“观星台”位于河南省登封市东南15公里处，是中国现存最古老的天文台，也是世界上现存最早的观测天象的建筑之一。
元朝至元十三~十六年（-年），天文学家郭守敬在朝廷支持下开展了一项非常宏伟的天文观测活动，从中国北方直到南中国海一共修建了27个观测点，其中有7座大型天文台。郭守敬利用这些观测站，于年编订了“授时历”，这是当时世界上最先进的历法，比欧洲的格利高里历要早余年。授时历测定1回归年为.日，与现代天文学测定的结果仅相差26秒。
7座天文台只有2座留到了今天，一座是北京观象台，一座是登封观星台。北京观象台在明朝经过了大规模改建，与元代面貌有了很大变化，而登封观星台还基本维持着元代面貌。下图为登封观星台（图片来源：登封旅游局宣传照）。
从16世纪初至19世纪末，观星台曾先后进行过6次维修。在年按照文物保护标准又进行过1次较大的修复。随着时间的推移，文物管理者从年起开始了又一轮修复工作。笔者所在的团队承担了这次修复的设计工作，获得了一次可以揭开观星台各种谜团的宝贵机会。
传说与疑问观星台的基本使用方法是：在台顶水平架设一根铁管，距地约10米；每天正午太阳光线将铁管的影子投到地面的水槽上；水槽中灌水，以保证投影面保持水平；让一个带有小孔的铁片漂浮在水面上，利用小孔成像的原理使铁管很粗的影子变成一条非常细的影子；通过读取影子标定的刻度，再经过几何计算，得到每天的太阳高度角。
长久以来，人们普遍猜测，观星台的造型必定与天文有着的密切关系。整座观星台造型从下至上收分；台顶不是平的，而是中间高两边低；北面凹槽上大下小；楼梯盘旋而上，造型复杂。人们传说只有这样的造型，才能在特定时间实现“无影”；也有传说认为，其种造型源于在特定日期实现特定的日影，以达到某种观测目的。
测绘与分析本次测绘我们选择全站仪作为技术平台。工作中共布置了32个标靶，进行了19个站位的测量，获得了个点的数据。
进行了方向校正后，得到数据如下：观星台外层台体北边宽16.米，南边宽16.米，东边长16.米，西边长16.米；内层台体北边宽8.米，南边宽8.米，东边长8.米，西边长8.米。观星台外圈台体平面近似为正方形，而内层台体顶面东西两半分别向外撇，使北面凹槽开口微微外放。
在立面上，观星台东北棱线高9.米，西北棱线高9.米，凹槽高9.米（以上数据均未计入批檐尺寸）。八条棱线的延长线在平面、立面上都无法交于一点。
解谜01奇特造型是为了取得某个特定的时间点吗？
传说观星台的奇特造型是因为要做成“无影台”，而实际上，通过简单的几何推理就可得知：只要台子的收分角度小于当地冬至日的太阳高度角，那么全年任何一天中午，台顶都不会有影子投在下边，这一点并不神奇。
将测量结果转换成3D模型，按照登封市的纬度进行全年太阳照射模拟，观察观星台的投影，可以发现：在每年6月上旬至7月下旬，中午12时北面均能被阳光直射，而在夏至日则几乎全天无影。不过这个时间段跟历法和天文中的那些时间节点并没有对应关系。
02如果不是设计者有意为之，那么观星台的奇特造型因何而来？
从3D模型中可以明显看出，因为观星台的底面和顶面形状不同，所以它的每个侧面都是不规则的双曲面。南立面的砖缝砌得比较平直，而北立面、东西立面的砖缝都是斜的。
从观星台的东墙上的两个弹洞边缘可以看到：砖块的外表面特意加工成倾斜的，在砌筑的时候每块砖又按照外高内低的姿态摆放，最终形成了从下到上收分的外观。
我们发现，想要同时达到砖的外表面倾斜、砖块倾斜摆放、砖缝倾斜砌筑这三个条件，随着从下到上一层层砖不停的铺砌，台体自然而然地形成了北高南低、中间高东西低、每个表面都成为扭曲双曲面的形态——这正是观星台目前呈现出来的造型。
也就是说，观星台奇怪的造型并非设计出来的，而是古代工匠特殊的施工方法造成的。
03古人建造顺序是怎样的？
观星台是通体用砖砌筑，还是里面夯土外边包砖？中心台体与外部楼梯一起砌筑，还是先砌中心再砌楼梯？
对于中心台体，从表面向内部0.25米、0.5米、0.75米三个位置上均有强烈的异质层，再往内部则没有明显的反射层，这说明台体中心为均匀的介质，根据常识推测中心应为夯土体；表层有三层砖，在东部弹洞可以看到两层破损的砖和第三层完好的砖，可以作为验证。
对于台阶侧壁，表面仍然是三层砖，内部是夯土。再向内到了1.7米又有了一个反射层，1.7米之后又变成均匀介质。这个深度与台阶宽度是完全吻合的。有理由相信，中心台体的夯土和台阶的夯土是两次夯筑而成的。
先用夯土建出中心台体，再用夯土在外边围绕出一圈台阶，然后在外边统一包上三层砖——这是所有建造方式中，最简单，同时也最节省的做法，也是古代工匠的最终选择。
04外包的砖是元代已有还是明代后加的？
有一个细节，在全站仪追踪砖缝的时候才彻底暴露出来：中心台体的表面不仅每层砖缝倾斜砌筑，而且每隔几层就增加一层楔形砖，北面发现了两层，而东面发现了三层。
对砖碎块的化验结果表明：一个样本约为13～14世纪，一个样本约为16世纪，前者与史书记载中的观星台建设时间相吻合，后者与史书记载的明代一次整修相吻合。
这说明，观星台在元代修建时就是内土外砖的形式，明代整修时只是部分更换了砖块。
总结精确测量与科学检测使我们认识了一个更加真实的观星台，使我们对它的热爱更加“科学”而不是“迷之自信”。也使得我们走出了“盲目崇古”的误区，更加客观和理性地看待古代建筑。
作者：肖金亮
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