建水指林寺大殿木构件材种鉴定及配置研究

李世民，王梦丹，黄 斌，王付强，邱 坚

（1.西南林业大学（材料科学与工程学院），云南昆明 650224；2.建水县文物管理所，云南红河 654399；3.自由职业，云南曲靖 655816）

0 引 言

指林寺大殿作为国家重点文物保护单位，在其修缮过程中必须遵循《中华人民共和国文物保护法》《古建筑木结构维护与加固技术规范：GB 50165—92》[1]的“修旧如旧”原则和《中国古迹文物保护准则》中以不改变原状为基础的原则，文物古迹本身的材料、工艺、设计及环境和它所反映的历史、文化、社会信息的真实性原则，完整性原则，最低限度干预度原则。在古代木结构建筑修缮过程中对材种的认识主要凭匠人的经验来确定是否需要替换和所要替换的树种，并没有严谨的科学依据，木材科属种的复杂性增加了通过宏观准确判断材种的难度。此外，同一个树种的叫法地区差异性明显，这样就会造成材种认识的很大偏差[2]。而木构件材种鉴定是古建筑修缮和保护的基础工作。通过对材种的鉴定，不仅可以了解木构件的物理力学性能，在树种更换上做到保持原材料和最小干预度原则，为木结构建筑保护和维修更换提供依据，而且有助于研究古建筑的历史科学技术背景。有学者对故宫武英殿建筑群[3]，西安含光门城墙遗址[4]，云南剑川海门口遗址[5]的古老木构件做了鉴定研究为文物保护作出了指导。指林禅寺位于云南省建水县，建于元代元贞年间[6]，在清代道光年间进行过重大的重修，之后在1998年修缮过一次，2018年也进行再次修缮。现存指林禅寺建筑仅剩正殿和牌坊。保存完好的大殿闻名于世，整座大殿外观高大雄伟。经北京古建筑专家考察，证实该建筑为距今700余年的元代古老木结构建筑，如图1。建筑采用元代最为典型的减柱造，具有极高的科学价值。该建筑是云南省元代建造的大型木结构建筑，做法为宋式做法，具有很高的历史价值。指林寺1987年公布为云南省省级重点文物保护单位，2006年指林寺大殿作为元代至清代古建筑，被国务院批准列入第六批全国重点文物保护单位名单。历代修缮过程中由于不科学性使建筑物形式有所改变，以及后期保护的不当让指林寺受到不同程度的价值损失。本研究通过木材显微解剖等现代科学技术对指林寺大殿材种鉴定分析，为修缮过程中所替换材料作出科学依据。

图1 指林寺大殿正面图Fig.1 Front view of the hall of Zhilin Temple

1 指林寺大殿木构件材种鉴定

1.1 材料

在云南建水指林寺大殿现场抽样采样，本次选取的木材样品均取自历次维修工程的现存的木构件。分别在坐斗、散斗、柱、梁、檩、枋部位取样。在本次取样中坐斗位置60个、散斗544个、柱32个、梁16个、檩19个、枋19个，椽10个，如表1。

表1 指林寺大殿取样位置Table 1 Sampling locations of the hall of Zhilin Temple

1.2 鉴定方法

1.2.1 取样 根据样品尺寸，将样品锯成7 mm×7 mm×7 mm左右大小，并且横切面至少要包含一个生长轮，为了便于后期拍摄，所选择的生长轮不应太宽，径切面和弦切面锯切标准即可。

1.2.2 软化 木材软化常用水煮和化学药剂处理两种方式。本次实验软化木材的方法是水煮。水煮的时间3～4 h。

1.2.3 包埋 对腐朽严重不适宜直接做切片的木材需包埋处理，选用PEG1500作为包埋试剂。

1.2.4 切片 制作横切面、径切面和弦切面三个面的切片。横切面的厚度10～15μm，径切面和弦切面的厚度一般在10μm左右。

1.2.5 染色 染色的目的是便于微观构造的观察。染色剂为1%浓度的藏红T溶液，染色时间通常为4～ 6 h。

1.2.6 脱水、脱脂 步骤如表2所示。

1.2.7 封片 准备好干净的盖玻片和载玻片，用镊子将三切面切片放在载玻片上，一个载玻片上从左往右分别放置横、径、弦三个切面，在切片上均匀地涂上一层中性树脂胶，轻轻地将盖玻片压在载玻片上，然后慢慢地将里面的气泡赶出来。将密封的切片放置在烘箱中加速凝结。

表2 脱水、脱脂步骤Table 2 Dehydration and degreasing steps

1.2.8 显微结构观察 在光学显微镜下，分别在三个切面上寻找具有材种鉴定的结构进行拍照，照片倍数分别为50倍、100倍、200倍、400倍。

1.3 结果与分析

木材显微特征鉴定分析参考国际通用的木材识别特征术语和代码[8-10]，鉴定材种名称参考《中国主要木材名称：GB/T 16734—1997》[11]。表3为木构件材种鉴定结果汇总。

1.3.1 硬木松宏微观结构特征

1）宏观特征：生长轮明显，宽度均匀，轮间晚材带颜色深，晚材带宽度占生长轮宽度的1/4～1/2；木材黄褐色；无特殊气味；纹理直；结构细。

2） 微观特征：如图2～4。

轴向管胞：横切面早材管胞为矩形、六边形或不规则多边形，径壁具缘纹孔主为单列极少两列，纹孔缘圆形及椭圆形；横切面晚材管胞为椭圆形及多边形。早材向晚材过渡为急变，晚材带宽度占生长轮宽度的1/4～1/2。

木射线：具有纺锤形木射线和同形单列木射线两种，纺锤形木射线中部可见横向树脂道；同形单列木射线由射线薄壁细胞和射线管胞组成，高3～15细胞；射线管胞位于射线的上下边缘1～3细胞宽度内，内壁具深锯齿，具缘纹孔似管胞壁上的纹孔[12]。交叉场纹孔类型为窗格型，1～3个。

表3 木构件材种鉴定结果汇总表Table 3 Summary of identification results of wood components

树脂道：轴向树脂道分布于晚材带内，径向树脂道存在于纺锤形木射线内[13]。

中文名称：硬木松，拉丁名称：Pinussp.科属名称：松科松属。

图2 硬木松（横切面）Fig.2 Pinus sp.（cross section）

图3 硬木松（径切面）Fig.3 Pinus sp.（radial section）

图4 硬木松（弦切面）Fig.4 Pinus sp.（tangential section）

3）物理力学性能：硬木松类中云南松在云南非常普遍，是我国西南地区重要的针叶材，也是传统木结构建筑中使用最为广泛的木材。斜纹理，结构中，不均匀，重量及密度中，干缩大，强度及冲击韧性中[14]。

1.3.2 白青冈宏微观结构特征

1）宏观特征：生长轮明显，边材黄棕色，心材红褐色或深褐色有光泽，无特殊气味和滋味，木材有光泽，纹理直，结构粗，气干密度0.86 g/cm3。

2） 微观特征：如图5～7。

导管与管孔：半散孔材，单管孔，圆形及卵圆形；单穿孔，平行至略倾斜；互列管间纹孔式；部分导管具有侵填体；环管管胞常见。

轴向薄壁组织：轴向薄壁组织量多，类型为离管带状、星散-聚合状及稀疏傍管状；具有菱形晶体。木纤维：木纤维壁厚，具胶质纤维。

木射线：木射线非叠生。木射线分两种类型：窄木射线和宽木射线。窄木射线主为单列，极少见双列（双列部分与单列部分等宽），高3～25细胞；宽木射线常被木纤维分割，宽度及高度不可数。射线组织同形单列及多列；导管-射线间纹孔式类型为横向刻痕状[15]。

树胶道：无。

中文名称：白青冈，拉丁名称：Cyclobalanopsissp.科属名称：壳斗科青冈属。

图5 白青冈（横切面）Fig.5 Cyclobalanopsis sp.（cross section）

图6 白青冈（径切面）Fig.6 Cyclobalanopsis sp.（radial section）

图7 白青冈（弦切面）Fig.7 Cyclobalanopsis sp.（tangential section）

3）物理力学性能：青冈属木材最大的特点是其高强度、良好弹性、耐冲击、耐腐蚀性好[16]。其他性能为硬度大，加工难度大，抗弯强度大，干燥困难，径向、弦向干缩差异大，容易变形并产生开裂、劈裂及表面硬化，防腐处理困难。

1.3.3 格木松宏微观结构特征

1）格木宏观特征：生长轮明显，边材颜色为黄褐色，心材颜色为红褐色或深褐色且具有光泽，无特殊气味和滋味，纹理直，结构细，气干密度0.86 g/cm3。

2） 微观特征：如图8～10。

图8 格木（横切面）Fig.8 Erythrophleum sp.（cross section）

图9 格木（径切面）Fig.9 Erythrophleum sp.（radial section）

图10 格木（弦切面）Fig.10 Erythrophleum sp.（tangential section）

导管与管孔：散孔材，有单管孔和径列复管孔（2～3个），圆形及卵圆形；单穿孔；管间纹孔式类型为互列，树胶常见。

轴向薄壁组织：轴向薄壁组织量多，类型为菱形翼状、短聚翼状及轮界状且含树胶，菱形晶体常见。

木纤维：木纤维壁较薄，具韧型纤维或胶质纤维。

木射线：木射线局部斜叠生，有单列木射线和多列木射线。单列木射线少，常见2～10个细胞高度；多列射线宽2个细胞，高4～22个细胞或以上，射线组织同型；含树胶；导管-射线间纹孔式类似管间纹孔式为互列。

中文名称：格木，拉丁名称：Erythrophleumsp.，科属名称：苏木科格木属。

3）物理力学性能：格木具有优良的材性，经常和铁刀木相比，有很高的顺纹抗压强度和抗弯强度和良好的冲击韧性，端面硬度大，有良好的尺寸稳定性，广泛用于木构件承重构件、地板和家具[17]。

1.3.4 荷木松宏微观结构特征

1）宏观特征：生长轮明显，木材颜色为浅红褐色、轮间具深色条纹，无特殊气味和滋味，木材有光泽，纹理直，结构细。

2） 微观特征：如图11～13。

图11 荷木（横切面）Fig.11 Schima sp.（cross section）

图12 荷木（径切面）Fig.12 Schima sp.（radial section）

导管与管孔：散孔材，单管孔、径列复管孔（2～3个），圆形、卵圆形及多角形轮廓；梯状穿孔，横隔数7～25，穿孔板倾斜；管间纹孔式主要为梯状-对列或对列；螺纹加厚可见于导管分子尾部。

轴向薄壁组织：轴向薄壁组织量少，类型为星散状及稀疏环管状；含晶体，具分室含晶细胞。

木纤维：木纤维壁较薄，具韧型纤维或胶质纤维。

木射线：木射线非叠生。单列木射线数多（常见3～30个细胞高度）；多列射线宽2个细胞，与单列射线高度近似，多列部分常与单列部分等宽；含少量树胶；导管-射线间纹孔式类型以刻痕状为主及少数大圆形。

树胶道：无。

内含韧皮部、螺纹加厚：部分导管分子尾部可见螺纹加厚。

中文名称：荷木，拉丁名称：Schimasp.科属名称：山茶科荷木属。

3）物理力学性能：防火性能好，易做防腐处理，防蚁性弱，握钉力中，旋切性能良好，木材易加工。

2 指林寺大殿木构件树种配置现状

表4为指林寺大殿不同位置木构件树种使用比例。指林寺大殿作为一个建于元代的单体建筑，结构相对复杂，木构件材种使用相对较少。从木构件上面总共采样690个，取自坐斗、散斗、柱、梁、檩、枋上面。树种鉴定结果发现指林寺大殿共出现四个科属的木材，梁、柱、檩、枋承重构件全为针叶材。斗栱位置木材有格木、白青冈、荷木、硬木松四种，其中坐斗中格木占3.33%，白青冈31.67%，硬木松65%。散斗中格木占 6.62%，白青冈占 4.78%，荷木3.31%，硬木松85.29%，如图14～15。从图表中可以看出梁架结构采用硬木松。而局部受力斗栱的位置则有格木、白青冈、荷木。坐斗位置除了硬木松外则是格木和白青冈。这两种木材密度、硬度和稳定性都比国产针叶材大得多。

表4 指林寺大殿不同木构件树种配置Table 4 Species allocation of different wood components in the hall of Zhilin Temple

图14 坐斗材种比例Fig.14 Proportion of bucket materials

图15 散斗材种比例Fig.15 Proportion of bulk bucket materials

3 指林寺大殿木构件材种使用特点分析

从木构件材种使用比例可见硬木松占据了绝大部分比例，这主要缘于云南地区盛产硬木松。就地取材节省了大量的劳力、财力。在斗拱少数木构件，坐斗中使用格木、白青冈阔叶材树种，散斗中使用荷木阔叶材树种。这些阔叶材树种为后期历代修缮中所增加材种。由于建水地区木结构遭受虫害严重及斗拱在整座建筑中占了很大比例，起承重作用。选用格木、白青冈木材其尺寸稳定、易做防腐处理性能，抗腐蚀能力优于硬木松。荷木未被使用于坐斗中，其尺寸稳定、强度和硬度不如格木、白青冈，而使用于散斗构件满足受力要求，且荷木具有良好的防火性能，易防虫处理性能为指林寺大殿虫害防治提供选材优势。

4 指林寺大殿木构件尺寸

根据实际测量，指林寺大殿金柱直径520 mm，檐柱直径480 mm，檩条直径300 mm，椽子直径130 mm，坐斗450 mm×450 mm×280 mm。大殿檩条的大小甚至超过民居中柱子的大小，可见指林寺大殿用材的粗大，具体尺寸如表5。

表5 指林寺大殿主要木构件尺寸Table 5 Dimension of main wooden components in the hall of Zhilin Temple （mm）

5 指林寺大殿用材尺寸及树种配置所反映的历史科技水平

指林寺大殿中材种以针叶材为主，构件尺寸大跟建造年代有关。元代时期建筑用材粗大，就地取材。云南地区拥有丰富的硬木松资源，为了减少搬运及加工的难度选用密度较小的木材。元代时期加工制作工具尚不发达，主要以斧子、镚、凿子粗略加工。受加工工具的限制不适合做细小的构件，可见整座建筑彰显宏伟气势，而无精美的雕饰。

6 结 论

建水指林寺大殿木结构建筑是云南省内少有的元代古老木结构建筑。本次鉴定研究工作选取了指林寺大殿各个木构件为研究对象，通过与现代的木材微观解剖及宏观对比鉴定方法，确定了其用材树种的名称。通过木构件在各位置的配置比例分析可得出柱、梁、枋为硬木松类木材，斗栱部位木材种类有硬木松、白青冈、格木、荷木。在所有木构件中硬木松占据了绝大比例，可以确定除硬木松外的木材为后面历代修缮中更换的木材，特别是在斗栱位置采用材质优于硬木材的硬阔叶材格木，有利于提高斗栱的结构力学及耐腐朽性能。木构件尺寸大方的特点也符合元代时期建筑特征。