La località Tra' Colli prende il nome dalla contrazione dell'espressione "intra colles", che descrive l'ubicazione dell'antico borgo immerso nelle colline del fondo valle calcesano. Dalla strada carrozzabile, si raggiunge la chiesa mediante una scalinata in pietra che porta al sagrato e al resede mantenuto a prato che costeggia il fianco destro dell'edificio. La chiesa, realizzata in pietra a vista di varie pezzature su tutti i prospetti, è caratterizzata da una facciata a capanna con portale lunettato, bifora e apertura cruciforme al vertice. I fianchi laterali, di cui quello sinistro parzialmente addossato alla casa canonica, ospitano una serie di monofore, mentre quello tergale accoglie al centro un oculo. Il tozzo campanile in pietra, dotato di pianta quadrangolare, svetta all'incrocio tra l'edificio di culto e la canonica ed è costruito sulle fondamenta dell'antica torre castellare distrutta dai pisani nel 1288. Internamente, l'aula unica si conclude con una scarsella absidale introdotta da un arco trionfale dipinto. Sulle pareti laterali dell'abside, due porte conducono ai locali adibiti a sacrestia e a deposito.

Struttura
Muratura portante a sacco, costituita da conci in pietra e da materiale sciolto lapideo. Tutte le murature si presentano in buono stato di conservazione.

Pianta
Schema planimetrico a navata unica conclusa da scarsella absidale quadrangolare, introdotta da un arco trionfale a tutto sesto. L'area presbiteriale risulta rialzata di un gradino rispetto al resto dell'aula.

Coperture
Copertura a capanna costituita da orditura primaria e secondaria in struttura lignea, sorretta da tre capriate. La scarsella absidale di forma quadrangolare è coperta da una volta a vela intonacata e dipinta. Il manto di copertura è in cotto su tutte le falde dell’edificio.

Pavimenti e pavimentazioni
Pavimentazione in cotto con piastrelle di forma rettangolare su tutte le superfici calpestabili all’interno della chiesa.

Elementi decorativi
La facciata a capanna, realizzata in pietra di varie pezzature, ospita al centro un portale lunettato rialzato rispetto al sagrato mediante una piccola scalinata in pietra. Al di sopra, si aprono una bifora con colonnina centrale e un'apertura cruciforme presso il vertice. Internamente la chiesa a navata unica, con copertura a capriate lignee, ospita in controfacciata la cantoria con balconata in legno, che poggia su due colonne in pietra ed accoglie al centro l'organo realizzato dalla Ditta Agati nel 1837. Sulla parete destra, vicino all'ingresso, trovano posto un'acquasantiera in marmo bianco utilizzata come fonte battesimale e, affianco, un confessionale a tre fornici in pietra dipinta. A metà dell'aula si fronteggiano i due altari laterali: quello destro, dedicato a San Silvestro, è costituito da una mensa in pietra e da un dossale dipinto, includente una pittura murale raffigurante il Santo nell'atto di battezzare l'Imperatore Costantino. Quello sinistro, dedicato al Sacro Cuore di Gesù, con mensa e dossale in pietra dipinta, ospita al centro un crocifisso ligneo del XV secolo, restaurato tra il 1995 e il 1997 da Maria Teresa Leotta e conservato per motivi di sicurezza presso la Pieve di Calci fino al 2014, quando l'opera fu ricollocata nella chiesa di Tre Colli. L'area presbiteriale, rialzata di un gradino rispetto al resto dell'aula, è introdotta dall'arco trionfale ornato nella parte superiore da due statue lignee quattrocentesche raffiguranti una santa incoronata e San Sebastiano. Al centro, è collocato il settecentesco Altare maggiore, realizzato in pietra dipinta a finto marmo, a cui nel 1916 fu aggiunto un vistoso dossale per esporre l'immagine della Madonna delle Grazie. L'intera chiesa è decorata da un ciclo pittorico ottocentesco, costituito da quattro pitture condotte a monocromo raffiguranti le quattro virtù cardinali della Fortezza, della Giustizia (in controfacciata), della Speranza e della Fede (sulla parete di fondo dell'abside) e da sei scene raffiguranti episodi della vita di Gesù e della Vergine Maria, distribuite lungo la navata e nel presbiterio, realizzate da Giuseppe e Luigi Bacchini nel 1840. Il ciclo decorativo trova il suo apice nel dipinto murale posto al centro della parete absidale, raffigurante Il Martirio di San Bartolomeo, realizzato dal pittore calcesano Antonio Cateni.
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