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”的崇敬和祈盼之情。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。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。
首先圜丘坛的设计中大量融入了数字“9”。古人认为“9”为的天数寓意至高至大。从地砖数量来看圜丘坛每层地砖由9圈石块铺墁而成每圈石块的数量是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4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”的值。
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。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”的意境极具神秘感这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。可以认为天心石实质是古代工匠营建智慧的反映。
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。
