中国工程图学史

前言这是我1988年10月赴福建同安参加“苏颂创建水运仪象台950周年国际会议”时，所写诗作中的一首。诗中的第一句“三维变换二维中”是对工程图学性质的概括，任何工程图样，无论其应用如何，都建立在把三维空间变换到二维空间形式的理论基础之上。诗中第二句的“解体用图”，引自魏晋时期著名数学家刘徽的《九章算术》“序”，其不仅重视数学的抽象性，而且非常注重数学的直观性，“序”中提出了“析理于辞，解体用图”的名言。刘徽的思想和工作，使得我国的几何学向前推进了一大步。诗中第三句的蒙日，即指法国数学家加斯帕·蒙日(GaspardMonge，1746—1818年)，1795年蒙日创建的《画法几何学》莫定了工程制图的数学基础。魏公，即苏颂(1020—1101年)，据《福建通志稿》记载，其“卒，八十有二，赠魏国公”。诗虽不工，但突出了这样一个信念，即苏颂主持制造的水运仪象台，不仅是中国乃至世界科技史上的一个奇迹，而且，其奉敕编撰的《新仪象法要》及其书中的工程图样，也表明其取得了空前绝后的科学成就。水运仪象台及其相关附有图样的著作，足以扫荡“中国古代没有科学”、“中国古代没有图学”的一切时论而有余。图学是人类文明的里程碑，也是我们衡量和评价一个民族开化和文化发展程度的重要标尺。无论过去、现在和将来，工程图学总是一门研究科学技术、工程制造领域中图和图样的理论及应用的科学。因此，图学是一门应用极为广泛的横断学科。它包括理论图学、应用图学、计算机图学、制图标准化、制图技术、图学教育、图学思想以及图学史诸方面的内容。图学及其工程图学史的研究，属于新兴边缘交叉学科和跨学科的综合研究，也是近几十年来国内外学界共同感兴趣的研究课题之一。国内学者对中国工程图学史的研究，始于20世纪50年代，当时，从事中国历史和图学教学的学者发表了有关中国图学史的论文，如杨岳霖1955年发表在《东北工学院学报》第2期上的《中国历史上的技术制图》，赵擎寰1962年发表在《画法几何及制图科学论文选编》上的《中国古代工程制图发展初探》。由于研究的局限，这些论文所叙，远未详备，而其数量，寥寥可数，学术交流，偶有所及，故而影响有限。因此，在研究中国图学发展史的问题上，学术界存在着两种完全不同的态度。其一，表现在对中国丰富的图学史料的忽视与对所取得的图学成就的低估。在许多西方学者看来，中国古代没有图学，在论述图学发展历史时，他们对中国的古代图学采取回避态度，许多论点，亟待斟酌。其二，则恰恰相反，认为中国一直是“稳步地发展着他们自己的制图传统”，“欧洲在14世纪和15世纪之前之所以能在制图方面有所成就，不仅与阿拉伯人研究了托勒密的制图学有关”，而且与“中国的制图学”传到西方有关。①持前一种看法者，不乏其人。例如英国学者P．J．布克(P．J．Booker)，即为一例。作者身为英国工程图学学会主席，撰写《工程图学史》(1963年出版)，应当不乏史料，在论述阿拉伯的科学技术对西方图学的影响时，P．J．布克曾简略地提到来自东方的图学成就，但无中国图学之述。全书撮要图学典籍，贯以议论，对于中国图学的历史，作者尚未穷源竞委，更乏中西之比较，通观全书，缺憾甚多。西方对中国古代文明贡献的忽视由来已久，P．J．布克的论点恰好代表了这种思想倾向。②……目录第一章中国工程图学的基本概念第一节《世本》中有关“图”的记载第二节汉字与工程图学第三节中国古代有关图样的名词第二章中国古代工程几何作图第一节中国古代几何作图的起源第二节先秦时期的工程几何作图第三节汉代几何作图的科学成就第四节中国古代工程几何作图的方法第三章中国古代工程制图的数学基础第一节比例在工程制图中的应用第二节投影理论的起源第三节投影理论在绘图中的应用第四节对基本视图的认识与应用第四章中国古代工程制图的绘制技术第一节中国古代绘图工具及使用第二节中国古代工程制图的绘图方法第五章中国古代工程制图的表达方式第一节中国古代工程制图字体的演变第二节文例第三节中国古代工程制图的线型第四节图样的幅面安排第五节样式第六章先秦两汉时期的图学思想及其实践第一节《周易》中的图学思想第二节《周礼》中的图学记载及其有关问题的探讨第三节《墨子》一书中的几何定义及其理论第四节先秦时期的建筑制图第五节汉代工程图学的成就第六节张衡对图学的贡献及其思想第七章魏晋南北朝时期的图学成就第一节魏晋刘徽的图学思想第二节晋代裴秀“制图六体”的思想基础及其方法第三节南朝宋宗炳的透视理论及其数学基础……文摘书摘三、界尺中国古代工程制图尚有界尺的发明与应用。界尺是古代建筑图样与楼台宫室绘画中使用的作图工具，在界画和建筑图绘制时用以作出直线和平行线。从工程几何作图而言，界尺就是平行尺，可视为平行运动机构。它由相等的上下二尺与等长的两条木杆或铜片杆铰接而成。从机械原理来看，界尺实为一平面连杆机构。现保存有明代的界尺形式，如图4．8(a)所示，其界尺为铜制，并非一直尺，而是由上下两直尺组成，上下尺的左右端之间各连有一可变换角度的连杆，若按住下尺移动上尺或改变铜杆与直尺的夹角度即可得出上尺平行于下尺的许多直线，这对于绘制有大量平行直线的建筑画来说十分方便。中国古代图样的绘制直线除界尺外，还有槽尺，如图4．8(b)所示。槽尺木制，是一枝一侧开有半圆形凹槽的短杆，一端削成斜面，画笔嵌在槽内，笔锋从有斜面的一端露出；作画时以斜面紧贴上尺，线条的粗细可由露出笔锋的长短来掌握，大意正与笔船相同，槽尺可与界尺配套使用。①关于界尺的发明与应用，古代文献虽有所及，但未尽其详。近人余绍宋所辑《画法要录》网罗六朝至今1600年间论画佳者，“甄集精粹，区划类次，疏抉而条贯之，繁而不乱，位而各当”。其二编卷四“官室编”收录历代画论中有关界画的论述共11条，甚为系统，亦不见有关界画绘制工具的记载。究其原委，当是界尺作为图样以及界画绘制的工具，相当普及，应用广泛，无须论著。后人称之用笔之祖的唐人张彦远《历代名画记》“论顾陆张吴用笔”篇，已载唐以前绘画就有“界笔直尺”之用，也非“界尺”一词。此篇“界笔直尺”凡五见，其制如何，未见其详。而最早的①萧默主编，中国艺术研究院，《中国建筑艺术史》编写组编；《中国建筑艺术史》，文物出版社．1999年，第265页。“界尺”记载，见之于宋代的文献之中。宋人陶毂《清异录·畦宗郎君》载：“欧阳通善书，修饰文具，其家藏遗物尚多，皆就刻名号：砚石日紫方馆……界尺日由准氏。”是欧阳通将界尺称之为由准氏。又宋人王君玉《国老谈苑》卷一载：太宗，“又以柏为界尺，长数寸，谓之隔笔简，每御制或飞宸翰，则用以镇所临之纸”。类似的记载亦见之于元末陶宗仪编《说郛》卷三十一《姚氏残语》之中。宋人叶梦得(1077—1148年)《避暑录话》卷上亦载：“晏元宪平居书简及公家文牒，未尝弃一纸，皆积以传书，虽封皮亦十百为沓……以铁界尺镇案上。”可知古之界尺形制，似为直尺。当然这种界尺并非用于绘图，具有几何意义的作用工具。但它与书写的宣纸折叠后相配合，仍可起到用直尺来定格画线的作用。清光绪十四年(1888年)英人傅兰雅(JohnFryer，1839—1928年)撰《画器须知》一卷，其“论尺”一章介绍“平行尺”，其形制与界尺相似，傅氏论此未言此尺来至何处，但言“此尺为画平行线之用，乃将相等之二木板并排相对，如长方形，以二铜片两端各有活枢，斜连于二木板上，须平行对列，使二木板开合之方向平行”。“其用，即已有某线，要求作一线与经线平行，即将尺边切准原线，按定切线之尺，约定二线这距，移开尺之下股，复按定下股，将切线之股，轻轻移下，与下股相并，切尺边画线，即与原线平行，此尺固然适用，但不及丁字尺，靠平方板边之更便也。”如图4．9所示。清代铜平行线尺，如图4．10所示，可用于制图是绘制平行线。四、毛笔毛笔是中国对人类文明发展产生巨大影响的发明之一，笔、墨、纸、砚一起被称为“文房四宝”，是特有的书写与绘图工具。几千年来，毛笔作为古代器用之属．对古代文化的记载和传播起到了不可磨灭的作用。中国古代书画艺术和工程制图的发展，是与毛笔的演进与发展密不可分的。毛笔的嬗变不仅左右着中国书法、绘画的形式，也直接影响着工程制图的精度和图面质量。正因为如此，毛笔位于“文房四宝”之首。古“笔”字同“聿”，东汉(25—220年)许慎《说文》：“聿，所以书也。”清人段玉裁(1735—1815年)注：“以，用也。聿者，所用书之物也。”《说文》：“楚谓之聿，吴谓之不律，燕谓之弗。”段注：“一语而声字各异也。《释器》日：不律谓之笔。郭云：蜀人呼笔为不律也。”《说文》：“凡聿之属皆从聿。笔，秦谓之笔，从聿竹。”《诗经·国风》“北风”篇中有“静女其娈，贻我彤管，彤管有炜，说怿女美”。郑笺云：“彤管，笔赤管也。”管，笔管，孔颖达疏：“经云贻我彤管，是女史之事，故具言女史之法也。女史为女奴晓书者。《周礼》女史，其职云：令凡后之事以礼从夫人，女史亦如之，故此总云：后夫人必有女史彤管之法。”“贻我彤管”、“彤管有炜”的记载说明先秦时期笔的应用已经十分广泛。《尔雅·释器》中有：“简谓之毕，不律谓之笔，灭谓之点。”唐人欧阳询(557～641年)《艺文类聚》卷五十八引晋人郭璞(276—324年)《笔赞}El：“上古结绳，易以书契。经纬天地，错综群艺，日用不知，功盖万世。”又引《博物志》日：“蒙恬造笔。”又引《释名》曰：“笔，述也，述事而书之也。”其收罗甚丰，如数家珍，可见古代文献中关于笔的记载不胜枚举。《太平御览》中关于笔的记载，如图4．11所示。大量出士文物也为古笔的发明和应用提供了历史资料。新石器时代陶器上的各种纹饰线条流畅，陶刻符号笔触清晰，并有明显的提按所形成的粗细笔画的痕迹。这无疑是用毛笔或类似的毛制工具绘制的。这种类型的彩陶，在整个仰韶文化区域都有发现。显然，类似毛笔的绘图书写工具已被普遍应用。据现有的考古文物，笔的出现可以追溯到6000年前的新石器时代的仰韶文化。殷商时期甲骨上的文字，也有墨书朱字的痕迹。这说明毛笔在我国创始确实很早，笔的制作有着逐渐发展嬗变的过程。考古发掘中发现的最早古笔的实物属于战国时代，长沙楚笔可为其代表。1954年6月湖南长沙左家公山战国木椁墓出土毛笔一枝，笔杆是用竹削成的圆柱形，长17．8cm，直径O．5cm。此笔的做法是：将笔杆一端劈成数片，笔头插入其中，再用细丝线缠紧，外面髹漆。笔头用兔箭毛，即兔背毛制成，露于杆外4．2cm，笔杆连头总长为22cm。此笔尖锐圆健，蓄墨不多，弹力较强，书写流利。这是我国考古发掘中发现最早的毛笔。……