复原中国立帆式大风车：大风车的技术与文化

风车是古人成功利用自然力的一项重要发明。中国的立帆式大风车在世界风车史上独树一帜，其构造原理迥异于欧洲和西亚的风车。这种风车巧妙利用了船帆，能够适应各种风向，用于驱动水车——龙骨车。操作者可以根据风力大小，升降若干个风帆。风帆的构造和升降操作与中国船帆技术同出一辙。在风车的运转过程中，每面立帆都能绕桅杆转动，调节迎风角度。也就是说，风帆具有自动迎风的功能，无论风从哪个方向吹来，风帆在一半的行程里都自动迎风。考诸史料，风力龙骨水车的构造和尺寸在14世纪中叶的明初已经定型；清代初期，江苏宝应一代农民已广泛使用立轴式风力龙骨水车来提水灌溉稻田；18世纪以来的文献对立轴式风力龙骨水车在江浙及沿海地区应用于农田灌溉、涝灾、盐田的记载更多；且对于构造和用法的描述更加翔实。到20世纪六七十年代，随着现代水泵在农村的广泛应用，大风车逐步被淘汰，淡出人们的视野。

1982年中国风力资源调查时，调查人员在盐城市阜宁县沟墩的盐田中发现有一台已经损坏无法运转的立帆式大风车，该风车为流传至今的最后一台大风车。2004年，中国科学院自然科学史研究所和南台科技大学的合作者正式商定风车复原制作计划，并最终于2006年7月在江苏射阳县海河镇制成一架大风车和一架龙骨车。近期，由山东科学技术出版社出版的《中国立帆式大风车的复原》即呈现了此次大风车的研制。

图1 复原的中国立轴式风力龙骨水车实景图

自12世纪以来，大风车技术的发展日趋注重日常制造、维护和使用。大风车整座机器的结构相当简洁、稳固，可以说是多一杆则嫌累赘，少一杆则不稳，却又不至于崩塌。而且它也能根据当地的地理环境和气候风场，发展出适当尺寸规模的风力龙骨水车，成为一种全机械化的提水机器。正因为它能不用人力地解决农田灌溉和盐田提水问题，在有充分风源的地方，容易推广和普及，并在当地形成一个产业，如苏北地区，大大影响了人民的生活，所以大风车不仅代表一种技术，也代表一种文化。

大风车代表一种技术

立帆式大风车及其驱动的龙骨水车所形成的立轴式风力龙骨水车技术（简称大风车技术）是中国传统灌溉技术的集大成者，可以反映出中国古代技术的一些特点，包含技术的创新性和综合性，以及技术的适用性（因地制宜）和广泛性（一器多用）。

1.技术的创新性——龙骨水车的风力运用技术

龙骨水车之所以能够普及与推广，除了其灌溉能力强，主要在于其链条传动的动力是以旋转运动方式输入，容易运用不同的动力源，故能衍生不同动力的龙骨水车形式，从拔车、踏车、牛转翻车、水转翻车，以及风力翻车，都是在技术上不断地创新。其中，在风力运用的设计与技术上，其创新超越以往，主要在于其能够克服和操控风之大小与方向的捉摸不定。因此，大风车的技术创新体现在两个方面，一是自动迎风设计，二是转速控制设计。下面分别叙述。

（1）自动迎风的设计。

如何掌控风向的变化，是设计风车所要面临的一个关键技术问题。

相较于同时代同样有着悠久历史的荷兰卧轴式风车，立帆式大风车有自身的特点和优势。而荷兰风车安装在塔身的顶篷上，可以用长杆操控旋转顶篷。如果风向改变，则由人力推动长杆以转动顶篷，使得风叶能四面迎风。中国立帆式大风车的设计无论是风从哪个方向吹来或风向的任意转变，都能使风帆主动地自动迎风。这与立帆式大风车的风轮设计和八面帆的摆置有关。

风轮的设计。立帆式大风车的风帆技术来自中国的船帆工艺，但大风车的风帆在迎风的功能上比船帆更有所创新。这个创新就是立帆式大风车具有八棱柱状的框架结构的风轮设计（图2）。即将中国船帆的设计与工艺，运用到大风车的风轮上，以达到自动迎风的功能。正所谓“大将军八面威风，小桅子随风转动，上戴帽子下立针”。

图2 装配中的立帆式大风车

风帆的摆置。桅子上的风帆之所以能随风转动，自动迎风受力，是因为每张帆以桅绳套在桅子上，并以桅子为轴分成长边和短边，帆脚索系在其长边的篷竹端，另一端则系在邻边的桅子和剪上。每张风帆在顺风时其帆脚索受力拉直，使整个风帆迎风受力，以产生扭矩。当风帆初转入逆风时它仍有受力，之后风帆则与风向平行，以减少受风面积和阻力。故无论风从哪个方向吹来，风帆在风轮旋转半圈以上的行程里都能自动迎风受力，推动大风车旋转。

（2）转速控制的设计。

大风车可视风力大小，通过调整升降升帆索和收放帆脚索来调节帆的高低与帆的受力角度，改变帆的受风面积，让风车保持在安全范围内运转。若风力过大，应停止使用。否则，转速超过风车及水车的容许上限值时，整个大风车系统将会严重受损。立帆式大风车转速控制设计分述如下。

帆脚索。利用帆脚索的长短可控制风帆的受力角度，改变受风面积。根据我们的复原分析可知，当风帆与柭担夹角为18度时（帆长边未过柭担）的整个运转过程产生的扭矩最大。因此，帆脚索太长或太短都会使风车转速变慢。

升帆索。风帆高度是利用系在升帆索上的挂绳套在柭担外端来固定，若要调整风帆高度，则只要将挂绳沿着升帆索向下或向上调整并系紧即可，这样便容易控制风帆的受风面积，亦即所谓“微风则全张之，疾风则半张之”。

停车设计。若风车运转过快或出现安全问题欲急停车时，操作人员可以站在大风车外环的定点，将挂绳拔离柭担，风帆将逐一落下，大风车便能立即减速，并慢慢停下来。

2.技术的综合性

大风车技术的综合性表现在制造、机械及动力等方面。

（1）制造的综合性。

大风车制作技术主要是木作技术，亦包含铁件的锻造和铸造、绞线制作，还有草绳和风篷的编织、布帆的裁缝及组装技术。其中，组装技术又包含立车心时的力学原理的应用技术、立桅子的吊杆应用及整个风轮组装工序的设计。

（2）机械的综合性。

大风车本身就是综合性高的机器系统，需要进行结构设计，配置多种轴承和传动机构，以及使用各种联结方式。例如，大风车的旋转轴承形式有三，即公转和母转的顶针轴承、车心轴套与将军帽的滑动轴承、钏与游子的曲面轴承。大风车还有各种传动机构，如大齿轮和旱拨的齿轮传动，跨轴的轴传动，龙骨与水拨、杌掇子的链条传动，用于风帆升降的（升帆索和提头的铃铛）绳索滑轮机构。再者，大风车也使用了许多种联结方式，如木作的榫卯结构（如车辋）、铁件的钩接（如柭担内端铁钩与撬盘、撑心的铁钩与花盘、大缆的铁钩与将军帽的铁闩子）、铁丝的捆绑（如软吊与金刚镯、铁丝与将军帽的铁闩子和天扁担）、草绳的结绳（如篷帆之驾绳、桅绳、各种草绳的结绳）。

（3）动力的综合性。

立轴式风力龙骨水车主要动力来源是风能，若无风或风力不足，亦须有可以使用水牛等畜力或人力来驱动的设计。尤其是吊柭担的设计须提供安置水牛的空间，让水牛可以在大风车内拉动柭担。大风车也要考虑单人可以直接推动柭担或多人同时推动的实际情况。这种同时保有风力、畜力和人力等三种动力输入的设计是一种杰作。

3.因地制宜

“因地制宜”也是大风车技术体现出的一个特点，这一特点几乎贯穿了立轴式风力龙骨水车整个制作和使用的过程，涉及就地取材、季风盛行及河渠密布等情况，分述如下。

（1）就地取材。

本次复原大风车与其龙骨水车的要求是以“原汁原味”的传统材料来制作。材料包含杉木与桑木、蒲草和稻草，以及其他材料如竹、柳木……其实它们都是取用当地生长且材料特性合适的材料。

在苏北制作大风车与水车的主要木料是杉木与桑木，因早期这两种木材在当地容易取得。在本次复原旱拨和水拨等轮毂所用尺寸较大的桑木原材购得不易，但20世纪50年代前，桑树在苏北尤其是里下河地区,处处可见。事实上，自秦汉以来栽桑养蚕已成为江苏农家的重要副业，到清代里下河地区的蚕桑生产更发达，是扬州、高邮丝绸原料的产地。古人在房前屋后常种植桑树、梓树，正是以“桑梓”代指家乡的由来。故在古代的农桑社会，这种制作大风车所需要干径大且树龄五六十年以上的桑木是比较容易找到的。

本次复原的大风车风帆先是用布料制成的，而在苏北人的传说中，只有三国时期的刘备才用布来制作风帆，这个说法体现出在当地人眼中，用布做风帆是何等奢侈。更确切地说，香蒲草才是制作风帆材料更好、更符合地域特色的选择，故以往用来做风帆的材料主要是香蒲草和稻草。稻草是制作草绳的原料。江苏太湖、里下河地区历来都是中国著名的稻米产区，稻草随手可得。

香蒲草（图3）是多年生宿根性沼泽草本植物，在苏北地方的湖岸、河滩、渠旁、沼泽地等水边，常成丛成片生长。植株一般高2m左右，有的高达3m以上。茎圆柱形，直立，质硬，中实且轻。叶扁平带状，长可达2m，宽2～3cm，光滑无毛，非常适合用来制作风帆。

图3 香蒲草

香蒲草成熟在深秋时期，正值苏北的农闲时节，此时也是大风车维护整修或制造的时期。农家在这段农闲时期，对香蒲草进行采收、去根及除泥，晾晒数日，待茎叶不潮不脆即可使用。晒干后，它可用草绳编织成篷帆。编织方法与织席类似，香蒲草为纬线，经线则用草绳，便于上下升降和折叠。

（2）季风盛行。

苏北在夏季盛行东南季风，冬季则是东北季风。里下河地区年平均风速约为2.7m/s，而滨海地区年平均风速为5.3m/s左右,故根据当地风力资源可制作高8m、直径10m的大风车，并用8张长4.5m、宽2m的篷帆，或长4m、宽2m的布帆来配合。这样尺寸大小的大风车以当地风力资源，在农田地区至少可以带动1台龙骨水车，而在滨海盐田地区则可以带动2台龙骨水车。

《盐法通志》卷三十六载曰：“一风车能使动两水车。譬如，风车平齿轮居中，驭驶两水车竖齿往来相承，一车吸引外沟水，一车吸引由汪子流于各沟内未成卤之水。”一台龙骨水车置于引水沟上，当潮涨时，海水涌进引水沟，龙骨水车将大量海水抽进汪子（蓄水区）。另一台龙骨水车置于导水沟上，可将汪子内经过阳光照射的蒸发而成的含有盐分的海水（盐度5%）引入导水沟，送进蒸发池。根据当地的气候和风力条件，大风车是适合当地的技术。

（3）河渠密布。

苏北，特别是里下河地区，地势低洼，地下水位高，湖荡相连，水网稠密，曾是苏北淡水沼泽湿地最集中分布的区域之一。在1980年之前，该地区的农业活动常利用龙骨水车进行引水和排水的工作，而大风车的运用大大地解决了农业发展最关键的问题——灌溉。

4.一器多用

“一器多用”是一种典型的古代技术特征，而龙骨水车就是这样一个代表，其功能主要有：农业灌溉，用于农田抗旱与高田提灌；排除积水，用于排涝、低田排水；水利用途，用于从人工渠道汲水以通运河；盐业抽水，用来抽取海水以晒盐。在我国沿海盐场，以及江苏太湖和里下河地区更是运用大风车技术于龙骨水车上，使此种立帆式风力龙骨水车更有效率地使用在不同的场景中，故其“一器多用”的特性和功能更加彰显。

大风车代表一种文化

传统技术，除工艺本身外往往还包含民俗、信仰等文化内容。大风车的文化包含渔民的生活习俗与帆船文化、性别分工与传宗接代的性别文化，以及产业化的灌溉文化。

1.帆船文化衍生至风车文化

大风车的风帆设计源自船帆工艺，故帆船文化也影响了大风车文化，涉及祭祀、挂旗、贴对联等风俗。分述如下。

（1）祭祀与挂旗。

江苏渔民的生活习俗与帆船文化中需要祭祀的场合有二。其一“交船酒”仪式：完成造船后，在交船仪式中，船匠要为新船举行祭祀仪式，求取平安、顺利；在新船下水时，则鸣放鞭炮。其二“装网”仪式：江苏地方称出海捕鱼为“装网”，渔民出海装网时，在习俗上需举行祭祀仪式，求平安、丰收。装网祭祀有三项内容，即挂旗、杀猪、焚香纸。船匠将门旗挂在桅杆顶上，旗上书写“天后圣母，顺风相送”。

大风车组装前也要举行祭祀仪式。2006年7月13日早晨，工头陈亚准备好祭品，包括猪头、猪脚、猪尾巴，筷子、三把香及鞭炮。开始组装前，陈亚将车心石放置在预定位置，在车心石旁设一小香案，上置铁供盘，并在铁供盘正中央放置猪头。猪头下巴两旁摆猪前蹄两只，猪尾巴安置在猪头正后方，一双筷子放在猪右耳朵旁。工头陈亚主祭，焚香祭拜后，他将三炷香插立在车心石上，随后鸣放鞭炮（图4、图5）。同时，工头陈亚与张柏春研究员共同动土，寓意开工。待仪式结束后，工匠们便开始正式组装风力龙骨水车，并在车心顶端的天扁担处系挂上风向旗（图6）。

图4 陈亚师傅布置祭祀仪式现场

图5 祭祀仪式的贡品及大风车公转

图6 工匠系风向旗

上述祭祀的内容其实是江苏地区的帆船文化中“交船酒”和“装网”祭祀仪式的缩影。其中，在车心顶端挂风向旗与出海“装网”时在桅杆顶上挂“门旗”一样，除有观测风力与风向的实际功用外，都有祈求“顺风相送”和“顺风富贵”之意。因此，祭祀和挂旗都是风车文化衍生自帆船文化的证据之一。

（2）对联。

江苏渔民需要装饰或打扮渔船，并张贴对联的场合主要有：新船的“交船酒”仪式，在船的前后上下都有船对，其中在桅杆上书“大将军八面威风”；过年的迎春“挂彩”，除在大桅杆顶端挂上新的红色顺风旗外，船身各部位贴上不同的春联。迎春“挂彩”时，船中间大桅杆联书“大将军八面威风”，船头二桅杆联书“二将军开路先锋”，船尾三桅杆联书“三将军顺风相送”。

陈亚老师傅完成大风车的组装后，在车心上张贴“大将军八面威风”的对联（图7）。这与上述江苏渔民在船只主桅杆上书写“大将军八面威风”对联的习俗相同。由此可见，大风车的车心被视为有如同渔船的大桅杆一样的重要性。大风车车心上书“大将军八面威风”对联具有三重意义：其一，同渔船的对联一样，为祈求大风车运转平顺与平安、丰收；其二，“大将军八面威风”的对联可视为风车文化衍生自帆船文化的线索之一；其三，喻示大风车的八面风帆可接受四面八方的来风，自动迎风运转。

图7“大将军八面威风”联

2.性别文化

中国传统文化蕴含了“男主外、女主内”的性别分工，以及以男性为主的传宗接代观念等的性别文化。大风车的制作及其相关文化呈现了这种性别文化。

在整个大风车和龙骨水车的制作和组装过程中，风篷或布帆都是由女性来编织或缝制的，木作加工和组装以及铁件的铸造和锻造等核心技术则由男性掌握和完成，由此形成制作大风车的性别分工。根据记载，苏北的木匠店大多由男性专营，规模大者成为木匠作坊，能雇佣木匠；规模小者常为夫妇合作，自产自销。大风车的尺寸大，木匠作坊才能制作，因此风车木工的技术自然集中于男性手中。编织业为当地农民的副业，分散在农村各地，多是妇女在农忙之余编织产品，编织产品包括蒲包、蒲鞋、蒲席、蒸笼垫及蒲篷等。

在本次田野调查中，团队采访了曾经管理大风车的刘于柱师傅，了解到早期社会对于大风车底部的公转有一个迷信的说法。公转是在车心石上支撑车心母转的铁柱轴承，因其形似男性生殖器官（图8），当地人相信把这块铁器放在家里的床头可以保佑生育男性后代。如果没人看守风车，这块铁件容易被窃，由此可以反映出当时苏北社会以男性为主的传宗接代观念是根深蒂固的。

图8 大风车的公转（下）和母转（上）

3.产业化文化

龙骨水车一度是中国主要的提水与灌溉装置。在沿海的盐场以及江浙地区的农田，因当地有丰富的风力资源，故风力龙骨水车被普遍使用。长久以来，这些地方形成了大风车产业化的灌溉文化。

当地看管过大风车的刘于柱师傅说：“以前风车主要有立帆式大风车、五拨（卧轴）风车、牛拉风车、滚子风车、人工风车5种，风车的使用与日常管理都需要有专人负责。风车通常在3～4级风下使用，每分钟转5～6圈。如果超出正常转速或黑风来临，需要及时下降帆的高度或调节帆脚绳来保护风车。大风车一天浇灌稻田50～60亩，其他风车浇灌30～40亩。风车的使用时间通常在每年的6—9月。风车不需使用时，将帆放下收起或用其他遮阳物将帆盖好以便延长使用寿命。”因此，每部风车都要有专人负责看管，使用时须随时关注风力的变化，并兼顾安全等因素。即要因应风力大小来调整风帆的角度和高度；若风力不足时，则必须改用牛拉或人力推动大风车。

沿海盐场整年都需要使用风力龙骨水车提水，而稻作区的农田主要是在清明到白露期间使用，其中6—9月间更是提水量大的灌溉期，之后则是大风车的维护期。在维护期利用农闲工匠进行大风车和水车的整修，包含风篷的修护和制作。

苏北地区的大风车的使用数量非常大。以里下河地区为例，该地区耕地超过1000多万亩，以每一大风车每日灌溉60亩稻田的能力估算，所需的大风车便是数以万计，故而当地形成了大风车的相关产业链，如大风车的制造和修护技术对于木工、编织和铁工等产业的需求，以及大风车运转所需要的专业管理员。

相较人力龙骨水车，大风车的制造与维护成本高，并非一般小农可以承担的。大风车一般为大地主、富裕盐商所有，或为农村集体合作互助制作、使用，如明代童冀的《水车行》曾说：“一车之力食十家，十家不惮勤修车。但愿人常在家车在轴，不愁禾黍秋不熟。”故苏北人以前对财主的衡量标准是“家中有房、船、牛、车”，其中的“车”便指驱动龙骨水车的大风车。