蘇頌等人建造的水運儀象臺臺高三丈五尺六寸多，相當於三、四層樓那麼高，分為三層：最上一層有一個小木屋，屋中安裝有渾儀和圭表。當用渾儀觀測時，小屋屋頂就可以自動打開，露出渾儀。這種裝置可以說是現代天文臺活動屋頂的鼻祖。第二層是渾象，渾象的圓球上鑄有283個星官，共計1464顆恒星，用28條經線將28宿隔開。渾象圓球裝在地櫃中，一半露在櫃外，代表著地平線上的半個天空。最下層就是複雜的報時系統，它有五層小木閣，每個小木閣中都有不同數目的小木人。第一、二、三層中的小木人負責報告一天內的時辰和時刻，四、五層中的小木人負責報告夜裡的時辰和更點。
整個水運儀象臺以漏壺中的水為驅動力，通過一套傳動裝置和一個機輪聯結在一起，與天球同步運轉，逼真自動地演示了天象的變化。
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