基于薄竹纏繞技術的竹家具創(chuàng)新設計研究

萬 千，金思雨，費本華，張亞池，宋莎莎

(1.北京林業(yè)大學，木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083； 2.國際竹藤中心，北京 100102)

基于薄竹纏繞技術的竹家具創(chuàng)新設計研究

萬 千1，金思雨1，費本華2，張亞池1，宋莎莎1

(1.北京林業(yè)大學，木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083； 2.國際竹藤中心，北京 100102)

通過對原竹家具、集成材家具和重組竹家具幾類已有不同竹家具的比較研究，總結歸納出現有竹家具具有竹材利用率低、加工方式不靈活和家具造型缺乏創(chuàng)新性等缺點。為了滿足竹家具市場更新型的設計方案，更高效地生產加工和更環(huán)保的材料利用，引進薄竹纏繞技術工藝作為新型的竹質家具的技術支撐，提出基于薄竹纏繞技術的竹家具創(chuàng)新設計途徑。分別從薄竹纏繞家具的造型、裝飾和結構3個方面對薄竹纏繞家具設計的優(yōu)勢進行分析，表明薄竹纏繞工藝適用于非線性的曲面家具設計中，能使竹質家具造型進一步趨近符合國際化的市場，并且有效避開原有竹制家具在生產中的材性單一，以及接合缺陷，令竹質家具得到進一步完善和發(fā)展，具有更廣闊的市場前景。

竹家具；薄竹纏繞技術；家具設計；創(chuàng)新設計

竹子作為一種物美價廉的可再生資源，被廣泛地應用于建筑、家具、燈具、工藝品等的生產制造當中。竹在中國傳統(tǒng)文化中蘊含著特殊的意義，我國自古就有“寧可食無肉，不可居無竹”的說法，可見竹子及其工藝制品在中國傳統(tǒng)文化中占有極其重要的地位。隨著經濟的發(fā)展，當今消費者環(huán)保意識也隨之增強，人們愈發(fā)傾向于選擇一種更加綠色健康的生活方式，而竹家具制品因其環(huán)保、綠色和高性價比的特點，逐漸進入市場并且受到大眾消費者的追捧和喜愛。同時我國作為典型的竹資源豐富而木材資源相對匱乏的國家[1]，大力發(fā)展竹家具產業(yè)有助于緩解環(huán)境壓力以及木材資源緊張的產業(yè)局勢[2]。

1 竹家具發(fā)展現狀

我國竹林面積、竹林蓄積量和竹產量均居世界第一，相對于木材來說，竹材的生長周期短，具有非常明顯的資源優(yōu)勢[3]。近20年來，隨著對竹資源的開發(fā)利用，從最初始的原竹加工到較新型的薄竹板加工，對竹材的加工技術手段向著精細加工和深度加工的方向發(fā)展[4]。就竹家具產品而言，目前市面上的竹制家具根據竹質材料的不同，可以大致分為原竹家具、竹集成材家具和重組竹家具[5]。

1.1 原竹家具

原竹家具主要采用包榫接合、榫接合、連接絲(繩)接合等方式，將原竹構件接合在一起，輔以原竹加工而成的竹片或竹篾，用以制造相對傳統(tǒng)款式的桌、椅、凳、屏風等家具(圖1)[6]。原竹家具所使用的竹材加工技術最大程度地保留了竹子的自然紋樣風貌，充分利用了竹材優(yōu)良韌性、彈性和彎曲性能，塑造出一種自然古樸的田園風格。由于竹材的各向異性較大，而原竹家具的基材沒有經過改性處理，導致傳統(tǒng)原竹家具的制造難度較大，在使用時也常常因為干縮濕脹的問題導致接合部位的開裂和松動。同時，由于原竹家具的連接結構的不可拆卸性，也導致家具的包裝和運輸成本較高，阻礙其進入國際市場。

近年來，新式的原竹家具在傳統(tǒng)原竹家具的基礎上，綜合利用金屬、木材、皮革等材料，并在連接處使用五金件進行固定接合，在保留的原竹自然淳樸的風格同時，提高了生產效率，改良了資源利用，進一步實現原竹產品在工業(yè)生產中的標準化與模塊化。

1.2 竹集成材家具

竹集成材是將竹材加工為具有一定標準規(guī)格的竹片，然后經過干燥、防腐、涂膠等工序將竹片組胚膠合成方材[7]。處理后的竹方材具有變形小、幅面大、耐磨損等特點，用其加工制造而成的家具經久耐用，表面紋理通直、清晰和美觀(圖2)。由于竹集成材一般為尺寸標準的方材，其家具的加工制造類似實木家具的制造過程，家具的零部件可以采用榫卯接合或五金件接合的方式進行組裝[6]。區(qū)別于實木家具的框架結構，竹集成材優(yōu)良的力學性能使得其在家具的大幅面結構中可以直接使用整塊的竹板構成，更類似于板式家具的組裝結構(圖2)。因竹集成材的密度較高[8]，其家具零部件的加工制造主要由機器完成，在其表面進行精細雕刻時，容易出現斷面崩茬的現象。

圖1 原竹家具Fig.1 Natural bamboo furniture

圖2 集成竹家具Fig.2 Glue-laminated bamboo furniture

1.3 重組竹家具

通過機械設備將竹材輾搓為縱向交錯連接而橫向不斷裂的竹束，然后經過干燥、涂膠、組胚、熱壓等程序制成一種高強度、大規(guī)格和擁有天然竹材紋理的人造板則被稱為重組竹[9]。重組竹具有密度大、彈性模量高、抗壓抗拉強度強、甲醛釋放量低的特點，是一種性質十分優(yōu)良的材料。同竹集成材家具的連接方式類似，重組竹家具既可采用傳統(tǒng)的榫卯接合也可以利用五金件連接，在此之外，重組竹還具有優(yōu)良的膠合性能，可以采用膠合的方式進行組裝。重組竹具有良好的力學加工性能，質感優(yōu)異，顏色類似花梨木和酸枝，被認為是制造新中式家具的上等材料[10]。

綜上所述，目前市面上的竹家具主要分為以原竹進行加工的原竹家具，以及將竹材加工為竹方材后再進行制造的集成竹材家具和重組竹家具。相較而言，原竹家具對竹材的利用較為原始，在力學性能和材料的利用率上較低，且形式較為固定，難以滿足現代消費的個性化需求，而集成竹材家具和重組竹家具雖然擁有優(yōu)良的力學性能，但仍是類似木質家具的制造方式進行加工，沒用很好地利用竹材自身獨特的材料學性能，缺乏創(chuàng)新性。

2 一種新型的竹材加工技術——薄竹纏繞技術

薄竹纏繞技術是一種通過對集成竹材、層積竹材、竹纖維板或重組竹材等竹材半成品的刨切加工獲得薄竹片，然后將薄竹片作為一種增強材料使用低成本的氨基樹脂進行膠合連接，采用往復式機械纏繞工藝制成所需要的曲體制品的技術[11]。作為一種竹材再加工的新型技術，薄竹纏繞技術可以用來加工制造非線性的產品，具有加工方式靈活，生產過程全自動化、原竹利用率高、薄竹材料來源廣泛等特點。

2.1 薄竹纏繞技術工藝

竹材作為一種性質優(yōu)良的生物質材料，具有極其優(yōu)良的物理性能。相對于木材而言，竹材的彈性高、韌性強，其順紋抗壓強度為木材的1.2～2倍，而順紋抗拉強度為木材的2～25倍[12]。薄竹纏繞技術正是利用了竹材的特點來加工制造出性能優(yōu)異的竹制品。

首先是薄竹條的制備，將通過膠合、層積、重組等改性方式獲得竹方材，進過軟化刨切為厚度在0.15～1.5 mm之間薄竹片或厚度為0.15～0.5 mm之間的微薄竹片，然后根據具體的需要將竹片接長加工為所需的薄竹條[13]。薄竹條制備完成后，利用氨基樹脂作為膠黏劑，將薄竹條通過機械設備纏繞產品模型之上，等待膠黏劑固化后，再將產品進行脫模處理，經過檢驗最終獲得所需的產品，其操作具體流程如下圖3所示。

圖3 薄竹纏繞技術工藝流程圖Fig.3 The process flow diagram of sliced bamboo winding technology

在挑選所要進行刨切加工的竹材時，應當避免選擇帶青、帶黃、彩色差異大、帶有生長缺陷以及幼齡竹的竹片，以防刨切的薄竹片顏色不一，提高竹片的成品率。軟化處理以及刨切加工作為薄竹片制備過程中最重要也是最具技術含量的環(huán)節(jié)，良好的竹方材軟化工藝可以在去除竹材中的糖類、脂肪和蛋白質等影響材質的有機物的同時，減少進行刨切時的切削阻力，從而進一步提高刨切的質量[14]。得到的薄竹片寬度和厚度的公差要求控制在±0.1 mm以內，且刨削面要平整、光滑、波紋小，因此對竹材處理后的溫度、刀具切削角度和竹材的表面粗糙度都特別的要規(guī)定[15-16]。在進行薄竹纏繞的過程中，竹條的纏繞密度、編織圈數、纏繞順序、施膠量等的不同都會對最終產品的質量產生較大的影響，應當根據具體產品的要求合理選擇。

2.2 薄竹纏繞技術工藝的應用現狀

目前市面上對薄竹片的應用同對薄木材料的應用類似，主要是將薄竹片膠貼在人造板的表面制成裝飾竹貼面板來使用，將薄竹條作為增強材料的薄竹纏繞技術尚屬于一種新型的技術，應用途徑較少，其中以一種薄竹纏繞復合管的產品較為成熟。

這種復合管沿管徑方向主要分為內襯層、增強層和外防護層3層。其中內襯層為用樹脂及氈制作而成的內襯，起到防水作用。將薄竹片用襯布粘接、縫合或編織為一整條連續(xù)的帶狀竹條，施膠后將竹條通過機械往復式的纏繞在內襯層上，由環(huán)向層和螺旋層經過固化共同構成復合管的增強層，最后在增強層外噴涂防腐材料作為外防護層。這種采用竹纏繞技術制造而成的竹復合管成本低于絕大多數管材，使用壽命長、強度高、變形率低，是一種十分理想的工程用材。

3 薄竹纏繞技術在竹家具設計中的應用分析

對于市場而言，在消費者追求個性化、差異化的今天，竹制品逐步向著更加多元化的方向發(fā)展(圖4)。竹纏繞復合材料具有低碳性、抗震性、保溫性、可持續(xù)性、低成本等特點，將薄竹纏繞技術應用在家具設計上可以為竹家具的創(chuàng)新設計提供更加廣闊的發(fā)展空間，創(chuàng)造出一種全新竹家具生產工藝。由于目前尚沒有將竹纏繞技術應用在竹家具設計上的先例，本文僅從薄竹纏繞家具的造型、裝飾和結構3個方面對薄竹纏繞家具設計的優(yōu)勢進行分析。

圖4 多元化的竹制產品Fig.4 Diversified bamboo-made products

3.1 薄竹纏繞家具的造型設計分析

原竹家具由于直接利用原竹進行接合制造家具，在家具的造型設計上受到竹材本身自然形態(tài)的限制，而集成竹材家具和重組竹家具的加工方式與木家具基本一致，在加工非線性制品時會產生邊角材料的剩余，對原材料的浪費較大，并且存在加工靈活度較低和產品同質化的不足。

家具作為一類與人生活息息相關的日常用品，在使用過程中同人體進行接觸，因此家具產品在造型尺寸的設計上應當適應人體的生理曲線，滿足人體工程學的相關要求[17]。薄竹纏繞技術可以在曲線表面進行纏繞編織，其獨特的產品制造技術非常適合非線性曲面產品的制造生產，能有效的解決家具制造中的實際問題。同時它以一種類似增材制造的技術來編織產品，能夠極大地提高原材料的利用率。研究表明，竹材加工為薄竹片進行生產可使竹材的利用率達47.38%～71.44%，將傳統(tǒng)的竹材利用率提高1倍左右[18]。另一方面，相較于傳統(tǒng)的家具框架式的支撐方式，直接利用材料進行變形彎曲來進行結構支撐，能使家具在造型上體現出一種靈活、通透和富有律動的美感(圖5)。

圖5 采用材料變形彎曲作為支撐結構的家具Fig.5 Furniture using bending materials as their structural support

薄竹纏繞技術也為家具造型的參數化設計提供新的途徑。作為一種進行非線性設計的方法，利用參數化設計的產品在造型上體現出動態(tài)性、自組織性和不規(guī)則性等，因其夸張和性感的曲線逐漸受到消費者的喜愛和國內外設計界的廣泛重視[19]，近年來應用參數化設計的案例越來越多(圖6)。傳統(tǒng)的竹家具若應用參數化設計，需要在產品的內部構建結構框架，然后在框架的基礎上或軟包或編織形成最終的家具產品，而利用薄竹纏繞技術，可以在做好的產品模型上直接進行產品的制造，使產品一次性成型，極大的減少的制造的工序，降低機械磨損，從而提高了生產效率，使參數化家具設計的批量化生產成為可能。

圖6 參數化設計產品案例Fig.6 Examples of products using parametric design

3.2 薄竹纏繞家具的裝飾設計分析

竹材天然具有通直、古樸的紋理，給人以整潔、干凈、自然的感受，深受消費者的喜愛，由竹材加工而成的薄竹板常作為裝飾貼面材料，有效地改善了板材的外觀質量[20]。但直接利用竹材的紋理作為產品的外觀裝飾，缺乏像木材一樣擁有充滿變化的山峰狀紋理，容易給人較為單調的視覺感受。竹編工藝的出現則有效地改善了竹材制品的表面裝飾，豐富多樣的編織手法賦予了竹制品表面更加多樣化的紋理。竹編技藝在我國具有悠久的歷史，匠人通過精湛的編織手法，將竹片、竹絲編織為多樣幾何連續(xù)性的編織圖案，常常用在竹燈、竹籃、竹框等產品上，使竹制品得到了多樣化的發(fā)展[21]。竹編工藝在家具產品上的應用上，較少單獨作為支撐結構，而是作為支撐架構的裝飾面，起到美化產品外觀，增強產品舒適度的作用(圖7)。

圖7 竹編家具Fig.7 Bamboo weaving furniture

利用薄竹纏繞技術進行竹家具產品的生產制造，可以模仿竹編織技法，豐富竹家具產品的表面裝飾，同時因為薄竹纏繞技術將薄竹條直接作為一種增強材料來使用，不需要額外的架構支撐，能進一步提升產品外觀的整體性。傳統(tǒng)的竹編技藝大多以手工加工而成，對竹編匠人的技能熟練度要求較高，而薄竹纏繞技術可以使用機器一次性直接加工成型，在節(jié)省人力成本的同時，也能降低因人為失誤而引起的產品殘次率?，F有竹編家具由于加工方式的限制，要求使用的竹條、竹篾有較高的拉伸強度，方便進行編制和最后的固定成型。然而在竹纏繞技術中，由于竹條可作為一種裝飾材料被膠黏在內襯上，內襯層增強了整體架構的穩(wěn)定性，可以將竹條做的更加纖薄來進行編織纏繞，降低了材料厚度也提高了竹家具曲線表面的平整度。另一方面，由于內襯層的存在，也使得竹編形式不必拘泥于規(guī)矩的幾何形式來滿足結構穩(wěn)定性的需求，可以更加自由的進行編織，創(chuàng)造出更多的紋理圖案(圖8)。最開始的竹制品大多使用竹質材料本色，隨著人們對產品個性化、色彩美觀度要求的提高，需要進一步改善竹材的視覺特性和表面性能，提高竹產品的產品附加值。為此，可以使用染色、漂白、高溫處理、修飾填補手段等對薄竹和成型的薄竹纏繞家具進行表面加工處理，使家具擁有更加多樣化的表面裝飾表現形式。

圖8 具有非幾何圖案的竹編制品Fig.8 Bamboo plaited articles with non-geometric patterns

3.3 薄竹纏繞家具的結構設計分析

現有竹家具，不論是原竹家具，還是將竹材進行改性處理后的竹板材家具，或多或少的都需要對竹材進行開榫，或是直接連接，或是輔助竹條、五金件等進行連接。由于竹材是一種具有各向異性的天然材料，對榫頭、榫眼的加工尺寸、加工精度、榫連接部位等都有一定的要求，在進行連接部位加工時如果沒有滿足具體的加工標準，或是因竹材本身含水率的變化，會使家具成品在使用過程中出現連接部位開裂，結構不穩(wěn)的現象。

使用薄竹纏繞技術制造竹家具產品則避免了開榫的步驟，取而代之的是直接在產品模型上進行纏繞編織制造，從而避免了家具連接處不牢固而產生的家具損壞。再者，集成竹材和重組竹的密度較大，制造而成家具質量大，搬運移動不便，而薄竹纏繞家具可制造為具有中空結構的家具，大大減輕了家具的重量。同時，將設計好的家具進行部件的拆解，將各個部件利用薄竹纏繞技術加工完成后，部件間可利用五金件進行接合，進一步方便家具的拆卸和組裝，減少儲存運輸的成本，也可以利用這種方法將簡單的曲面形態(tài)進行組合拼裝，創(chuàng)造出擁有復雜多變造型曲線的家具形態(tài)。隨著技術的發(fā)展，加工復雜造型機械纏繞工藝的不斷改進也能為竹纏繞家具的結構在未來加工創(chuàng)造更多的可能性。

4 小結

目前，將薄竹纏繞技術應用在家具制造上，仍存在一些實際操作上問題，如表面處理、結構穩(wěn)定性等的測定，這些問題都需要在實際的生產過程通過實踐去不斷發(fā)現和解決。但不可否認的是，薄竹纏繞技術的出現增加了竹材的利用途徑，為竹家具的創(chuàng)新設計提供了一種新的思路，開闊了進行竹家具設計的視野。薄竹纏繞家具目前僅停留在理論階段，尚沒有實際的產品可供參考，應多從已有的竹制產品中汲取設計靈感，對薄竹纏繞家具的技術進行突破和創(chuàng)新，方能從理論到實踐，使薄竹纏繞家具滿足現代人的生活需求。

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Innovative Design of Bamboo Furniture based on the Sliced Bamboo Winding Technology

WAN Qian1,JIN Si-yu1,FEI Ben-hua2,ZHANG Ya-chi1,SONG Sha-sha1

(1.Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.International Center for Bamboo and Rattan,Beijing 100102,China)

Through the comparative study of bamboo furniture which are made of several types of bamboo materials,such as original bamboo,glued laminated bamboo and reconstituted bamboo the disadvantages of the existing bamboo furniture,including low material utilization,inflexible processing mode,lack of innovation and so on,were summarized.In order to meet the changing needs of the bamboo furniture market with new designs,more efficient production and processing methods and more environmentally friendly materials are urgently needed .Therefore,the Sliced Bamboo Winding Technology and Processing Technology,a new type of bamboo furniture manufacturing technology,was introduced.From the aspects of shape,decoration and structure,the advantages of this technology in the bamboo furniture design were analyzed.The results showed that the Sliced Bamboo Winding Technology and Processing Technology was suitable for the nonlinear furniture design，it can promote the bamboo furniture modeling closer to international market，and effectively prevent the occurrence of single material and bond defect of bamboo furniture，finally let the bamboo furniture get further improvement and development,bring a broader market prospect.

Bamboo furniture; Sliced bamboo winding technology; Furniture design; Innovation design

2017-01-27

北京市教育委員會共建項目專項資助(無編號)；國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600905)

萬千，博士研究生，從事家具設計與制造、工業(yè)設計等研究。通信作者：宋莎莎，博士，講師，從事家居與人因工程、木質環(huán)境學、木結構建筑等研究。E-mail：songrui_1688@126.com