萬字符形態(tài)在榫卯結(jié)構(gòu)家具中的設(shè)計研究?

蘇 晨 馬瑩瑩 蘇玉涵 王海強

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

隨著文化自信概念的提出，有關(guān)傳統(tǒng)文化內(nèi)涵的研究與創(chuàng)新應(yīng)用越來越受到重視。榫卯結(jié)構(gòu)是中國傳統(tǒng)造物結(jié)構(gòu)的典范，是最具研究性的連接方式[1]。本文以榫卯結(jié)構(gòu)家具為設(shè)計載體，運用合理的設(shè)計分析方法，將傳統(tǒng)的萬字符形態(tài)以立體化、功能化等形式進行組合，既能有效體現(xiàn)傳統(tǒng)符號獨特的藝術(shù)魅力，又能提升家具的文化附加值，在滿足消費者對產(chǎn)品功能需求的同時，讓消費者對傳統(tǒng)符號形態(tài)和榫卯結(jié)構(gòu)文化有更加深刻的認(rèn)識。

1 榫卯結(jié)構(gòu)家具設(shè)計

榫卯結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)建筑、家具中的主要結(jié)構(gòu)方式，其結(jié)構(gòu)強度大且精度高，被認(rèn)為是最穩(wěn)固的木材結(jié)合方式[2]。然而，榫卯結(jié)構(gòu)制作流程繁瑣[3]，難以適應(yīng)現(xiàn)代化的批量生產(chǎn)方式，因此大多被五金連接構(gòu)件所代替。但榫卯結(jié)構(gòu)蘊含的民族智慧與傳統(tǒng)文化內(nèi)涵是現(xiàn)代工藝所不能取代的[4]，為此許多研究者從機械加工、刀具改良等方面試圖改進榫卯結(jié)構(gòu)制作工藝，并取得了較多的成果。湯琳等[5]通過開發(fā)一款高效榫卯智能化加工代碼生成系統(tǒng)，實現(xiàn)榫卯加工數(shù)控程序的設(shè)計和代碼的智能化編制，為數(shù)字化改良榫卯提供理論依據(jù)。劉志峰等[6]提出一種榫卯加工中心夾具系統(tǒng)的改進方案，以提高榫卯加工中心加工精度。簡化的工藝流程降低了榫卯家具的成本，使其進入千家萬戶。但目前相關(guān)研究更加偏重于榫卯結(jié)構(gòu)加工、生產(chǎn)模式上的創(chuàng)新，對榫卯結(jié)構(gòu)文化內(nèi)涵的擴充與發(fā)展重視不夠，導(dǎo)致榫卯家具市場趨向同質(zhì)化，影響了榫卯文化的發(fā)展與傳播。因此需要有更多的設(shè)計形式創(chuàng)新，以豐富榫卯結(jié)構(gòu)家具的表現(xiàn)形式，擴充其文化內(nèi)涵。本文針對萬字符形態(tài)進行研究分析，通過對比研究傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)，探索榫卯工藝結(jié)構(gòu)的功能和構(gòu)成形式，并運用萬字符形態(tài)的典型元素特征，進行具有民族文化特點的榫卯結(jié)構(gòu)家具設(shè)計。

2 萬字符形態(tài)在現(xiàn)代設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 萬字符形態(tài)

萬字符通常指“卍”字形紋飾，其諧音為“萬”，寓意萬福、萬壽、好運和吉祥，承載著人們對于美好生活的期盼[7]。在現(xiàn)代設(shè)計中，設(shè)計師以萬字符造型為載體，設(shè)計出不同形式的萬字符圖形語言。在設(shè)計實踐中，萬字符通常以二方連續(xù)或者四方連續(xù)的形式出現(xiàn)[8]，如在2014 年北京APEC會議上，國家領(lǐng)導(dǎo)人服飾采用的是以萬字符為面料底紋的宋錦改良中裝，萬字符也常作為一種輔助性紋樣雕刻于產(chǎn)品之上，如寓意吉祥的酸枝萬字紋書尺，見圖1。萬字符的使用提升了產(chǎn)品的文化附加值，同時延伸了其圖形形態(tài)與精神內(nèi)涵，使得消費者對于傳統(tǒng)符號形態(tài)有了更加深刻的認(rèn)識。

圖1 萬字符在現(xiàn)代設(shè)計中的應(yīng)用Fig.1 Application of swastika in modern design

2.2 設(shè)計應(yīng)用流程

萬字符形態(tài)本身所具備的特殊表現(xiàn)力是傳統(tǒng)裝飾藝術(shù)魅力所在，在現(xiàn)代設(shè)計中萬字符同樣擁有廣闊的應(yīng)用前景。本文借助設(shè)計學(xué)原理，將萬字符形態(tài)應(yīng)用于榫卯結(jié)構(gòu)家具設(shè)計領(lǐng)域，借助萬字符豐富榫卯結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式及其文化內(nèi)涵，具體的設(shè)計應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計應(yīng)用流程Fig.2 Design application process

設(shè)計主要有符號元素分析、設(shè)計要素提取、設(shè)計應(yīng)用三個階段。首先通過相關(guān)文獻與資料調(diào)研“卍”符號的基本特征與內(nèi)涵，并分析提煉出其特征要素。其次，篩選出設(shè)計要素關(guān)鍵詞，并進行設(shè)計應(yīng)用與延伸，從而搭建家具產(chǎn)品基礎(chǔ)模型。在此基礎(chǔ)上，篩選可使用的榫卯形式，并進行結(jié)構(gòu)強度分析以及材料選擇，完成榫卯結(jié)構(gòu)家具產(chǎn)品的整體構(gòu)建。最后，通過產(chǎn)品實物的生產(chǎn)與制作檢驗設(shè)計的合理性。

2.3 萬字符形態(tài)要素分析

從萬字符中提取設(shè)計要素主要參考三個方面，即造型特征、裝飾特性與寓意內(nèi)涵。從造型特征來看，萬字符形態(tài)是按照一定角度和方向排列形成的折線型幾何紋樣，重復(fù)的形態(tài)構(gòu)建了一種帶有秩序感的網(wǎng)狀構(gòu)圖，使得萬字符具有多樣統(tǒng)一的形式美感[9]；從裝飾特性來看，萬字符形態(tài)的獨特造型特征使其本身可以獨立成型或組合成型，其獨特的表現(xiàn)力符合當(dāng)代大眾審美需求[10]；從寓意內(nèi)涵來看，萬字符蘊含著人民美好的愿望，承載著民族文化的信念和追求。

在“卍”字紋運用過程中，其連續(xù)性[11]、中心對稱性和規(guī)則性這三個結(jié)構(gòu)特性是主要切入點。1）連續(xù)性：“卍”字紋采用方形架構(gòu)，形似一個四邊分別被剪掉了一半長度的“田”字，長、短線的搭配體現(xiàn)出一種延續(xù)感。2）中心對稱性：“卍”字紋是由一個簡單元素通過旋轉(zhuǎn)90°、180°而成的中心對稱圖形，這種旋轉(zhuǎn)對稱的形式賦予了“卍”字紋更多的設(shè)計表現(xiàn)形式。3）規(guī)則性：“卍”是由兩個“Z”形符號旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)形成的交錯對稱符號，具有規(guī)則性，但又如風(fēng)車般旋轉(zhuǎn)不停，靜態(tài)的符號造型有著動態(tài)的表現(xiàn)力[12]。根據(jù)以上分析，最終確定的設(shè)計要素關(guān)鍵詞為連續(xù)、對稱、規(guī)則和動態(tài)，研究者也可以此為參考進行相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新。

圖3 萬字符分析圖Fig.3 Swastika analysis chart

3 萬字符形態(tài)在榫卯結(jié)構(gòu)家具中的設(shè)計應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)模型搭建

基于2.3 節(jié)中對萬字符造型特征、裝飾特性及寓意內(nèi)涵等的分析研究，總結(jié)萬字符形態(tài)具有的特征要素，并以之為設(shè)計載體，設(shè)計小組采用頭腦風(fēng)暴法，獲得部分草圖方案，經(jīng)篩選與可行性分析，選定榫卯結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)書柜設(shè)計方案。書柜充分利用萬字符連續(xù)、中心對稱、規(guī)則的結(jié)構(gòu)特性，將平面化的符號造型以立體化形式展示出來，使得原有的萬字符形態(tài)有了新的表現(xiàn)方式。書柜以榫卯結(jié)構(gòu)為主要連接構(gòu)件，每層可獨立旋轉(zhuǎn)，為靜態(tài)的符號造型增添動態(tài)的表現(xiàn)力。經(jīng)過相應(yīng)的草圖繪制與計算機三維建模軟件進行基礎(chǔ)模型搭建，形成的產(chǎn)品基礎(chǔ)模型如圖4 所示。

佛教中萬字符呈四周均為敞開的空間形態(tài)，運用這一特點將書柜的整體空間分為四個部分，使用者可按照個人喜好將書籍分類擺放。同時各模塊可360°自由旋轉(zhuǎn)，既提升產(chǎn)品的使用功能，又滿足符號本身動態(tài)特征表達需求。

3.2 榫卯結(jié)構(gòu)分析

在建立基礎(chǔ)模型后，從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能等方面入手，根據(jù)書柜的整體形態(tài)特征以及形體之間的組合方式，選擇合適的榫卯部件以增強家具的穩(wěn)定性和整體強度[13-14]。當(dāng)前書柜主要為面與面之間的接合，兩面相互垂直，且相交的截面面積較大，篩選當(dāng)前常用的榫卯結(jié)構(gòu)，列出符合目標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)條件的幾類榫卯，并且歸納其結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的特點，如圖4 所示。

圖4 榫卯結(jié)構(gòu)分析Fig.4 Tenon and mortise structure analysis

書柜單個模型單元主要由三個不同維度的平面構(gòu)成，受力方向形成三維向，對于榫卯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性能要求較高。同時考慮到批量化的機械化生產(chǎn)需求[15]，對當(dāng)前榫卯家具中常見的榫卯結(jié)構(gòu)的用途和優(yōu)點進行對比分析，選擇薄板槽榫、揣揣榫、十字交叉榫、方材丁字榫、粽角榫、直榫這6 種榫作為目標(biāo)書柜結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件。其中薄板槽榫、揣揣榫、十字交叉榫、方材丁字榫、直榫這5 類榫卯，結(jié)構(gòu)較為簡單，機器切削加工較為便捷，結(jié)構(gòu)調(diào)整幅度小。

用于書柜直角拐角處的粽角榫，因外形如粽子角而得名，它是由3 根方材的各個格角穿插而形成的6 個45°斜角的榫卯結(jié)構(gòu)[16]。粽角榫榫頭在中間，兩邊均有榫肩，榫頭與榫肩相互依托各自分擔(dān)壓力，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和支撐力，從而可提高家具產(chǎn)品安全性和穩(wěn)固性。

3.3 榫卯結(jié)構(gòu)改良

傳統(tǒng)粽角榫內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工精度要求極高，機械加工工藝難度大，難以進行批量化生產(chǎn)[17]。為此改良優(yōu)化粽角榫內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在保持其外觀整齊、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度和整體穩(wěn)定性條件下，使改良后的粽角榫結(jié)構(gòu)適應(yīng)現(xiàn)代機械化生產(chǎn)的工藝要求。將傳統(tǒng)粽角榫中的透榫部分進行簡化，優(yōu)化斜肩部分，添加抄手榫結(jié)構(gòu)強化整體結(jié)構(gòu)，同時預(yù)留膠槽，便于后期的安裝與加固，改良后粽角榫內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 粽角榫改良內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Internal structure diagram of zongjiao tenon improved

為保證改良后粽角榫的整體強度滿足產(chǎn)品需求，對其進行力學(xué)性能試驗[18]。在此設(shè)計中，粽角榫用于書柜的直角拐角處，C處（圖6 所示）常受到向下的彎力作用，為此研究者運用ANSYS軟件測試其在垂直載荷作用下的極限抗彎能力[19-21]，選取尺寸為40 mm ×40 mm × 250 mm的改良粽角榫進行抗彎強度測試，材料參數(shù)以硬木為基礎(chǔ)：彈性模量為12 GPa，泊松比為0.47，密度為1200 kg/ m3。在改良棕角榫的A處施加固定約束，C處施加870 N的抗彎力，此時改良棕角榫的最大應(yīng)力為69.683 70 MPa，接近于70 MPa。如圖6 所示，改良棕角榫的最大抗彎力為870 N，測試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的整體強度基本符合產(chǎn)品需求。最后運用UG軟件進行三維建模和加工機械的刀路設(shè)計，并以實木進行試加工，最終機械加工較為流暢，且改良后粽角榫結(jié)構(gòu)切合度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖6 改良粽角榫抗彎強度測試圖Fig.6 Test chart of flexural strength of improved zongjiao tenon

3.4 材料分析

材料具有自身特有的造型語言，其固有的特性決定了家具的構(gòu)造特征[22]，因此家具選料非常重要。傳統(tǒng)家具的榫卯結(jié)構(gòu)一般以質(zhì)密紋美的紅木作為主要材料，但是對于現(xiàn)代家具而言，昂貴的紅木易導(dǎo)致產(chǎn)品受眾面窄，因此需選擇合適的替代材料。在本設(shè)計中，研究者宜選用物理性能較強、色彩紋理美觀豐富、加工難度適中的材料，在保證榫卯結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和家具產(chǎn)品美觀度的同時，控制產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

在明確產(chǎn)品定位后，研究者調(diào)研了市場上實木家具設(shè)計中常用的幾種木材，如櫸木、橡膠木、白蠟?zāi)?、柚木、松木、黑胡桃木等，通過對比其力學(xué)性能、單位價格、色彩紋理、加工難易度等情況[23-24]，選出最適合作為此書柜設(shè)計的木料。不同材料參數(shù)如表1所示，在物理屬性上櫸木、白臘木、柚木、黑胡桃木均符合產(chǎn)品的基本需求，但白臘木色彩偏白，紋理較為單調(diào)，柚木價格較貴難以控制成本。為了保證書柜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和產(chǎn)品美觀性，同時降低生產(chǎn)成本，最終選擇性價比較高的櫸木與最貼近紅木性能的黑胡桃木作為主要材料。

表1 幾種常用木材的力學(xué)性能、紋理色彩等對比Tab.1 Comparison of mechanical properties, texture and color of several commonly used wood

3.5 設(shè)計實踐

綜合前文相關(guān)研究，按照1∶1比例設(shè)定相關(guān)參數(shù)，使用五軸端面加工中心[25](S5)與其他自動化木工加工工具進行榫卯部件的加工。產(chǎn)品實物加工操作步驟主要包含圖紙繪制、板材加工、方材加工與整體的拼接與組裝四部分，最終實物如圖7所示。書柜的基本單元按照不同方向進行排列組合，形成一個連續(xù)且富有規(guī)律的整體，基本單元之間通過金屬旋轉(zhuǎn)盤進行連接，完善了書柜的使用功能，同時增加了產(chǎn)品動態(tài)性。最終書柜成品基本符合前期的設(shè)計預(yù)期，驗證了本文設(shè)計研究方法的可行性與有效性。

4 結(jié)語

榫卯結(jié)構(gòu)是我國傳統(tǒng)家具的重要組成部分，也是我國傳統(tǒng)文化的重要載體。傳統(tǒng)紋樣符號種類繁多、形象生動、寓意吉祥，具有濃厚的民族特色與豐富的文化內(nèi)涵，是我國歷史文化中必不可少的一部分。本文對萬字符形態(tài)進行提煉簡化，并將之應(yīng)用于現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)家具產(chǎn)品設(shè)計，既加強了符號文化在榫卯結(jié)構(gòu)中的體現(xiàn)，也為現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)家具設(shè)計創(chuàng)新提供了新方向。傳統(tǒng)符號文化與榫卯結(jié)構(gòu)家具設(shè)計相結(jié)合，有利于促進我國傳統(tǒng)文化的創(chuàng)新與傳承，更為同類型的榫卯產(chǎn)品設(shè)計研究提供了理論支持。