實木家具有機(jī)形結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

■封 宇 劉文金 Feng Yu & Liu Wenjin

(1.2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004）

現(xiàn)代日常生活中，人們愈發(fā)注重自身健康問題，實木家具天然環(huán)保，正好滿足了消費者對健康生活的需求[1]。但傳統(tǒng)的實木家具造型往往過于厚重笨拙，讓人有審美上疲勞的同時往往還產(chǎn)生了不必要的材料浪費。當(dāng)下以獨立設(shè)計師品牌為首的有機(jī)造型實木家具出現(xiàn)，立馬吸引了消費者的眼球，擁有良好的市場反響[2]。

有機(jī)一詞原意本指自然的、生物的、含碳的，后引申為事物的各部分互相關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)而不可分[3]。有機(jī)形態(tài)是從有機(jī)設(shè)計中延伸出來的對于產(chǎn)品造型的思考，它是一種形態(tài)風(fēng)格，講求產(chǎn)品形體的流暢性。有機(jī)形結(jié)構(gòu)的實木家具是讓家具產(chǎn)品中的每個接合部位像是宛若天成一般，在連接節(jié)點出能形成一些具有圓弧的形態(tài)的構(gòu)成形式，模仿樹干與枝椏的天然形態(tài)特征來處理實木家具中各部件間的接合，采用流暢和圓潤的造型手法使得實木家具渾然一體[4-5]。

有機(jī)形結(jié)構(gòu)實木家具與曲木家具以及異形實木家具之間的區(qū)別：有機(jī)形結(jié)構(gòu)家具僅僅只針對各部位之間的連接處的過度形式；曲木家具則是利用木材的外性的彈性原理使它的某個部件彎曲成某種形狀[6]；而異形實木家具的部件本身就是不規(guī)則的截面形狀。不同于曲木實木家具的過于張揚的曲面表現(xiàn)形式，也不同于實木家具較大的加工難度，有機(jī)形結(jié)構(gòu)實木家具是一種有節(jié)制的家具設(shè)計手法，在既滿足工業(yè)化大批量生產(chǎn)需求的同時也保證了一定的藝術(shù)審美價值[7]。

然而現(xiàn)有的實木家具有機(jī)形結(jié)構(gòu)往往僅憑設(shè)計人員的經(jīng)驗和審美主觀地進(jìn)行構(gòu)想，除了缺少科學(xué)依據(jù)之外，其中還存在著一些難題，如材料利用率問題、結(jié)構(gòu)強度問題等急需解決。分析實木家具接合結(jié)構(gòu)形式上最合適的有機(jī)形態(tài)，可以更好的運用到實木類家具產(chǎn)品有機(jī)形設(shè)計之中，為產(chǎn)品最終效果評估提供前期的參考依據(jù)，也為設(shè)計人員以及相關(guān)企業(yè)對實木家具產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)節(jié)點的結(jié)構(gòu)強度提供切實有效的數(shù)據(jù)，使產(chǎn)品設(shè)計能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)人群，從而贏得市場[8]。

1 兩連接件間結(jié)合部位的外觀形式

由于有機(jī)形結(jié)構(gòu)形式的不同會直接影響材料利用率的高低，因此需要探討怎樣的形式是最合理的。在查閱大量的文獻(xiàn)及圖片資料分析現(xiàn)有市場中有機(jī)形結(jié)構(gòu)家具常有形式后，確定現(xiàn)有市場中有機(jī)形態(tài)的實木家具中以“T”型、“L”型構(gòu)件表現(xiàn)最為突出，主要表現(xiàn)為桿式部件，常見于實木家具的椅類及架類產(chǎn)品中[9](圖1、圖2）。

2 有機(jī)形態(tài)家具中連接規(guī)律及相關(guān)審美依據(jù)

通過歸納現(xiàn)有有機(jī)形態(tài)實木家具中的連接規(guī)律，從而制定相關(guān)的審美依據(jù)，確定兩構(gòu)件間的截面大小搭配以及過度的圓弧大小之間的關(guān)系和影響形式，其核心是找到截面大小與圓弧過度的合適關(guān)系。如圖3所示，具體以構(gòu)件正視圖中的截面邊長（a）為基準(zhǔn)來確定過度圓弧的半徑（R）大小。

而圓弧半徑大小除了與截面積大小有關(guān)外，與木材利用率也有著密切的關(guān)聯(lián)，選取兩者組合的最優(yōu)的圓弧半徑大小。通過分析結(jié)論如下：

①當(dāng)2a R 0.25a時，構(gòu)件的木材利用率會隨著過度圓弧半徑R的增大而減??；

②通過問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)2a R 2為構(gòu)件圓弧過度較佳的視覺范圍，有80%的受試者選擇該范圍的過度圓弧造型；

③當(dāng)R＞2a時，構(gòu)件節(jié)點使用木材量增大，木材利用率會有所增大，但構(gòu)件造型超出有機(jī)形結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，屬于異形實木家具造型；

④當(dāng)R＜0.25a時，構(gòu)件節(jié)點圓弧過度半徑過小，可視為普通直角構(gòu)件。

3 最佳視覺造型取值評價

采用問卷調(diào)查的形式，分析出2a R a為構(gòu)件圓弧過度較佳的視覺范圍，并進(jìn)一步獲取該范圍內(nèi)最佳視覺造型取值的具體數(shù)值。以125名不同職業(yè)領(lǐng)域的人群作為受試者，其中男女比例為1:1，以20-30歲年齡層居多，且有設(shè)計基礎(chǔ)與無設(shè)計基礎(chǔ)的均占一半。具體調(diào)查結(jié)果如表1及表2所示可知，T型構(gòu)件的最佳視覺造型取值為R=a；L型構(gòu)件的最佳視覺造型取值為R=1.5a。

4 構(gòu)件相應(yīng)斷開方式及木材材料利用率問題

由于接合部位過度連接會導(dǎo)致基材損失較大，切削量較大。因此需要選擇合理的連接方式，保證過度作用的構(gòu)件的外觀功能不受影響的同時盡量增大材料利用率。探討構(gòu)件相應(yīng)斷開方式以及構(gòu)成形式，在滿足基本力學(xué)性能的前提下，最大化提高木材材料利用率。通過計算不同斷開方式的木材利用率，來判斷最為節(jié)約材料的斷開方式[10]。

■表1 T型構(gòu)件最佳視覺造型取值喜愛度調(diào)查

■圖1 梵幾·實木椅

■圖3 構(gòu)件截面邊長與過度圓弧關(guān)系示意圖

■圖4 構(gòu)件斷開形式與木材用料示意圖

■圖2 梵幾·實木衣帽架

■圖5 構(gòu)件中間件設(shè)計榫卯樣式構(gòu)想示意圖

具體的斷開方式如圖4所示，計算中所需要運用的公式為：

由于所有構(gòu)件的厚度均一致，故將公式簡化為二維面積的比較，通過Auto CAD軟件直接得出所需部分的面積大小，簡化后的公式為：

計算結(jié)果為：

T型構(gòu)件的木材利用率為：

L型構(gòu)件的木材利用率為：

由此可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中間件的設(shè)計能極大提高木材利用率。

5 結(jié)構(gòu)強度問題

5.1 確定兩個連接件之間的結(jié)合方式

如圖5所示連接形式發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)形式也會隨之也發(fā)生變化，所以需要確定相應(yīng)的榫頭榫眼結(jié)構(gòu)，能夠保證外形的需求的同時不能有裂縫。通過以直角榫、橢圓榫及圓棒榫接合的T型、L型構(gòu)件為例，需要采用力學(xué)試驗方法，對節(jié)點強度進(jìn)行測定，對理想使用狀態(tài)即在外力垂直荷載勻速加載的作用下使構(gòu)件節(jié)點發(fā)生破壞或變形進(jìn)行研究，最終選擇最為理想的榫卯形式[12]。

5.2 有機(jī)形結(jié)構(gòu)節(jié)點的工藝標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)的制定，需要在確定最合適的榫卯類型之后進(jìn)行探討。參考方材直榫的工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過實驗建立相關(guān)的有機(jī)形結(jié)構(gòu)節(jié)點的工藝標(biāo)準(zhǔn)，在選用構(gòu)件節(jié)點最佳過度圓弧大小、斷開形式以及榫卯種類的情況下，通過極限抗拔試驗，探討榫頭寬度與榫眼長度對結(jié)構(gòu)性能影響的關(guān)系以及相應(yīng)的最佳過盈配合量，通過實驗建立相關(guān)的有機(jī)形結(jié)構(gòu)節(jié)點的工藝標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。

6 結(jié)語

通過對實木家具有機(jī)形結(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)行設(shè)計研究，以達(dá)到核心目的即提高木材的利用率；探討相關(guān)節(jié)點的結(jié)合方式，采用合適的榫接合時榫頭榫眼的相關(guān)配合尺寸和配合公差問題，為實際設(shè)計實木有機(jī)形家具產(chǎn)品時提供理論支撐。

以有機(jī)形態(tài)中的T型、L型實木構(gòu)件為代表，歸納現(xiàn)有有機(jī)形態(tài)家具中的連接規(guī)律，將構(gòu)件正視圖中的截面邊長（a）作為過度圓弧的半徑（R）大小的衡量依據(jù)，調(diào)查得出2a R a為構(gòu)件圓弧過度較佳的視覺范圍，該范圍內(nèi)的木材利用率也較為合理。運用問卷調(diào)查方法，得出T型構(gòu)件的最佳視覺造型取值為R=a，L型構(gòu)件的最佳視覺造型取值為R=1.5a。通過計算不同有機(jī)形結(jié)構(gòu)節(jié)點的斷開方式的木材利用率，可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中間件的設(shè)計能極大提高木材利用率。

研究后續(xù)將以水曲柳木材為研究基材，進(jìn)一步研究相關(guān)節(jié)點的結(jié)構(gòu)強度問題，將研究出的有機(jī)形結(jié)構(gòu)榫卯接合的相關(guān)理論參數(shù)應(yīng)用于水曲柳實際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并對其進(jìn)行仿真力學(xué)穩(wěn)定性測試，證明相關(guān)實驗的有效性。在以水曲柳材為基材加工成的實木家具中絕大部分采用的結(jié)構(gòu)為外形單一的直角榫結(jié)構(gòu)，少部分水曲柳實木家具結(jié)構(gòu)中，由于節(jié)點有機(jī)形態(tài)的不規(guī)范以及結(jié)構(gòu)設(shè)計欠妥，造成連接強度較低。針對這兩種情況，通過對節(jié)點連接方式的優(yōu)化，設(shè)計出有機(jī)形態(tài)水曲柳實木家具產(chǎn)品，保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度的同時，也實現(xiàn)水曲柳實木家具結(jié)構(gòu)節(jié)點的有機(jī)化。

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