實(shí)木椅腿現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)減量化設(shè)計(jì)

吳 為， 徐 偉，2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)智庫(kù)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210037)

榫卯結(jié)構(gòu)傳承至今，一直被國(guó)人乃至世界所鐘愛。當(dāng)下大批量工業(yè)化生產(chǎn)是各行業(yè)都比較推崇的生產(chǎn)方式，因此對(duì)于榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)代化設(shè)計(jì)是當(dāng)代設(shè)計(jì)師必須要做的事情。近年來，人類的生態(tài)文化觀念開始轉(zhuǎn)變，意識(shí)到無節(jié)制地使用自然資源，無限制地追求物質(zhì)享受，焚林而田，竭澤而漁的思想觀念已不合時(shí)宜，最終人類反受其害，陷入嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)和環(huán)境危機(jī)[1]。在綠色設(shè)計(jì)新要求下，對(duì)于現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)趨向于減少五金零部件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，而且木材本身作為一種天然的材料，還應(yīng)盡可能使用純木材。隨著社會(huì)的發(fā)展人們生活質(zhì)量的提高，人們更加追求家居裝飾簡(jiǎn)約性、實(shí)用性和舒適性的完美結(jié)合，特別是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的座椅，目前大多數(shù)的家具使用螺釘?shù)裙潭?，不但不易運(yùn)輸和拆裝，而且容易損壞，因此需要提出一種用于座椅上的椅腿與橫棖、座面連接的榫卯結(jié)構(gòu)，通過椅腿、橫棖和座面間的榫頭、榫槽相互配合，實(shí)現(xiàn)椅腿與橫棖、座面的穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可拆裝，方便平板化包裝及運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)流水線加工，提高工業(yè)化生產(chǎn)效率[2]。

1 減量化原則

1.1 綠色設(shè)計(jì)

人們很早就意識(shí)到在設(shè)計(jì)中加入綠色理念的重要性，20世紀(jì)60年代，美國(guó)設(shè)計(jì)理論家維克多·帕帕奈克的專著《為真實(shí)世界而設(shè)計(jì)》[3]中就強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)要與生態(tài)保護(hù)聯(lián)系起來。

綠色設(shè)計(jì)(green design)也稱生態(tài)設(shè)計(jì)(ecological design)、環(huán)境設(shè)計(jì)(design for environment)、環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)(environment conscious design)[4]，簡(jiǎn)化為“4R原則”，即減量化(reduce)、再利用(reuse)、再循環(huán)(recycle)、再生(regenerate)。強(qiáng)調(diào)的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的“從搖籃到再生”，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期里重點(diǎn)關(guān)注可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等環(huán)境屬性[5]，在不放棄產(chǎn)品的性能、壽命、質(zhì)量等要求的前提下，實(shí)現(xiàn)材料、能源消耗和有害物質(zhì)排放的最小化。

1.2 減量化原則

減量化原則是綠色設(shè)計(jì)的核心，指導(dǎo)思想是保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，核心思想是物盡其用，是目前實(shí)現(xiàn)全生命周期綠色設(shè)計(jì)最有效的方法之一。其通過減少物料的重量、面積和數(shù)量，減少原材料和能源投入，以實(shí)現(xiàn)既定的生產(chǎn)目標(biāo)或消費(fèi)目標(biāo)，使生產(chǎn)、流通、消費(fèi)和使用過程節(jié)能化，從源頭減少進(jìn)入生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)的物質(zhì)和能量流，從而節(jié)約資源，減少污染，使造型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約化的同時(shí)，仍要保證產(chǎn)品和功能的合理性、結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，盡可能延長(zhǎng)使用壽命[6]。

2 榫卯結(jié)構(gòu)減量化設(shè)計(jì)要求

在產(chǎn)品的全生命周期中，減量化原則的應(yīng)用主要從簡(jiǎn)化產(chǎn)品、縮短時(shí)間、包裝運(yùn)輸優(yōu)化和簡(jiǎn)化組裝步驟4個(gè)方面入手。

2.1 簡(jiǎn)化產(chǎn)品

如今在常見的家居產(chǎn)品中很難見到一些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的榫卯，一方面是部分榫卯結(jié)構(gòu)的裝飾性強(qiáng)于功能性，在兩種結(jié)構(gòu)具有同等接合強(qiáng)度的情況下，裝飾性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)自然需要拋棄；另一方面，在當(dāng)下追逐利益而尋求快速的工業(yè)生產(chǎn)背景下，不適合機(jī)械化批量生產(chǎn)的榫卯結(jié)構(gòu)，自然應(yīng)該被減少使用甚至淘汰。抱肩榫如圖1所示，粽角榫如圖2所示，粽角榫的5個(gè)部件之間互相穿插需要7個(gè)卯眼，這7個(gè)卯眼大小、深度和造型均不同，這就需要7個(gè)與卯眼對(duì)應(yīng)的榫頭[7-8]，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，制作過程繁復(fù)。因此，像此類榫卯結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行簡(jiǎn)約化改進(jìn)，以縮短設(shè)計(jì)周期，簡(jiǎn)化工藝流程，實(shí)現(xiàn)加工、包裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的節(jié)能。

圖1 抱肩榫

圖2 粽角榫

2.2 縮短時(shí)間

傳統(tǒng)榫卯由純手工制作，非常耗時(shí)，且在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)水平下，仍有許多榫卯結(jié)構(gòu)的制作時(shí)間較長(zhǎng)，這就增加了能源的消耗和碳足跡的產(chǎn)生。如圖2所示粽角榫的外形，榫頭相接面為45°的傾角，內(nèi)部細(xì)節(jié)復(fù)雜、繁瑣[9]。此類榫卯一般用于中式古典家具，而現(xiàn)代中式家具除非外形需要，家居企業(yè)一般很少會(huì)使用或?qū)⒄w式榫卯制作成分體式榫卯，現(xiàn)代機(jī)械在1～2次加工程序內(nèi)也很難完成此類復(fù)雜的榫卯結(jié)構(gòu)，加工周期必然會(huì)延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致成本大幅增加，手工制作的成本就更高了[10]。而且此類榫卯結(jié)構(gòu)一般使用CNC數(shù)控機(jī)床，設(shè)備昂貴，國(guó)內(nèi)很多家具廠家無法承擔(dān)。因此在保證美觀和功能的同時(shí)，應(yīng)優(yōu)化零部件的數(shù)量與尺度，縮小或省去不承重或作用小的零部件，縮短原材料制備工序，減少產(chǎn)品加工工序，節(jié)約產(chǎn)品加工和拼裝時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

2.3 包裝運(yùn)輸優(yōu)化

部分榫卯不適于當(dāng)下產(chǎn)品的原因是不具有可拆裝性，只能采用整體組裝運(yùn)輸，并且異形件和大件家具運(yùn)輸所占的空間和擺放都存在問題，運(yùn)輸成本高?？刹鹧b的榫卯結(jié)構(gòu)更適合當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，不僅可以實(shí)現(xiàn)零部件的可替換性，節(jié)約加工過程中的勞動(dòng)力消耗，提高生產(chǎn)效率，最大程度節(jié)約資源，而且可采用平板包裝，降低物流成本，節(jié)省家具產(chǎn)品的倉(cāng)儲(chǔ)空間，方便運(yùn)輸與儲(chǔ)存[11-13]。

2.4 簡(jiǎn)化組裝步驟

降低家居產(chǎn)品的組裝難度，使產(chǎn)品更易安裝不僅是減量化的要求，通過此方法可以有效減少碳足跡，而且使用戶參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中來，增加體驗(yàn)感，也是以人為本設(shè)計(jì)的要求。以往的家居產(chǎn)品都需要專業(yè)人士制作、安裝，對(duì)于消費(fèi)者和賣家將會(huì)是另一種麻煩。而且市面上大部分DIY家居產(chǎn)品五金零部件多，雖可由用戶自行組裝，但極其耗時(shí)，而且缺少專業(yè)安裝知識(shí)和熟練操作技能的用戶在組裝復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)也并非是件易事。因此，家居產(chǎn)品進(jìn)行可拆裝設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮產(chǎn)品組裝簡(jiǎn)易化，使用盡可能少的零部件，組裝過程需要盡可能少的安裝步驟，使得拆裝形式簡(jiǎn)潔明了以提高安裝速度和安裝效率，節(jié)約人員的使用[14-15]。

宜家的LISABO系列產(chǎn)品把減量化原則應(yīng)用到了極致，受楔形榫釘啟發(fā)，桌腿整體就是一個(gè)楔釘，裝配速度可提高80%，縮短裝配時(shí)間，且無需鐵釘和膠，可以手動(dòng)安裝且無需借助工具，其可拆裝的特點(diǎn)不僅便于運(yùn)輸，而且可以為用戶增加裝配的樂趣，這正是對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)拆裝便捷性的體現(xiàn)[16-17]。宜家的LISABO系列產(chǎn)品如圖3所示。

圖3 LISABO系列產(chǎn)品

3 榫卯結(jié)構(gòu)減量化設(shè)計(jì)實(shí)踐

在綠色設(shè)計(jì)的減量化要求下，為實(shí)現(xiàn)流水線加工，設(shè)計(jì)了一種用于椅腿、橫棖與座面連接的榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[18]。通過優(yōu)化榫卯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約材料，提高工業(yè)化生產(chǎn)效率，同時(shí)采用榫卯的自鎖保證榫卯具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度和各方向上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，重新設(shè)計(jì)一種自鎖的現(xiàn)代壓條榫結(jié)構(gòu)。

3.1 具體說明

如圖4所示，包括椅腿A、橫棖一B、橫棖二C和座面D。椅腿A的橫截面、橫棖一B的縱截面和橫棖二C的縱截面均為40 mm × 40 mm方形。其中椅腿A的頂端設(shè)有橫截面為方形的榫頭一A-1和榫頭二A-2，兩榫頭位于椅腿A頂端的兩個(gè)對(duì)角位置，兩榫頭尺寸相同，長(zhǎng)度、寬度和高度分別為12 mm、12 mm和60 mm。

橫棖一B的一端開設(shè)有用于與榫頭一A-1匹配的榫槽一B-1以及橫截面為梯形的榫槽二B-2，榫槽二B-2深度為40 mm，梯形橫截面的上底邊長(zhǎng)I為12 mm，其中一個(gè)腰與下底之間的夾角為70°，與橫棖二C上的榫頭三C-1的形狀和尺寸相同。

橫棖二C的一端設(shè)有用于與榫槽二B-2匹配的榫頭三C-1，榫頭三C-1上開設(shè)有用于與榫頭二A-2匹配的榫槽三C-2，如圖4b所示。所述座面D上開設(shè)有用于分別與榫頭一A-1和榫頭二A-2匹配的榫槽四D-1和榫槽五D-2，兩榫頭尺寸相同，長(zhǎng)度、寬度和深度分別為12 mm、12 mm和20 mm。橫棖一B上的榫槽一B-1與橫棖二C上的榫槽三C-2尺寸相同，長(zhǎng)度、寬度和深度分別為12 mm、12 mm和40 mm。

3.2 裝配方式

橫棖一B的榫槽一B-1與椅腿A的榫頭一A-1插接，橫棖一B的榫槽二B-2與橫棖二C的榫頭三C-1插接，橫棖二C的榫槽三C-2與椅腿A的榫頭二A-2插接，橫棖一與橫棖二形成自鎖配合擠緊。座面D的榫槽四D-1與椅腿A的榫頭一A-1插接，座面D的榫槽五D-2與椅腿A的榫頭二A-2插接，橫棖一B、橫棖二C和椅腿A均位于座面D下方。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了豐富而深刻的設(shè)計(jì)思想，其和諧的設(shè)計(jì)思想使現(xiàn)代產(chǎn)品更具文化內(nèi)涵。伴隨著對(duì)綠色設(shè)計(jì)理念的重視，木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的承載力也隨之提高，與傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)相比，在造型上也能更好地融合到現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中。但現(xiàn)代榫卯結(jié)構(gòu)的綠色設(shè)計(jì)發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)亟待改進(jìn)和創(chuàng)新。為此，提出了一種用于椅腿、橫棖與座面連接自鎖型壓條榫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝配、零部件加工簡(jiǎn)單，便于家具企業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和平板包裝，為可拆裝實(shí)木椅凳結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供參考。