我國古代帝王為求風(fēng)調(diào)雨順、國泰民安，往往通過祭天的方式，試圖與天“對話”，并表達(dá)對“天神”的崇敬和祈盼之情。位于北京市天壇公園內(nèi)的圜丘壇，始建于明嘉靖九年(1530)，清乾隆十四年(1749)重建。壇分三層，直徑約54.9米，壇總高約5.2米，為明清帝王在冬至日祭天的場所。圜丘壇的設(shè)計(jì)，從建筑數(shù)字、建筑功能、建筑造型等方面巧妙地融入古代科學(xué)知識(shí)和哲學(xué)思想，是我國古代建筑設(shè)計(jì)智慧的典范。

　　首先，圜丘壇的設(shè)計(jì)中大量融入了數(shù)字“9”。古人認(rèn)為，“9”為的天數(shù)，寓意至高至大。從地磚數(shù)量來看，圜丘壇每層地磚由9圈石塊鋪墁而成，每圈石塊的數(shù)量是9的倍數(shù)。其中，頂層天心石周邊有9塊石塊，構(gòu)成第1圈;由此向外擴(kuò)展，每圈石塊數(shù)量比前一圈數(shù)量多9塊，至底層最外圈即第27圈時(shí)，其含石塊243塊。之所以每層地磚為9圈，是因?yàn)楣湃苏J(rèn)為天有九層，俗稱“九重天”。從欄板數(shù)量來看，圜丘壇頂層欄板有36塊，中層欄板有72塊，底層欄板有108塊，每層欄板均為9的倍數(shù)。上述欄板總數(shù)為216塊，與《周易》所載“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，從臺(tái)階步數(shù)來看，圜丘壇在4個(gè)方向均設(shè)有上下各層壇的臺(tái)階，每層臺(tái)階的數(shù)量是9級，符合“天數(shù)”的值。

　　從建筑構(gòu)件尺寸來看，數(shù)字“9”得以大量運(yùn)用，且與數(shù)字“5”巧妙組合，以表達(dá)“九五”“至高無上”的思想。如天心石寬度為0.95米，圜丘壇每層欄板的高度也為0.95米。另圜丘壇頂層直徑是9丈，中間層直徑為15丈，底層直徑為21丈，合計(jì)45丈。由于數(shù)字“45”由“9”“5”相乘而成，因而圜丘壇的總平面尺寸亦與“九五之尊”含義相符。需要說明的是，此處“丈”的尺寸確定依據(jù)為黃鐘律尺，1丈等于10律尺，約等于2.6米。古人以黃鐘律尺作為度量衡的標(biāo)準(zhǔn)，1律尺長度等于0.81倍營造尺長度。數(shù)字“81”為九九相乘，因而又強(qiáng)化了數(shù)字“9”的運(yùn)用。圜丘壇在營建上創(chuàng)造了“9”的數(shù)字神話，體現(xiàn)了我國古代工匠高超的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　其次，圜丘壇可產(chǎn)生回聲效果。圜丘壇的最上層正中心有一塊扁圓柱體狀石塊，被稱為天心石。古代帝王祭天時(shí)，站在天心石上說話，會(huì)產(chǎn)生嗡嗡回響，猶如在與天神“交流”，營造出“天人合一”的意境，極具神秘感，這也成了封建帝王自認(rèn)為君權(quán)神授的表現(xiàn)形式�？茖W(xué)研究表明：天心石的傳音原理在于圜丘壇地面及周邊欄板對聲波的反射。天心石位于圜丘壇的正中位置，且由于周邊的欄板為圓形排列，因而天心石其到四周地面、欄板的距離是相等的，且除了欄板和地面，沒有任何阻礙物。在這種條件下，當(dāng)人站在天心石上說話時(shí)，聲波經(jīng)過光滑的臺(tái)面和四周欄板的反射，其中的大部分仍能夠回聚到原始發(fā)聲位置。由于圜丘壇的半徑相對較小，聲波反射過程所需時(shí)間不需要1秒鐘，因而與原音很快產(chǎn)生疊加，使人感到發(fā)聲更加宏亮和渾厚。另外，由于聲波的反射從四面八方匯集，因而各個(gè)方向的回聲在天心石匯聚時(shí)，又能產(chǎn)生“一呼百應(yīng)”的聲響效果，而說話者很難分辨出原始聲音和回聲。可以認(rèn)為，天心石實(shí)質(zhì)是古代工匠營建智慧的反映。

　　其三，圜丘壇的建筑造型充分表達(dá)了“天人合一”的意境。從平面形狀來看，圜丘壇各層平面為圓形，這與古人“天圓地方”的樸素宇宙觀相符合。在這里，之所以用“方”來表示大地，是因?yàn)榉叫慰梢员磉_(dá)東、西、南、北四方的思想。從立面造型看，圜丘壇的三層圓壇由下往上逐層收縮，體現(xiàn)了“天人合一”的意境。一方面，“三”是古人“天人合一”思想的一種重要表現(xiàn)形式，如東漢文字學(xué)家許慎所著《說文解字》卷一載有“三，天地人之道也”;另一方面，層層收縮的圓形還表達(dá)了生命的流轉(zhuǎn)、宇宙萬物生生不息的意境。圜丘整體造型簡樸，上覆天宇而下承黃土，是人工建筑融于宏大宇宙的豐富想象力體現(xiàn)。

　　此外，從建筑規(guī)劃來看，圜丘壇周邊的柏樹郁郁蔥蔥，給人以林中空地上土丘壇祭祀之感，烘托出圜丘壇莊重和森嚴(yán)的氛圍。從建筑色彩來看，白色的圜丘壇寓意圣潔和端莊，而其周邊壝墻采用藍(lán)色的瓦頂，正是與藍(lán)色的天空呼應(yīng)。

　　綜上所述，圜丘壇的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了古代數(shù)學(xué)、物理學(xué)等知識(shí)在建筑上的科學(xué)運(yùn)用，其中亦包含了豐富的古代哲學(xué)思想，反映了我國古代工匠卓越的建筑智慧。