基于定制模式的板式家具減量化設(shè)計研究*

戴向東 劉 侃 朱志紅 劉俊冉 吳 昱

（中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004）

板式家具是指以人造板為主要基材，通過五金件連接而成的拆裝式家具，具有可拆裝、加工方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，市場上的板式家具可分為兩類：一類為定制化家具，另一類為批量化生產(chǎn)家具。本文主要研究的是定制化生產(chǎn)的板式家具。

2008 年頒布的《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》就各生產(chǎn)制造行業(yè) “減量化”作出相關(guān)規(guī)定：“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)應(yīng)當(dāng)在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理和有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的前提下，按照減量化優(yōu)先的原則實(shí)施”。由此可見，對 “減量化”進(jìn)行相關(guān)研究具有深遠(yuǎn)意義。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的“減量化”是指在經(jīng)濟(jì)活動的全過程中，一方面要盡量減少原料、能源等物質(zhì)的投入，另一方面還要盡量減少廢棄物的產(chǎn)出量和排放量[1]。板式家具減量化設(shè)計是指在產(chǎn)品的設(shè)計、制造過程中，在滿足實(shí)用功能和安全性的前提下，從材料、生產(chǎn)工藝、包裝等方面著手，采用創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，減少板式家具生產(chǎn)過程中對原材料資源和人力的消耗，以達(dá)到降低成本、提高企業(yè)競爭力的目的，達(dá)到生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益平衡，最終實(shí)現(xiàn)綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

隨著生活水平的不斷提高，人們對家具提出了更多個性化的需求。然而，目前板式家具的定制生產(chǎn)中存在材料利用率不高、生產(chǎn)工藝繁瑣、生產(chǎn)效率低等亟需解決的問題。本文從材料、生產(chǎn)工藝、包裝等方面對基于定制模式的板式家具減量化設(shè)計及其實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行研究。

1 材料減量化

2019 年，第九次森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國森林覆蓋率為22.96%，低于全球31%的平均水平，人均森林面積和人均森林蓄積量僅為世界人均水平的1/4和1/7[2]。家具產(chǎn)業(yè)處于林產(chǎn)工業(yè)的下游，每年要消耗大量的木材資源。據(jù)統(tǒng)計，木質(zhì)家具在我國所有家具類型中占比達(dá)80%以上[3]。如果能實(shí)現(xiàn)材料減量化，那么不僅能節(jié)約木材資源，還能降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。因此對材料進(jìn)行減量化設(shè)計是實(shí)現(xiàn)板式家具減量化設(shè)計的一個重要途徑。

1.1 采用速生木材制成的板材

速生木材多具有“質(zhì)輕”的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《中國木材志》，氣干密度小于0.55 g/cm3的樹種為輕質(zhì)材[4]。常見的速生樹種有楊樹、桉樹、松樹、柳樹、泡桐、杉木等[5]。這些樹種生長周期短，適合大面積人工種植，可以在一定程度上緩解家具產(chǎn)業(yè)對自然資源的消耗。從另一層面來看，這也實(shí)現(xiàn)了對天然木材資源的減量化使用。

1.2 使用輕質(zhì)人造板

目前用于板式家具的人造板主要有刨花板、纖維板、細(xì)木工板等。我國家具用刨花板密度大多在620～720 kg/m3之間，中密度纖維板密度大多為650 kg/m3左右。上述密度范圍內(nèi)的刨花板和纖維板由于密度高、質(zhì)量大，在加工和運(yùn)輸過程中存在諸多不便。而輕質(zhì)刨花板的密度約為500 kg/m3，部分甚至低于500 kg/m3，輕質(zhì)纖維板的密度一般等于或低于450 g/cm3[6-7]。若用輕質(zhì)刨花板或纖維板代替?zhèn)鹘y(tǒng)刨花板和纖維板作為家具非受力部件，不僅可以節(jié)約木材資源，而且還能降低加工能耗和運(yùn)輸成本，在一定程度上也實(shí)現(xiàn)了減量化。

1.3 減少并統(tǒng)一板材的規(guī)格和飾面種類

同一家具廠商及相關(guān)子公司應(yīng)盡量減少并統(tǒng)一板材的規(guī)格和飾面種類。統(tǒng)一規(guī)格即家具廠商只使用某幾種常見規(guī)格尺寸的板材，統(tǒng)一種類即家具廠商只使用某幾種當(dāng)下流行的飾面種類。例如在某個時間段流行黑胡桃、水曲柳、櫻桃木等類型的飾面，則企業(yè)應(yīng)盡量只使用這幾種飾面的板材。理論上，在客戶訂單量一定的條件下，板材種類越少，規(guī)格越統(tǒng)一，就越有利于拼單，材料利用率也就越高，板材間的通用性也就越好。

1.4 優(yōu)化開料

在這個追求個性化的時代，客戶需求發(fā)生變化，導(dǎo)致生產(chǎn)方式由“面向通用產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)”轉(zhuǎn)為“大規(guī)模定制”[8]。排料、開料是板式家具生產(chǎn)的首要工序，其出材率的高低直接關(guān)系到生產(chǎn)成本和材料利用率[9]。訂單需求變得多種多樣，也使得排料、開料難度加大。家具企業(yè)可將先進(jìn)的排樣開料軟件應(yīng)用到拆單、拼單中，理論上在訂單量足夠的條件下，板材利用率甚至可達(dá)到95%以上，可大大減少材料浪費(fèi)。圖1是用于對柜體板材進(jìn)行排樣布局優(yōu)化的某排料軟件界面，其中顯示一塊1 220 mm×2 440 mm的標(biāo)準(zhǔn)板材被裁切成數(shù)塊所需尺寸的板件。根據(jù)圖中板材尺寸，可以計算出材料利用率為90%左右。

圖1 開料軟件工作界面 Fig. 1 The working interface of the opening software

1.5 減小零部件尺度

市場上有些家具體量較大，零部件用材過度，零部件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出安全性所需，消耗了大量木材資源[10]。從減量化角度分析，可以對局部零部件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過有限元分析，在保證其功能和安全性的前提下盡量減小零部件的尺度，以此減小材料消耗[11]。以辦公桌的臺面為例，可以通過鑲邊等工藝減少對厚重板材的使用。如圖2 為整板臺面，厚重且浪費(fèi)材料；圖3 為鑲邊處理的臺面，臺面外觀上的“厚度”沒有改變，功能和安全性也沒有降低，但臺板材料消耗大大減少。

圖2 整板臺面 Fig. 2 The whole plate mesa

圖3 鑲邊處理后的臺面 Fig. 3 Rimmed countertop

2 生產(chǎn)工藝減量化

2.1 五金連接件減量化

五金連接件是指板式家具在進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接時使用的部件。這些連接件充當(dāng)著“關(guān)節(jié)”的作用，對于家具的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要[12]?？梢岳糜邢拊夹g(shù)進(jìn)行受力分析，在保證安全性的前提下適當(dāng)減少五金連接件的數(shù)量。這樣既可以減輕家具重量，也可以減少成本和安裝工時，從多個方面實(shí)現(xiàn)減量化。

2.2 優(yōu)化裝配流程

圖4 板件正面壓印 Fig. 4 LOGO on the front of the panel

圖5 板件端面壓印 Fig. 5 LOGO on the end face of the panel

家具結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)設(shè)置一些安裝引導(dǎo)標(biāo)識，盡量讓操作部位處于容易觀察的范圍內(nèi)，使零部件易于裝配[13]。例如在進(jìn)行柜體安裝時，有時需要安裝工人判斷板件的正反面，有經(jīng)驗(yàn)的工人能較輕松地分辨，而新手則需通過多次試裝才能辨別。以某木制品加工廠產(chǎn)品為例，在所有板件正面上都有特定壓?。ㄈ鐖D4、5所示），工人見到壓印標(biāo)識即可判斷出板件的正面，減少了多次試裝的時間。

2.3 使用快裝連接件

圖6、7 為一款由某公司生產(chǎn)的快裝連接件。該連接件以聚碳酸酯作為原材料，強(qiáng)度高，可以牢固連接各種板材。其上還安裝有自攻螺絲，可進(jìn)行多次拆裝。這款連接件由子件和母件兩部分組成，安裝簡單、迅速，可以適應(yīng)各種板材之間的連接，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了安裝過程的減量化。

圖6 快裝連接件 Fig. 6 Quick connector

圖7 快裝連接件裝配圖 Fig. 7 Assembly diagram of quick connector

圖8、9 所示為某公司開發(fā)的快速連接系統(tǒng)[14]。板件開好槽后，無需使用螺絲或膠來固定連接件，直接將連接件滑入槽中即可。安裝時只需用一個六角改錐鎖緊即可，幾乎無等待時間，且可以實(shí)現(xiàn)任意角度的連接，在一定程度上減少了安裝工時，實(shí)現(xiàn)了減量化。該連接件在不用時可全部拆成散件，方便運(yùn)輸和存儲。

圖8 快速連接件 Fig. 8 Quick connector

圖9 安裝示意圖 Fig. 9 Installation diagram

2.4 封邊工藝減量化

傳統(tǒng)封邊工藝是將熱熔膠熔化后涂覆在封邊條上，加壓后與家具貼合。整個封邊大致過程為：噴防粘劑—齊邊銑削—工件預(yù)熱—涂膠—加壓封邊—剪斷—粗修—精修[15]。這種工藝的主要問題是需要較長的加熱時間，且能耗較大。目前國外流行一種激光封邊工藝，該工藝用一種含特殊聚合物的膠層替代熱熔膠，聚合物被激光照射后會迅速熔化。與傳統(tǒng)封邊工藝相比，激光封邊膠層性能優(yōu)異、膠層薄，涂膠量少，大大縮短了預(yù)熱、加熱時間[16]。

2.5 排孔工藝標(biāo)準(zhǔn)化

板式家具最常見的孔位類型是三合一連接件孔和鉸鏈孔[17]。這些孔的直徑和深度不一樣，對應(yīng)的鉆頭也不一樣，頻繁的調(diào)機(jī)定位、換鉆頭大大降低了排孔效率。因此,對排孔工藝實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化尤為重要。加工車間工人打孔多憑經(jīng)驗(yàn)，而且每個人排孔的操作順序和操作效率都不一樣，沒有形成統(tǒng)一規(guī)范。因此，企業(yè)應(yīng)該制定一套標(biāo)準(zhǔn)化的排孔流程。以三合一連接件孔為例，可規(guī)定先統(tǒng)一打所有板件的偏心輪孔和連桿孔，然后再打膠塞孔，由于打偏心輪孔和連桿孔是同時進(jìn)行的（橫排鉆打連桿孔、豎排鉆打偏心輪孔），中途只需更換一次打膠塞孔的鉆頭，減少了換鉆頭次數(shù)，因而可提高排孔效率。

2.6 涂飾工藝減量化

在木質(zhì)家具制造中，涂料成本占總生產(chǎn)成本的10%～15%，因此實(shí)現(xiàn)涂飾工藝減量化對降低生產(chǎn)成本以及保護(hù)環(huán)境有著重大意義[18]。選擇性能優(yōu)良的涂料能更加高效地完成涂飾工藝，例如使用光敏漆就能大幅縮短干燥固化時間，節(jié)約涂飾工時；還可引進(jìn)數(shù)碼噴印設(shè)備，即通過計算機(jī)將圖像信息直接輸入到噴墨打印設(shè)備中來實(shí)現(xiàn)印刷，該法具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)[19]。除此之外，還可以倡導(dǎo)使用免漆板，這樣既省去了繁雜的涂飾工藝流程，又減少了涂料本身對人體和環(huán)境造成的危害。

3 包裝減量化

板式家具包裝設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，包裝質(zhì)量直接影響到后期運(yùn)送到消費(fèi)者手中的產(chǎn)品質(zhì)量[20]。包裝減量化，要求確保在運(yùn)輸過程中家具完好無損的前提下，根據(jù)需要對商品進(jìn)行適度包裝，對包裝的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，減少包裝過程中資源、能源、人力的消耗[21]。

3.1 包裝材料減量化

3.1.1 紙質(zhì)包裝材料的應(yīng)用

紙質(zhì)材料來源豐富、價格低廉，且有一定的堅固度、耐磨性、抗沖擊性。其用作包裝材料可操作性強(qiáng)，可裁剪、折疊、膠粘、裝訂、捆綁，同時易于回收再利用，且紙質(zhì)包裝重量輕，可以減少運(yùn)輸過程中的人力物力[22]。

3.1.2 薄型人造板及輕質(zhì)木材的應(yīng)用

某些板材開料剩下的邊角余料可用作包裝材料，如薄型纖維板、膠合板。這些材料在包裝中可起支撐作用，也可起到分隔作用。對這些廢料進(jìn)行二次利用，可以實(shí)現(xiàn)材料的減量化[23]。

3.2 包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

理論上，在包裝材料種類相同的情況下，包裝越厚，則包裝的強(qiáng)度越高，但同樣也會增加包裝整體重量，若想減少包裝材料的用量，同時又不破壞其強(qiáng)度，則只能通過優(yōu)化材料本身結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[24]。如圖10 所示，蜂窩紙箱具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在體積相同的情況下，蜂窩紙板只用到了10%的材料，其他部分均為空隙，與瓦楞紙板相比有著更輕的重量。

圖10 蜂窩紙板結(jié)構(gòu)圖Fig. 10 Honeycomb paperboard structure drawing

3.3 同形、同尺寸部件歸類包裝

相關(guān)研究表明，對同種類型的家具部件實(shí)行歸類包裝是實(shí)現(xiàn)包裝減量的有效途徑[25]。這里所說的同類型指的是形狀相同或尺寸相同。

圖11 為一套板式家具的包裝示意圖，該板式家具包含三種板材，將尺寸相同的部件疊放在一起形成了A、B、C 三個堆垛。按照此種疊放方法，既可以使部件之間緊密接觸、最大化利用空間，又保證了整體包裝的規(guī)整。如此既減少了包裝材料用量，又減少了包裝重量和體積，運(yùn)輸成本也會相應(yīng)降低。另外從包裝視覺上看，也是一定程度的減量化[26]。

圖11 歸類包裝示意圖Fig. 11 Schematic diagram of categorized packaging

4 結(jié)語

綠色設(shè)計是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，而減量化作為綠色設(shè)計的三大準(zhǔn)則之一，也一直受到行業(yè)的重視。本文以定制板式家具為研究對象，從材料、生產(chǎn)工藝、包裝三個方面對板式家具的減量化設(shè)計進(jìn)行相關(guān)研究，得出以下實(shí)現(xiàn)板式家具減量化的設(shè)計方法：

1）材料減量化?？赏ㄟ^使用速生材制成的板材、輕質(zhì)人造板，減少并統(tǒng)一板材的規(guī)格和飾面種類，優(yōu)化開料，減小零部件尺度等途徑實(shí)現(xiàn)。

2）生產(chǎn)工藝減量化。具體包括五金連接件減量化，優(yōu)化連接件裝配流程，使用快裝連接件，封邊工藝減量化，排孔定位標(biāo)準(zhǔn)化，涂飾工藝減量化六種方法。

3）包裝減量化。應(yīng)在確保運(yùn)輸過程中家具完好無損的前提下，根據(jù)需要對商品進(jìn)行適度包裝，并對包裝的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，以減少包裝過程中不必要的資源消耗。包裝減量化包括包裝材料減量化、包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及歸類包裝三個途徑。