shí)際上,平水壺就是中國(guó)傳統(tǒng)的漏刻,圖47在平水壺頂部中央繪出準(zhǔn)水箭,它隨水面升降。水運(yùn)儀象臺(tái)就是通過(guò)“以平其水而均其漏”而獲得了水源動(dòng)力的均勻輸送。漏刻是具有悠久歷史的計(jì)時(shí)工具,在《法要》之前,燕肅的蓮花漏已經(jīng)十分復(fù)雜,除二級(jí)補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)外還加設(shè)裝置使出水流量保持穩(wěn)定[18]。

樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)的控制裝置,也是水運(yùn)儀象臺(tái)的核心控制機(jī)構(gòu),繪于“天衡”圖中(圖48)。在控制樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)和停頓的裝置系統(tǒng)中,天衡是連接各部件的平衡桿。天衡圖描繪了包含天衡在內(nèi)的控制裝置及各部件的位置,同時(shí),結(jié)合文字,解說(shuō)了柱間橫桄上兩鐵頰貫關(guān)軸以使其自由轉(zhuǎn)動(dòng),以及通過(guò)天衡、天權(quán)、樞衡、樞權(quán)、關(guān)舌、格叉、左右天鎖以完成樞輪均勻地間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的原理?？刂蒲b置的“天關(guān)”部分在“運(yùn)動(dòng)儀象制度”圖里有詳細(xì)描述。對(duì)于集中繪于“天衡”圖中的定時(shí)調(diào)控樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)的各部件,相應(yīng)文字只說(shuō)明了其安放位置,對(duì)于最反映驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的機(jī)巧部件的關(guān)聯(lián)部分卻未給出具體說(shuō)明。書(shū)末尾的“儀象運(yùn)水法”一段文字倒是對(duì)“水運(yùn)之制”做了再次說(shuō)明,但未對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作多費(fèi)筆墨。驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)部件的制作,或許涉及較多具體調(diào)試的內(nèi)容,在實(shí)踐中更多地依賴(lài)工匠,這些內(nèi)容難以繪圖和文字描繪。盡管如此,水運(yùn)儀象臺(tái)的控制裝置是其所有機(jī)械構(gòu)件中最主要的創(chuàng)造,融入了漏刻、天平、秤漏、桿系等多種力學(xué)和機(jī)械知識(shí)。

“升水上下輪”圖(圖49)按照觀者的實(shí)際視覺(jué)認(rèn)識(shí),描繪如何利用人力驅(qū)動(dòng)筒車(chē),將從退水壺流入下水壺中的水提升至天河的高度。提水裝置采用了位置一上一下的兩級(jí)筒車(chē),上輪與河車(chē)同軸,人力運(yùn)轉(zhuǎn)河車(chē)帶動(dòng)上輪轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)河車(chē)撥牙與下輪撥牙相扣,下輪被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。圖中上、下輪周突出的柱狀體為戽斗,白點(diǎn)和河車(chē)外周的短柱體表示撥牙?！昂榆?chē)、天河”圖(圖50)將升水上、下輪、河車(chē)各輪拆分平鋪描繪,又以軸測(cè)圖視角加繪天河。河車(chē)外周的長(zhǎng)柱體為把手,外力施加其上,升水上下輪便將水提升至天河,最后注入天池。此二圖為一組,前者為總圖,后者是重要部件圖,繪圖視角有明顯區(qū)別。

圖47 天池、平水壺

圖48 天衡

圖49 升水上下輪

圖50 河車(chē)、天河

2.8 渾儀圭表

圖51 渾儀圭表

圭表主要用于測(cè)定一周年的時(shí)間、冬至和夏至的日期、所在地點(diǎn)的正南正北等。圭有時(shí)周設(shè)水準(zhǔn),用來(lái)定水平。水運(yùn)儀象臺(tái)的設(shè)計(jì)者將圭表的功能加載于渾儀底座之上,使一儀多用。

卷下目錄中的最后一節(jié)“渾儀圭表”與傳動(dòng)裝置并無(wú)關(guān)系,或許是因其與渾儀、渾象、計(jì)時(shí)幾項(xiàng)儀器功能不同而單列出來(lái)。其繪圖(圖51)是在渾儀水趺中間多畫(huà)出一條橫置的、厚度與水趺相同的圭表部分,圭表表面并未繪出二十四節(jié)氣等標(biāo)示。與渾儀水趺圖(圖19)相比較,兩圖中水趺的一些細(xì)節(jié)存在差異,如十字交叉的天門(mén)外圈及外圍立面的繪法、四角水斗的立面尺寸、繪畫(huà)視角的變化,兩圖應(yīng)是分別繪出的,且俯視與透視繪法混用。

2.9 目錄未有之圖說(shuō)

未見(jiàn)于目錄的繪圖有4幅,主要描繪區(qū)別于之前樞輪帶動(dòng)天柱的另一種運(yùn)轉(zhuǎn)渾儀、渾象、報(bào)時(shí)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其部件名稱(chēng)有的與前文提到的相同,但安放位置、功用卻不盡相同。

4幅圖依次繪制渾象天運(yùn)輪、鐵天軸、天梯(鏈條)、天托。渾象天運(yùn)輪圖(圖52)繪出渾象球、與渾象球共同貫穿于“樞軸”的天運(yùn)輪、與天運(yùn)輪相銜的天軸和天輪。天輪帶動(dòng)天軸,天軸帶動(dòng)天運(yùn)輪旋轉(zhuǎn),渾象球便隨之旋轉(zhuǎn)。鐵天軸圖(圖53)將渾象天運(yùn)輪圖中難以描畫(huà)清楚的天軸部分單獨(dú)繪出,并展示了安置之法。天梯圖(圖54)描畫(huà)了不同于樞輪傳動(dòng)的另一種的傳動(dòng)核心裝置,即“鐵括”聯(lián)成一個(gè)周圈,上、下環(huán)掛在“上轂”和“下轂”之上。天梯每運(yùn)動(dòng)一括,天運(yùn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一牙,從而轉(zhuǎn)動(dòng)三辰儀。天托圖(圖55)是天梯圖上端“天托”的放大圖。很顯然,這種傳動(dòng)方式是以鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)儀象,即在齒輪系中插入了一個(gè)鏈條(天梯)和兩個(gè)鏈輪[19]。

圖52 渾象天運(yùn)輪

圖53 鐵天軸

圖54 天梯

圖55 天托(此原圖，誤印反了)

通過(guò)47幅圖說(shuō)(其中技術(shù)圖43幅)及4幅目錄未提及的圖說(shuō),《法要》表達(dá)了水運(yùn)儀象臺(tái)的基本構(gòu)造原理,包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以及作為工作部分的計(jì)時(shí)-演示-觀測(cè)系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)并未單獨(dú)具體說(shuō)明,應(yīng)不是該書(shū)主要的描述對(duì)象。可見(jiàn),工藝和建筑均不屬于作者的“法要”。

《法要》的圖說(shuō),全面呈現(xiàn)了水運(yùn)儀象臺(tái)的形制和功能,其順序安排和側(cè)重關(guān)注的內(nèi)容反映出作者的闡釋邏輯?！斗ㄒ返睦L圖邏輯可以圖示(圖56)扼要展示。實(shí)際上,落實(shí)于筆端的闡釋邏輯與水運(yùn)儀象臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理的設(shè)計(jì)思路(圖57,以水流傳動(dòng)為邏輯順序)并不一致。前者的邏輯充分反映了作者表達(dá)知識(shí)的方法,與觀者的觀察過(guò)程更為相近。

圖56 水運(yùn)儀象臺(tái)的繪圖邏輯

圖57 傳動(dòng)原理[20]

水運(yùn)儀象臺(tái)歷經(jīng)靖康之禍(1127),被攻占汴京(今開(kāi)封)的金人拆運(yùn)至金中都大興府(今北京),后來(lái)未能再按原貌組裝成器。此后,中國(guó)人也沒(méi)有再制作復(fù)雜程度類(lèi)似的機(jī)械裝置。至20世紀(jì),學(xué)界逐漸認(rèn)知水運(yùn)儀象臺(tái)在機(jī)械工程創(chuàng)造方面的成就,進(jìn)行了深入研究,并嘗試對(duì)其復(fù)原。經(jīng)過(guò)劉仙洲[21,22]、王振鐸[23]*1957—1959年,王振鐸按1∶5最先復(fù)原水運(yùn)儀象臺(tái)模型,推斷樞輪的葉片是固定在輪輞上的斗。、坎布里奇[24]*1962年坎布里奇(J.H.Combridge)進(jìn)行復(fù)原,認(rèn)為樞輪斗式葉片在輞上可轉(zhuǎn)動(dòng)。、韓云岑[25]*1987年,韓云岑發(fā)表了另一種轉(zhuǎn)斗式葉片的推測(cè)圖。、土屋榮夫[26]*土屋榮夫1997年在長(zhǎng)野縣諏訪市復(fù)原水運(yùn)儀象臺(tái)。、林聰益[27]*通過(guò)對(duì)水輪秤漏裝置的研究和設(shè)計(jì),完成了水運(yùn)儀象臺(tái)的復(fù)原。、陳凱歌[28]*1996年,陳凱歌復(fù)制了用水流演示的水運(yùn)儀象臺(tái)。、孫小淳等學(xué)者的努力,基本上復(fù)原出水運(yùn)儀象臺(tái)。水運(yùn)儀象臺(tái)的成功復(fù)原,證明《法要》圖說(shuō)及其所表達(dá)的技術(shù)知識(shí)的可行性與可信性,其所含技術(shù)信息比較充分,由此亦可確知,《法要》圖說(shuō)與宋代實(shí)際成功運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置是一致的。在近代工程圖成熟之前,《法要》是成功表達(dá)復(fù)雜技術(shù)知識(shí)的一部杰作。

3 表達(dá)“法要”的圖說(shuō)之法

3.1 圖說(shuō)的布列

《法要》“圖”、“文”相配的布局方式,將北宋圖與文字相輔的“圖說(shuō)”表達(dá)方式提高到空前的水平。書(shū)中繪圖的尺寸一般較大,布局為右圖左文。全書(shū)圖說(shuō)的排序是渾儀、渾象、計(jì)時(shí)和運(yùn)動(dòng)裝置,其中每一部分又采用整體外觀、整體機(jī)械構(gòu)造、成組構(gòu)件、單一構(gòu)件的解說(shuō)順序,由總體概況至局部,逐步展開(kāi)。

按繪制和說(shuō)明對(duì)象的宏觀與微觀、繁與簡(jiǎn)的特征,圖說(shuō)可分為4類(lèi)：(1)整體圖,即對(duì)儀象臺(tái)整體或者單獨(dú)儀器裝置的整體繪圖,例如水運(yùn)儀象臺(tái)、渾儀、渾象、木閣圖等,反映了運(yùn)動(dòng)關(guān)系與裝配關(guān)系；(2)零部件圖,如各儀器上的環(huán)、輪、龍柱、鰲云、水趺、河車(chē)、天河等,具體描繪其結(jié)構(gòu)；(3)組合圖,是對(duì)由零件組合而成并形成一個(gè)整體功能單元的對(duì)象的繪圖,如六合儀、三辰儀、四游儀、渾象赤道牙、晝夜機(jī)輪、機(jī)輪軸、機(jī)輪退水壺、天池平水壺、天衡、升水上下輪等,可視為局部裝配圖；(4)“組合圖+零部件”圖,即在一幅繪圖中除組合圖外,另單獨(dú)繪有相關(guān)構(gòu)件的圖,如渾象六合儀、“鐵樞軸、天柱、天轂”,反映核心裝配關(guān)系和關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)。

3.2 圖面的布局

為突出表達(dá)水運(yùn)儀象臺(tái)及各裝置的構(gòu)造,同時(shí)保證圖面的疏密平衡和比例恰當(dāng),《法要》繪圖經(jīng)常采用將局部拆開(kāi)、省略、挪動(dòng)等繪制方法。拆開(kāi),是指去除外部裝飾和遮蓋,或者將裝配圖中的零部件在同圖間隔繪出或另圖單獨(dú)繪出。挪動(dòng),是指一幅繪圖中某些局部,為避免彼此遮擋,被從原有位置移開(kāi)至側(cè)旁加以描繪的情況。

具體而言,圖面主要有4種布局：(1)部件結(jié)構(gòu)被上下分離開(kāi)進(jìn)行描繪,如渾象六合儀、升水上下輪圖；(2)將裝配圖和去除某些部件后的構(gòu)架圖分別繪出,如晝夜機(jī)輪和機(jī)輪軸圖,以展現(xiàn)被八重機(jī)輪遮蓋住的輪軸和支架結(jié)構(gòu)；(3)將外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別描繪,如水運(yùn)儀象臺(tái)和運(yùn)動(dòng)儀象制度圖,前者繪出展露在外的形式,后者描繪內(nèi)部結(jié)構(gòu)、零部件位置和相對(duì)比例(比例關(guān)系在零部件分圖中是無(wú)法展現(xiàn)的),還特別將左側(cè)胡梯、右側(cè)天池和平水壺、下側(cè)地極和地足從主圖拆分開(kāi),緩解了復(fù)雜圖面的局促感,使各部分更加明晰；(4)將部件與相關(guān)零件在同一圖中繪出,如天柱、天轂圖中,天轂應(yīng)與天柱上輪相銜,上輪被省略,天轂以類(lèi)似軸測(cè)圖的形式單獨(dú)繪出,在展示其結(jié)構(gòu)的同時(shí),平衡了幅面上的留白。

圖面布局的不同處理,不同繪圖對(duì)同一裝置、部件的描繪,使水運(yùn)儀象臺(tái)各部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系得到更全面的展現(xiàn)。若以晝夜機(jī)輪軸和機(jī)輪軸兩圖配合來(lái)看,便可獲知八重機(jī)輪“并冠于軸上”,天束將機(jī)輪軸束于兩板中心的孔洞中,機(jī)輪軸下尖端由鐵樞臼承托。又樞軸圖中樞輪轂在樞輪軸的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)下,撥動(dòng)天柱下輪,從而使天柱運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣的,天衡圖雖描繪的是傳動(dòng)裝置,其核心樞輪卻以別圖另繪。靈活的繪圖布局,簡(jiǎn)省了很多說(shuō)明文字。

3.3 繪圖的投影方法

工程技術(shù)圖反映繪者具備的透視知識(shí)、平面幾何和立體幾何知識(shí)的水平。平面幾何對(duì)于宋人而言已不具備挑戰(zhàn)*中國(guó)古代的正投影、側(cè)投影的畫(huà)法技巧,早在青銅器的紋飾上就已有充分體現(xiàn)。,立體幾何的表達(dá)則體現(xiàn)了繪圖者對(duì)幾何投影的理解和表達(dá)能力?！斗ㄒ防L圖采用的投影方法主要有以下特點(diǎn)：

首先,對(duì)簡(jiǎn)單零部件較多采用正投影,卷上的幾種儀和各環(huán)、望筒直距、卷下的各輪均為正視圖。

其次,對(duì)于結(jié)構(gòu)重復(fù)度較高的建筑外觀描繪,采用平行投影,并將視點(diǎn)提高,如木閣總圖以及各層分繪圖,產(chǎn)生較好的立體效果。

其三,對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的部件和組合部件,采用平行投影或類(lèi)似軸測(cè)圖的畫(huà)法,如鰲云支柱是將視點(diǎn)放低的軸測(cè)圖繪法,水趺圖采用視點(diǎn)提高的平行投影,機(jī)輪軸圖(除機(jī)輪軸和樞臼的正視圖外)屬于軸測(cè)圖繪法,晝夜機(jī)輪圖則是機(jī)輪軸圖附加八重機(jī)輪,并將視點(diǎn)提高的正視圖。

再者,對(duì)于組合部件、儀器和傳動(dòng)裝置這些復(fù)雜器物的繪制,采用散點(diǎn)透視方法,也就是在一幅圖中對(duì)描繪對(duì)象的不同部分采取不同視角。散點(diǎn)透視一般用于描繪空間跨度較大或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的事物,能夠靈活且充分地表現(xiàn)各部分。散點(diǎn)透視繪圖的投影方式無(wú)一定之規(guī),描繪時(shí)根據(jù)技術(shù)表達(dá)的需要做選擇。如渾儀的儀體和裝飾龍身為正視圖,而底座水趺是平行投影,且視點(diǎn)提高到令水趺的交叉角度幾乎為直角的程度(接近于俯視圖)；渾象圖上部的渾象球?yàn)橐朁c(diǎn)提高的正投影圖,地柜為軸測(cè)圖；水運(yùn)儀象臺(tái)圖中,下部臺(tái)體、上部星板架、天池、平水壺、渾象為軸測(cè)圖,木閣和渾儀卻為正投影圖；運(yùn)動(dòng)儀象制度圖的臺(tái)架、胡梯、壺架、天池、平水壺、地柜、地極、地足均為軸測(cè)圖,樞輪為正視圖,八重機(jī)輪和退水壺則采用視點(diǎn)提高的正投影。

零部件的不同部位、儀器上的不同部件,其投影視角并不統(tǒng)一,甚至?xí)霈F(xiàn)正好相反的情況。如水趺的十字交叉部分選取視角很高,接近俯視圖,而其側(cè)面則以比平視稍高的視點(diǎn)繪出平視圖；水運(yùn)儀象臺(tái)和運(yùn)動(dòng)儀象制度兩幅圖中,水趺則被直接繪為類(lèi)似立起的交叉支架,這應(yīng)是將渾儀圖縮略變小后的處理,然而卻放大了原本就存在的視角沖突。同樣的,渾儀圭表圖中圭表視角也比水趺十字交叉部分視角要低。又如水運(yùn)儀象臺(tái)圖中,臺(tái)體和星板架的右向軸測(cè)圖與渾象、天池、平水壺左向軸測(cè)圖的方向正好相反。運(yùn)動(dòng)儀象制度圖中,臺(tái)架、胡梯為右向的軸測(cè)圖,壺架、天池、平水壺、地柜、地極、地足為左側(cè)的軸測(cè)圖,臺(tái)架立柱的投影角度與整體臺(tái)架也正好相反。這些投影方向不一致的原因,多半是由于總圖是由各零部件圖拼合而成,總圖的透視方式由各零部件圖樣的透視圖拼合而成,一般情況下,零部件各自的繪圖都以最易呈現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的視角進(jìn)行繪制。臺(tái)架立柱的投影角度與整體臺(tái)架正好相反的原因,應(yīng)是畫(huà)工繪制建筑構(gòu)架圖時(shí)形成的習(xí)慣,將所有立柱、底座統(tǒng)一繪制為左側(cè)軸測(cè)圖,天衡圖中的立柱、龍柱圖中的底座、天柱圖中的底座均是如此。

另外,少數(shù)繪圖采用了一定的透視法繪制。如水趺圖中十字底座表現(xiàn)為近大遠(yuǎn)小,天池、平水壺、壺架的寬度又有明顯近小遠(yuǎn)大的特征。

可見(jiàn),《法要》圖的繪制者已具備通過(guò)正投影和斜投影的平行投影法表現(xiàn)建筑、機(jī)械、器物的繪圖知識(shí)和能力,并具有一定的透視投影的觀念。對(duì)不同部件采用不同視角,同一幅圖以組合多種視圖進(jìn)行繪制,說(shuō)明復(fù)雜工程圖的表達(dá)趨于多樣化。

值得注意的是,《法要》多幅圖同時(shí)包含平面和立體的繪畫(huà)方式,這表明繪圖者對(duì)待不同描繪對(duì)象選擇了平面或立體的不同表現(xiàn)手法。不同的選擇反映出繪圖的表達(dá)目的和繪畫(huà)對(duì)象本身的某些特點(diǎn)。除龍柱、鰲云、木閣內(nèi)的人偶這類(lèi)裝飾作用較突出的構(gòu)件之外,《法要》繪圖均以幾何圖形作為基本要素和單元。無(wú)論結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件,還是復(fù)雜裝置,都通過(guò)平面或立體的幾何作圖展現(xiàn)實(shí)物原來(lái)的基本結(jié)構(gòu)。平面圖與立體實(shí)物,前者是知識(shí)的記錄,后者是實(shí)用的物化形態(tài)。

就《法要》和水運(yùn)儀象臺(tái)而言,平面圖與立體模型孰先孰后,仍值得討論。一般情況下,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的工匠根據(jù)平面圖,不難想象其結(jié)構(gòu),如具備其他信息,如尺寸、部件功能等,結(jié)合工匠的意會(huì)知識(shí)(即默會(huì)相傳的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的知識(shí)),便能夠完成各裝置及儀象臺(tái)立體結(jié)構(gòu)的建造。然而,就當(dāng)時(shí)工程的準(zhǔn)備和建造流程和水平來(lái)說(shuō),特別是對(duì)于還要另出新意的工程,必然要經(jīng)過(guò)摸索和試驗(yàn),因而先建造儀象臺(tái)及各裝置的實(shí)物構(gòu)造、再進(jìn)行繪圖,即由立體結(jié)構(gòu)到平面圖的次序,似乎更符合古代工匠的實(shí)踐傳統(tǒng)。

3.4 線條、陰影和比例

《法要》中的繪圖線條均為實(shí)線,多數(shù)采用單線勾勒。從或圓或方的形狀和線條的規(guī)整性來(lái)看,畫(huà)師應(yīng)使用了規(guī)、矩、界尺這些工具進(jìn)行繪制。線條除普通粗細(xì)外,特定部位以粗線描繪。粗線一般出現(xiàn)在具有傳動(dòng)功能的輪上,如“渾象赤道牙”圖中的天輪輪輞、卷下“運(yùn)動(dòng)儀象制度”和“晝夜機(jī)輪”圖中的輪輞，以及“天輪”、“撥牙機(jī)輪”等圖中的輪輞以雙環(huán)表示,內(nèi)外環(huán)的線條有粗細(xì)之別。經(jīng)辨別各輪的功能和結(jié)構(gòu),可以發(fā)現(xiàn),凡外環(huán)繪成粗線的輪輞(如天輪、下輪),其上不帶齒,要通過(guò)輪輻與其他輪或球上的牙嚙合傳動(dòng)；若外環(huán)以細(xì)線描繪,則表示外側(cè)裝有牙(齒)或者裝飾物(如撥牙機(jī)輪、司辰輪等)。

除以粗線區(qū)分結(jié)構(gòu)外,圖中有些部位以陰影成片涂黑。其作用可分為三類(lèi)：(1)凸顯建筑結(jié)構(gòu)或成片板材,如“水運(yùn)儀象臺(tái)”圖中繪有紋飾的板面、木閣的底、平水壺、樞輪的退水壺、升水上下輪的輪面。陰影在一定程度上能夠表現(xiàn)立體感,特別是退水壺的描繪,陰影與留白分別表示外與內(nèi)；(2)展現(xiàn)實(shí)物的形式構(gòu)成,如天輪、撥牙機(jī)輪、鐘鼓輪等的輪輻,輪輻沿放射狀越向外越寬,若未涂黑陰影,輪輻可能被誤認(rèn)為數(shù)量加倍的細(xì)線；(3)表示所盛之物的狀態(tài),如天池圖中天池以四方體表示,陰影上部流線形邊沿夸張地突顯出流水落入天池激起的波瀾。

對(duì)于部件本身,采用粗細(xì)兩種線條和局部陰影涂黑的繪畫(huà)方式,避免了用統(tǒng)一線條繪畫(huà)時(shí)易引起的誤解,能體現(xiàn)不同部位的質(zhì)地、區(qū)分不同部件,也有助于平面繪圖表現(xiàn)立體感。兩種方式的運(yùn)用,均表明繪者對(duì)增強(qiáng)單色插圖表現(xiàn)力的嘗試,這也是制圖方法和規(guī)范的一定延伸。

技術(shù)繪圖及其技法脫胎于繪畫(huà),形似是其基本要求之一,比例對(duì)于形似至為關(guān)鍵。成書(shū)約在公元前1世紀(jì)的《周髀算經(jīng)》“七衡圖”后有云：“凡為此圖,以丈為尺,以尺為寸,以寸為分?！盵29]這是關(guān)于作圖比例的最早文字記載,表明古人對(duì)于繪圖比例的一定之規(guī)已有所認(rèn)識(shí)?！斗ㄒ凡⑽淳唧w提及繪圖比例的內(nèi)容,不過(guò)繪圖對(duì)各部件和裝置的大小比例都做出了安排。比照“說(shuō)”中給出的實(shí)際尺寸,繪圖中部件的比例關(guān)系為：卷上中環(huán)類(lèi)除“陰緯單環(huán)”稍偏小外,其他各環(huán)繪圖的大小比例與文字說(shuō)明的尺寸基本相符,望筒直距、龍柱、鰲云、水趺的比例與尺寸相近；卷下所繪各輪的大小差別不大,未體現(xiàn)出文字說(shuō)明給出的尺寸差別；渾儀、渾象、水運(yùn)儀象臺(tái)、運(yùn)動(dòng)儀象制度等圖中,各部件比例關(guān)系和文中給出的尺寸均相符?！斗ㄒ分卸喾鶊D具有典型的界畫(huà)特征,如水運(yùn)儀象臺(tái)、運(yùn)動(dòng)儀象制度、木閣、水趺等圖,表現(xiàn)出更加細(xì)致的比例關(guān)系和規(guī)律的紋樣標(biāo)準(zhǔn)。

與《法要》同時(shí)代的《營(yíng)造法式》“舉折之制”篇,以明確的比例繪制建筑圖,“總諸作看詳”篇又云：“造作工匠,詳悉講究規(guī)矩,比較諸作厲害,隨物之大小,有增減之法?！薄翱丛斠蛞?其逐作。造作各件內(nèi),或有須于畫(huà)圖可見(jiàn)規(guī)矩者,皆別立圖樣,以明制度。”[30]說(shuō)明技術(shù)繪圖中規(guī)矩、圖樣、制度的講究,以及工匠諳熟按比例建造之法。《法要》中“圖”的作用如出一轍,呈現(xiàn)了水運(yùn)儀象臺(tái)的“制度”。

3.5 “說(shuō)”與“圖”的互補(bǔ)

就繪制水平和技術(shù)知識(shí)的表達(dá)而言,《法要》的繪圖本身還不足以全面反映所繪復(fù)雜裝置的各項(xiàng)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),但文字解說(shuō)(“說(shuō)”)可補(bǔ)“圖”的不足?！斗ㄒ贰罢f(shuō)”的內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)、尺寸及材質(zhì)、部件連接關(guān)系和裝配方法、裝置功能以及儀器功用幾方面,對(duì)于舊有天文儀器(如渾儀、六合儀、水趺、渾象)一般會(huì)追溯其沿革。

關(guān)于結(jié)構(gòu)的描述,除對(duì)“圖”已繪出的零部件加以說(shuō)明外,對(duì)未能呈現(xiàn)的零部件的結(jié)構(gòu)及其上下、內(nèi)外的位置關(guān)系、環(huán)面周天度數(shù)及晝夜百刻的標(biāo)識(shí),給出了詳細(xì)說(shuō)明。

尺寸和材質(zhì)是建造必需的信息,尺寸是《法要》“說(shuō)”的重要內(nèi)容,材質(zhì)介紹得相對(duì)簡(jiǎn)略?！罢f(shuō)”列出卷上除四象單環(huán)外的各類(lèi)環(huán)、望筒直距、龍柱、鰲云、水趺、渾象六合儀、渾象球、木閣,卷下的各類(lèi)輪、退水壺、樞輪軸、天柱、升水上下輪和壺、河車(chē)、天河、圭表的具體尺寸。根據(jù)需要,尺寸的量度有所不同：對(duì)環(huán)類(lèi),一般給出直徑、闊(環(huán)面寬度)、厚；對(duì)輪和河車(chē)給出直徑,對(duì)上安有牙者給出牙數(shù)(即齒輪的齒數(shù)),對(duì)特殊的樞輪標(biāo)明輪輻數(shù)；對(duì)球類(lèi)給出直徑；對(duì)直距給出長(zhǎng)、闊、厚,對(duì)望筒給出長(zhǎng)和方(兩端方掩的邊長(zhǎng)、孔徑)；對(duì)龍柱、鰲云給出高；對(duì)水趺給出長(zhǎng)、高、闊以及水道的深、水斗口的邊長(zhǎng)和十字交叉處天門(mén)的邊長(zhǎng)；對(duì)退水壺、升水上下壺給出長(zhǎng)、闊、深、高；對(duì)木閣、天河給出高、長(zhǎng)、闊等。通過(guò)尺寸的標(biāo)注,反映建造的技術(shù)要求。

水運(yùn)儀象臺(tái)零件、部件之間的連接關(guān)系和裝配、功用及原理,特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu),需要依賴(lài)對(duì)應(yīng)的“說(shuō)”加以闡釋。如運(yùn)動(dòng)儀象制度圖的說(shuō)明,描述了樞輪、機(jī)輪、樞梁、天梁、天束、地足、樞臼等機(jī)械部件相互連接和傳動(dòng)過(guò)程中的關(guān)聯(lián),天池、平水壺、退水壺、升水上下輪、天河之間通過(guò)水流的關(guān)聯(lián),并簡(jiǎn)要說(shuō)明了通過(guò)天衡、天權(quán)、樞衡、樞權(quán)、關(guān)舌、格叉、左右天鎖完成樞輪勻速傳動(dòng)的原理。該段“說(shuō)”涉及內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“圖”所反映的部件和部件間的關(guān)聯(lián)性,而且需與天衡圖對(duì)照理解。又如天柱、天轂、樞軸圖的說(shuō)明,澄清了未畫(huà)于圖中的樞輪軸與樞輪轂、樞梁,以及鐵仰月承托的關(guān)系。

《法要》的“說(shuō)”,間或有對(duì)制作工藝的描述。中國(guó)古代書(shū)籍一般很少詳述某種裝置的制作工藝。宋仁宗康定元年(1040)奉敕編修的兵書(shū)《武經(jīng)總要》中的兵器圖和武器制造圖就熟練運(yùn)用軸測(cè)投影、平行投影、等角軸測(cè)投影繪法,精細(xì)的繪圖使描繪對(duì)象得以呈現(xiàn)得較為立體,其文字扼要說(shuō)明了尺寸、形狀、安裝位置、零部件性能、器械功能等事項(xiàng),然而鮮有提及工藝。又如成書(shū)元中統(tǒng)四年(1263)的《梓人遺制》,繪圖包含零件圖和總體裝配圖,采用等角投影繪制并靈活選取有利的投影方向,其文字除介紹機(jī)具形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等外,還包含少量制作方法的內(nèi)容,但具體事項(xiàng)仍多有不明?！惰魅诉z制》、官修的《武經(jīng)總要》與《法要》不同,更多屬于匠書(shū),因而有關(guān)工藝的內(nèi)容更側(cè)重工匠實(shí)際操作的需求,可起直接的指導(dǎo)作用。《法要》較少描述裝置的制作工藝,一方面是出于供皇帝閱覽的原因,另一方面則是來(lái)自工藝自身在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的默會(huì)特點(diǎn),即具體工藝大多是工匠十分熟悉而不需詳解的知識(shí),而某些特別的意會(huì)知識(shí)又是撰書(shū)者難付諸文字或者了解不多的。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為宋代技術(shù)繪圖的典范,水運(yùn)儀象臺(tái)的繪圖將“圖”作為表達(dá)技術(shù)和科學(xué)知識(shí)的重要語(yǔ)言,同時(shí)附以“說(shuō)”進(jìn)行必要的闡述說(shuō)明,在中國(guó)古代圖像表達(dá)史上占有重要地位。

《法要》的“圖”表明繪者已形成比較完整的繪制系統(tǒng)：(1)依據(jù)水運(yùn)儀象臺(tái)各儀器的功能劃分進(jìn)行分卷繪圖說(shuō)明,體現(xiàn)建造工程具有明確的總體規(guī)劃；(2)作為功能單元的觀測(cè)、演示、計(jì)時(shí)裝置,先以總圖展示全貌,再拆解為部件加以具體描繪,或由上至下、由表至里,或由繁至簡(jiǎn)；(3)多種投影方式共用,特別是復(fù)雜的組合圖呈現(xiàn)出多種視角,這是繪圖者展現(xiàn)描繪對(duì)象全貌的努力嘗試,也是中國(guó)傳統(tǒng)繪畫(huà)的一個(gè)特點(diǎn)；(4)在運(yùn)用普通線條描繪之外,多幅圖兼用粗線條和暗影,以達(dá)到突出質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、立體感等特定目的和功用；(5)主要部件均有具體尺寸標(biāo)注?？梢哉J(rèn)為,水運(yùn)儀象臺(tái)的技術(shù)圖已能夠較好地展現(xiàn)大型復(fù)雜裝置的整體設(shè)計(jì)。

以《法要》為代表的技術(shù)書(shū)籍,不僅脫離了“收書(shū)不收?qǐng)D”的書(shū)籍編撰傳統(tǒng),更以技術(shù)繪圖為主線、文字描述為補(bǔ)充說(shuō)明的形式,達(dá)到了當(dāng)時(shí)技術(shù)圖說(shuō)的頂峰,形成新的技術(shù)書(shū)籍的圖說(shuō)傳統(tǒng)。就“圖”而言,《法要》的圖突破了以“圖畫(huà)形象”為核心、從視感出發(fā)進(jìn)行繪畫(huà)的示意傳統(tǒng),而以整體結(jié)構(gòu)、部件、零件分繪的方式,有意識(shí)地采用平行投影甚至透視法描繪機(jī)械對(duì)象,甚至一定程度地遵循比例制圖,表明其繪者不僅從定性上了解描繪物體遵循的視覺(jué)規(guī)律,還清楚地知道如何初步定量地描畫(huà)不同位置和大小的物體。而《法要》以“說(shuō)”補(bǔ)“圖”之不足,基本上能夠做到將水運(yùn)儀象臺(tái)整體及各部分的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)以及機(jī)械構(gòu)件的傳動(dòng)原理描述清楚?！皥D”與“說(shuō)”的配合,進(jìn)一步完備了裝置的制作工藝特點(diǎn)、裝配方法等技術(shù)事項(xiàng),完整呈現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)思想和表達(dá)方法。

值得注意的是,《法要》不是現(xiàn)代意義上的設(shè)計(jì)書(shū),也非制造手冊(cè)?！斗ㄒ分胺ā钡暮x不僅限于方法、做法,也有標(biāo)準(zhǔn)、制度、原理之意。所謂“法要”,便是此“法”之綱要?！斗ㄒ返木幾?其意義不僅在于當(dāng)時(shí)能夠讓皇帝對(duì)水運(yùn)儀象臺(tái)有全面的了解,而且能夠讓后人做出成功的復(fù)原,這說(shuō)明《法要》對(duì)“法”的介紹是比較詳實(shí)的,而不限于“要”的界定。然而需要承認(rèn),《法要》的圖說(shuō)仍存在不足之處,如機(jī)械裝置的某些細(xì)節(jié)部分缺少相應(yīng)繪圖,也未進(jìn)行足夠的文字說(shuō)明。特別是關(guān)于定時(shí)調(diào)控樞輪轉(zhuǎn)動(dòng)的控制裝置天衡的圖過(guò)于簡(jiǎn)單,僅描繪了安放位置,而相應(yīng)文字對(duì)于怎樣利用格叉、受水壺、關(guān)舌、天條、天衡、天鎖等部件的聯(lián)動(dòng)來(lái)定時(shí)地控制樞輪每一輪輻的停留和動(dòng)作,僅粗略地描述了驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的機(jī)巧裝置。繪圖及文字的關(guān)鍵信息存在的部分缺失或模糊之處,也恰是導(dǎo)致后世對(duì)水運(yùn)傳動(dòng)裝置存有爭(zhēng)議的主要根源?！斗ㄒ纷髡呶唇o予充分說(shuō)明,或許是認(rèn)為此類(lèi)信息屬技術(shù)人員設(shè)計(jì)和工匠手藝的范疇,其缺失并不妨礙皇帝閱覽。而這又從側(cè)面反映了圖說(shuō)與建造孰先孰后的復(fù)雜性,也就是,關(guān)鍵機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)方案在建造過(guò)程中經(jīng)歷多次試錯(cuò)、修正和改動(dòng),最終未被記錄下來(lái)?？紤]該書(shū)撰寫(xiě)的目的,對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)的追究,難以求全責(zé)備。

此外,技術(shù)繪圖源于繪畫(huà),《法要》使用繪圖工具頻繁地、多角度地變換繪畫(huà)視角,采用拆分、挪移的手法展現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu),顯然已脫離了張揚(yáng)靈氣與情趣的一般繪畫(huà),而顯露出特殊的匠人氣息。以《法要》為代表的技術(shù)繪圖,正在從經(jīng)驗(yàn)性、直觀性地描摹實(shí)物對(duì)象向系統(tǒng)化、專(zhuān)門(mén)化地描述技術(shù)的方向發(fā)展,逐漸形成一類(lèi)新的繪圖方法,即技術(shù)的圖像表達(dá)法。

致謝本文得中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所張柏春研究員、孫烈副研究員的寶貴修改建議,謹(jǐn)此致謝。

1 張柏春,田淼. 中國(guó)古代機(jī)械與器物的圖像表達(dá)[J]. 故宮博物院院刊,2006,125(3): 81～97.

2 劉克明.中國(guó)工程圖學(xué)史[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2003.

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4 胡維佳譯注.新儀象法要[M].沈陽(yáng)：遼寧教育出版社,1997.

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6 陸敬嚴(yán), 錢(qián)學(xué)英譯注.新儀象法要譯注[M].上海：上海古籍出版社,2007.

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9 張明惠.東漢墓室壁畫(huà).陜西省定邊縣出土?xí)r現(xiàn)場(chǎng)[J].考古與文物,2004,(5):封面．

10 張柏春.機(jī)械技術(shù)·第三講 渾儀、渾象與計(jì)時(shí)器[C]//路甬祥主編.走進(jìn)殿堂的中國(guó)古代科技史(下).上海:上海交通大學(xué)出版社,2009.199～215.

11 劉薔.關(guān)于宋代水運(yùn)儀象臺(tái)的古文獻(xiàn)綜考[C]//機(jī)械技術(shù)史(3)——第三屆中日機(jī)械技術(shù)史國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2002.265～273.

12 管成學(xué).《新儀象法要》版本源流考[J]. 古籍整理研究學(xué)刊,1988, (3): 2～4.

13 蘇頌.新儀象法要[M]//中國(guó)科學(xué)技術(shù)典籍通匯·技術(shù)卷(一).鄭州：河南教育出版社，1994.

14 《新儀象法要》提要[M]//景印文淵閣四庫(kù)全書(shū).第786冊(cè).臺(tái)北：臺(tái)灣商務(wù)印書(shū)館,1983.80.

15 伊世同.蘇頌[C]//金秋鵬.中國(guó)科學(xué)技術(shù)史(人物卷).北京：科學(xué)出版社, 1998.329～338.

16 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)網(wǎng)站：http://pic.cas.cn/pic_pmo_cas/ztfm/200908/t20090814_2401870.html.

17 張柏春.中國(guó)傳統(tǒng)水輪及其驅(qū)動(dòng)機(jī)械[C]//中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,中國(guó)科學(xué)院傳統(tǒng)工藝與文物科技研究中心編. 鑒古證今——傳統(tǒng)工藝與科技考古文萃.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2014.569～588.

18 華同旭.中國(guó)漏刻[M]. 合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,1991.84～86.

19 劉仙洲.我國(guó)古代在計(jì)時(shí)器方面的發(fā)明[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1975,(2): 20～48.

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21 劉仙洲.中國(guó)在原動(dòng)力方面的發(fā)明[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),1953，(1): 3～34.

22 劉仙洲.中國(guó)在傳動(dòng)機(jī)方面的發(fā)明[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),1954，(1): 1～39.

23 王振鐸. 揭開(kāi)了我國(guó)“天文鐘”的秘密——宋代水運(yùn)儀象臺(tái)復(fù)原工作介紹[J]. 文物參考資料,1958,(9): 5～9.

24 Needham J.ScienceandCivilisationinChina[M]. vol.4, part II. Cambridge: Cambridge University Press, 1965.

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26 山田慶兒,土屋榮夫.復(fù)元水運(yùn)儀象臺(tái)：十一世紀(jì)中國(guó)の天文観測(cè)時(shí)計(jì)塔[M]. 株式會(huì)社新曜社,1997.

27 林聰益.古中國(guó)擒縱調(diào)速器之系統(tǒng)化復(fù)原設(shè)計(jì)[D]. 臺(tái)南：臺(tái)灣成功大學(xué),2001.

28 陳凱歌.蘇頌水運(yùn)儀象臺(tái)復(fù)原記[J].鐘表,2003，(2): 38～42.

29 周髀算經(jīng)[M]//錢(qián)寶琮點(diǎn)校.算經(jīng)十書(shū).北京：中華書(shū)局，1963.46.

30 李誡編修，梁思成注釋.營(yíng)造法式注釋[M].上卷.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1983.14.

Pictorial and Descriptive Representation of Xin Yixiang Fayao

CHEN Yue

(InstitutefortheHistoryofNaturalSciences,CAS,Beijing100190,China)

XinYixiangFayao(StandardEssentialsoftheNewArmillaryClock) of late 11 century is an outstanding work, which expresses the technological and scientific knowledge of Chinese tradition by means of the method of pictorial and descriptive representation. This paper makes a detailed analysis of the main content and the way of representation of the illustrations and description in the book, and discusses the logic of the author’s representation.XinYixiangFayaocomprehensively presents the basic constructional principles and functions of the armillary clock, its illustrations and description, as well as the represented technological knowledge in a highly practicable and credible way. As a paragon of technological illustration in the Song Dynasty,XinYixiangFayaoplayed an important role in the gradual formation, even in its specialization, of the method of representing technological knowledge.

XinYixiangFayao,technological illustrations,illustration and description,pictorial and descriptive representation

2015- 10- 27；

2016- 05- 16

陳悅,1977年生,北京市人,副研究員,研究方向?yàn)橹形骺萍冀涣魇?、技術(shù)圖像史、電力史。

N092∶P1- 092

A

1000- 0224(2016)03- 0253- 20