手工木工制作：木材的基本知識(shí)

材料篇木材是人類最早接觸的建造材料之一，從人類走出洞穴進(jìn)入農(nóng)耕文明，即開始利用木材建造房屋。“大興土木”這個(gè)成語告訴我們，“土”和“木”自古以來便是土木工程（包括建筑工程）的兩大主材。事實(shí)上，“土木工程“（civilengineering這個(gè)詞本身就出自于這個(gè)成語。中國(guó)人使用木材建造房子的歷史非常悠久最，早可追溯到距今7000年前的河姆渡人用木材搭建的干闌式建筑這。種貌似簡(jiǎn)易的庇護(hù)所被后世視為木結(jié)構(gòu)的雛形。圖1-1干欄式建筑此后，以木材為主的建造技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。大約3500年前便形成了以榫卯連接為標(biāo)志的木結(jié)構(gòu)體系。到唐代已趨于成熟，宋代李誡所著《營(yíng)造法式》一書，從建筑、結(jié)構(gòu)到施工，全面系統(tǒng)地論述了我國(guó)古代的木結(jié)構(gòu)建筑。雖然歷史如此悠久，但現(xiàn)存于世、保存較好的木結(jié)構(gòu)建筑可謂鳳毛麟角，難覓其蹤。位于山西五臺(tái)山的佛光寺東大殿可謂屈指可數(shù)的幸存者。該建筑始建于晚唐（公元857年），至今已有1160余年，被著名建筑學(xué)家梁思成譽(yù)為“中國(guó)建筑第一瑰寶”。為什么稱佛光寺東大殿為中國(guó)第一國(guó)寶，梁思成原話是這樣說的：“除殿本身為唐代木構(gòu)外，殿內(nèi)尚有唐塑佛菩薩像數(shù)十尊，梁下有唐代題名墨跡，棋眼壁有唐代壁畫。此四者一已稱絕，而四藝集于一殿，誠(chéng)我國(guó)第一國(guó)寶也?！眻D1-2佛光寺東大殿夜景 圖1-3世界上現(xiàn)存最古老最高純木結(jié)構(gòu)建筑—應(yīng)縣木塔那么為什么中國(guó)古代那么多木結(jié)構(gòu)建筑物都沒有保存下來呢？又為什么東大殿和應(yīng)縣木塔得以如此完好地保存下來了呢？讓我們一起來了解一下木材的基本知識(shí)吧。木材的基本知識(shí)在中國(guó)，以“木”為偏旁的字?jǐn)?shù)以千計(jì)，這無疑體現(xiàn)了中國(guó)古代人在生活里對(duì)木材的熱愛與執(zhí)著。在這些字中，有400多個(gè)與建筑和房屋有關(guān)。漫長(zhǎng)的中國(guó)建筑史上，除橋梁、紀(jì)念碑和墳?zāi)?，中?guó)人一直用木材作為建筑的主要材料。為何中國(guó)人喜歡用木材？這其中包含了多重因素：氣候、地理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、文化，甚至風(fēng)水在內(nèi)。并且象征著萬物生長(zhǎng)、欣欣向榮的自然力量。在農(nóng)業(yè)社會(huì)，在人口不斷繁衍的住宅周圍種下小樹是很方便的事。因此，木不僅是一種商品，還意味著生活中那種實(shí)實(shí)在在的感覺，以及人們追求的理想。在人類文明史中，木材一直被作為構(gòu)建人類生活環(huán)境的基本材料，廣泛應(yīng)用于建筑、家具、園林、裝飾裝修、日常生活等各個(gè)方面。而中國(guó)人更是自先人開始就對(duì)木質(zhì)材料似乎有一種特殊的偏愛。一、樹木的組成樹木是由樹根、樹干、樹冠三部分組成的。1.樹根樹根是樹木的最下部，即地下部分，占立木材積5%~25%，其作用是：（1）從土壤中吸收水分和礦物質(zhì)，沿樹干由下向上運(yùn)送到樹枝和樹葉，借助于光和葉綠素進(jìn)行光合作用，制成有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，再沿樹干韌皮部向下運(yùn)到樹干根部。（2）貯藏由樹干韌皮部下降的備用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。（3）穩(wěn)定樹干，把樹木固定在土地上，保持樹木的穩(wěn)定生長(zhǎng)。另外，樹根在利用上多作薪材，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步，樹根也成為藝術(shù)之品的好材料—根雕，也有的樹根如松樹伐根，可提取松節(jié)油和松香等。圖1-4錯(cuò)綜復(fù)雜的樹根 圖1-5樹干2、樹干樹干是構(gòu)成樹木的最主要部分，即樹木的木材部分，占立木材積的50%~90%，其作用是：（1）樹干和樹根結(jié)成一體，支撐樹冠。（2）從樹根向上輸送水分和礦物質(zhì)，再?gòu)臉涔谙蛳陆?jīng)韌皮部運(yùn)送有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。（3）貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供樹木生長(zhǎng)和繁殖使用。另外，樹木形成的木質(zhì)部以樹干為最多，木材主要來自樹干，具有重要的使用價(jià)值。3.樹冠樹冠是樹枝和樹葉的總稱，位于樹木的最上部分，占立木材積的5%?25%，其作用是：（1）樹葉用從空氣中攝取來的二氧化碳和經(jīng)樹根從土壤中吸取來的水分和礦物質(zhì)，在陽光的輻射下、借助于葉綠素進(jìn)行光合作用，經(jīng)光合作用制成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供樹木生長(zhǎng)需要。（2）樹枝可以上下輸送、貯藏水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且支持樹葉。另外，樹枝除可作小徑木外，一般多為薪材，但隨著剩余物利用手段的增加，樹枝也可用作削片、造紙、纖維板、刨花板的原料；樹葉可作飼料，也可從中提取化學(xué)藥品二、木材的構(gòu)造樹木是生物體，是由無數(shù)個(gè)形狀各異、大小不同、排列方式不同的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞呈立體狀態(tài)存在于木材組織中，因此為了正確地了解木材的構(gòu)造，必須將一段木頭剖切開來，剖切位置不同，呈現(xiàn)的內(nèi)容亦不同。1．木材三個(gè)切面垂直于樹干主軸剖切形成的切面是橫切面。從這一切面上可以清晰地看到自中心（學(xué)名髓心）向邊緣（即樹皮）蕩漾開來的一圈圈“漣漪”——樹木的年輪。年輪之謂，一年一輪也！根據(jù)年輪的數(shù)目便可知道樹齡。這三個(gè)切面分別是橫切面、徑切面、弦切面。其中，橫切面是木材的最重要切面。圖1-6木材的橫、徑、弦三個(gè)切面（1）橫切面，與樹干主軸相垂直的切面稱為橫切面。除年輪之外，木材紋理的特征都暴露在這個(gè)切面上，橫切面是識(shí)別木材最重要的切面，這個(gè)切面硬度大、耐磨損，可做鋪路木塊。（2）徑切面，與樹干主軸相平行，并且通過髓心的切面稱為徑切面。此切面板材收縮小，不易翹曲，適合做木尺和樂器共鳴板等。（3）弦切面，與樹干主軸相平行，不通過髓心且與年輪相切的切面稱弦切面。它是一個(gè)年輪的切線，又是另一個(gè)年輪的弦線。在不同的切面上可以觀察到木材的不同結(jié)構(gòu)。如橫切面上可以觀察到木射線的寬度和長(zhǎng)度以及木材細(xì)胞間的相互聯(lián)系；徑切面上可以觀察到年輪呈條狀，相互平行，而與木射線相互垂直；弦切面上可以觀察到年輪呈“V”字形。2．木材構(gòu)造特征這里所說的木材構(gòu)造特征是指木材宏觀構(gòu)造或粗視構(gòu)造，既可以用肉眼或放大鏡觀察到的特征。（1）心材與邊材從橫切面觀察，在髓心周圍，顏色較深，含水量少的部分，稱為心材；靠近樹皮部分，顏色較淺，含水量多的部分，稱為邊材。

（2）生長(zhǎng)輪與年輪樹木在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)所形成的一層木質(zhì)環(huán)輪，稱為生長(zhǎng)輪。對(duì)于溫帶、寒帶地區(qū)的樹木，每年生長(zhǎng)輪只出現(xiàn)一次，因而生長(zhǎng)輪又稱年輪；對(duì)于熱帶地區(qū)的樹木，每年生長(zhǎng)輪可出現(xiàn)幾次，因此一般不叫年輪，只稱生長(zhǎng)輪。（3）早材與晚材年輪的淺色部分是樹木在春季生長(zhǎng)的，由于生長(zhǎng)快，細(xì)胞大且排列疏松，細(xì)胞壁較薄，顏色較淺，被稱為春材或早材；深色部分是樹木在夏季生長(zhǎng)的，由于生長(zhǎng)遲緩，細(xì)胞小，細(xì)胞壁較厚，組織緊密堅(jiān)實(shí)，顏色較深的緣故，因此為夏材或晚材。年輪中夏材所占的比例越大，木材的強(qiáng)度越高。（4）木射線木射線是木材中唯一成輻射狀、橫向排列的組織，在樹木的生長(zhǎng)過程中，起橫向輸送和貯藏養(yǎng)分的作用。同時(shí)，寬木射線的木材是制作家具的好材料。另外，木射線是由薄壁細(xì)胞組成的，是木材中較脆弱而強(qiáng)度較低的部分，尤其在進(jìn)行木材干燥時(shí)易沿木射線發(fā)生開裂，降低了其使用價(jià)值。（5）管孔與胞間道管孔是識(shí)別針、闊樹種的重要依據(jù)。針葉樹種無管孔，又稱無孔材；闊葉樹種有管孔，又稱有孔材。導(dǎo)管在橫切面上呈孔穴狀，稱為管孔，管孔分布、組合和排列等是識(shí)別闊葉樹種的主要特征之一。圖1-7木材的構(gòu)造特征三、木材的性質(zhì)1．木材化學(xué)性質(zhì)木材的化學(xué)性質(zhì)是指通過化學(xué)分解才能了解到的性質(zhì)，主要包括木材的化學(xué)組成、木材主要化學(xué)成分的特性等。木材的化學(xué)成分十分復(fù)雜，概括起來有兩類。（1）有機(jī)物：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、侵填體。（2）無機(jī)物：無機(jī)物在木材中表現(xiàn)為灰分。木材燃燒時(shí)，即產(chǎn)生灰分?；曳值幕瘜W(xué)成分為碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鈣、磷、無機(jī)鹽等。2．木材物理性質(zhì)木材物理性質(zhì)，是指不改變木材的化學(xué)成分，也不破壞其完整性，就能了解到的性質(zhì)。（1）含水率木材中的水通常有3種狀態(tài)：填充于細(xì)胞腔內(nèi)和細(xì)胞間隙中的自由水（或毛細(xì)水），處于細(xì)胞壁中的物理結(jié)合水（或吸附水），成為木材組分的化學(xué)結(jié)合水。木材的物理力學(xué)性質(zhì)通常受其含水率的影響較大，這與木材的含水狀態(tài)影響其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。木材中水分的含量，稱為含水率（或含水量）。含水率分為絕對(duì)含水率（W）和相對(duì)含水率（W0）絕對(duì)含水率（W）=（含水木材重量一絕干材重量）/絕干材重量X100%相對(duì)含水率（W0）=（含水木材重量一絕干材重量）/含水木材重量X100%絕對(duì)含水率多在工程上應(yīng)用；相對(duì)含水率多在科學(xué)實(shí)驗(yàn)上應(yīng)用。絕對(duì)含水率通常稱為含水率,與相對(duì)含水率可以相互轉(zhuǎn)換。圖1-8木材中水的存在狀態(tài)與測(cè)定（2）吸濕性干木材從空氣中吸收水蒸氣的性能，稱為吸濕；濕木材向空氣中蒸發(fā)水蒸氣的性能，稱為解吸。這兩種現(xiàn)象合起來稱為木材的吸濕性。木材放在空氣中，當(dāng)木材的濕度比空氣的濕度大時(shí)，木材中水分蒸發(fā)到空氣中。相反，當(dāng)木材的濕度比空氣濕度小時(shí)，木材吸收空氣中的水分。一般情況下，木材蒸發(fā)出去的水分比吸收的要多，隨著木材的干燥、蒸發(fā)速度減慢，最后達(dá)到即不從空氣中吸收水分、也不散失水分的狀態(tài)，也就是木材濕度等于空氣濕度，這時(shí)的木材的含水率稱為平衡含水率。（3）吸水性木材浸在水中時(shí)吸收水分的能力，稱為吸水性。吸水程度主要取決于木材在水中停留的時(shí)間，同時(shí)又因樹種、孔隙度、容量等不同而不同。例如容重大的木材比容重小的木材吸水慢而少，心材比邊材的吸水性能差。了解木材的吸水性，有助于木材的防腐和運(yùn)輸?shù)?。?）透水性木材的透水性，又稱導(dǎo)水性，是指木材一面與水接觸，另一面與空氣接觸，讓水在流體靜壓力或其它壓力下通過木材的能力。木材透水性的大小取決于樹種，切面方向，是心材還是邊材以及含水率等因素。（5）干縮與濕脹當(dāng)木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，才能談到木材的干縮和濕脹。木材從纖維飽和點(diǎn)起，繼續(xù)干燥，附著水蒸發(fā)，木材收縮，直到絕干材為止，這一過程稱為干縮。木材從絕干狀態(tài)起，吸濕或吸水，木材膨脹，直到纖維飽和點(diǎn)為止，這一過程稱為濕脹。因此木材的脹縮性是指木材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，隨水分的增加或減少，而改變其尺寸大小的性能。（6）密度木材密度=試件絕干材質(zhì)量/試件飽和水分體積。木材密度的大小取決于木材空隙度的大小和細(xì)胞壁的厚薄。木材空隙度小，細(xì)胞壁厚，組織致密，木材密度值就大；木材空隙度大，細(xì)胞壁薄，組織松疏，木材密度值就小。在生產(chǎn)上還可用密度值的大小來估計(jì)木材的強(qiáng)度。也有人把木材密度稱為木材容重。（7）木材導(dǎo)熱性木材的導(dǎo)熱性能是用熱導(dǎo)率表示的。熱導(dǎo)率，即在單位時(shí)間內(nèi)通過木材單位面積和單位長(zhǎng)度，在木材兩面間引起10C溫度差異所需要的熱量。（8）導(dǎo)電性木材的導(dǎo)電性很小，絕干材幾乎是不導(dǎo)電的。（9）傳聲性木材具有傳聲性能。因?yàn)槟静闹杏性S多空隙，成為空氣的跑道，空氣可以傳播聲音。木材另一較重要性質(zhì)是共振性，這是因?yàn)槟静氖怯晒軤罴?xì)胞組成的。木材的共振性因其密度、彈性、結(jié)構(gòu)均勻度等的差異而不同。年輪均勻、材質(zhì)致密、紋理通直的木材，其共振性好，如云杉就是樂器的良好材料。3、木材力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度）木材的力學(xué)性質(zhì)很復(fù)雜，樹種不同，性質(zhì)不同；同樹種因產(chǎn)地不同，性質(zhì)也有不同；即使同樹種、同產(chǎn)地也因生長(zhǎng)條件的變化而有差異；再就是同一棵樹的不同部位也會(huì)因生長(zhǎng)時(shí)期不同帶來性質(zhì)的差異。此外，木材的性質(zhì)還受到構(gòu)造、缺陷、容重、含水率等的影響。這里主要講解木材的強(qiáng)度。木材的強(qiáng)度根據(jù)受力狀態(tài)的不同，分為抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度。由于木材構(gòu)造的各向異性，使得其強(qiáng)度也呈現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性，有順紋和橫紋之分，且相差很大。（1）抗壓強(qiáng)度木材的抗壓強(qiáng)度分為順紋抗壓強(qiáng)度和橫紋抗壓強(qiáng)度兩種。當(dāng)壓力方向與木材纖維方向平行時(shí)為順紋受壓，順紋受壓破壞是由于木材細(xì)胞壁失穩(wěn)造成的，而非纖維的斷裂。木材的順紋抗壓強(qiáng)度較高，且疵病對(duì)其影響較小，工程中用作柱子、斜撐等的木材均為順紋受壓構(gòu)件。當(dāng)壓力方向與木材纖維方向垂直時(shí)為橫紋受壓，橫紋受壓破壞是由于木材細(xì)長(zhǎng)的管狀細(xì)胞被壓扁，產(chǎn)生大量變形造成的。木材的橫紋抗壓強(qiáng)度很低。（2）抗拉強(qiáng)度木材的抗拉強(qiáng)度也分為順紋抗拉強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度兩種。當(dāng)拉力方向與木材纖維方向平行時(shí)為順紋受拉。木材單纖維的抗拉強(qiáng)度很高。理論上順紋抗拉強(qiáng)度是木材所有強(qiáng)度中最高的，但在實(shí)際使用中，木材的各種缺陷（木節(jié)、裂縫、斜紋、蟲蛀等）對(duì)順紋抗拉強(qiáng)度的影響很大。當(dāng)拉力方向與木材纖維方向垂直時(shí)為橫紋受拉，橫紋受拉破壞是將木材纖維橫向撕裂，由于木材纖維之間的橫向連接比較薄弱，所以木材的橫紋抗拉強(qiáng)度很低。（3）抗彎強(qiáng)度在傳統(tǒng)建筑中，木材抗彎強(qiáng)度的應(yīng)用是最為重要的，它決定了建筑物的使用空間，決定了建筑物的外部造型，決定了建筑物的使用安全等。木材受彎時(shí)，上部為順紋受壓，下部為順紋受拉，而在水平面中還存在剪切力。破壞時(shí)，首先是受壓區(qū)達(dá)到強(qiáng)度極限，但并不立即破壞，隨著外力的增大，將產(chǎn)生大量塑性變形，而當(dāng)受拉區(qū)內(nèi)許多纖維達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，則因纖維本身及纖維間連接的斷裂而破壞。所以，木材的抗彎強(qiáng)度較高，實(shí)際工程中常用作受彎構(gòu)件，如梁、桁架、地板等。但在實(shí)際使用中，木材的各種缺陷對(duì)其抗彎強(qiáng)度影響也很大。（4）抗剪強(qiáng)度木材的剪切分為順紋剪切、橫紋剪切和橫紋切斷三種。當(dāng)剪切力方向與木材纖維方向平行時(shí)為順紋剪切，這種剪切破壞只