材料篇木材是人類最早接觸的建造材料之一，從人類走出洞穴進入農(nóng)耕文明，即開始利用木材建造房屋?！按笈d土木”這個成語告訴我們，“土”和“木”自古以來便是土木工程（包括建筑工程）的兩大主材。事實上，“土木工程“（civilengineering這個詞本身就出自于這個成語。中國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。種貌似簡易的庇護所被后世視為木結構的雛形。圖1-1干欄式建筑此后，以木材為主的建造技術得到了長足的發(fā)展。大約3500年前便形成了以榫卯連接為標志的木結構體系。到唐代已趨于成熟，宋代李誡所著《營造法式》一書，從建筑、結構到施工，全面系統(tǒng)地論述了我國古代的木結構建筑。雖然歷史如此悠久，但現(xiàn)存于世、保存較好的木結構建筑可謂鳳毛麟角，難覓其蹤。位于山西五臺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，被著名建筑學家梁思成譽為“中國建筑第一瑰寶”。為什么稱佛光寺東大殿為中國第一國寶，梁思成原話是這樣說的：“除殿本身為唐代木構外，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，誠我國第一國寶也。”圖1-2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構建筑—應縣木塔那么為什么中國古代那么多木結構建筑物都沒有保存下來呢？又為什么東大殿和應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吧。木材的基本知識在中國，以“木”為偏旁的字數(shù)以千計，這無疑體現(xiàn)了中國古代人在生活里對木材的熱愛與執(zhí)著。在這些字中，有400多個與建筑和房屋有關。漫長的中國建筑史上，除橋梁、紀念碑和墳墓，中國人一直用木材作為建筑的主要材料。為何中國人喜歡用木材？這其中包含了多重因素：氣候、地理、技術、經(jīng)濟、文化，甚至風水在內(nèi)。并且象征著萬物生長、欣欣向榮的自然力量。在農(nóng)業(yè)社會，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實在在的感覺，以及人們追求的理想。在人類文明史中，木材一直被作為構建人類生活環(huán)境的基本材料，廣泛應用于建筑、家具、園林、裝飾裝修、日常生活等各個方面。而中國人更是自先人開始就對木質(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)，沿樹干由下向上運送到樹枝和樹葉，借助于光和葉綠素進行光合作用，制成有機營養(yǎng)物質(zhì)后，再沿樹干韌皮部向下運到樹干根部。（2）貯藏由樹干韌皮部下降的備用營養(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。另外，樹根在利用上多作薪材，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、科學進步，樹根也成為藝術之品的好材料—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錯綜復雜的樹根 圖1-5樹干2、樹干樹干是構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）樹干和樹根結成一體，支撐樹冠。（2）從樹根向上輸送水分和礦物質(zhì)，再從樹冠向下經(jīng)韌皮部運送有機營養(yǎng)物質(zhì)。（3）貯藏營養(yǎng)物質(zhì)，供樹木生長和繁殖使用。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、借助于葉綠素進行光合作用，經(jīng)光合作用制成營養(yǎng)物質(zhì)，供樹木生長需要。（2）樹枝可以上下輸送、貯藏水分和營養(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，也可從中提取化學藥品二、木材的構造樹木是生物體，是由無數(shù)個形狀各異、大小不同、排列方式不同的細胞組成，這些細胞呈立體狀態(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切面上，橫切面是識別木材最重要的切面，這個切面硬度大、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。它是一個年輪的切線，又是另一個年輪的弦線。在不同的切面上可以觀察到木材的不同結構。如橫切面上可以觀察到木射線的寬度和長度以及木材細胞間的相互聯(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．木材構造特征這里所說的木材構造特征是指木材宏觀構造或粗視構造，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）生長輪與年輪樹木在一個生長周期內(nèi)所形成的一層木質(zhì)環(huán)輪，稱為生長輪。對于溫帶、寒帶地區(qū)的樹木，每年生長輪只出現(xiàn)一次，因而生長輪又稱年輪；對于熱帶地區(qū)的樹木，每年生長輪可出現(xiàn)幾次，因此一般不叫年輪，只稱生長輪。（3）早材與晚材年輪的淺色部分是樹木在春季生長的，由于生長快，細胞大且排列疏松，細胞壁較薄，顏色較淺，被稱為春材或早材；深色部分是樹木在夏季生長的，由于生長遲緩，細胞小，細胞壁較厚，組織緊密堅實，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，在樹木的生長過程中，起橫向輸送和貯藏養(yǎng)分的作用。同時，寬木射線的木材是制作家具的好材料。另外，木射線是由薄壁細胞組成的，是木材中較脆弱而強度較低的部分，尤其在進行木材干燥時易沿木射線發(fā)生開裂，降低了其使用價值。（5）管孔與胞間道管孔是識別針、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、組合和排列等是識別闊葉樹種的主要特征之一。圖1-7木材的構造特征三、木材的性質(zhì)1．木材化學性質(zhì)木材的化學性質(zhì)是指通過化學分解才能了解到的性質(zhì)，主要包括木材的化學組成、木材主要化學成分的特性等。木材的化學成分十分復雜，概括起來有兩類。（1）有機物：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、侵填體。（2）無機物：無機物在木材中表現(xiàn)為灰分。木材燃燒時，即產(chǎn)生灰分?；曳值幕瘜W成分為碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鈣、磷、無機鹽等。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)：填充于細胞腔內(nèi)和細胞間隙中的自由水（或毛細水），處于細胞壁中的物理結合水（或吸附水），成為木材組分的化學結合水。木材的物理力學性質(zhì)通常受其含水率的影響較大，這與木材的含水狀態(tài)影響其微觀結構有關。木材中水分的含量，稱為含水率（或含水量）。含水率分為絕對含水率（W）和相對含水率（W0）絕對含水率（W）=（含水木材重量一絕干材重量）/絕干材重量X100%相對含水率（W0）=（含水木材重量一絕干材重量）/含水木材重量X100%絕對含水率多在工程上應用；相對含水率多在科學實驗上應用。絕對含水率通常稱為含水率,與相對含水率可以相互轉(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，當木材的濕度比空氣的濕度大時，木材中水分蒸發(fā)到空氣中。相反，當木材的濕度比空氣濕度小時，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間，同時又因樹種、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輸?shù)取＃?）透水性木材的透水性，又稱導水性，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）干縮與濕脹當木材的含水率在纖維飽和點以下時，才能談到木材的干縮和濕脹。木材從纖維飽和點起，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以下時，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胞壁的厚薄。木材空隙度小，細胞壁厚，組織致密，木材密度值就大；木材空隙度大，細胞壁薄，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木材的強度。也有人把木材密度稱為木材容重。（7）木材導熱性木材的導熱性能是用熱導率表示的。熱導率，即在單位時間內(nèi)通過木材單位面積和單位長度，在木材兩面間引起10C溫度差異所需要的熱量。（8）導電性木材的導電性很小，絕干材幾乎是不導電的。（9）傳聲性木材具有傳聲性能。因為木材中有許多空隙，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，這是因為木材是由管狀細胞組成的。木材的共振性因其密度、彈性、結構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、木材力學性質(zhì)（強度）木材的力學性質(zhì)很復雜，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)地也因生長條件的變化而有差異；再就是同一棵樹的不同部位也會因生長時期不同帶來性質(zhì)的差異。此外，木材的性質(zhì)還受到構造、缺陷、容重、含水率等的影響。這里主要講解木材的強度。木材的強度根據(jù)受力狀態(tài)的不同，分為抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強度。由于木材構造的各向異性，使得其強度也呈現(xiàn)出很強的方向性，有順紋和橫紋之分，且相差很大。（1）抗壓強度木材的抗壓強度分為順紋抗壓強度和橫紋抗壓強度兩種。當壓力方向與木材纖維方向平行時為順紋受壓，順紋受壓破壞是由于木材細胞壁失穩(wěn)造成的，而非纖維的斷裂。木材的順紋抗壓強度較高，且疵病對其影響較小，工程中用作柱子、斜撐等的木材均為順紋受壓構件。當壓力方向與木材纖維方向垂直時為橫紋受壓，橫紋受壓破壞是由于木材細長的管狀細胞被壓扁，產(chǎn)生大量變形造成的。木材的橫紋抗壓強度很低。（2）抗拉強度木材的抗拉強度也分為順紋抗拉強度和橫紋抗拉強度兩種。當拉力方向與木材纖維方向平行時為順紋受拉。木材單纖維的抗拉強度很高。理論上順紋抗拉強度是木材所有強度中最高的，但在實際使用中，木材的各種缺陷（木節(jié)、裂縫、斜紋、蟲蛀等）對順紋抗拉強度的影響很大。當拉力方向與木材纖維方向垂直時為橫紋受拉，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度很低。（3）抗彎強度在傳統(tǒng)建筑中，木材抗彎強度的應用是最為重要的，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，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，首先是受壓區(qū)達到強度極限，但并不立即破壞，隨著外力的增大，將產(chǎn)生大量塑性變形，而當受拉區(qū)內(nèi)許多纖維達到強度極限時，則因纖維本身及纖維間連接的斷裂而破壞。所以，木材的抗彎強度較高，實際工程中常用作受彎構件，如梁、桁架、地板等。但在實際使用中，木材的各種缺陷對其抗彎強度影響也很大。（4）抗剪強度木材的剪切分為順紋剪切、橫紋剪切和橫紋切斷三種。當剪切力方向與木材纖維方向平行時為順紋剪切，這種剪切破壞只