天坛圜丘坛的设计智慧
天坛圜丘坛的设计智慧
周 乾
（本文部分内容载于《科技日报》2020年9月4日第8版）
我国古代帝王为求风调雨顺、国泰民安，往往通过祭天的方式，试图与天“对话”，并表达对“天神”崇敬和祈盼之情。位于北京市天坛公园内的圜丘坛，始建于明嘉靖九年（1530），清乾隆十四年（1749）重建。坛分三层，最大直径约54.9米，坛总高约5.2米，为明清帝王在冬至日祭天的场所（图1）。圜丘坛的设计，从建筑数字、建筑功能、建筑造型等方面巧妙地融入古代科学知识和哲学思想，是我国古代建筑设计智慧的典范。
图1 圜丘坛外立面
首先，圜丘坛的设计中大量融入了数字“9”。古人认为，“9”为最大的天数，寓意至高之大。从地砖数量来看，圜丘坛每层地砖由9圈石块铺墁而成（图2-图4），每圈石块的数量是9的倍数。其中，顶层天心石周边有9块石块，构成第1圈；由此向外扩展，每圈石块数量比前一圈数量多9块，至底层最外圈即第27圈时，其含石块243块。之所以每层地砖为9圈，是因为古人认为天有九层，俗称“九重天”。从栏板数量来看，圜丘坛顶层栏板有36块，中层栏板有72块，底层栏板有108块，每层栏板均为9的倍数。上述栏板总数为216块，与《周易》所载“乾之策二百一十有六”相符合，可反映古代帝王的崇天思想。此外，从台阶步数来看，圜丘坛在四个方向均设有上下各层坛的台阶，每层台阶的数量是9级，符合“天数”的最高值。
图2 圜丘坛上层地面
图3 圜丘坛中层地面
图4 圜丘坛下层地面
从建筑构件尺寸来看，数字“9”得以大量运用，且与数字“5”巧妙组合，以表达“九五至尊”、“至高无上”的思想。如天心石宽度为0.95米，圜丘坛每层栏板的高度也为0.95米。另圜丘坛顶层直径是9丈，中间层直径为15丈，底层直径为21丈，合计45丈。由于数字“45”由“9”、“5”相乘而成，因而圜丘坛的总平面尺寸亦与“九五之尊”含义相符。需要说明的是，此处“丈”的尺寸确定依据为黄钟律尺，1丈等于10律尺，约等于2.6米。古人以黄钟律尺作为度量衡的标准，1律尺长度等于0.81倍营造尺长度。数字“81”为九九相乘，因而又强化了数字“9”的运用。圜丘坛在营建上创造了“9”的数字神话，体现了我国古代工匠高超的建筑设计技术。
其次，圜丘坛可产生回声效果。圜丘坛的最上层正中心有一块扁圆柱体状石块，被称为“天心石”（图5）。古代帝王祭天时，站在天心石上说话，会产生“嗡嗡”回响，犹如在与天神“交流”，营造出“天人合一”的意境，极其具有神秘感，也成了封建帝王自认为“君权神授”的表现形式。科学研究表明：天心石的传音原理在于圜丘坛地面及周边栏板对声波的反射。天心石位于圜丘坛的正中位置，且由于周边的栏板为圆形排列，因而天心石其到四周地面、栏板的距离是相等的，且除了栏板和地面，没有任何阻碍物。在这种条件下，当人站在天心石上说话时，声波经过光滑的台面和四周的栏板的反射，其中的大部分仍能够回聚到原始发声位置。由于圜丘坛的半径相对较小，声波反射过程所需时间不需要1秒钟，因而与原音很快产生叠加，使人感到发声更加宏亮和浑厚。另外，由于声波的反射从四面八方汇集，因而各个方向的回声在天心石汇聚时，又能产生“一呼百应”的声响效果，而说话者很难分辨出原始声音和回声。可以认为，天心石的回声原理实质是古代工匠营建智慧的反映。
图5 天心石
其三，圜丘坛的建筑造型充分表达了“天人合一”的意境。从平面形状来看，圜丘坛各层平面为圆形，这与古人“天圆地方”的朴素宇宙观相符合。在这里，之所以用“方”来表示大地，是因为方形可以表达东、西、南、北“四方”的思想。从立面造型看，圜丘坛的三层圆坛由下往上逐层收缩，体现了“天人合一”的意境。一方面，“三”是古人“天人合一”思想的一种重要表现形式，如东汉文字学家许慎所著《说文解字》卷一载有“三，天地人之道也”；另一方面，层层收缩的圆形还表达了生命的流转、宇宙万物的生生不息的意境。圜丘整体造型简朴，上覆天宇而下承黄土，是人工建筑融于宏大宇宙的丰富想象力体现。
此外，从建筑规划来看，圜丘坛周边的柏树郁郁葱葱，给人以林中空地上土丘坛祭祀之感，烘托出圜丘坛庄重和森严的氛围。从建筑色彩来看，白色的圜丘坛寓意圣洁和端庄，而其周边壝墙采用蓝色的瓦顶，正是与蓝色的天空呼应。
综上所述，圜丘坛的设计体现了古代数学、物理学等知识在建筑上的科学运用，其中亦包含了丰富的古代哲学思想，反映了我国古代工匠卓越的建筑智慧。
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