手工木工制作：木材的基本知识

材料篇木材是人类最早接触的建造材料之一，从人类走出洞穴进入农耕文明，即开始利用木材建造房屋。“大兴土木”这个成语告诉我们，“土”和“木”自古以来便是土木工程（包括建筑工程）的两大主材。事实上，“土木工程“（civilengineering这个词本身就出自于这个成语。中国人使用木材建造房子的历史非常悠久最，早可追溯到距今7000年前的河姆渡人用木材搭建的干阑式建筑这。种貌似简易的庇护所被后世视为木结构的雏形。图1-1干栏式建筑此后，以木材为主的建造技术得到了长足的发展。大约3500年前便形成了以榫卯连接为标志的木结构体系。到唐代已趋于成熟，宋代李诫所著《营造法式》一书，从建筑、结构到施工，全面系统地论述了我国古代的木结构建筑。虽然历史如此悠久，但现存于世、保存较好的木结构建筑可谓凤毛麟角，难觅其踪。位于山西五台山的佛光寺东大殿可谓屈指可数的幸存者。该建筑始建于晚唐（公元857年），至今已有1160余年，被著名建筑学家梁思成誉为“中国建筑第一瑰宝”。为什么称佛光寺东大殿为中国第一国宝，梁思成原话是这样说的：“除殿本身为唐代木构外，殿内尚有唐塑佛菩萨像数十尊，梁下有唐代题名墨迹，棋眼壁有唐代壁画。此四者一已称绝，而四艺集于一殿，诚我国第一国宝也。”图1-2佛光寺东大殿夜景 图1-3世界上现存最古老最高纯木结构建筑—应县木塔那么为什么中国古代那么多木结构建筑物都没有保存下来呢？又为什么东大殿和应县木塔得以如此完好地保存下来了呢？让我们一起来了解一下木材的基本知识吧。木材的基本知识在中国，以“木”为偏旁的字数以千计，这无疑体现了中国古代人在生活里对木材的热爱与执着。在这些字中，有400多个与建筑和房屋有关。漫长的中国建筑史上，除桥梁、纪念碑和坟墓，中国人一直用木材作为建筑的主要材料。为何中国人喜欢用木材？这其中包含了多重因素：气候、地理、技术、经济、文化，甚至风水在内。并且象征着万物生长、欣欣向荣的自然力量。在农业社会，在人口不断繁衍的住宅周围种下小树是很方便的事。因此，木不仅是一种商品，还意味着生活中那种实实在在的感觉，以及人们追求的理想。在人类文明史中，木材一直被作为构建人类生活环境的基本材料，广泛应用于建筑、家具、园林、装饰装修、日常生活等各个方面。而中国人更是自先人开始就对木质材料似乎有一种特殊的偏爱。一、树木的组成树木是由树根、树干、树冠三部分组成的。1.树根树根是树木的最下部，即地下部分，占立木材积5%~25%，其作用是：（1）从土壤中吸收水分和矿物质，沿树干由下向上运送到树枝和树叶，借助于光和叶绿素进行光合作用，制成有机营养物质后，再沿树干韧皮部向下运到树干根部。（2）贮藏由树干韧皮部下降的备用营养物质。（3）稳定树干，把树木固定在土地上，保持树木的稳定生长。另外，树根在利用上多作薪材，随着经济的发展、科学进步，树根也成为艺术之品的好材料—根雕，也有的树根如松树伐根，可提取松节油和松香等。图1-4错综复杂的树根 图1-5树干2、树干树干是构成树木的最主要部分，即树木的木材部分，占立木材积的50%~90%，其作用是：（1）树干和树根结成一体，支撑树冠。（2）从树根向上输送水分和矿物质，再从树冠向下经韧皮部运送有机营养物质。（3）贮藏营养物质，供树木生长和繁殖使用。另外，树木形成的木质部以树干为最多，木材主要来自树干，具有重要的使用价值。3.树冠树冠是树枝和树叶的总称，位于树木的最上部分，占立木材积的5%〜25%，其作用是：（1）树叶用从空气中摄取来的二氧化碳和经树根从土壤中吸取来的水分和矿物质，在阳光的辐射下、借助于叶绿素进行光合作用，经光合作用制成营养物质，供树木生长需要。（2）树枝可以上下输送、贮藏水分和营养物质，并且支持树叶。另外，树枝除可作小径木外，一般多为薪材，但随着剩余物利用手段的增加，树枝也可用作削片、造纸、纤维板、刨花板的原料；树叶可作饲料，也可从中提取化学药品二、木材的构造树木是生物体，是由无数个形状各异、大小不同、排列方式不同的细胞组成，这些细胞呈立体状态存在于木材组织中，因此为了正确地了解木材的构造，必须将一段木头剖切开来，剖切位置不同，呈现的内容亦不同。1．木材三个切面垂直于树干主轴剖切形成的切面是横切面。从这一切面上可以清晰地看到自中心（学名髓心）向边缘（即树皮）荡漾开来的一圈圈“涟漪”——树木的年轮。年轮之谓，一年一轮也！根据年轮的数目便可知道树龄。这三个切面分别是横切面、径切面、弦切面。其中，横切面是木材的最重要切面。图1-6木材的横、径、弦三个切面（1）横切面，与树干主轴相垂直的切面称为横切面。除年轮之外，木材纹理的特征都暴露在这个切面上，横切面是识别木材最重要的切面，这个切面硬度大、耐磨损，可做铺路木块。（2）径切面，与树干主轴相平行，并且通过髓心的切面称为径切面。此切面板材收缩小，不易翘曲，适合做木尺和乐器共鸣板等。（3）弦切面，与树干主轴相平行，不通过髓心且与年轮相切的切面称弦切面。它是一个年轮的切线，又是另一个年轮的弦线。在不同的切面上可以观察到木材的不同结构。如横切面上可以观察到木射线的宽度和长度以及木材细胞间的相互联系；径切面上可以观察到年轮呈条状，相互平行，而与木射线相互垂直；弦切面上可以观察到年轮呈“V”字形。2．木材构造特征这里所说的木材构造特征是指木材宏观构造或粗视构造，既可以用肉眼或放大镜观察到的特征。（1）心材与边材从横切面观察，在髓心周围，颜色较深，含水量少的部分，称为心材；靠近树皮部分，颜色较浅，含水量多的部分，称为边材。

（2）生长轮与年轮树木在一个生长周期内所形成的一层木质环轮，称为生长轮。对于温带、寒带地区的树木，每年生长轮只出现一次，因而生长轮又称年轮；对于热带地区的树木，每年生长轮可出现几次，因此一般不叫年轮，只称生长轮。（3）早材与晚材年轮的浅色部分是树木在春季生长的，由于生长快，细胞大且排列疏松，细胞壁较薄，颜色较浅，被称为春材或早材；深色部分是树木在夏季生长的，由于生长迟缓，细胞小，细胞壁较厚，组织紧密坚实，颜色较深的缘故，因此为夏材或晚材。年轮中夏材所占的比例越大，木材的强度越高。（4）木射线木射线是木材中唯一成辐射状、横向排列的组织，在树木的生长过程中，起横向输送和贮藏养分的作用。同时，宽木射线的木材是制作家具的好材料。另外，木射线是由薄壁细胞组成的，是木材中较脆弱而强度较低的部分，尤其在进行木材干燥时易沿木射线发生开裂，降低了其使用价值。（5）管孔与胞间道管孔是识别针、阔树种的重要依据。针叶树种无管孔，又称无孔材；阔叶树种有管孔，又称有孔材。导管在横切面上呈孔穴状，称为管孔，管孔分布、组合和排列等是识别阔叶树种的主要特征之一。图1-7木材的构造特征三、木材的性质1．木材化学性质木材的化学性质是指通过化学分解才能了解到的性质，主要包括木材的化学组成、木材主要化学成分的特性等。木材的化学成分十分复杂，概括起来有两类。（1）有机物：纤维素、半纤维素、木质素、侵填体。（2）无机物：无机物在木材中表现为灰分。木材燃烧时，即产生灰分。灰分的化学成分为碳酸钾、碳酸钠、碳酸钙、磷、无机盐等。2．木材物理性质木材物理性质，是指不改变木材的化学成分，也不破坏其完整性，就能了解到的性质。（1）含水率木材中的水通常有3种状态：填充于细胞腔内和细胞间隙中的自由水（或毛细水），处于细胞壁中的物理结合水（或吸附水），成为木材组分的化学结合水。木材的物理力学性质通常受其含水率的影响较大，这与木材的含水状态影响其微观结构有关。木材中水分的含量，称为含水率（或含水量）。含水率分为绝对含水率（W）和相对含水率（W0）绝对含水率（W）=（含水木材重量一绝干材重量）/绝干材重量X100%相对含水率（W0）=（含水木材重量一绝干材重量）/含水木材重量X100%绝对含水率多在工程上应用；相对含水率多在科学实验上应用。绝对含水率通常称为含水率,与相对含水率可以相互转换。图1-8木材中水的存在状态与测定（2）吸湿性干木材从空气中吸收水蒸气的性能，称为吸湿；湿木材向空气中蒸发水蒸气的性能，称为解吸。这两种现象合起来称为木材的吸湿性。木材放在空气中，当木材的湿度比空气的湿度大时，木材中水分蒸发到空气中。相反，当木材的湿度比空气湿度小时，木材吸收空气中的水分。一般情况下，木材蒸发出去的水分比吸收的要多，随着木材的干燥、蒸发速度减慢，最后达到即不从空气中吸收水分、也不散失水分的状态，也就是木材湿度等于空气湿度，这时的木材的含水率称为平衡含水率。（3）吸水性木材浸在水中时吸收水分的能力，称为吸水性。吸水程度主要取决于木材在水中停留的时间，同时又因树种、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，心材比边材的吸水性能差。了解木材的吸水性，有助于木材的防腐和运输等。（4）透水性木材的透水性，又称导水性，是指木材一面与水接触，另一面与空气接触，让水在流体静压力或其它压力下通过木材的能力。木材透水性的大小取决于树种，切面方向，是心材还是边材以及含水率等因素。（5）干缩与湿胀当木材的含水率在纤维饱和点以下时，才能谈到木材的干缩和湿胀。木材从纤维饱和点起，继续干燥，附着水蒸发，木材收缩，直到绝干材为止，这一过程称为干缩。木材从绝干状态起，吸湿或吸水，木材膨胀，直到纤维饱和点为止，这一过程称为湿胀。因此木材的胀缩性是指木材的含水率在纤维饱和点以下时，随水分的增加或减少，而改变其尺寸大小的性能。（6）密度木材密度=试件绝干材质量/试件饱和水分体积。木材密度的大小取决于木材空隙度的大小和细胞壁的厚薄。木材空隙度小，细胞壁厚，组织致密，木材密度值就大；木材空隙度大，细胞壁薄，组织松疏，木材密度值就小。在生产上还可用密度值的大小来估计木材的强度。也有人把木材密度称为木材容重。（7）木材导热性木材的导热性能是用热导率表示的。热导率，即在单位时间内通过木材单位面积和单位长度，在木材两面间引起10C温度差异所需要的热量。（8）导电性木材的导电性很小，绝干材几乎是不导电的。（9）传声性木材具有传声性能。因为木材中有许多空隙，成为空气的跑道，空气可以传播声音。木材另一较重要性质是共振性，这是因为木材是由管状细胞组成的。木材的共振性因其密度、弹性、结构均匀度等的差异而不同。年轮均匀、材质致密、纹理通直的木材，其共振性好，如云杉就是乐器的良好材料。3、木材力学性质（强度）木材的力学性质很复杂，树种不同，性质不同；同树种因产地不同，性质也有不同；即使同树种、同产地也因生长条件的变化而有差异；再就是同一棵树的不同部位也会因生长时期不同带来性质的差异。此外，木材的性质还受到构造、缺陷、容重、含水率等的影响。这里主要讲解木材的强度。木材的强度根据受力状态的不同，分为抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。由于木材构造的各向异性，使得其强度也呈现出很强的方向性，有顺纹和横纹之分，且相差很大。（1）抗压强度木材的抗压强度分为顺纹抗压强度和横纹抗压强度两种。当压力方向与木材纤维方向平行时为顺纹受压，顺纹受压破坏是由于木材细胞壁失稳造成的，而非纤维的断裂。木材的顺纹抗压强度较高，且疵病对其影响较小，工程中用作柱子、斜撑等的木材均为顺纹受压构件。当压力方向与木材纤维方向垂直时为横纹受压，横纹受压破坏是由于木材细长的管状细胞被压扁，产生大量变形造成的。木材的横纹抗压强度很低。（2）抗拉强度木材的抗拉强度也分为顺纹抗拉强度和横纹抗拉强度两种。当拉力方向与木材纤维方向平行时为顺纹受拉。木材单纤维的抗拉强度很高。理论上顺纹抗拉强度是木材所有强度中最高的，但在实际使用中，木材的各种缺陷（木节、裂缝、斜纹、虫蛀等）对顺纹抗拉强度的影响很大。当拉力方向与木材纤维方向垂直时为横纹受拉，横纹受拉破坏是将木材纤维横向撕裂，由于木材纤维之间的横向连接比较薄弱，所以木材的横纹抗拉强度很低。（3）抗弯强度在传统建筑中，木材抗弯强度的应用是最为重要的，它决定了建筑物的使用空间，决定了建筑物的外部造型，决定了建筑物的使用安全等。木材受弯时，上部为顺纹受压，下部为顺纹受拉，而在水平面中还存在剪切力。破坏时，首先是受压区达到强度极限，但并不立即破坏，随着外力的增大，将产生大量塑性变形，而当受拉区内许多纤维达到强度极限时，则因纤维本身及纤维间连接的断裂而破坏。所以，木材的抗弯强度较高，实际工程中常用作受弯构件，如梁、桁架、地板等。但在实际使用中，木材的各种缺陷对其抗弯强度影响也很大。（4）抗剪强度木材的剪切分为顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断三种。当剪切力方向与木材纤维方向平行时为顺纹剪切，这种剪切破坏只