木-竹家具設(shè)計(jì)中木竹構(gòu)件的配置策略?

張海雁 劉文金 陳新義

（1.湖南工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；3. 西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

竹材及竹制品長期以來都與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)，如竹制生產(chǎn)器具、家具、建筑等。隨著木材資源的緊缺，竹材被認(rèn)為是最具潛力的木材替代資源[1]。然而，在當(dāng)前竹制高檔家具產(chǎn)品中，存在一個(gè)普遍缺陷，即竹家具產(chǎn)品體量相對(duì)較大、運(yùn)輸與裝配相對(duì)不便等。究其原因主要是竹家具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過度沿用了傳統(tǒng)木質(zhì)家具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)規(guī)范[2]。目前，已有學(xué)者提出“輕量化”竹基家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)技法與策略[3-4]。有研究報(bào)道，擺脫單純使用竹材的傳統(tǒng)竹家具設(shè)計(jì)與制作模式，有針對(duì)性的采用竹材、木材設(shè)計(jì)與制造相應(yīng)的家具構(gòu)件，可克服上述缺陷，生產(chǎn)出性能優(yōu)異的木-竹家具產(chǎn)品。本文研究旨在以木-竹家具構(gòu)件產(chǎn)品為例，分析木-竹材家具的設(shè)計(jì)技法與創(chuàng)新性，以期為木-竹家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新提供借鑒。

1 圓竹-木家具構(gòu)件設(shè)計(jì)

圓竹構(gòu)件應(yīng)用是直接截取整竹的一段，以竹筒、半圓竹、竹片等形態(tài)加以利用，可根據(jù)具體需要設(shè)置長度，方便靈活。

用作整竹的家具用材，其加工工藝簡(jiǎn)單，材料利用率高，只需剔除枝丫等便可直接利用，并且保留了竹材的外觀屬性。此外，天然竹節(jié)的存在賦予了構(gòu)件或產(chǎn)品一種典型的裝飾效果[5-6]。近年來，新材料與新技術(shù)的革新給竹制構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造帶來了新的策略及思路。

1.1 樹脂-圓竹復(fù)合家具構(gòu)件設(shè)計(jì)

單株圓竹受其直徑的限制，在有幅面要求的家具構(gòu)件中，往往需要借助其它手段來實(shí)現(xiàn)其功能需求，如傳統(tǒng)的捆、扎、綁等。因此，難以滿足當(dāng)下工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)需求。新型樹脂材料的出現(xiàn)，給家具產(chǎn)品中竹構(gòu)材的設(shè)計(jì)提供了一些新啟發(fā)。

保持圓竹外觀屬性的典型方式有兩種：一是圓竹直接橫截制備具有特定長度的竹筒；二是將圓竹保留一定長度，而后將竹片一分為二或一分為三。

圖1（b）為竹片樹脂復(fù)合構(gòu)件。呈“線”性特征的竹片材通過平排的方式，實(shí)現(xiàn)“面”的功能。曲面的竹片使得相鄰兩竹片間存在空隙，出現(xiàn)不平的缺陷。樹脂材料可以填充相鄰兩竹片之間的空隙，通過相應(yīng)的技術(shù)手法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的平面功能。此外，“C形”竹片賦予了竹材在垂直生長方向上強(qiáng)于平面竹片的抗彎性能。

圖1 兩種典型樹脂-竹復(fù)合構(gòu)件Fig. 1 Two typical resin-bamboo composite components

竹筒或竹片與樹脂的復(fù)合，是圓竹材剔除枝丫后的直接運(yùn)用，加工簡(jiǎn)便，材料利用率高，并能有效改善竹材觸感“偏硬”“偏冷”的用材體驗(yàn)，具有顯著的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)特性，符合現(xiàn)代家具規(guī)?；a(chǎn)需求。

1.2 圓竹-木構(gòu)件的接合策略

圓竹構(gòu)件間穩(wěn)定、可反復(fù)拆裝接合策略一直是竹家具產(chǎn)品中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問題。現(xiàn)圓竹構(gòu)件穩(wěn)定連接的方法眾多，如插接、搭接、郁、綁、捆扎等。節(jié)點(diǎn)接合新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了圓竹-圓竹、圓竹-木構(gòu)件間的穩(wěn)定接合，同時(shí)集成了可反復(fù)拆裝的屬性[7-8]。

源于傳統(tǒng)插接連接，使用五金連接件實(shí)現(xiàn)材料之間的穩(wěn)定連接，是一種相對(duì)可靠的方式[9-11]。圖2（a）為圓竹-木構(gòu)件的穩(wěn)定接合，只需在木構(gòu)件中預(yù)埋螺母，并在竹構(gòu)件中預(yù)制通孔即可實(shí)現(xiàn)兩者的相互連接。該策略適用于不同直徑構(gòu)件間的穩(wěn)定連接。

對(duì)傳統(tǒng)“綁扎”接合優(yōu)勢(shì)的提煉，采用外用套管式套件實(shí)現(xiàn)兩構(gòu)件間的穩(wěn)定連接，如圖2（b）所示的竹-木構(gòu)件接合策略。該策略只需通過預(yù)制適合直徑的套件便可實(shí)現(xiàn)接合，拆裝方便，加工效率高。

圖2 木竹構(gòu)件的兩種典型接合策略Fig. 2 Two typical joining strategies for wood and bamboo components

圖2兩種策略在實(shí)現(xiàn)圓竹-木構(gòu)件穩(wěn)定接合的同時(shí)，集成了可反復(fù)拆裝功能，符合現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)與制造中的構(gòu)件或部件拆裝簡(jiǎn)便、降低運(yùn)輸成本的基本理念。

2 竹展平材-木家具構(gòu)件設(shè)計(jì)

20 世紀(jì)70～80 年代，我國進(jìn)行了圓竹展平成套技術(shù)體系研發(fā)，提高了竹材利用率。有研究表明，無損圓竹展平技術(shù)可提高竹材出材率，且不受圓竹長度的限制，生產(chǎn)效率高[12-15]。

2.1 展平竹-木層積復(fù)合材料設(shè)計(jì)

展平竹繼承了竹材高強(qiáng)的固有屬性，可單獨(dú)作為板材使用，也可與木材復(fù)合制備成竹展平竹-木復(fù)合板材作為家具、地板的基材，并有研究表明，典型的三層或多層木竹復(fù)合結(jié)構(gòu)可在很大程度上提升整體構(gòu)件的性能，如抗彎強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度以及彈性模量等[16-18]。

1）設(shè)計(jì)運(yùn)營架構(gòu)，即從政府、企業(yè)以及行業(yè)三方著手，調(diào)查其涉及的相關(guān)業(yè)務(wù)，在構(gòu)建運(yùn)營架構(gòu)之后協(xié)調(diào)三方的關(guān)系，在確保其具有良好的交互關(guān)系后，便可以按照相互協(xié)作、管理和投資等關(guān)系進(jìn)行城市運(yùn)營活動(dòng)；

如圖3 所示，展平竹-木復(fù)合板材的設(shè)計(jì)在一定程度上拓展了速生人工林的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了人工林的利用效率，實(shí)現(xiàn)小材大用。同時(shí)，竹木復(fù)合板材的設(shè)計(jì)能夠大幅降低純竹集成/復(fù)合板材的整體重量。

圖3 竹展平材生產(chǎn)流程及與木材復(fù)合構(gòu)件Fig. 3 Production process of bamboo flat timber and its composite component with wood

展平竹-木復(fù)合板材的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)小尺寸竹展平材的拼寬和接長，制備成多種規(guī)格的板、方材，具有明顯的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)特征。就家具用料而言，竹木復(fù)合材可替代部分實(shí)木家具用料。

2.2 竹展平材-木材合理配置的傳統(tǒng)框式家具構(gòu)件

傳統(tǒng)框式構(gòu)件由四邊框架（抹頭和攢邊）和芯板合圍而成，是一種典型的實(shí)木家具的結(jié)構(gòu)形式。竹展平材干縮濕脹率較小，在傳統(tǒng)框式家具中可替代純木制芯板構(gòu)件，有效維持構(gòu)件的整體穩(wěn)定性（圖4）。同時(shí)，竹材的特殊紋理與質(zhì)感賦予了材料表面雕刻、烙畫、繪畫、書寫等各種裝飾的可能性[19]。

圖4 竹展平材-木制傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)家具構(gòu)件Fig.4 Bamboo flat timber-wooden traditional frame construction furniture elements

3 薄竹纏繞技術(shù)背景下的竹-木家具構(gòu)件設(shè)計(jì)

薄竹纏繞技術(shù)是將薄竹片通過氨基樹脂粘接，采用往復(fù)式機(jī)械纏繞的新型工業(yè)技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、竹材利用率高，加工靈活等特性，可用于竹制非線性零部件的制備。

3.1 薄竹纏繞增強(qiáng)木構(gòu)件設(shè)計(jì)

減小構(gòu)件截面尺寸是實(shí)現(xiàn)家具構(gòu)件“輕量化”目標(biāo)的有效途徑，但隨之而來的是構(gòu)件強(qiáng)度的降低，縮短了構(gòu)件甚至產(chǎn)品的使用壽命。薄竹纏繞技術(shù)充分利用竹材的高韌性和抗拉強(qiáng)度，可在木質(zhì)構(gòu)件表面形成加強(qiáng)外層，還能給構(gòu)件提供特殊的表面裝飾效果（圖5）。這種類似于薄竹纏繞“管廊”的結(jié)構(gòu)，能提升小截面木質(zhì)構(gòu)件的順紋抗壓和抗彎強(qiáng)度。

圖5 薄竹纏繞技術(shù)增強(qiáng)小截面木制構(gòu)建示意圖Fig.5 The schematic diagram of bamboo winding technology enhancing small section wooden component

3.2 薄竹纏繞曲面異形竹木家具構(gòu)件及產(chǎn)品設(shè)計(jì)

家具構(gòu)件的有機(jī)形態(tài)在很大程度上賦予了家具產(chǎn)品豐富而別致的特有造型形態(tài)。竹材優(yōu)異的彎曲性能，使其在有機(jī)形態(tài)的塑造方面有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)竹制有機(jī)形態(tài)構(gòu)件的制備是通過竹篾編織工藝實(shí)現(xiàn)，在一定程度上限制了其工業(yè)化進(jìn)程。

薄竹纏繞技術(shù)在非線性曲面構(gòu)造方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯，這種類增材制造的技術(shù)體系，提升了原材料利用率[20]。

如圖6（a）[21]所示，在竹木家具產(chǎn)品中，木質(zhì)框架配合竹制構(gòu)件，突破了消費(fèi)者對(duì)傳統(tǒng)平面或簡(jiǎn)單曲面椅背造型形態(tài)的認(rèn)識(shí)，豐富了產(chǎn)品造型。圖6（b）[22]凳面的類“鳥巢”形態(tài)，傳統(tǒng)的竹篾編織技法雖可以實(shí)現(xiàn)，但需耗費(fèi)大量的時(shí)間，效率低。薄竹纏繞技術(shù)則在這種多曲面竹構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)上具有優(yōu)勢(shì)。

圖6 竹纏繞技術(shù)木竹家具產(chǎn)品示例Fig. 6 The bamboo winding technology wooden bamboo furniture products example

4 關(guān)鍵構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的竹“取代”與增強(qiáng)設(shè)計(jì)

無論家具設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)接合形式，還是現(xiàn)代金屬五金連接件形式，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位材料的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)家具使用壽命影響較大。如部分速生木材力學(xué)性能相對(duì)較差，在傳統(tǒng)的榫卯接合和五金金屬連接件中，都會(huì)因?yàn)槠錁?gòu)件的應(yīng)力松弛或較差的握釘力，使其使用壽命降低[23-25]。同時(shí)，基于可拆裝節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接合的強(qiáng)度顯得尤為重要。

實(shí)踐證明，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“取代”與增強(qiáng)設(shè)計(jì)形式，可改善構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，延長家具產(chǎn)品使用壽命。圖7中的“竹制構(gòu)件”可替代傳統(tǒng)柜類家具產(chǎn)品柜門或類似構(gòu)件。柜門結(jié)構(gòu)中，有其中一個(gè)攢邊結(jié)構(gòu)需要與柜體通過物件連接件連接，需承擔(dān)在柜門開啟狀態(tài)下整個(gè)柜門的重量[26]，且需要滿足可拆裝需求。因此，可用竹制構(gòu)件“取代”此部位，用來安裝鉸鏈及其相應(yīng)的木螺釘，充分利用竹材的高強(qiáng)度特性，實(shí)現(xiàn)柜門的可重復(fù)拆卸。

榫接合是木竹家具中最常見的接合形式，接合性能的強(qiáng)弱受到材料的制約。應(yīng)力松弛則是榫卯節(jié)點(diǎn)接合破壞的主要因素之一。因此，為避免木材在使用過程中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，則可在木質(zhì)構(gòu)件榫頭、榫眼接合處采用竹部件實(shí)施局部“增強(qiáng)”，提高節(jié)點(diǎn)接合的長時(shí)效性，如圖7中的“竹制增強(qiáng)件”所示。

圖7 2 種典型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“取代”設(shè)計(jì)Fig.7 Two typical "substitution" designs for key nodes

5 體現(xiàn)竹材“柔性”屬性的異形構(gòu)件“取代”設(shè)計(jì)

木制家具中異形構(gòu)件如果由銑削成型，不僅材料利用率低、加工難度大，還會(huì)降低構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，可采取彎曲木質(zhì)構(gòu)件的柔性材料取代設(shè)計(jì)策略。竹材具有優(yōu)異的彎曲加工性能，可用來“取代”部分木質(zhì)彎曲構(gòu)件，發(fā)揮同等功能。

竹制異形構(gòu)件的加工成型主要有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)：一是竹材經(jīng)高溫蒸汽軟化后彎曲；二是薄竹材可先彎曲成型而后膠合集成。

椅類產(chǎn)品中有較多的彎曲構(gòu)件應(yīng)用，如椅子的扶手、椅背等主要部件。因此，在木竹家具產(chǎn)品中，主要彎曲構(gòu)件使用竹材“取代”部分木構(gòu)件具有重要意義。低質(zhì)人工林木材家具產(chǎn)品往往因使用者的感受（如輕、紋理差等）而被歸為“劣質(zhì)”家具產(chǎn)品行列。竹制構(gòu)件的引入，對(duì)于提高產(chǎn)品的整體體量具有積極作用。因此，該“取代”策略在提升木材使用率的同時(shí)，對(duì)于提升低質(zhì)人工林木材家具產(chǎn)品的“體量感”“品質(zhì)感”具有重要意義。

如圖8（a）[27]所示，由于竹材的柔性特性，在合理的工藝條件下可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、有機(jī)的形態(tài)，可有效豐富產(chǎn)品的造型，緩解產(chǎn)品同質(zhì)化問題。如圖8（b）[28]所示，家具產(chǎn)品中扶手和椅背的加工，使用竹材將會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[29-30]。

圖8 "取代"主要彎曲構(gòu)件Fig. 8 "Replacement" of main bending components

6 竹材高強(qiáng)、彈性優(yōu)勢(shì)下的木-竹復(fù)合構(gòu)件設(shè)計(jì)

相較于木材，竹材強(qiáng)度較高、彈性性能較優(yōu)。因此，根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求，將竹材以某種特定的方式加以運(yùn)用，做到材盡其用。

6.1 “木包竹”家具構(gòu)件設(shè)計(jì)

珍貴樹種木材資源的緊缺，促使科技工作者開發(fā)出了如圖9（a）所示的科技薄木用材模式。通過覆面工藝技術(shù)，將珍貴木材科技木皮覆蓋在劣質(zhì)集成材、刨花板等人造板基材表面，這也成為了速生人工林木材優(yōu)勢(shì)利用的典型途徑。

竹材具有優(yōu)異的抗彎抗壓強(qiáng)度，可在一定程度上取代同等作用下的木質(zhì)構(gòu)件，適當(dāng)縮小家具構(gòu)件的截面尺寸。例如，可在竹制構(gòu)件表面覆以科技木皮，如圖9（b）所示，進(jìn)而獲得具有木質(zhì)材料表觀屬性的高強(qiáng)木竹復(fù)合構(gòu)件，對(duì)于木、竹制家具產(chǎn)品“輕量化”的設(shè)計(jì)思想做出應(yīng)有呼應(yīng)。

圖9 "木包竹"構(gòu)件截面圖Fig. 9 Section diagram of "wood wrapped bamboo" component

6.2 作為木構(gòu)件的增強(qiáng)材料

如圖10 所示，竹材與木材復(fù)合制備竹木復(fù)合構(gòu)件。具有較優(yōu)的抗彎、抗壓性能的竹材作為木構(gòu)件的芯層增強(qiáng)材料，提升構(gòu)件整體抗彎、抗壓強(qiáng)度，以達(dá)到運(yùn)用小截面尺寸構(gòu)件滿足產(chǎn)品高強(qiáng)使用的要求。

圖10 竹材作為木構(gòu)件增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)Fig.10 Bamboo is designed as wood reinforcement material

6.3 作為局部增強(qiáng)材料

竹材還可作為局部增強(qiáng)材料，包覆在木制構(gòu)件的直角邊緣部位。如圖11（a）所示，該設(shè)計(jì)可緩解應(yīng)力集中，同時(shí)還能起到一定的裝飾作用。

木質(zhì)家具產(chǎn)品中，某些構(gòu)件的部分位置會(huì)由于經(jīng)常與使用者接觸，易被磨損，如純木質(zhì)構(gòu)件表面涂飾的色彩變化、漆膜表面的損傷痕跡等。決定漆膜使用壽命的一個(gè)重要因素則是基材的強(qiáng)度。因此，可用竹材對(duì)木制構(gòu)件中的易損部位實(shí)施增強(qiáng)。如圖11（b）所示，書桌面板與使用者經(jīng)常接觸的部位，采用竹材取代。同時(shí)，由于木-竹之間表觀屬性的差異，材料的混合搭配賦予了材料的視覺豐富性。

圖11 竹材作為木構(gòu)件的局部增強(qiáng)Fig. 11 Bamboo as a local reinforcement of wood components

6.4 改善蠕變

蠕變會(huì)縮短材料的使用壽命。如圖12 所示，將木材與竹材復(fù)合，竹材的引入打破了純木制構(gòu)件的視覺整體性，同時(shí)能夠緩解“蠕變”，達(dá)到延長構(gòu)件使用壽命的目的。例如，現(xiàn)代家具中床的排骨架中的易損構(gòu)件，其原材料通常為多層膠合板。木-竹材復(fù)合預(yù)應(yīng)力構(gòu)件可在一定程度上作為此類構(gòu)件的替代品，不僅提升了構(gòu)件強(qiáng)度，而且在制備環(huán)節(jié)中減少了膠合層，降低了膠黏劑的使用。

圖12 木-竹復(fù)合構(gòu)件Fig.12 The wood-bamboo composite components

7 結(jié)語

木、竹材經(jīng)合理配置可充分發(fā)揮出竹材的高強(qiáng)、柔韌特性，對(duì)木材的性能加以補(bǔ)償，并能降低純粹竹構(gòu)件的重量，對(duì)實(shí)現(xiàn)木竹家具構(gòu)件及產(chǎn)品“輕量化”設(shè)計(jì)理念具有積極意義。開展木竹家具產(chǎn)品中的木竹構(gòu)件配置設(shè)計(jì)，運(yùn)用科學(xué)的設(shè)計(jì)技法與規(guī)范，充分解析木、竹材的基本屬性很有必要，可有效解決竹木家具產(chǎn)品過度依賴木家具的設(shè)計(jì)技法現(xiàn)狀。本文充分分析了木竹材各自屬性在木竹家具產(chǎn)品中的應(yīng)用可行性及缺陷，通過設(shè)計(jì)技法與材料屬性的集成與創(chuàng)新，提出了幾種具有工業(yè)化潛力的木竹家具構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，并列舉了典型設(shè)計(jì)案例以驗(yàn)證其可行性。