一千年前的伟大创造——《闸口盘车图》科技奇迹解析

2025-8-22 10:17| 发布者: weiwei |原作者: 王锐英|来自: 水利史研究

摘要: 《闸口盘车图》是五代或北宋时期的界画精品（界画以严谨的建筑描绘为核心，因作画时需使用“界尺”辅助绘制直线而得名——水利史研究编者注）。这幅创作于一千年前的绘画，精准描绘了中国在土木与水利工程方面的几个 ...

《闸口盘车图》是五代或北宋时期的界画精品（界画以严谨的建筑描绘为核心，因作画时需使用“界尺”辅助绘制直线而得名——水利史研究编者注）。这幅创作于一千年前的绘画，精准描绘了中国在土木与水利工程方面的几个令人惊叹的伟大创造。下面本文针对画中的几处工程奇迹做一简要解析。

图1 2023年12月，“对话达·芬奇——文艺复兴与东方美学艺术特展”在上海开幕，展览中特别展示了上海博物馆藏的《闸口盘车图》

1．画作概说

《闸口盘车图》创作确切时间不明，画家佚名。但据考证，作者有可能是五代南唐画家卫贤，亦有说作于北宋初，还有《清明上河图》作者张择端临摹的说法，但应该早于张择端，估计在公元960—970年前后，至今一千余年。《闸口盘车图》是一幅尺寸为高53.3厘米、长119.5厘米的绢本设色界画。

画中描绘的内容，也是长期以来，研究鉴赏该画作的各个方面高度关注的主题，就是中国人创造的水磨作坊和水力机械。内容与画作的标题很是吻合，如闸口——就是用以蓄水并驱动机器运转的设施。盘车，有人断言是指拉货的牛车，不准确，本文认为“盘”是圆盘绕轴转动的意思，指水轮机在河水冲击下的转动，简要说，此画与“闸口”对应的“盘车”就是转动的水轮和水碾。

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图2 《闸口盘车图》（上海博物馆藏）

《闸口盘车图》核心偏左（图画左侧），主体为一座颇具规模的横跨在水闸之上的磨坊，中心正房为面阔三间十字屋脊的单檐歇山顶厅堂式建筑，分为二层，上层置水磨，下层为水流和水轮，上下以竖轴贯通，以水轮带动上层的磨盘转动，实现磨米磨面功能。正房与后部建筑构成工字厅格局，左右两侧带耳房，耳房之下设有台基，台基之下即为水闸旁边的码头平台，台岸三面临水，临水面设直立护岸，岸上架栏杆，平台则作为室外工作场地。

在磨坊左右偏后处，台岸后端的水上对称布局，架木为台，上面各建有望亭一座，内里有官员临时办公。望亭很是简陋，为四根原木柱方亭，上面仅仅覆片瓦草顶，与台岸有小木桥连接。台岸前面有台阶可下到驳岸，运粮船在此停泊装卸。图画下方即磨坊正前方河水对岸，为一条河流水道，上架多孔木梁桥一座，上有牛车过桥。桥梁向右即图面右下角，为一高耸的多层尖顶木构塔架式彩楼，用彩帛彩纸等扎成，楼中悬一布旌，上书“酒”字。彩楼下为欢门，门后露出庞大的酒楼的一角，酒楼前高大屏风门上悬挂“新酒”招贴。

绘画中，可以看到河水、建筑、桥梁、堤岸、平台、树木、山石，有粮食、机械、器具、船舶、牛车、独轮车等各式物资和工具，有各种各样的人物。以动态角度看，可以说近景安排路上有车运，中景水中有船舶水运，远景磨坊中有水轮和碾盘转动，屋里屋外有许多人物在劳作，既体现了完整细致的磨坊建筑环境，又描绘了异常忙碌的独具磨坊特色的劳动场景。可见画家对于绘画的方位、角度、构图、比例和内容安排非常讲究，既一览无余、面面俱到，又细致入微、恰到好处，水平极其高超。

关于《闸口盘车图》，许多学者，特别是建筑史和科技史专家高度关注里面的建筑和水磨机械。比如建筑物如何体现了五代和宋初的建筑风格、营造技艺传统，比如磨坊中的庞大水磨机械如何体现了当时领先世界的机械水平。因为画家以恰当的比例，完整而细致地描绘了梁柱、斗拱、屋顶、门窗和装饰，粮斗、磨盘、立轴、卧式水轮、引水槽的形式和构造，并对轮辋和叶片的细小结构都作了仔细的描绘。更加特别的是，在水磨旁边还有一架机械装置，也是通过立轴贯通上下而随水力旋转的“水击面罗”（元代王祯《农书》）。水击面罗的功能是用来罗筛面粉，其机械构造要比水磨更加复杂，堪称农用水力机械中的“高科技”。它的原理是将旋转运动通过机械装置转化为直线往返运动，从而达到“筛面甚速，倍于人力”（《农书》）的效果，但本文认为还是称为“水运面罗”可能比较恰当，因水击仅仅指水流冲击水轮，而没有体现出面罗的运动。

此图无论建筑还是机械，都能够看出五代宋初的建筑科学技术、水轮机械科学技术已经达到非常成熟的高度，具有令人惊讶的水准。这幅画作，无疑成为后来不久能够横空出世的李诫的《营造法式》、苏颂的“水运仪象台”的最佳注脚。

上述建筑和水磨机械很是众所周知，本文不再详述，而是关注尚未引起各方面注意的土木与水利工程方面的内容。

2．画作中土木与水利工程结构的独特创造解析

一千年前，一个画家在《闸口盘车图》中通过细致入微和准确的描绘，不仅给我们留下了中国最早的水磨、水运面罗机械的精彩图画，而且还表现了土木与水利工程几个方面的杰出创造。通过对该幅绘画的观察分析，可以看出这里出现了中国最早的三脚支架的真实使用图像，木构建筑交叉斜构件显示了桁架体系的雏形，颇具现代工程理念的锚锭板式挡土墙，现代水库人工水坝、导流槽与水轮机的原始样本，还有基于木柱榫卯对接工艺的高架彩楼、曲线优美夸张的反拱屋顶等等。

图3 《闸口盘车图》中独特的水磨机械和土木与水利工程结构创造

（1）三脚支架的真实使用记录

图中，在中间偏右侧的台岸上，靠近栏杆的平地上有两个接近两人高的三脚架，高度约3.3米（按人身高1.65米估计），在三脚架上悬挂有罗筛，大概率是工人正在筛分或筛净麦粒，筛净后运到磨坊里。大约一百年后，天才画家王希孟在《千里江山图》中也画了一个三脚架，同时旁边也是一个水运磨坊。本人以前曾经注意到了这个三脚架，可是因绘画难以看清，对其用途不明所以。今天结合《闸口盘车图》，终于明白了，看来三脚架罗筛是磨坊的标配，是磨面前的一道重要工序，这也证明了两幅绘画的写实传统。

图4 图中三脚架罗筛（上图）和[元]《农书》中的絮车三脚架（下图）

图5 [明]《农政全书》中“乔扦”三脚架（上图）和[宋]《千里江山图》中的三脚架与水磨坊（下图）

三脚支撑，在人类历史中早就发明了，如陶器的三足、三袋足等等，在我国汉代考古中，曾经在沂南发掘出来一个高64厘米的铜制三脚支架，每个支腿中间还可以折叠，与现今的摄影三脚架有一比，但其用途尚不清楚。汉代三脚架很小，《千里江山图》和《农书》则都晚于《闸口盘车图》。所以，本图中的这两个巨大三脚架，中间还吊挂着罗筛，是我们能够看到的具有实用功能和方法的最早的真实记录。

（2）梁柱结构中交叉斜构件与桁架体系的雏形

图中水磨建筑的下层为裸露的梁柱结构，两侧各八根巨大的方柱立于水中（估计水中有石板基础），在方柱中部和顶部，有纵横木梁呈穿斗式联系为整体，梁头有销钉、护套。特别注意，为了结构稳定，建筑师应该利用了三角原理，在上半部外侧特别增加了交叉斜构件。这种斜构件在图画右侧的彩楼上也有，彩楼上是采取麻绳捆绑的方式。而水磨建筑结构中会采用什么连接方式呢？虽然看不清楚，画家也没有画出，但基本可以排除捆绑方法，大概率应该是榫卯式的连接。

图6 图中梁柱结构及其交叉斜构件，卧式水轮机后面的人工水坝和导流槽

木结构的斜构件最早出现的是斜撑，如擎檐柱、早期斗拱的叉手、屋脊梁柱上的大叉手等等，这些都是用来加强结构稳定的，并且都是受压构件。而图中的十字交叉斜构件，每根构件应该是独立的，只有两端固定于梁柱节点处，作为结构构件来说，除了压力之外，已经具有承受拉力的功能，特别是斜构件并不是很粗大，甚至可称之为杆件了，说明建筑师可能不自觉地遵循了轴心受力的设计，简直可以说已经成为桁架结构体系了，这应该是一个伟大的创造。

（3）颇具现代工程理念的近似于锚锭板式挡土墙

挡土墙作为墙体，并且在稳定河岸中使用，早就出现了，通常作为堤坝、堤岸、护岸、驳岸或泊岸的主体结构，而且一般采用木材、砖、石等材料。如使用砖石材料，可再分为干砌和浆砌，我们将其称为圬工砌体，大多能够独立存在。

使用砖石，其立面是可以实现近乎垂直或完全垂直的形式，使用木柱、木板也是可以实现的。那么值得关注的是，图中临水面的台基护岸，到底是如何构筑的，又是使用了什么材料呢？

图7 图中锚锭板护岸挡土墙（上图）与[元]《农书》中简易木桩板护岸对比（下图）

观察绘画中的护岸挡土墙，可以判断其材料应是木材，主体是一层一层的木板重叠为墙体，而且厚度很薄，里面应该是砖石土体填实。当然，不能排除画家的想象或者砖石墙面的简化画法。但要看到，为了保证这么薄的墙体不至于垮塌，在墙面外侧，每隔大约1.5～2米，紧贴墙面竖立一根木桩，并且在木桩的上、下位置，向墙内钉入一个类似现今“螺栓”的构件，称为锚栓，以锚栓将木桩和墙板连带墙后的土体连接为整体，只有这样才能够坚固稳定，而且这样的结构是可以排除砖石墙体的。

在图中相当于“锚栓帽”的位置，甚至还可以令人惊叹地看到类似销钉的木楔或铁栓（还可参见水碾下层结构的穿斗式梁头的销钉），由此完全可以判定就是锚栓无疑。作为锚栓结构，必有锚杆或锚筋（可能是木杆、竹竿、铁条）伸入木墙后面的土体之中，要保证难以被抽拔出来，埋入土体的锚杆端部估计也要固定，这就是锚锭加固的意思。本文推测，至少在墙后的填充物中相当锚杆端头位置，估计采用了石材加以固定，这种可能性很大，否则锚杆很容易被拔出来，很薄的木板墙体将会垮塌。这个画家不可能将墙后的构造画出来，甚至不会知道具体的材料和结构，但是这个画家居然将墙面的锚锭板的型式准确地画出来了，这绝不是凭空想象的，不可能是随意绘画的，如果没有真实的对象参照，是不可能画得如此真实准确的。

所以，图中的护岸挡土墙，极其近似于现代的“锚锭板式挡土墙”，现今只不过将锚杆改成钢材而已，今天也是轻型挡土墙中一种比较先进的构造，在北京的桥梁引道上还有应用。一千年前，能够出现如此先进的土木与水工结构，难以想象，令人赞叹！

（4）人工水坝、闸口与水轮机导流槽设计创意

更加令人赞叹的是“以水激之，磨随轮转”（《农书》）的水磨机械，即使放在今天，依然能在类似的水力磨房中看到传承。以河渠流水冲动水轮带动水磨转动，这种水磨适合于安装在河流冲击力比较大的地方。如果自然河水的冲击力比较小，需要人为增强水流的流量和势能，一般的方法就是将河水集中提高到一定的高度，这就需要修建水坝成为水库。就在此图中，不仅可以看到水磨下面的平卧水轮和水流，还要仔细观察，能够发现水流不是从河道沟渠中自然流过来的，而是出自一个很大的导流槽。图中一共画有两个导流槽，分别冲击下面的两个卧式水轮机。

图8 [元]《农书》中带有水闸的水磨（左）和瓦窦（右）

导流槽类似“瓦窦”，在[明]徐光启《农政全书》中有：“瓦窦，泄水器也。又名函管。”函管，现今写作“涵管”，是以瓦筒相接的排水管，而且能够“启闭”。导流槽则相当于“瓦窦”的改进，结构更加巨大，并且具有特殊的水平和倾斜角度设计。而且导流槽上游连接的是人工水坝，这个坝体的墙面与上述护岸锚锭板挡土墙完全一样，说明坝体后身即看不见的上游，相当于一个水库，在坝身上应该设有可以控制水流的闸口。虽然闸口也是看不见的，但这幅画《闸口盘车图》的名称中的“闸口”，不就是具体指的这个进水闸口吗！这个闸口还应该有闸门，当冬季或干旱，特别是需要维修时，要关闭闸门，以排除水磨下面的积水，对木制梁柱和基础、锚锭板挡土墙、河床等部位和构件进行维护，防止腐朽和坍塌。

这幅绘画展现了一座具有人工水坝、水闸、导流槽、水轮机和水磨机械的复杂的土木与水利工程体系，可以说是现代水库水能利用工程的原始样本，一个最早的记录。

（5）高架彩楼立柱榫卯对接工艺推测

《东京梦华录》记载：“凡京师酒店，门首皆缚彩楼欢门。”通常用竹木杆件绑扎而成，因此又称为“绞缚楼子”。图中的高架彩楼欢门在《清明上河图》中也有表现，但晚于此图。这个高架彩楼主体应该是竹木杉篙，其搭建工艺主要是捆绑。捆绑作为梁柱节点的连接技术，相信很早就出现了，当然对于高如塔楼的木构架，有待发现更早的记录。需要注意的是立柱，可以看出四根立柱总高十几米，每根柱子按粗细分为三段，下段或为枋木、或为石柱，以木柱的可能性最大，非常稳固。中段的断面尺寸缩小约1/3，上段断面尺寸再缩小1/3。每段立柱似乎不是搭接，也不是在侧面帮贴短木再捆绑，而是对头直接相接，那么这种连接方式是如何实现的呢？

本文推测，最大可能类似于榫卯，即在下边立柱的顶部向下凿一个很深的方形卯孔，将上边的方形立柱斫为榫头插入卯孔中，然后外部紧密捆绑以加强约束，增强刚度。

图9 木构高架塔式彩楼欢门和酒楼屋顶的反拱曲线

立柱对接，即使现代结构也是难度很大的技术，如果是钢材可以焊接，如果是铁管可以套接并加丝扣。而对于一千年前的木构立柱，本文提出榫卯方式也只是一个猜测，不能完全排除侧面搭接捆绑方式。虽然此图绘画不是很清楚，但基本上可以排除搭接捆绑的方式。在《清明上河图》中，彩楼立柱则更加接近完整的一根竹木，或者由竹子相互套接而成。而本图为方形截面的立柱，显然与竹子不同。

另外，补充一点，在战国时期，我国已经发明了连接梁柱节点的青铜箍连接件，已有陕西凤翔县出土的一组战国时期青铜建筑组件为证，其中包含曲尺形、单齿或双齿方筒形、双齿小拐头形等多种类型，大型构件高达1米，反映了先秦时期大型建筑营造中金属构件的使用水平。但是这些构件只是使用于木构梁柱相交的转角处、尽端和中段等榫卯节点，起到加固和装饰作用。而用于立柱对接，特别是粗细不同的立柱对接的构件，尚未发现。

（6）优美的反拱曲线屋顶设计

图中右下方的彩楼欢门之后，庞大的二层酒楼屋顶呈现出鲜明的横纵曲线，给人飞跃飘逸的美感，这是中国传统木构建筑外在的突出特色。

反拱曲线屋顶，即通过举折法实现屋顶下凹曲面，简称反曲或反拱，至晚在秦汉已经出现了，到唐宋时代逐步发展完善起来。不过，唐代屋顶的坡度还比较平缓且贴近直坡，曲面弧度不是很大。宋代最终显著起来，并且在北宋李诫《营造法式》中对举折作法有了详细规定。

需注意，本图的出现时间早于《营造法式》，如果断代为五代，或许更早一些；不过从反拱曲线的夸张程度看，断为北宋之初可能更为准确。无论如何，可以说这幅绘画代表了中国屋顶曲线的发展达到了一个极具鲜明特征的新阶段。

总之，这件《闸口盘车图》绘画作品是一幅堪称精准的水力磨坊运作图和土木与水利工程建筑图，展现了一千年前的土木建筑、水利设施和水力机械的先进设计思想和高超科技水平，让我们见识到了古人的智慧与创造力，值得我们深入研究、思考和传承。

上述观点皆为作者个人见解，仅供参考。

图10 《闸口盘车图》磨坊建筑数字化复原图像

北京建筑大学王锐英

2025年8月10日

作者简介：

王锐英，男，1958年12月生。研究员，北京历史和建筑文化学者。1982年道路桥梁工程专业毕业，留校任道桥专业教师；曾任北京建筑大学教务处长、研究生部主任和图书馆馆长。现为北京建筑大学文化发展研究院特聘研究员，北京史地民俗学会副会长、北京公路学会副秘书长、北京茅以升科技教育基金会中国古桥研究与保护委员会委员、北京古桥研究院顾问、中国公路学会科普教育专家。目前主要研究北京历史文化、建筑历史文化、桥梁历史文化和相关科普文化教育推广活动。