将水能变为机械能，让水力作为动力使机械运转，给机械设计带来了一片崭新的创作天地。尽管古代中国水利机械的部件是由轮、轴、齿轮、杠杆等部件构成，但其创制是人类应用自然资源的成果，反映出设计者的聪明与智慧，综观中国古代水力机械的结构设计，识其大略，主要有如下几种：
1）水轮、主轴、齿轮组合式设计，这种设计是通过水冲激水轮，通过水轮的运转，将水能变机械能，再通过主轴传递给齿轮，齿轮将动力传给加工机械，进行加工。水轮一般都采用竖轮装置。齿轮和加工机械一般都装置在水轮的左边和右边，这种组合形式的设计如“连二水磨”。王祯《农书》载：“引用置闸，随为峻槽，槽上两傍，植木作架，以承水激轮轴，轴腰别作竖轮，用击在上卧轮一磨，其轴末一轮，傍拨周围木齿，一磨既引水注槽，激动水轮，则上傍二磨，随轮俱转，此水机巧异，又胜独磨，此立轮连二磨也。”又如“水转连磨”，同书载：“水转连磨，其制与陆转连磨不同，此磨须用急流大水，以凑水轮，其轮高阔，轮轴围至合抱，长则随宜，中列三轮，各打大磨一盘磨之，周匝俱列木齿，磨在轴上，阁以板木，磨傍留一狭空，透出轮辐，以打上磨木齿，此磨既转，其齿复傍打带齿二磨，则三轮之力，互拨九磨。其轴首一轮，既上打磨齿，复下打碓轴，可兼数碓。或遇天旱，旋于大轮一周列置水筒，昼夜溉田数顷。此一水轮，可供数事，其利甚博。”
2）水轮、主轴组合式设计，这种组合方式的水力机械设计，其能量的转换和传递同与水轮、主轴、齿轮的设计形式一样，只是不用齿轮。水轮，一般采用卧轮。工作机械一般安装在卧轮的上端，直接由主轴带动，如“水磨”。王祯《农书》载：“凡欲置此磨，必当选择用水地所，先侭并岸排水激轮，或别引沟渠，掘地栈木，栈上置磨，以轴转磨，中下彻栈底，就作卧轮，以水激之，磨随轮转，此之陆磨，功力数倍，此卧轮磨也。”又“水轮三事”，王祯《农书》载：“水轮三事，谓水转轮轴，可兼三事，磨、砻、碾也。初则置立水磨，变麦作面，一如常法，复于磨之外周造碾圆槽，如欲毇米，惟就水轮轴首易磨置砻，既得粝米，则去砻置碾、碢干循槽碾之，乃成熟米。夫一机三事，始终俱备，变而能通，兼而不乏，省而有要，诚便民之活法，造物之潜机。”又如“水碓”，亦名翻车碓、连机碓。王祯《农书》载，其设计结构是：“造作水轮，轮轴长可数尺，列贯横木相交，如滚枪之制，水激轮转，则轴间横木，间打所排碓梢，一起一落，舂之，即连机碓也。凡在流水岸傍，俱可设置，须度水势高下为之。”
3）杠杆式设计。这种水利机械的设计是利用杠杆两端平衡的原理设计制作的，它一边注水，一边作工。注水的一端当水注满，重量超过作工的另一端时，注水一端因重量增加而落下来，工作一端上升，而当注水一端下落水溢出时，因重量减轻又上升，工作一端就下落，如此复复，循环不断，出现一上一下不间歇地工作。这是古代利用水力的又一种形式，其典型的加工机械是槽碓。王祯《农书》载，“凡所居之地，间有泉流稍细，可选低处，置碓一区，一如常碓之制，但前程减细，后梢深阔为槽，可贮水斗馀，上庇以厦，槽在厦外，乃自上流用笕，引水注于槽，水满则后重而前起，水泻则后轻而前落，即为一舂，如此昼夜不止，毇米两斛，日省二工，以岁月积之，知非小利。”可谓：“一区机利无时辍，”“代人工力不须傭。”[2]~[7]
4 严格遵循设计规范
严格遵照技术设计的一般程序，并按照设计规范，达到设计的目标，是中国古代机械设计重要特征。我们知道机械设计是设计中的一个部分，它是为了满足机械的某些特定的功能要求所进行的创造性过程，它一般包括机械结构设计、总体、各机械和零件布置，构形和尺寸，参数的确定、计算、优化，机械设计的结果是按比例绘制的总图、部件图，主要零件图和分析计算，等等。遵循技术设计的一般程序是完成设计目标的保证，中国古代机械设计的程序一般表现为根据需要，进行可行性研究，在初步设计阶段，对多解进行科学评价，决定最佳方案，用数学方法来确定参数，此后，进行详细设计阶段，对总体、部件、零件进行具体设计。在完成总体设计之后的改进设计阶段，进行样机的试验与试制，综合评价，最后完成定型生产等。
以11世纪宋代水运仪象台的研制设计过程为例，其详实的技术设计说明可见苏颂奉敕编撰的《新仪象法要》之中。此书于1096年出版，全书三卷，其书之特色，是绘制有大量的古代机械制图的图样，书首列“进仪象状”一文，上卷自浑仪至水趺有机械图样十七幅，中卷是图十八幅，下卷自仪象台至浑仪至表共三十五幅，每幅图样都附有技术说明，“其列玑衡制度，候视法式，甚为详悉。”一读《新仪象法要》这部中国古代重要的机械设计文献，我们便可以清楚地看到古代机械工程设计的具体情况，它恰如水运仪象台的技术设计说明书。苏颂在“进仪象状”里详细地记述了水运仪象台创制任务的提出，以及初步设计阶段的情况，“元祐元年冬十一月，诏旨定夺新旧浑仪。”可知水运仪象的制作，如同我们今天所说的是一项国家重大项目，苏颂奉命召集天文仪器制造设计师查阅档案资料并进行调研。现场考察至道（995－997）和皇祐（1049－1054）置造的新浑仪和熙宁七年（1075）完成的旧浑仪。在可行性研究设计阶段，苏颂访得吏部守当官韩公廉，共同研制，据“进仪象状”称：“韩公廉通九章算术，常以勾股法推考尺度，”苏颂“切思古人”，“因说与张衡、一行、梁令瓒、张思训法式大纲，”韩公廉“据算术，案器象”编制了《九章钩股测验浑天书》一卷，近似我们今天所说的数学计算说明书，完成了设计中各种结构尺寸的确定以及通过计算应取的定量数值。
在改进设计阶段，苏颂主持其中工作，先后按设计方案和计算尺寸制成样机三座。第一个样机是由韩公廉制的“木样机轮一座”，这是最初设计。苏颂认为：“这座木样机轮”，“器范虽不尽如古人之说，然激水运轮，亦有巧思，若令造作，必有可取。”他“遂具奏陈，乞先刨木样进呈，差官试验，如候天有准，即制造铜器。”第二个样机是元祐三年五月，“先造成小样”，第三个样机是在“有旨赴都堂呈验，自后，造大木样。”这一设计阶段已包括由样机的试制与试验，综合评价，定型制作各个部分，将样机试制中暴露的问题，得出的数据能为进一步改进设计提供依据。[8]
宋代水运仪象台的设计与制作，代表了中国古代的机械设计必须遵循的技术设计程序，其设计程序框图如下：




中国古代机械设计程序框图
这些技术设计的一般顺序和现代机械设计程序相比，何其相似乃尔。
中国古代机械工程技术设计一直保持着严格的科学传统，如隋代的何稠，因从事机械方面的设计与制作，官至工部尚书，据《隋书》、《北史•何稠传》所载：何稠在制造黄麾、车、舆、辇、辂之前，“讨阅图籍”，即进行资料方面的调研。在他的设计与制作班子中，还有两位“俱巧思绝人”的黄亘和黄衮二人，“凡有所为，何稠先令亘，衮立样，当时工人莫能有所省益。”可见立样是设计生产的一重要步骤，何稠还设计过五辂，“广为盘舆，别构栏木盾，侍者立于其中，于内复起须弥平生，天子独居其上。……帝复令稠造戎车万乗，钩陈八百连。”古代保存下来的图籍，为何稠“博览”提供了丰富的机械设计参考资料。“凡有所为”、“先令立样”。所谓“立样”即在制作前根据设计的图样制造成样机。《说文》“样，栩实地。”段注：“今人用样为式样字，像之，假借也。唐人式样字从手。”“立样”的出现，说明中国古代机械设计规范的程序化过程，实为机械设计与制造历史上的一个创举。隋唐之际，农业机械层出不穷，其设计、制作已向通用化、规范化的方向发展。，据《唐会要》所载：“大历三年三月，内出水车样，令京兆府造水车，散给郑白渠百姓，以溉水田。”从“出水车样”到“造水车”的记载，说明设计样机这一程序，已是进行批量生产的重要步骤。
5 科学技术与艺术的融合
科学成就至为辉煌的中国机械工程技术，颇多科学技术与艺术相融合的实例，且贯穿于设计的始终，工程图样的绘制可为其代表。在机械设计过程中，图或图样是任何机械在设计阶段的重要组成部分，它是提供信息最为基本的手段。工程图样一般是按一定的比例和按比例绘制的图纸，是用作技术设计阶段进行结构构思和计算的工作基础，也是传递各类技术要求的辅助工具，工程图样为机械设计阶段结束后作为施工的技术文件，它对设计决策的实施起到十分重要的作用。
在中国科技史上，最早既能从事机械设计，又能亲手绘制设计图样的是东汉时期的张衡（78 – 139年）。其在科学上的成就，取决于他具有良好的科学素质和人文素质，按张衡自己的话说是“约已博艺，无坚不钻。”制图源于绘画，善画是张衡取得图学成就的重要原因之一。
张衡的图学实践，候风地动仪之图为其大端，南朝时虞荔《鼎录》中载：“张衡制地动，图记于鼎，沉于西鄂水中。”此图当为张衡制造候风地动仪之图。制作候风地动铜仪之事见《后汉书》本传，“阳嘉元年，复造候风地动仪。以精铜铸成。圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙，机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙发机，而动不觉动，京师学者，咸怪其无征，后数日，驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”
《后汉书•顺帝本纪》载：“阳嘉之年秋七月，史官始作候风地动铜仪。”李贤（654-684年）注曰：“时张衡为太史令作之。”《隋书》有《地动图》一卷，不著撰人，似即此图，盖仪器制作必以图为据，故以《地动图》名书。
候风地动仪早已亡佚，虽北齐时信都芳所撰《器准》，隋初临孝恭的《地动铜仪经》都有图样和制法，但这两部书，都在唐以后，也不知所闻。1962年王振铎先生有张衡候风地动仪设计复原图，其赖范晔所载，幸使此项创造得以流传。
就工程技术而言，张衡设计浑天仪时是具有形制和尺度的，南朝梁陈之际，虞荔与张衡相去不远，其在《鼎录》所载 “张衡制地动，图记于鼎”应为可信的史料。这种“图记于鼎”的做法是中国古代“铸鼎象物”传统的再现，也就是要使图形资料和技术资料永久地保存下来。“张衡制地动，图记于鼎”也为我们研究中国古代科技史和科技档案的管理及其制度提供了实物依据。
张衡的图学之著，史载甚多。综观其图绘之作，有星官之天文图，解释浑仪之浑仪图，解释地理之地形图，有说明地动仪之候风地动仪图，解释太玄之玄图。这些都是图学形象性和直观性的具体体现。若按专业分类，即包括星象图、地理图、机械图、模型图。张衡的图学成果可谓集古代图学之大成，其贡献之大，堪称汉代工程图学的奇迹。
唐人张彦远《历代名画记》卷四：“叙历代能画人名”自轩辕至唐会昌凡三百七十人。后汉仅五人，张衡为东汉六大名画家之一。据载张衡善画，其巧非止于手，运思时亦应乎心。该卷云：张衡，字平子，南阳西鄂人，高才过人，性巧，明天象，善画，累释侍中，出为河间王相，年六十二，昔建州浦城县山有兽名骇神，豕身人首，状貌丑恶，百鬼恶之，好出水边石上，平子往写之，兽入潭中不出。或云，此兽畏人画，故不出也。可去纸笔，兽果出。平子拱手不动，潜以足指画兽，今号为巴兽潭。”文中“以足指画兽”，其注曰：“巧者非止于手，运思时亦应乎心也。”
对绘画重要性的理解，张衡也有自己的认识，在“论贡举疏”中，张衡认为“夫书画辞赋，才之小者，匡国理政，未有能焉。”可见具有绘画的才能是一个人文化素质的重要体现。
张衡善画，特别是他注重绘画的写实现主义作风，对于促进他从艺术的绘画走向科学的工程制图，机械设计的草图、示意图等起到重要的影响。《全后汉文》卷五十四载张衡“请禁绝图谶疏”，其主张“图纬虚妥，非圣人之法”，“宜收藏图谶，一禁绝之”，并以绘画为喻，言图谶之作，“譬犹画工，恶图犬马，而好作鬼魅。诚以实事难形，而虚伪不穷也。”这段文字也是张衡论画的重要见解，“画工恶犬马，而好作鬼魅”，表达了其同韩非子同样的意见。《韩非子•外储说左上》中有：“客有齐王画者，齐王问曰：画孰最难者，曰：犬马最难，孰易者，鬼魅最易，夫犬马，人所知也，旦暮罄于前，不可类之。故难，鬼魅，无形者，不罄于前，故易之也。”韩非，张衡强调写实的重要性，是因为绘画的对象是实物，作图者对所绘对象应如实写实出，描摹逼肖，不尚空想，才能体现绘画的作用，这种写实的作风对工程制图是很有实际意义的。
张衡论天象时有浑仪图注，言地理时有地形图。天文仪器的设计需要数学的推导和演算，工程图样的绘制需要简洁精确的形式化的语言。张衡“运情机物”，非凭“才高于世”，而是依靠他卓越的数学基础，促成他完成“奇技伟艺”的发明创造。《后汉书》本传载张衡“作浑天仪，著《灵宪》，《算罔论》，言甚详明。”唐李贤注此云：“《衡集》无《算罔论》，盖纲络天地而算之，因名焉。”《算罔论》是张衡的数学著作，为其著三十二篇之一，今已不传。因其重玄，尝与崔瑗书，推崇太玄，并为作玄图，为思玄赋。玄极为罔，罔者无也，即易之无极。《算罔论》一书，“纲络天地而算之”，是否为推算天体运动发展的数学理论和推演无极之数学哲学，尚待进一步研究。
清人洪颐煊（1765-？年）认为：“《九章算术》刘徽注引《张衡算》谓：‘立方为质，立圆为浑。’又言：‘质六十四之面，浑二十五之面。’又云：‘方八之面，圆六之面。’皆疑《算罔论》之文”。刘徽注所引《张衡算》，亦许为其《玄图》之文；亦待进一步研究，以俟续考。张衡作《玄图》，必有文字说明，说明文字中，亦有算法，宋人张行成，尝作《翼玄》，援引《玄图》之文，并有计算之法。
在古代机械工程与制造中，使用比例的方法，在汉代已多在记载。特别是张衡在天文仪器的设计与制造已明确地按规定的比例尺寸进行制作的事实，据《晋书•天文上》“仪象”载：汉顺帝时（126-144年）“张衡又制浑象，具内外规，南北极，黄赤道，列二十四气，二十八宿中外星官及日月五纬，以漏水转之于殿上室内，星中出没与天相应，因其关戾，又转瑞轮蓂荚于阶下，随月虚盈，依历开落。”张衡之后，三国时期的陆绩（187－219年）亦造浑象。吴国的中常侍卢江王蕃善数术，传刘洪《乾象历》，王蕃依其法而制浑仪，立论考度。他经测量，得出“古旧浑象以二分为一度，凡周七尺三寸半分，张衡更制，以四分为一度，凡周一丈四尺六寸一分。”故而王蕃“以古制局小，星辰稠概，衡器伤大，难可转移，更制浑象，以三分为一度，凡周天一丈九寸五分四分分之三也。”由文中所载古浑象以二分为一度与张衡更制以四分为一度所得之周长，恰成比例关系。
《全后汉文》载张衡“扇赋”，有“乃画象而造仪，惟规上而矩下。”表现了在科学实验和发明创造中，严格遵循的技术路线，即先把技术思想和设计思想用图样绘制出来，然后按照图样施工，“规上”，“矩下”。崔瑗称张衡“奇技伟艺；磊落焕炳”。“术数穷天地，制作侔造化”，这是毫不夸张的。应当承认，张衡所具有的人文素质是今人所不能企及的。
固然，张衡有超人的天赋，而实现天赋，则是他刻苦自学。不论是其研究科学，图学，抑或文学，哲学，一概如此。《后汉书•张衡列传》“论”后有“赞”，用词仅二十四字，其“赞”曰：“三才理通，人灵多蔽。近推形算，远抽深滞。不有玄虑，孰能昭晰？”“近推形算”的“形算”，有如我们今天所说的数学所具有的抽象性和直观性，形为图之始，形就是图，概言之古人所云形者，就是图学，“玄虑”就是深思，就是刻苦自学的运动，所谓刻苦自学，就是时时刻刻都在深思，都在思考，如何实现科学与艺术的融合。范晔自己评价《后汉书》里的“赞”词曾说：“赞自是吾文之杰思，殆无一字空设，奇变不穷，同含异体，乃自不知所以称之。”《张衡列传》的“赞”就是明证，这二十四字“无一字空设”，最后八字“不有玄虑，孰能昭晰？”如同画龙点睛，突出“玄虑”，点出了张衡在科学，图学，乃至文学，哲学研究中取得巨大成就经验的精髓。