榫卯中的自鎖奧秘與設(shè)計(jì)創(chuàng)新?

王佳實(shí) 吳新鳳 郝景新 孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

榫卯結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用木質(zhì)纖維強(qiáng)度和摩擦力的結(jié)構(gòu)形式，是我國(guó)傳統(tǒng)家具的主要連接方式，凝聚了古代能工巧匠的智慧與精湛技藝，是中國(guó)傳統(tǒng)家具文化的精粹[1-2]。但是由于榫卯構(gòu)件加工復(fù)雜且成本高，在現(xiàn)代家具廣泛使用人造板、金屬連接件的背景下,家具中應(yīng)用榫卯結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)正在消失[3-4]。

在復(fù)雜的榫卯體系中自鎖結(jié)構(gòu)具有組裝方便、拆卸迅捷、損壞易換的特點(diǎn)。榫卯中的自鎖結(jié)構(gòu)系指榫與卯的安裝方向與安裝后的受力方向垂直或呈一定角度，即安裝后受結(jié)構(gòu)限制或結(jié)構(gòu)間的作用力而固定不動(dòng)，而在安裝方向上可拆裝的一種結(jié)構(gòu)。自鎖結(jié)構(gòu)的拆裝具有固定的順序，安裝后可卡緊，非人為不可拆卸。自鎖結(jié)構(gòu)含有一個(gè)關(guān)鍵組件，只要未移除關(guān)鍵組件，其他組件被鎖住，整個(gè)裝配體處于穩(wěn)定狀態(tài)，移除關(guān)鍵組件，其他組件即解鎖[5]。這種結(jié)構(gòu)不僅降低了家具拆裝的難度，為人們的日常生活提供便利，而且減少了更換成本，同時(shí)增加了家具組裝過(guò)程中的趣味性與互動(dòng)性，具有極大的研究?jī)r(jià)值。目前，自鎖結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于玩具開(kāi)發(fā)、家具設(shè)計(jì)和文物修復(fù)等方面[6]。本文對(duì)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)中的自鎖形式進(jìn)行匯總歸納，并對(duì)榫卯中自鎖結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行提煉分析，探討運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手法對(duì)自鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展和延伸，解決自鎖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度問(wèn)題，在工業(yè)設(shè)計(jì)與家具結(jié)構(gòu)中對(duì)自鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性融合與設(shè)計(jì)[7-8]。

1 傳統(tǒng)榫卯中自鎖結(jié)構(gòu)類型

1.1 摩擦力自鎖

摩擦力自鎖是指自鎖構(gòu)件在“鎖定”后，構(gòu)件間所受摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反，依靠摩擦力結(jié)構(gòu)被“鎖定”。摩擦力計(jì)算公式為F=μ×Fn，摩擦力的大?。‵）與接觸面的粗糙程度(即摩擦系數(shù)μ)以及接觸面的壓力（Fn）呈正相關(guān)。當(dāng)榫銷與榫眼的接觸面粗糙程度保持固定時(shí)，摩擦力隨接觸面壓力的增加而增大，當(dāng)摩擦力大于等于使用過(guò)程中產(chǎn)生的拉力時(shí)便可固定住榫銷榫眼的位置；減小接觸面壓力，榫銷榫眼的摩擦力便隨之減小，當(dāng)摩擦力小于使用過(guò)程中產(chǎn)生的拉力時(shí)，便可解鎖，同時(shí)應(yīng)保證摩擦力與榫卯活動(dòng)方向垂直，以防止滑脫。走馬銷就是通過(guò)增加接觸面壓力的方式增加摩擦力以實(shí)現(xiàn)自鎖目的，如圖1 所示。走馬銷的榫銷呈楔形，和榫眼的接觸面是一個(gè)完整的面，而榫眼為一大一小兩部分，將榫銷插入榫眼大的一端后，對(duì)榫銷施加一個(gè)水平力，使其向榫眼小的部分滑動(dòng)，當(dāng)榫銷榫眼扣住時(shí)，繼續(xù)施力，使榫銷被擠壓扣緊，榫眼與榫銷接觸面的壓力增大，摩擦力也增大，從而達(dá)到鎖定的目的。拆卸時(shí)，榫銷需退回榫眼大的一側(cè)。走馬銷常見(jiàn)于家具的夾縫中，例如常應(yīng)用于羅漢床圍子間的連接及床圍子與床身之間的連接[9]。

圖1 走馬銷Fig.1 Running horse tenon

1.2 搭接自鎖

搭接自鎖是將兩塊相同的木構(gòu)件呈一定角度互相搭接固定，通過(guò)構(gòu)件搭接處的凹槽斷面相扣達(dá)到鎖定的目的。搭接結(jié)構(gòu)多用于相同構(gòu)件的交叉接合，在相交之處，構(gòu)件上下合二為一。搭接自鎖的典型結(jié)構(gòu)是十字棖，如圖2 所示，十字棖上下拼裝后，在水平方向上由于木構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)因素，水平移動(dòng)受限，形成自鎖組，通過(guò)局部自鎖，達(dá)到鎖定的目的[10]。

圖2 十字棖Fig.2 Crossed stretchers

1.3 嵌入式自鎖

嵌入式自鎖是通過(guò)嵌入某一外部零部件，以起到拼合兩塊板件或連接兩個(gè)結(jié)構(gòu)件的作用，其安裝方式與其板件運(yùn)動(dòng)方向垂直，以達(dá)到鎖定的目的。嵌入的零部件不僅起到卡緊結(jié)構(gòu)的作用，還可作為一種家具設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有美化和裝飾功能。常見(jiàn)的嵌入式自鎖有銀錠榫和楔釘榫，如圖3a、b所示。銀錠榫為中腰細(xì)、兩端寬形似銀錠的結(jié)構(gòu)，主要用于拼合板件以及防止板件結(jié)構(gòu)性開(kāi)裂。楔釘榫多用于弧形構(gòu)件，將構(gòu)件端部各切去一半，榫頭相互嵌接，在中間插入楔釘，使得兩個(gè)構(gòu)件結(jié)合緊密，限制位置以鎖定構(gòu)件。硬木彈性極好，具有熱脹冷縮、濕漲干縮的特點(diǎn)，使嵌入的構(gòu)件能與結(jié)構(gòu)件貼合緊實(shí)，在需要“解鎖”時(shí)，用熱水澆燙局部即可退出嵌入件[11]。

圖3 嵌入式自鎖Fig.3 Embedding self-locking

1.4 旋轉(zhuǎn)自鎖

旋轉(zhuǎn)自鎖是指木構(gòu)件通過(guò)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行嚙合，木構(gòu)件內(nèi)部的凹凸部分卡緊，通過(guò)位移榫構(gòu)件以及相應(yīng)杠桿的互補(bǔ)與搭接形成特有的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，完成自鎖[12]。三柱魯班鎖是旋轉(zhuǎn)自鎖的典型代表，如圖4 所示。魯班鎖由數(shù)個(gè)類長(zhǎng)方體組成，不同構(gòu)件經(jīng)過(guò)切割，產(chǎn)生不同的凹槽，凹槽互為補(bǔ)充且相互制約，按照固定的順序可進(jìn)行反復(fù)拆卸，在古代常用作繞線板、筷子筒、燭臺(tái)等。魯班鎖看似簡(jiǎn)單,卻凝結(jié)著古人不平凡的智慧[13-16]。

圖4 三柱魯班鎖Fig.4 LuBan Lock with three column

1.5 穿插自鎖

穿插自鎖是通過(guò)推插的連接方式將兩個(gè)或多個(gè)木構(gòu)件接合起來(lái)，構(gòu)件的連接方向和構(gòu)件受力方向垂直，連接后的構(gòu)件呈鎖定狀態(tài)，沿推插方向可拆卸解鎖。常見(jiàn)的穿插自鎖結(jié)構(gòu)有龍鳳榫以及常與龍鳳榫搭配使用的穿帶，龍鳳榫如圖5a所示，穿帶如圖5b所示。板件的一端榫頭截面為半個(gè)銀錠榫狀，與其連接的板件一端為內(nèi)大外小的榫槽，板件沿榫頭榫槽的長(zhǎng)度方向推插連接，連接后板件相互卡緊無(wú)法橫向拉出，以達(dá)到鎖定目的。龍鳳榫常用作平板的拼寬，通過(guò)龍鳳榫拼接后的寬板力學(xué)強(qiáng)度較低，且會(huì)因木材熱脹冷縮而發(fā)生形變，因此在拼板的橫向開(kāi)槽，嵌入木條以固定拼板，此木條即為穿帶[17]。

圖5 穿插自鎖Fig.5 Interspersed self-locking

2 傳統(tǒng)自鎖結(jié)構(gòu)特征

2.1 拆裝順序固定

零部件在進(jìn)行拆解時(shí)，有順序性和方向性。自鎖結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的安裝邏輯進(jìn)行安裝，以使自鎖部件相互卡緊。在拆卸時(shí)，關(guān)鍵部件解鎖后，其余部件可依次拆卸。

2.2 安裝方向與受力方向呈一定角度

自鎖構(gòu)件的安裝方向與受力方向主要呈垂直狀態(tài)，使構(gòu)件在安裝后非手動(dòng)不能解鎖。例如銀錠榫垂直拼板放置，是為了限制拼板水平方向運(yùn)動(dòng)；而穿帶中沿板件長(zhǎng)度方向推插，以增加板件橫向?qū)挾取?/p>

2.3 自鎖部件移動(dòng)受限

在自鎖部件鎖定后，由于安裝方向與部件受力方向呈一定角度，因此自鎖部件被卡緊，呈穩(wěn)定狀態(tài)，自鎖部件移動(dòng)受限，需人為干預(yù)才可拆卸。

3 傳統(tǒng)自鎖結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化再設(shè)計(jì)

現(xiàn)代社會(huì)中傳統(tǒng)的自鎖結(jié)構(gòu)正在不斷地消逝。將傳統(tǒng)與現(xiàn)代進(jìn)行融合，讓傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式以一種新的形式繼續(xù)流傳至關(guān)重要[18-19]。

3.1 十字棖的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在古代，為裝飾與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)常在方杌方凳的四腿對(duì)角處設(shè)十字棖。徐樂(lè)于2017 年設(shè)計(jì)的十字棖桌椅系列，巧妙地運(yùn)用了十字棖結(jié)構(gòu)的自鎖特性，并對(duì)其進(jìn)行改良，將十字棖與牙板形狀的腿部構(gòu)件融為一體，作為結(jié)構(gòu)件，起到了固定腿部位置及承受上部壓力的作用。在保證美觀性與結(jié)構(gòu)性的同時(shí)，運(yùn)用了扁平化的設(shè)計(jì)理念，使其徒手便可拆裝且便于收納，因此運(yùn)輸成本大大降低，如圖6 所示。

圖6 徐樂(lè)十字棖家具Fig.6 Crossed stretchers furniture designed by XuLe

3.2 魯班鎖的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的魯班鎖為木質(zhì)材料。圖7 是一款名為“解鎖”的燈具設(shè)計(jì)作品，該設(shè)計(jì)賦予魯班鎖新的裝飾性與功能性，創(chuàng)新地將傳統(tǒng)木質(zhì)材料替換為亞克力材質(zhì)，并嵌入光源制成燈具，巧妙將光影與結(jié)構(gòu)幻化融為一體。魯班鎖的精美構(gòu)造與現(xiàn)代新材料的絕妙搭配，讓現(xiàn)代人在探索魯班鎖自鎖原理，體驗(yàn)遠(yuǎn)古智慧的同時(shí)，領(lǐng)略光的奧秘。

圖7 設(shè)計(jì)作品“解鎖” （設(shè)計(jì)者：袁媛）Fig.7 "Unlocked"by Yuan Yuan

3.3 龍鳳榫的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

來(lái)自紐約的藝術(shù)家兼設(shè)計(jì)師Sebastian Errazuriz以中國(guó)傳統(tǒng)的自鎖榫卯結(jié)構(gòu)—龍鳳榫為設(shè)計(jì)元素，創(chuàng)作了一款造型夸張的家具作品“The Explosion Cabinet”（爆炸柜），如圖11所示。柜體全身以龍鳳榫為結(jié)構(gòu)，沿柜體長(zhǎng)度方向滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)“鎖定”和“解鎖”，為防止完全解鎖導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體，在展開(kāi)的最遠(yuǎn)處設(shè)計(jì)了小凹槽對(duì)解鎖進(jìn)行限制。龍鳳榫作為柜體表面結(jié)構(gòu)，所受的力是垂直于水平面的重力，而滑動(dòng)方向是水平的，因而大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這件超乎想象的設(shè)計(jì)作品，完美地展示了精湛的工藝，被設(shè)計(jì)師稱為“互動(dòng)式家具”。

圖8 爆炸柜Fig.8 The explosion cabinet

4 產(chǎn)品創(chuàng)新

4.1 實(shí)木手機(jī)殼

榫卯結(jié)構(gòu)是集力學(xué)、美學(xué)、哲學(xué)于一身的工匠智慧結(jié)晶。在現(xiàn)代社會(huì)，榫卯結(jié)構(gòu)不僅僅局限于傳統(tǒng)家具中的應(yīng)用，更是作為一種藝術(shù)符號(hào)，流轉(zhuǎn)于工業(yè)設(shè)計(jì)之中[20]。圖9a為筆者基于當(dāng)下最流行的手機(jī)款式設(shè)計(jì)的一款實(shí)木手機(jī)殼，實(shí)木相比于常見(jiàn)的塑膠和金屬，有著天然環(huán)保、古樸自然的優(yōu)點(diǎn)。這款實(shí)木手機(jī)殼的設(shè)計(jì)創(chuàng)新地運(yùn)用了自鎖式榫卯結(jié)構(gòu)，手機(jī)殼邊框采用楔釘榫的變形結(jié)構(gòu)，在邊框連接處留下鎖孔，邊框拼裝完成后，嵌入圓棒榫，圓棒榫的安裝方向與其受力方向垂直，以使手機(jī)邊框呈鎖定狀態(tài)。手機(jī)殼背板與邊框采用龍鳳榫連接方式，背板邊緣為銀錠榫狀的榫頭，通過(guò)推插的安裝方式與邊框連接，安裝方向?yàn)楫a(chǎn)品長(zhǎng)度方向，主要受邊框于背板橫向間的力，故達(dá)到自鎖。整體的安裝順序?yàn)樽笥疫吙蛳群蜕线吙蜻B接固定，再將背板推插進(jìn)去，最后安裝下邊框，以達(dá)到整體閉環(huán)連接。

4.2 可拆裝的便攜式坐凳

坐凳是日常生活中常見(jiàn)的單體家具，其外觀、質(zhì)感、重量與用戶體驗(yàn)息息相關(guān)。目前市面上也有不少自鎖式坐凳，但普遍存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、笨重等問(wèn)題，為解決此類問(wèn)題，王朝等設(shè)計(jì)了一種可拆裝的自鎖便攜坐凳，如圖9b所示[21]。坐凳面板兩側(cè)設(shè)有燕尾槽，腳板通過(guò)頂部楔形結(jié)構(gòu)與面板卡接，腳板的中部套有支撐桿，下半部分設(shè)有限位槽，鉸卷繩通過(guò)槽孔穿接形成閉環(huán)，翻轉(zhuǎn)桿通過(guò)底部的環(huán)形槽與鉸卷繩中段卡接，翻轉(zhuǎn)桿的上端通過(guò)止轉(zhuǎn)槽與支撐桿卡緊。當(dāng)鉸卷繩向內(nèi)拉緊腳板底部時(shí)，由于支撐桿與腳板間形成了杠桿結(jié)構(gòu)，使得腳板頂部向外緊貼面板，腳板的安裝方式為豎直方向，被卡緊后主要受到燕尾榫水平方向的力，以達(dá)到鎖定的目的。在拆卸時(shí)，將翻轉(zhuǎn)桿從支撐桿中掰離，反向翻轉(zhuǎn)鉸卷繩即可消除鉸卷繩的拉力，以達(dá)到解鎖的目的。

4.3 自鎖式坐凳

圖9c所示為一款自鎖式坐凳，坐凳凳面與凳腿通過(guò)走馬銷連接固定，利用摩擦力自鎖的特性，將凳面與凳腿緊密固定。在凳腿部分，采用了十字棖的變形設(shè)計(jì)，將十字棖與龍鳳榫相結(jié)合，凳腿的上半部分通過(guò)十字棖搭接自鎖進(jìn)行扣接，由于走馬銷的連接需要在凳腿的搭接處保留一定空隙，因此在搭接后通過(guò)龍鳳榫的連接方式推插進(jìn)木銷，形成局部自鎖，從而達(dá)到全局自鎖的目的。這一設(shè)計(jì)在保留傳統(tǒng)坐凳榫卯結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了坐凳的實(shí)用性及拆裝便利性，改變了傳統(tǒng)坐凳結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易拆裝的現(xiàn)狀。

圖9 自鎖結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品創(chuàng)新Fig.9 Product innovation with self-locking structure

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)藏有各種自鎖結(jié)構(gòu)，如以走馬銷為代表的摩擦力自鎖結(jié)構(gòu)，以十字棖為代表的搭接自鎖結(jié)構(gòu)，以銀錠榫為代表的嵌入式自鎖結(jié)構(gòu)，以魯班鎖為代表的旋轉(zhuǎn)自鎖結(jié)構(gòu)以及以龍鳳榫為代表的穿插自鎖結(jié)構(gòu)。自鎖結(jié)構(gòu)憑借其精巧的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、可拆卸的特性，在傳統(tǒng)中式家具中占有很大的比重[22-25]。在今后家具器物的設(shè)計(jì)創(chuàng)新中應(yīng)以精益求精、追求完美的工匠精神為思想導(dǎo)向，將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)進(jìn)行融合，針對(duì)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，研究設(shè)計(jì)適用的自鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式與零部件的裝配順序，同時(shí)注重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、連接強(qiáng)度、造型美學(xué)、可裝配性等問(wèn)題，為傳統(tǒng)自鎖結(jié)構(gòu)注入新的生命與活力。