X形折疊結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)研究

■史 楓，張欣宏，畢力格巴圖 Shi Feng & Zhang Xinhong & BI Ligebatu

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

游牧文化是中華文化的重要組成部分，在“弘揚(yáng)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化“的時(shí)代背景下，用現(xiàn)代的思想理念與設(shè)計(jì)方法，把優(yōu)秀的游牧文化帶入到現(xiàn)代社會中，使其與當(dāng)代文化相適應(yīng)、與現(xiàn)代社會相協(xié)調(diào)，做到“取其精華”而又賦予其新生命。蒙古包是游牧民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化之一，本文使用模塊化設(shè)計(jì)方法，分析傳統(tǒng)蒙古包哈那結(jié)構(gòu)原理及特性進(jìn)行X形折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過草圖繪制、電腦建模、3D打印實(shí)物等過程完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)。便于運(yùn)輸。哈那具有支撐力強(qiáng)、可組合、可拆卸、可折疊等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備伸縮性與組合性兩種功能，其中伸縮功能是核心。

1 哈那是X形折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來源

蒙古人“逐水草而居，逐水草而牧”的生活方式及高原自然環(huán)境的特點(diǎn)，形成了適合游牧方式的草原民居建筑——蒙古包。蒙古包是草原民居建筑形式，它體現(xiàn)了游牧民族的生態(tài)觀、審美觀、精神風(fēng)貌[1]。蒙古包的架木結(jié)構(gòu)主要由天窗（陶腦）、頂桿（烏尼）、圍壁（哈那）、門（哈拉嘎）、柱（巴根）等組成[2]。

蒙古語稱蒙古包網(wǎng)狀圍壁為“哈那”。單片哈那是由長短各異、粗細(xì)均勻的紅柳枝，按兩層等距離交叉排列，形成的菱形孔隙的網(wǎng)壁[3]。單片展開的哈那左右兩端相互連接圍合成一個(gè)圓形，構(gòu)成了蒙古包的“墻壁”（圖1）。哈那結(jié)構(gòu)的支撐力強(qiáng)，上部連接烏尼支撐起陶腦，承擔(dān)著來自蒙古包頂部的重力；下面接觸地面，將重力分散至地面。這種結(jié)構(gòu)不僅外形美觀，還符合力學(xué)的基本要求。搬遷時(shí)，可將哈那拆卸成單片，哈那折疊收縮后體積較小，占用空間少，

2 哈那結(jié)構(gòu)的功能特征

2.1 伸縮功能

兩層且交叉的排列方式賦予了哈那靈活的伸縮性（圖2-圖3）。哈那的伸縮可以改變蒙古包圍壁的高度或者長度，同樣數(shù)量哈那可組合成不同大小、高矮的蒙古包，如：哈那的網(wǎng)眼越窄，包的直徑就越小，蒙古包就越高。牧民會根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)蒙古包的形狀，來適應(yīng)草原上不同季節(jié)的自然環(huán)境。春季草原風(fēng)力較大，蒙古包低搭可減少風(fēng)的阻擋力，此時(shí)的哈那網(wǎng)眼較寬；而夏季高搭，可便于蒙古包排雨，此時(shí)的哈那網(wǎng)眼較寬。

X形折疊結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)需保留哈那的伸縮特性，伸展開的模塊可產(chǎn)生較大的使用面積和體積，折疊收攏后的模塊又便于貯存和運(yùn)輸，這一點(diǎn)無論在蒙古族人民的游牧生活中還是在現(xiàn)代生活中都顯得尤為重要。

2.2 組合功能

傳統(tǒng)蒙古包的哈那通常是由4片以上的哈那片連接而成，由4個(gè)哈那片即可圍合成一個(gè)小型蒙古包，在此基礎(chǔ)上可再多組合兩個(gè)、六個(gè)或更多的哈那片圍合成中型或大型蒙古包，哈那的數(shù)量對蒙古包直徑的大小起著決定性的作用。此特性對X形折疊結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義，可通過多個(gè)基本模塊單元進(jìn)行數(shù)量組合，形成不同體量、不同形狀的產(chǎn)品。

3 X形折疊結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)思路

模塊化設(shè)計(jì)是一種符合新時(shí)代社會發(fā)展需要的設(shè)計(jì)思想, 已從理論研究走向?qū)嵺`應(yīng)用并被設(shè)計(jì)行業(yè)廣泛運(yùn)用[4]。本文將蒙古包哈那的X形折疊結(jié)構(gòu)提取出來作為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的基本模塊。X形折疊結(jié)構(gòu)將繼承哈那的主要特征，最大程度地保留傳統(tǒng)哈那結(jié)構(gòu)的組合性和伸縮性，并且使用較少種類的模塊，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的形狀與體積的搭建與變化。

3.1 創(chuàng)建X形折疊結(jié)構(gòu)的基本單元

對哈那進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解可發(fā)現(xiàn)更小的X形單元，以此作為X形折疊結(jié)構(gòu)模塊的基本單元。分解過程如圖4所示，單片哈那是由X形折疊結(jié)構(gòu)不斷組合而成，該X形結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)哈那主要功能的重要核心結(jié)構(gòu)，即X形交叉結(jié)構(gòu)。無論單片哈那或多片圍合的哈那墻，均可視為該X形結(jié)構(gòu)的組合與迭代。

3.2 實(shí)現(xiàn)X形折疊結(jié)構(gòu)的伸縮性

哈那的伸縮性與其兩層且交叉的排列方式有關(guān)，為實(shí)現(xiàn)組合性與伸縮性，X形折疊結(jié)構(gòu)采用“上下兩層”且“中間有連接件”的形式。如圖5-圖6所示，上下兩層由中間的連接件連接，具有相對獨(dú)立性，可最大程度地展開和折疊。

■圖1 多片哈那圍合形成蒙古包的網(wǎng)狀圍

■圖2 壁展開狀態(tài)下的單片哈那

■圖3 折疊狀態(tài)下的單片哈那

■圖4 單片哈那分解過程

■圖5 X形折疊結(jié)構(gòu)示意圖

■圖6 X形折疊結(jié)構(gòu)雙層示意圖

4 X形折疊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建

復(fù)雜的雙層可折疊結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)一次成型和批量化產(chǎn)出，因此需要對X形折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，經(jīng)拆分設(shè)計(jì)的X形折疊結(jié)構(gòu)需要具有清晰的組成單元，注重明確的單元尺寸和接口結(jié)構(gòu)，通過具體的通用模塊和定性的參數(shù)進(jìn)行組合聯(lián)系[5]。X形折疊結(jié)構(gòu)整體采用“上層直桿+連接件+下層直桿=X形折疊結(jié)構(gòu)”的組合設(shè)計(jì)方法。

4.1 X形折疊結(jié)構(gòu)的部件

4.1.1 直桿

尺寸 200×40×20mm。上下兩層直桿實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，以減少部件種類。直桿兩端結(jié)構(gòu)不同，其中一端底面有長條形榫舌呈凸型，另一端頂面有長條形槽口呈凹型?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)直桿之間的拼接。直桿中段開圓孔，圓孔的頂面與底面有齒狀結(jié)構(gòu)，可與圓柱形連接件外圍的齒狀接口實(shí)現(xiàn)拼合，以此來固定上下兩層直桿的交叉角度。直桿模塊是X形折疊結(jié)構(gòu)的主要部件（圖7-圖8）。

4.1.2 圓柱形連接件

尺寸 40*40*20mm。圓柱形連接件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易一次性塑型加工，因此將圓柱形連接件設(shè)計(jì)為一對較易加工的中空半圓柱體組合而成，圓柱形連接件可實(shí)現(xiàn)上下兩層直桿的連接。其外圍中段有環(huán)形突出，該環(huán)形向頂面與底面突出齒狀，與直桿中孔的齒狀結(jié)構(gòu)相互對應(yīng)卡接，以此控制上下兩層直桿交叉的角度。兩個(gè)直桿由圓柱形連接件連接為上下兩層，由此形成一個(gè)完整的X形折疊結(jié)構(gòu)，圓柱形連接件是X形折疊結(jié)構(gòu)的連接部件（圖9-圖10）。

4.2 連接方法

X形折疊結(jié)構(gòu)之間、相同部件之間、不同部件之間實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化幾何接口，易于部件之間分解、組合、替換，最大程度上實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的通用性、互換性和相對獨(dú)立性[6]。結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化亦可降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率等[7]。

4.2.1 圓柱形連接件的連接

一對中空的半圓柱體豎向相對，由直角榫結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)完整的圓柱形連接件（圖11）。

4.2.2 直桿的連接

圓柱形連接件的外壁有上下兩層半圓環(huán)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)直桿通過上下兩層半圓環(huán)結(jié)構(gòu)與連接件連接（圖12）組合成一個(gè)完整的雙層X形折疊結(jié)構(gòu)（圖13）。

4.2.3 X形折疊結(jié)構(gòu)的連接

X形折疊結(jié)構(gòu)之間依靠直桿部件上相對固定一致的榫舌和槽口完成模塊化組合(圖14),每一個(gè)X形折疊結(jié)構(gòu)都可從同一平面的四個(gè)方向與其他的X形折疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊化拼接（圖 15）。

5 X形折疊結(jié)構(gòu)的材料選擇

5.1 產(chǎn)品材料的需求

①柔性組合：材料要重量輕、堅(jiān)固且韌性好，滿足產(chǎn)品的柔性搭建組合。

②生產(chǎn)塑形：材料要具有較高的可塑性，生產(chǎn)時(shí)容易被塑制成較為復(fù)雜的形狀。

③安全使用：材料要有抗腐蝕能力、耐高溫、導(dǎo)熱性低、易涂裝、耐化學(xué)侵蝕且是良好的絕緣體以保證產(chǎn)品的使用安全。

④制造成本：材料價(jià)格要低保證產(chǎn)品制造成本低，以實(shí)現(xiàn)大量、批量生產(chǎn)。

■圖7 直桿（結(jié)構(gòu)圖）

■圖8 兩端結(jié)構(gòu)不同的直桿（效果圖）

■圖9 圓柱形連接件（結(jié)構(gòu)圖）

■圖10 圓柱形連接件（效果圖）

■圖11 圓柱形連接件拼接示意圖

■圖12 兩個(gè)直桿的連接

■圖13 雙層的X形折疊結(jié)構(gòu)

■圖14 直桿拼接示意圖

■圖15 X形折疊結(jié)構(gòu)組合示意圖

■圖16 直面組合示意圖

5.2 ABS 工程塑料的優(yōu)勢

ABS 工程塑料是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料，是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的聚合物。它兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能，可以在-25℃~60℃的環(huán)境下正常表現(xiàn)，且有很好的成型性。ABS 工程塑料可與多種樹脂配混成共混物，產(chǎn)生新性能和應(yīng)用于新領(lǐng)域[8]。其材料特性及對應(yīng)的產(chǎn)品需求如表 1所示。

6 X形折疊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用探討

X形折疊結(jié)構(gòu)的模塊化組合實(shí)現(xiàn)了“X形折疊結(jié)構(gòu)*N=產(chǎn)品”的組合方式。不同數(shù)量的“X形折疊結(jié)構(gòu)”可組合成不同形狀的直面、曲面和曲面圍合空間。

6.1 直面

組合成的直面（圖16）延續(xù)了哈那結(jié)構(gòu)的組合性和伸縮性，增加或減少X形折疊結(jié)構(gòu)的數(shù)量以控制產(chǎn)品的大小，通過連接件調(diào)整上下兩層的交叉角度控制展開狀態(tài)下產(chǎn)品的形狀，以此來適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，應(yīng)用場景設(shè)想為吊頂、墻體、隔斷等[9]。

表 1 “ABS 樹脂”材料部分特性及對應(yīng)的產(chǎn)品需求

■圖17 曲面組合應(yīng)用設(shè)想圖

■圖18 曲面組合應(yīng)用設(shè)想圖

■圖19 曲面圍合空間組合應(yīng)用設(shè)想圖

6.2 曲面

在直面的基礎(chǔ)上利用ABS工程塑料的韌性進(jìn)行變形可得到曲面，組合成的曲面可作為隔斷用于大型會展現(xiàn)場（圖17），實(shí)現(xiàn)會展現(xiàn)場內(nèi)部空間的劃分，或配合墻體一起使用形成空間的搭建（圖18）。

6.3 曲面圍合空間

由曲面變形可得到形狀更為復(fù)雜的曲面圍合空間，曲面圍合空間可直接作為中小型展陳空間進(jìn)行使用（圖19）。相較于直面與曲面，曲面圍合空間的造型更為奇特，可滿足使用者的個(gè)性化定制需求[10-11]。

利用模塊化設(shè)計(jì)后的X形折疊結(jié)構(gòu)通過不斷組合（N×X形折疊結(jié)構(gòu)=最終產(chǎn)品）可完成復(fù)雜產(chǎn)品的搭建，由于是單一模塊組成的較為復(fù)雜的模塊化產(chǎn)品，這種組合結(jié)構(gòu)相較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了用集成化少量結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能的最大化嘗試。搭建的模塊化產(chǎn)品外觀造型獨(dú)特、效果豐富多元，可運(yùn)用到不同領(lǐng)域的展示與陳列空間之中，滿足使用者不同的需求[12-13]。

7 結(jié)語

本文提取了蒙古包中哈那的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行功能分析，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建X形折疊結(jié)構(gòu)，形成不同造型的模塊化產(chǎn)品，建立基于X形折疊結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)。X形折疊結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)保留了哈那傳統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又使其成為可運(yùn)用于現(xiàn)代生活的工業(yè)產(chǎn)品，形成了傳統(tǒng)文化和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的融合，以期為模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更多參照與借鑒。