建水指林寺大殿木構件材種鑒定及配置研究

李世民，王夢丹，黃 斌，王付強，邱 堅

（1.西南林業大學（材料科學與工程學院），云南昆明 650224；2.建水縣文物管理所，云南紅河 654399；3.自由職業，云南曲靖 655816）

0 引 言

指林寺大殿作為國家重點文物保護單位，在其修繕過程中必須遵循《中華人民共和國文物保護法》《古建筑木結構維護與加固技術規范：GB 50165—92》[1]的“修舊如舊”原則和《中國古跡文物保護準則》中以不改變原狀為基礎的原則，文物古跡本身的材料、工藝、設計及環境和它所反映的歷史、文化、社會信息的真實性原則，完整性原則，最低限度干預度原則。在古代木結構建筑修繕過程中對材種的認識主要憑匠人的經驗來確定是否需要替換和所要替換的樹種，并沒有嚴謹的科學依據，木材科屬種的復雜性增加了通過宏觀準確判斷材種的難度。此外，同一個樹種的叫法地區差異性明顯，這樣就會造成材種認識的很大偏差[2]。而木構件材種鑒定是古建筑修繕和保護的基礎工作。通過對材種的鑒定，不僅可以了解木構件的物理力學性能，在樹種更換上做到保持原材料和最小干預度原則，為木結構建筑保護和維修更換提供依據，而且有助于研究古建筑的歷史科學技術背景。有學者對故宮武英殿建筑群[3]，西安含光門城墻遺址[4]，云南劍川海門口遺址[5]的古老木構件做了鑒定研究為文物保護作出了指導。指林禪寺位于云南省建水縣，建于元代元貞年間[6]，在清代道光年間進行過重大的重修，之后在1998年修繕過一次，2018年也進行再次修繕。現存指林禪寺建筑僅剩正殿和牌坊。保存完好的大殿聞名于世，整座大殿外觀高大雄偉。經北京古建筑專家考察，證實該建筑為距今700余年的元代古老木結構建筑，如圖1。建筑采用元代最為典型的減柱造，具有極高的科學價值。該建筑是云南省元代建造的大型木結構建筑，做法為宋式做法，具有很高的歷史價值。指林寺1987年公布為云南省省級重點文物保護單位，2006年指林寺大殿作為元代至清代古建筑，被國務院批準列入第六批全國重點文物保護單位名單。歷代修繕過程中由于不科學性使建筑物形式有所改變，以及后期保護的不當讓指林寺受到不同程度的價值損失。本研究通過木材顯微解剖等現代科學技術對指林寺大殿材種鑒定分析，為修繕過程中所替換材料作出科學依據。

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

1 指林寺大殿木構件材種鑒定

1.1 材料

在云南建水指林寺大殿現場抽樣采樣，本次選取的木材樣品均取自歷次維修工程的現存的木構件。分別在坐斗、散斗、柱、梁、檁、枋部位取樣。在本次取樣中坐斗位置60個、散斗544個、柱32個、梁16個、檁19個、枋19個，椽10個，如表1。

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

1.2 鑒定方法

1.2.1 取樣 根據樣品尺寸，將樣品鋸成7 mm×7 mm×7 mm左右大小，并且橫切面至少要包含一個生長輪，為了便于后期拍攝，所選擇的生長輪不應太寬，徑切面和弦切面鋸切標準即可。

1.2.2 軟化 木材軟化常用水煮和化學藥劑處理兩種方式。本次實驗軟化木材的方法是水煮。水煮的時間3～4 h。

1.2.3 包埋 對腐朽嚴重不適宜直接做切片的木材需包埋處理，選用PEG1500作為包埋試劑。

1.2.4 切片 制作橫切面、徑切面和弦切面三個面的切片。橫切面的厚度10～15μm，徑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觀構造的觀察。染色劑為1%濃度的藏紅T溶液，染色時間通常為4～ 6 h。

1.2.6 脫水、脫脂 步驟如表2所示。

1.2.7 封片 準備好干凈的蓋玻片和載玻片，用鑷子將三切面切片放在載玻片上，一個載玻片上從左往右分別放置橫、徑、弦三個切面，在切片上均勻地涂上一層中性樹脂膠，輕輕地將蓋玻片壓在載玻片上，然后慢慢地將里面的氣泡趕出來。將密封的切片放置在烘箱中加速凝結。

表2 脫水、脫脂步驟Table 2 Dehydration and degreasing steps

1.2.8 顯微結構觀察 在光學顯微鏡下，分別在三個切面上尋找具有材種鑒定的結構進行拍照，照片倍數分別為50倍、100倍、200倍、400倍。

1.3 結果與分析

木材顯微特征鑒定分析參考國際通用的木材識別特征術語和代碼[8-10]，鑒定材種名稱參考《中國主要木材名稱：GB/T 16734—1997》[11]。表3為木構件材種鑒定結果匯總。

1.3.1 硬木松宏微觀結構特征

1）宏觀特征：生長輪明顯，寬度均勻，輪間晚材帶顏色深，晚材帶寬度占生長輪寬度的1/4～1/2；木材黃褐色；無特殊氣味；紋理直；結構細。

2） 微觀特征：如圖2～4。

軸向管胞：橫切面早材管胞為矩形、六邊形或不規則多邊形，徑壁具緣紋孔主為單列極少兩列，紋孔緣圓形及橢圓形；橫切面晚材管胞為橢圓形及多邊形。早材向晚材過渡為急變，晚材帶寬度占生長輪寬度的1/4～1/2。

木射線：具有紡錘形木射線和同形單列木射線兩種，紡錘形木射線中部可見橫向樹脂道；同形單列木射線由射線薄壁細胞和射線管胞組成，高3～15細胞；射線管胞位于射線的上下邊緣1～3細胞寬度內，內壁具深鋸齒，具緣紋孔似管胞壁上的紋孔[12]。交叉場紋孔類型為窗格型，1～3個。

表3 木構件材種鑒定結果匯總表Table 3 Summary of identification results of wood components

樹脂道：軸向樹脂道分布于晚材帶內，徑向樹脂道存在于紡錘形木射線內[13]。

中文名稱：硬木松，拉丁名稱：Pinussp.科屬名稱：松科松屬。

圖2 硬木松（橫切面）Fig.2 Pinus sp.（cross section）

圖3 硬木松（徑切面）Fig.3 Pinus sp.（radial section）

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

3）物理力學性能：硬木松類中云南松在云南非常普遍，是我國西南地區重要的針葉材，也是傳統木結構建筑中使用最為廣泛的木材。斜紋理，結構中，不均勻，重量及密度中，干縮大，強度及沖擊韌性中[14]。

1.3.2 白青岡宏微觀結構特征

1）宏觀特征：生長輪明顯，邊材黃棕色，心材紅褐色或深褐色有光澤，無特殊氣味和滋味，木材有光澤，紋理直，結構粗，氣干密度0.86 g/cm3。

2） 微觀特征：如圖5～7。

導管與管孔：半散孔材，單管孔，圓形及卵圓形；單穿孔，平行至略傾斜；互列管間紋孔式；部分導管具有侵填體；環管管胞常見。

軸向薄壁組織：軸向薄壁組織量多，類型為離管帶狀、星散-聚合狀及稀疏傍管狀；具有菱形晶體。木纖維：木纖維壁厚，具膠質纖維。

木射線：木射線非疊生。木射線分兩種類型：窄木射線和寬木射線。窄木射線主為單列，極少見雙列（雙列部分與單列部分等寬），高3～25細胞；寬木射線常被木纖維分割，寬度及高度不可數。射線組織同形單列及多列；導管-射線間紋孔式類型為橫向刻痕狀[15]。

樹膠道：無。

中文名稱：白青岡，拉丁名稱：Cyclobalanopsissp.科屬名稱：殼斗科青岡屬。

圖5 白青岡（橫切面）Fig.5 Cyclobalanopsis sp.（cross section）

圖6 白青岡（徑切面）Fig.6 Cyclobalanopsis sp.（radial section）

圖7 白青岡（弦切面）Fig.7 Cyclobalanopsis sp.（tangential section）

3）物理力學性能：青岡屬木材最大的特點是其高強度、良好彈性、耐沖擊、耐腐蝕性好[16]。其他性能為硬度大，加工難度大，抗彎強度大，干燥困難，徑向、弦向干縮差異大，容易變形并產生開裂、劈裂及表面硬化，防腐處理困難。

1.3.3 格木松宏微觀結構特征

1）格木宏觀特征：生長輪明顯，邊材顏色為黃褐色，心材顏色為紅褐色或深褐色且具有光澤，無特殊氣味和滋味，紋理直，結構細，氣干密度0.86 g/cm3。

2） 微觀特征：如圖8～10。

圖8 格木（橫切面）Fig.8 Erythrophleum sp.（cross section）

圖9 格木（徑切面）Fig.9 Erythrophleum sp.（radial section）

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

導管與管孔：散孔材，有單管孔和徑列復管孔（2～3個），圓形及卵圓形；單穿孔；管間紋孔式類型為互列，樹膠常見。

軸向薄壁組織：軸向薄壁組織量多，類型為菱形翼狀、短聚翼狀及輪界狀且含樹膠，菱形晶體常見。

木纖維：木纖維壁較薄，具韌型纖維或膠質纖維。

木射線：木射線局部斜疊生，有單列木射線和多列木射線。單列木射線少，常見2～10個細胞高度；多列射線寬2個細胞，高4～22個細胞或以上，射線組織同型；含樹膠；導管-射線間紋孔式類似管間紋孔式為互列。

中文名稱：格木，拉丁名稱：Erythrophleumsp.，科屬名稱：蘇木科格木屬。

3）物理力學性能：格木具有優良的材性，經常和鐵刀木相比，有很高的順紋抗壓強度和抗彎強度和良好的沖擊韌性，端面硬度大，有良好的尺寸穩定性，廣泛用于木構件承重構件、地板和家具[17]。

1.3.4 荷木松宏微觀結構特征

1）宏觀特征：生長輪明顯，木材顏色為淺紅褐色、輪間具深色條紋，無特殊氣味和滋味，木材有光澤，紋理直，結構細。

2） 微觀特征：如圖11～13。

圖11 荷木（橫切面）Fig.11 Schima sp.（cross section）

圖12 荷木（徑切面）Fig.12 Schima sp.（radial section）

導管與管孔：散孔材，單管孔、徑列復管孔（2～3個），圓形、卵圓形及多角形輪廓；梯狀穿孔，橫隔數7～25，穿孔板傾斜；管間紋孔式主要為梯狀-對列或對列；螺紋加厚可見于導管分子尾部。

軸向薄壁組織：軸向薄壁組織量少，類型為星散狀及稀疏環管狀；含晶體，具分室含晶細胞。

木纖維：木纖維壁較薄，具韌型纖維或膠質纖維。

木射線：木射線非疊生。單列木射線數多（常見3～30個細胞高度）；多列射線寬2個細胞，與單列射線高度近似，多列部分常與單列部分等寬；含少量樹膠；導管-射線間紋孔式類型以刻痕狀為主及少數大圓形。

樹膠道：無。

內含韌皮部、螺紋加厚：部分導管分子尾部可見螺紋加厚。

中文名稱：荷木，拉丁名稱：Schimasp.科屬名稱：山茶科荷木屬。

3）物理力學性能：防火性能好，易做防腐處理，防蟻性弱，握釘力中，旋切性能良好，木材易加工。

2 指林寺大殿木構件樹種配置現狀

表4為指林寺大殿不同位置木構件樹種使用比例。指林寺大殿作為一個建于元代的單體建筑，結構相對復雜，木構件材種使用相對較少。從木構件上面總共采樣690個，取自坐斗、散斗、柱、梁、檁、枋上面。樹種鑒定結果發現指林寺大殿共出現四個科屬的木材，梁、柱、檁、枋承重構件全為針葉材。斗栱位置木材有格木、白青岡、荷木、硬木松四種，其中坐斗中格木占3.33%，白青岡31.67%，硬木松65%。散斗中格木占 6.62%，白青岡占 4.78%，荷木3.31%，硬木松85.29%，如圖14～15。從圖表中可以看出梁架結構采用硬木松。而局部受力斗栱的位置則有格木、白青岡、荷木。坐斗位置除了硬木松外則是格木和白青岡。這兩種木材密度、硬度和穩定性都比國產針葉材大得多。

表4 指林寺大殿不同木構件樹種配置Table 4 Species allocation of different wood components in the hall of Zhilin Temple

圖14 坐斗材種比例Fig.14 Proportion of bucket materials

圖15 散斗材種比例Fig.15 Proportion of bulk bucket materials

3 指林寺大殿木構件材種使用特點分析

從木構件材種使用比例可見硬木松占據了絕大部分比例，這主要緣于云南地區盛產硬木松。就地取材節省了大量的勞力、財力。在斗拱少數木構件，坐斗中使用格木、白青岡闊葉材樹種，散斗中使用荷木闊葉材樹種。這些闊葉材樹種為后期歷代修繕中所增加材種。由于建水地區木結構遭受蟲害嚴重及斗拱在整座建筑中占了很大比例，起承重作用。選用格木、白青岡木材其尺寸穩定、易做防腐處理性能，抗腐蝕能力優于硬木松。荷木未被使用于坐斗中，其尺寸穩定、強度和硬度不如格木、白青岡，而使用于散斗構件滿足受力要求，且荷木具有良好的防火性能，易防蟲處理性能為指林寺大殿蟲害防治提供選材優勢。

4 指林寺大殿木構件尺寸

根據實際測量，指林寺大殿金柱直徑520 mm，檐柱直徑480 mm，檁條直徑300 mm，椽子直徑130 mm，坐斗450 mm×450 mm×280 mm。大殿檁條的大小甚至超過民居中柱子的大小，可見指林寺大殿用材的粗大，具體尺寸如表5。

表5 指林寺大殿主要木構件尺寸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樹種配置所反映的歷史科技水平

指林寺大殿中材種以針葉材為主，構件尺寸大跟建造年代有關。元代時期建筑用材粗大，就地取材。云南地區擁有豐富的硬木松資源，為了減少搬運及加工的難度選用密度較小的木材。元代時期加工制作工具尚不發達，主要以斧子、镚、鑿子粗略加工。受加工工具的限制不適合做細小的構件，可見整座建筑彰顯宏偉氣勢，而無精美的雕飾。

6 結 論

建水指林寺大殿木結構建筑是云南省內少有的元代古老木結構建筑。本次鑒定研究工作選取了指林寺大殿各個木構件為研究對象，通過與現代的木材微觀解剖及宏觀對比鑒定方法，確定了其用材樹種的名稱。通過木構件在各位置的配置比例分析可得出柱、梁、枋為硬木松類木材，斗栱部位木材種類有硬木松、白青岡、格木、荷木。在所有木構件中硬木松占據了絕大比例，可以確定除硬木松外的木材為后面歷代修繕中更換的木材，特別是在斗栱位置采用材質優于硬木材的硬闊葉材格木，有利于提高斗栱的結構力學及耐腐朽性能。木構件尺寸大方的特點也符合元代時期建筑特征。