Albert Koenig 教授,奧地利籍,現居德國柏林。1972 年於國立菲律賓大學洛斯巴尼奧斯分校 (University of the Philippines at Los Baños) 農業工程學士畢業,1974 年取得美國紐約康乃爾大學 (Cornell University) 農業工程碩士,1976 年於同校取得環境工程博士。五十年前於菲律賓大學結識第三屆中央研究院院士王世中先生(1913-1985,專攻土壤學)。1992 年任職香港大學土木工程系,2009 年退休後,曾於 2009 至 2010 學年任義大利帕多瓦大學 (University of Padua) 訪問教授,自 2009 年起任香港大學土木工程系兼任教授 (Adjunct Professor),同時是香港工程師學會 (HKIE) 和國際水學會 (IWA) 會員,專業領域為廢水規劃與管理、環境管理、城市代謝、古代文明的水和廢水技術,研究噴泉和鳥譜是 Koenig 教授的興趣。近年的論文反映其研究成果,例如 “Anmerkungen zur Wasserkunst von P. Michel Benoist S.J. 蔣友仁 (1715-1774) in den Xiyanglou 西洋樓 des Yuanmingyuan 圓明園”, in George Robert Loehr jr. (1892–1974) und die Forschung über die Pekinger Jesuitenkünstler: Quellen und Materialien in deutscher Sprache (Norderstedt: Books on Demand, 2019) 和 “Hydrotechnical activities of Ferdinand Verbiest S. J. and other Jesuits in China”, in Catholicism’s encounters with China. 17th to 20th century (KU Leuven: Ferdinand Verbiest Institute, 2018),以及會議論文 “Western books on hydraulics in the historic Beitang Library of the Jesuits in Beijing, China (1583-1773)” (2014) 等。

西洋樓水法興建背景

Koenig 教授開場介紹乾隆皇帝 (1711-1799) 興建西洋樓水法的背景。乾隆十二年 (1747) 某日,乾隆皇帝閱覽繪製歐洲花園和水法的法國銅版畫後,詢問耶穌會義大利傳教士郎世寧 (Giuseppe Castiglione, S.J., 1688-1766) 是否有擅長建造水法的傳教士?郎世寧推薦當時年輕的耶穌會法國傳教士蔣友仁 (Michel Benoist, S.J., 1715-1774) 擔此重任。Koenig 教授表示,儘管我們無法確知乾隆皇帝閱覽過哪幅版畫,從路易十四 (Louis XIV, 1638-1715) 曾經致贈歐洲版畫給康熙皇帝 (1654-1722) 這一史實或可得知,乾隆皇帝看到的版畫很可能與巴黎凡爾賽宮 (Château de Versailles) 歐式噴泉版畫有關。西洋樓景區 (European Palaces) 座落長春園北端,建造期分為兩階段:乾隆十二年到乾隆十六年 (1751),以及乾隆二十年 (1755) 到乾隆二十四年 (1759)。Koenig 教授強調,乾隆皇帝建造西洋樓的原因是「水」,西洋樓建築群僅為附屬,然大部分研究者大量書寫建築,極少關注水。

蔣友仁 1715 年生於法國狄戎 (Dijon),約 1735 年赴巴黎 (Paris),1737 年加入耶穌會研讀物理、數學和天文學,1744 年抵達中國學習中文,1745 年(乾隆十年)以數學家身分入職清宮。蔣友仁的工作包括繪製世界和中國地圖、觀測天文星象、翻譯中國古籍,以及為乾隆皇帝安排法國銅版畫印製事宜等;此外,蔣友仁還將天文學理論——哥白尼 (Nicolaus Copernicus, 1473-1543)「日心說」介紹至中國。至於當時如何決定由蔣友仁肩負水法設計重任?Koenig 教授推測,蔣友仁是北京耶穌會士之中初來乍到,尚屬年輕的一位,年長者將不想從事的工作交付年輕者的潛規則也適用此事,儘管蔣友仁沒有水力機械訓練背景,仍被賦予重任,他非常年輕即逝世,很可能與他過度從事專業以外的清宮重任有關。蔣友仁墓碑原存放北京正福寺,今佇立北京石刻藝術博物館。

水法設計與興建的水力知識史

西洋樓第一建造階段 (1747-1751) 首要處理的問題是沒有自然的高山地勢供水力利用,為此蔣友仁設計一幢可以提高水位到一定高度來藉此形成水勢高低差的蓄水樓(法文的蓄水樓有城堡之意),一方面作為儲水處,另一方面設置管路系統和水力機械,耶穌會傳教士稱此一機械裝置為 machine du val de Saint-Pierre。水法系統設計和歐洲噴泉系統無異,水力機械將水打高到蓄水池後連接水管,最後傳至噴水器形成噴泉。這一階段的噴泉系統相當簡單,蓄水樓位於諧奇趣西北側,水法位於諧奇趣前方。水法噴泉嘴的銅製動物最為知名,現於北京大學未名湖的「翻尾石魚」即原為諧奇趣水法構件,當時能噴出最高泉水,而噴泉高度不可能超過蓄水池,因此蔣友仁需要實驗計算蓄水池高度、如何設計噴泉以及噴泉水量。對照凡爾賽宮噴泉池的「海豚石魚」(Fontaine Bosquet du Dauphin) 形態非常類似「翻尾石魚」,對歐洲而言,這類海豚生物象徵活躍,海豚噴泉也極其普遍,十足巴洛克風格。

接著,Koenig 教授引用英國曼徹斯特大學萊蘭茲圖書館 (John Rylands Library, The University of Manchester Library) 館藏《圓明園西洋樓銅版畫》(engravings of European Palaces in Yuan Ming Yuan) 之蓄水樓【圖一】詳細說明。建築立面開設無玻璃花窗,一側窗內顯露水力機械 “du val de Saint-Pierre” 支架,當時法國也有類似的機械裝置。1754 年 10 月一封耶穌會法國傳教士錢德明 (Jean Joseph Marie Amiot, S.J., 1718-1793) 寄回歐洲的書信,內載蔣友仁設計著名的水力機械。法國國家圖書館 (Bibliothèque nationale de France) 館藏一幅水墨紙本「圓明園和西洋樓景區平面圖」長卷 (“Plan of a large section of the Park of Yuanming Yuan, known to Europeans as the ‘Versailles of China”, ca. 1787 ),中文標記「蓄水樓東面三」,再以法文說明蔣友仁設計 “du val de Saint-Pierre” 機械,推測這張設計圖是法國耶穌會士從北京寄回巴黎。

Albert Koenig(黃立人)教授-歐洲耶穌會傳教士設計的西洋樓水法系統【講座紀要】-梦回圆明园

【圖一】 Close-up view of Xushuilou (「蓄水樓東面三」局部)

Koenig 教授再援引法國國家圖書館藏 “La Chartreuse du Val Saint Pierre près de Vervins en Thierache”(1716) 【圖二】加彩版畫,繪有位於法國韋爾萬 (Vervins) 聖皮耶修道院旁的建築設置汲水機械 (water-lifting machine),可將水汲到四十八公尺高處供用(此建物法國大革命時期已銷毀殆盡,現址不存,僅剩石頭)。同一時代著名的法國工程建築師 Bernard Forest de Bélidor (1697-1761) 著作 Architecture hydraulique, ou, L’art de conduire, d’elever et de menager les eaux pour les différens besoins de la vie (1739) 闡明如何製作水力機械【圖三】,並記載二十三頁修道院汲水機械的紀錄和計算,例如圖解汲水機械各部位,以及計算動物做圓周運動轉換成水力機械的動能,儘管單一泵體積小,然而多泵運作能提高效能,並運用數學解決水力學技術問題。此書當時相當知名,1764 年出版德文本,蔣友仁很可能參照它對韋爾萬修道院的汲水機械說明,來設計蓄水樓與水力機械。在此之前,英國男爵莫蘭 (Sir Samuel Morland, 1625-1695) 發明新泵——柱塞型抽水機 (plunger pump, 1675),他曾聽聞法王路易十四需要水力專才並取得路易十四贊助合約,寫下法文書 Elevation des eaux par toute sorte de machines, reduite à la mesure, au poids, à la balance, par le moyen d’un nouveau piston & corps de pompe, & d’un nouveau mouvement cyclo-elliptique, en rejettant l’usage de toute sorte de manivelles ordinaires: Avec huit problemes de mechanique proposez aux plus habiles & aux plus sçavans du siecle, pour le bien public (1685)。北京耶穌會圖書館曾館藏男爵莫蘭這本著作,此書介紹環形橢圓運動 (cyclo-elliptic movement) 原理和新泵發明,研究者發現書中多處註記拉丁文筆記,推測可能是蔣友仁研究字跡,此外,此書早於 Bélidor 著作,Bélidor 關於機械製作原理的闡述應參考過男爵莫蘭的環形橢圓運動理論。Koenig 教授特別說明,儘管前述書籍提供圖解、描述說明和計算,若非機械工程師專業背景,複製相類水力機械的難度非常高,蔣友仁製作泵一事可謂極大挑戰。

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【圖二】 La Chartreuse du Val Saint Pierre près de Vervins en Thierasche. Levé et dessiné par Mr de Hangest Seignr de Fantigny en 1716.

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【圖三】 “Plan of water lifting machine at Chartreuse du Val Saint-Pierre” 

(「聖皮耶修道院汲水機械設計圖」)

Koenig 教授進一步深入解釋排量式往復泵的兩種類型及原理。當「盤塞泵」(piston pump) 的活塞移動時,水從下方閥進入泵缸,活塞往上移動下方閥關閉,出口閥打開活塞往下,吸入的水被壓出泵缸;「柱塞泵」(plunger pump) 原理類似「盤塞泵」,但「柱塞泵」產生的壓力較大,水量輸送小於「盤塞泵」。泵的運作動力由馬轉動軸汲水,這套水力系統當時相當普及。然而我們如何得知蓄水樓使用哪一種泵?Koenig 教授認為,我們目前無法確知,但從蔣友仁參照當時法國韋爾萬修道院先進的 Bélidor 水力機械設計圖繪,採用「盤塞泵」這一點看來,推測蓄水樓應為相同設計。這本著作曾藏於北京耶穌會圖書館,現已不存,是唯一確知有水力機械圖繪的重要參考文獻。

與此相關的水力機械驅動力,Koenig 教授提出馬是在蓄水樓二樓還是一樓的配置問題。大部分研究者抱持馬位在頂樓的觀點,Koenig 教授認為並非如此,理由是:一、要運送馬上樓,二、若蓄水池位在二樓,如此一來無法產生噴泉水壓;此外,銅版畫顯示頂樓空間無法容納馬動力的運作。Koenig 教授的觀點為蓄水池位在上層,而馬在下層運作,要將水汲於高處儲放來產生噴泉,因此馬的位置不能高於蓄水池。此一觀點透過說明十七世紀義大利汲水機械運作之圖說 (Giovanni Battista Aleotti, Gli artificiosi, e curiosi moti spiritali di Herone, Bologna: Carlo Zenero, 1647)【圖四】,並比較郭黛姮、賀豔《圓明園的「記憶遺產」:樣式房圖檔》(杭州:浙江古籍出版社,2010)收錄〈蓄水樓和諧奇趣水系統〉【圖五】而 Adam 著作的部分地圖資料是出身北京海淀建築世家金勛 (1882-1976) 提供。此外〈蓄水樓和諧奇趣水系統〉平面圖繪製三條獨立供給水道,提供我們蓄水樓運作資訊。

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【圖四】 “Water lifting machine using common crankshaft to drive pumps”,

(「柄軸驅動泵汲水機器圖」) 【圖五】 〈蓄水樓和諧奇趣水系統〉(Xushuilou and the Water system of Xieqiqu)

另一個問題是,蔣友仁如何實驗計算水量?法國神父暨物理學家馬略特 (Edme Mariotte, ca. 1620-1684),同時是巴黎科學院的成員,他為路易十四提供噴水器,路易十四建造凡爾賽宮花園噴泉之時尚未知道噴泉需要多少動能、多少水量、如何設計噴水器。馬略特著有 Oeuvres de Mr. Mariotte, de l’Académie Royale des Sciences: Divisées En Deux Tomes, Comprenant tous les Traitez de cet Auteur, tant ceux qui avoient déja paru séparément, que ceux qui n’avoient pas encore été publiés (1717) 一套二書,詳細紀錄他對不同種類的泵和水運作之系統實驗,亦測量不同噴嘴尺寸,這套法文書收藏在北京法國耶穌會圖書館,北堂亦館藏德人 Christian Wolff (1679-1754) 翻譯的拉丁文本,這套書對蔣友仁至關重要。

        至於蓄水池如何建造?Koenig 教授引用十八世紀 Gilles de Mortain 所著 Les Plans, Profils, Et Elevations, Des Ville, Et Château De Versailles: avec les Bosquets, et Fontaines, tells quils sont a present, levez sur les Lieux, Dessinez et Gravez en 1714 et 1715 (Paris, 1715) 一書收錄「凡爾賽宮蓄水樓立面圖、一樓平面圖和蓄水池剖面圖」(1684 年建)【圖七】,這幢建築設計三層樓,水池配置在最上層,其他兩層閒置,外觀像是一座城堡,內部存放大量的水(1200 立方公尺)。Koenig 教授比較北京蓄水樓和巴黎蓄水樓,得出兩者蓄水池皆位於建築最上層的結論。Koenig 教授又根據 Bélidor 記錄 machine du val de Saint-Pierre 的計算,換算長春園蓄水樓的海拔、動物或人類的動能來計算水利系統需耗費多少時間注滿每一百立方公尺的蓄水池,得到不可能無間斷持續操作的結論。當時情形可能是,路易十四或乾隆皇帝觀看各處水法時,一旁隨侍指示開啟或關閉噴泉調節閥。值得留意的是,北京耶穌會圖書館收藏有 Cornelis Meijer (1640-1694) 著 L’arte di restituire à Roma la tralasciata navigatione del suo Tevere (1685) 一套書,Meijer 是位荷蘭工程師,長年在義大利羅馬 (Rome) 發展職涯,書內附圖解說明主力(人、動物、水或風)、水力機械、管線和噴泉的製作【圖八】。

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【圖七】 “Front elevation, ground floor plan, and sectional view of the reservoir in the Château d‘Eau of Versailles, built 1684” (Capacity 1200 m3)

(「凡爾賽宮蓄水樓立面圖、一樓平面圖和蓄水池剖面圖,1684建」,容量1200立方)

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【圖八】 “Schematic of hydraulic system for fountains” (「液壓噴泉系統圖解」)

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【圖九】 “Plan of Haiyantang with fountains” (「海晏堂與噴泉平面圖」)

西洋樓第二興建階段 (1755-1759) 處理海晏堂蓄水池、揚水機 (water-raising machine)、管道系統和大水法自動系統。Koenig 教授比較 Maurice Adam 著作收錄的「海晏堂蓄水池平面圖」(Plan of Haiyantang with fountains) 【圖九】以及「海晏堂西面」 (Haiyantang ximian, west façade of Palace of Calm Seas)【圖十】、「大水法南面」 (Dashuifa nanmian, Great Waters, south side)【圖十一】,蓄水池位於建築最上層,運用揚水機汲水挹注蓄水池。Koenig 教授再比較「海晏堂南面」(Haiyantang nanmian, south façade of Palace of Calm Seas)【圖十二】和法國「皇家宮殿水塔立面圖」(Château-d’eau du Palais-Royal,1714年 Robert de Cotte 建)【圖十三】,皆開七窗,蓄水池設置在最上層,後者工程圖繪收錄於 Jacques-François Blondel (1705-1774) 著 Architecture Françoise, ou Recueil des Plans, Elevations, Coupes et Profils des Eglises, Maisons Royales, Palais, Hôtel & Edifices les plus considérables de Paris (1754),北堂圖書館未館藏這本書,然而十八世紀這類工程知識是專業基礎。由此看來,圓明園至少有兩處水源供給一大一小的蓄水池,可能兩個蓄水池提供不同水法需要的水量。

Albert Koenig(黃立人)教授-歐洲耶穌會傳教士設計的西洋樓水法系統【講座紀要】-梦回圆明园

【圖十】 “Haiyantang ximian, west façade of Palace of Calm Seas” (「海晏堂西面」)

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【圖十一】 “Dashuifa nanmian, Great Waters, south side” (「大水法南面」)

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【圖十二】 “Haiyantang nanmian, south façade of Palace of Calm Seas” (「海晏堂南面」)

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【圖十三】 “Château-d‘eau du Palais-Royal” (「皇家宮殿蓄水樓」) 關於海晏堂如何汲水問題,Koenig 教授認為可能是一套系統——「雙龍鳳車」,依靠多人在車內跑步產生動力以抬起石頭,例如〈巴別塔〉(The Tower of Babel,約 1563)繪製建築右邊第三層的「雙輪踏車起重機」(double treadwheel crane)。明末王徵筆述耶穌會德國傳教士鄧玉函 (Johann Schreck, S.J., 1576-1630) 口譯《遠西奇器圖說錄最》(1627),卷三「轉磨第六圖說」介紹輪外三人腳踏輪周俾使磨轉動,Koenig 教授說明,車外比車內的軸心距離大,能產生較大動力,這張圖是複製 Fausto Veranzio (1551-1617) 著 Machinae novae Favsti Verantii Siceni: Cvm declaratione latina, italica, hispanica, gallica et germanica (1617) 一圖。徐光啟 (1562-1633) 與義大利耶穌會傳教士熊三拔 (Sabatino de Ursis, S.J., 1575-1620) 合譯《泰西水法》(1612),收錄「龍尾車」(螺旋提水車)的製作圖解,此書亦轉譯至日本,例如《佐渡金山金掘之圖》繪製日本人運用「龍尾車」製作機械來抽水析金。中國普遍引水機是四人踩踏的「龍骨車」(踏水車),例如十八世紀複製十三世紀〈耕作圖〉(Freer Gallery of Art 藏)的灌溉一景。然而這類簡易水車系統無法承載西洋樓水法需要較大的動力規模。

海晏堂蓄水池體積為三百一十五立方公尺,約需九小時注滿水;大水法十二獸首銅像,每兩小時各噴泉一次,二十四小時後十二獸首一齊噴泉。蔣友仁如何使之可能?Koenig 教授引用「中國人物和水法自動機械時鐘」,1754 年耶穌會士曾贈送類似的時鐘給崇慶皇太后 (1691-1777)一例,以及法國國王路易十五 (Ludwig XV, 1710-1774) 皇家鐘匠 Julien Le Roy(1686-1759) 製作的巴洛克時鐘,每刻鐘(十五分鐘)和整點能播放不同旋律的音樂,皆使用滾筒機械裝置使之運作。Koenig 教授提示奧地利薩爾茲堡海爾布倫宮 (Schloss Hellbrunn, Salzburg) 水星噴泉 (mercury fountain, c.1615),阿克泰翁 (Actaeon) 和狗造型的噴嘴是按希臘神話故事「獵人阿克泰翁和黛安娜」(Actaeon and Diana,1614) 書籍圖繪製作,今天這座噴泉依舊運行。海爾布倫宮的水力管風琴氣缸筒,每兩小時播放音樂,其閥門機械原理能說明十二獸首水法運作關係。

最後,Koenig 教授提及兩則參觀過西洋樓的見證紀錄。一則是 1753 年(乾隆十八年)葡萄牙大使 Francisco Xavier Assis Pacheco e Sampaio (?-1767) 提到水法,收入 Jean Sylvain de Neuvialle (S.J., 1696-1764) 著作 Relação da jornada que fez ao Imperio da China, e summaria noticia da embaixada que deo na Corte de Pekim em o primeiro de Mayo de 1753, o Senhor Francisco Xavier Assiz Pacheco e Sampayo…escrita a hum padre da Companhia de Jesus, assistente em Lisboa (1754)。另一則出自第六世班禪額爾德尼 (1738-1780),他是乾隆時期西藏政教的靈魂人物,乾隆四十五年 (1780) 七十大壽時,班禪額爾德尼寫下參觀海晏堂十二獸首水法的經歷,此筆引用 Anne Chayet, “Une description Tibétaine du Yuanmingyuan” 一文,收入 Le Yuanmingyuan: Jeux d’eaux et palais Europeens du XVIIIe siecle a la cour de Chine (1987)。