竹集成材用于榫卯家具的CMF評價及力學強度分析*

楊越淳 任 毅 張繼娟 張仲鳳

（中南林業(yè)科技大學；國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心；湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

我國竹資源豐富，竹材繁茂易生，具有采伐周期短、再生能力強等優(yōu)勢[1]，符合可持續(xù)發(fā)展理念。竹材的抗拉強度、抗彎強度、彈性模量等強于一般針葉木材，能夠與硬闊葉木材相媲美[2-3]。隨著竹材加工技術(shù)不斷進步，竹制材料緩解了木材資源供給壓力，在建筑、家具、產(chǎn)品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中較為突出的是竹集成材。竹集成材是具有中國色彩的復合材料，同時，竹集成材可實現(xiàn)在家具榫卯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。因此，本研究以竹集成材為載體，對榫卯家具進行現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯。引入CMF設(shè)計理念，將竹集成材色彩、材料和表面處理加工工藝作為評價內(nèi)容，測試竹集成材T型榫接合試件的抗彎強度，從用戶感知覺、設(shè)計美學、力學強度三方面評價竹集成材作為榫卯家具用材的適用性，并提出符合現(xiàn)代生產(chǎn)、審美及情感需求的竹集成材榫卯家具設(shè)計策略。

1 CMF設(shè)計方法

CMF是色彩（Colour）、材料（Material）和表面處理加工工藝（Finish）的縮寫[4]。在精神需求大于物質(zhì)需求的大背景下，CMF設(shè)計方法從色彩、材料和表面處理方法三方面，以目標用戶的視覺、觸覺等感官體驗為參考，通過顯性物理元素的選擇來滿足用戶的感性需求[5-7]。將產(chǎn)品的色彩、材料、表面處理加工工藝相互影響所呈現(xiàn)出的情感信息表達在具體的物體上（如圖1），以達到美學與功能的最佳平衡。在竹集成材作為榫卯家具用材的評價中，以CMF設(shè)計方法為理論依據(jù)，將色彩、材料和表面處理加工工藝三方面特性作為評價標準，通過感知覺體驗來檢驗竹集成材用于榫卯家具是否契合用戶審美及情感需求。

圖1 CMF在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用Fig.1 Application of CMF in product design

2 竹集成材用于榫卯家具的CMF評價

2.1 竹集成材色彩特性

竹集成材有本色和碳化色兩種常見的顏色，經(jīng)過去黃、去青處理，保留竹材原本的天然色彩，制成本色竹集成材。經(jīng)過高溫、高壓飽和蒸汽處理，使得竹材碳化，得到相對沉穩(wěn)的棕色，即碳化竹集成材[8-9]。以孟塞爾色彩系統(tǒng)中的明度（Value）、色相（Hue）、彩度（Chroma）三個指標來表述竹集成材色彩特性，通過測試得到，本色竹集成材的明度主要分布于7.04～7.12，色相主要分布于6.18～7.02，彩度主要分布于5.24～5.28[10]。數(shù)據(jù)表明，本色竹集成材屬于黃色色相，明度較高，而彩度相對較低。碳化竹集成材的明度主要分布在5.03～5.23，色相主要分布在3.57～3.84，彩度主要分布在8.08～8.35[10]。碳化竹集成材屬于黃色偏紅色色相，明度中等，彩度稍高。從色彩心理學角度分析，本色竹集成材較為明亮的黃白色，傳達出明快、溫暖、舒暢、希望的色彩情緒；碳化竹集成材的棕黃色，體現(xiàn)了沉穩(wěn)、素雅、莊重的色彩情緒[11-12]。榫卯家具多是內(nèi)含中華文化符號的中式家具，竹集成材所表達的色彩情緒關(guān)鍵詞與中式家具風格相匹配。碳化竹集成材色彩沉穩(wěn)、深沉，用于制造榫卯家具，能夠作為仿珍貴硬木家具用材，減少對于珍貴硬木的消耗。

2.2 竹集成材材料特性

竹集成材借鑒了木集成材的制造工藝，以竹為原料，經(jīng)過防腐、干燥、施膠等一系列的機械和化學加工，在一定的溫度和壓力下，借助膠黏劑或竹材自身的結(jié)合力的作用，膠合成板材和型材[13]。竹集成材經(jīng)過加工，一定程度上補足了竹材易蛀易腐的短處，并保留竹材強度高、韌性好、濕脹干縮形變小、尺寸穩(wěn)定、耐磨損等優(yōu)勢[14]，目前已廣泛應(yīng)用在建筑、家具、產(chǎn)品等領(lǐng)域。在對竹集成材的語意感性評價中，用戶對于竹集成材的視覺和心理感受均偏向于褒義詞性，以“舒適、文明、優(yōu)雅、環(huán)保”為主[15]，能夠滿足用戶對于家具用材自然環(huán)保的情感需求。作為榫卯家具用材，竹集成材具備了類似珍貴硬木的材質(zhì)特性，滿足用戶情感需求，適合作為榫卯家具用材。

2.3 竹集成材表面處理、加工工藝

竹集成材組坯方式不同，所得到的紋理圖樣也不同。常見的有竹集成材本色平壓、側(cè)壓排列，碳化平壓、側(cè)壓排列、棋盤格排列、斑馬紋排列幾種方式[16]（表1）。竹集成材平壓板表面竹節(jié)錯落有致，紋理通直，在對竹家具表面紋樣的眼動實驗中，竹節(jié)紋理的保留在用戶對于竹家具表面紋理的喜愛程度中排名第二[17]，符合人們對于“竹”這個文化意向素雅、自然的情感需求。竹集成材側(cè)壓板表面紋理致密流暢，統(tǒng)一性好，符合現(xiàn)代家具的簡潔風格。棋盤格和斑馬紋的排列是將本色竹片與碳化竹片交錯、規(guī)則地排列后再膠合，達到活潑、靈動的風格效果。

表1 竹集成材常見的紋理類型Tab.1 Common texture types of laminated bamboo

竹集成材適合大規(guī)模生產(chǎn)加工，利用率可達78%～83%，而實木利用率不到60%[18]。竹集成材并沒有改變竹材原有結(jié)構(gòu)，仍屬于天然基材，質(zhì)地堅硬，且抗拉、抗壓強度還優(yōu)于材料本身，可進行雕刻、銑型、鉆孔等加工[19]，相比較竹材本身更不易出現(xiàn)毛刺，便于加工。竹集成材易加工，表面紋理符合現(xiàn)代榫卯家具典雅、質(zhì)樸的風格，同時能夠通過染色、涂飾、覆面等方式滿足用戶個性化需求，提高竹材利用率。

3 竹集成材T型榫接合力學強度測試

竹集成材與木材在物理特征上相似，但相較于木材，竹集成材具有干縮濕脹形變小、耐磨損、耐腐、封閉性好等優(yōu)勢[20]。由于竹集成材特殊的物理力學性能，在制作家具榫接合構(gòu)件時，不應(yīng)該照搬原有的實木榫卯的要求，應(yīng)提出適合竹集成材材料特性的榫卯配合要求。將竹集成材應(yīng)用于家具中，特別是椅子，其強度及耐久性主要體現(xiàn)在家具腿、扶手等部位上[21]，即家具T型構(gòu)件。在對竹集成材用于榫卯家具的力學性能評價中，以T型榫接合節(jié)點為試驗對象，以榫頭厚度和榫頭長度為變量，通過測試9組不同榫頭尺寸配合的竹集成材T型榫接合試件的抗彎強度，來探究竹集成材家具榫卯節(jié)點力學抗彎強度及榫卯尺寸影響規(guī)律。

3.1 試驗材料及設(shè)備

試驗用材為福建南平生產(chǎn)的竹集成材方材，尺寸為200 mm×40 mm×40 mm （長×寬×厚），密度為0.75 g/cm3，含水率為8%～10%。QDYX-MJ6128精密推臺鋸，MZ1610方鑿榫槽機，配備8、12、16 mm的方孔鉆；MWW-100A萬能力學試驗機；夾具、游標卡尺、直尺等。

3.2 力學強度測試

測試竹集成材榫接合尺寸對家具節(jié)點力學強度的影響，試件為家具腿、扶手等部位常出現(xiàn)的方榫接合的T型構(gòu)件，如圖2 所示。其中，a為榫頭厚度，b為榫頭寬度，l為榫頭長度。

圖2 竹集成材T型榫接合構(gòu)件Fig.2 Laminated bamboo tenon joint T-shaped member

試驗設(shè)置榫頭厚度a和榫頭長度l為變量，榫頭寬度b為定量與試件整體寬度相同，為40 mm。榫眼尺寸與榫頭一致，過盈配合量為0。將榫頭厚度a設(shè)置為8、12、16 mm，榫頭長度l設(shè)置為20、25、30 mm，試件榫卯尺寸配合方式分為9 組。為保證試驗結(jié)果的有效性，試件加工精度控制在0.1 mm內(nèi)。T型榫接合試件施加乳白膠組裝，涂膠量為150 g/m2。測試前，將組裝好的試件放在溫度為（20±2）℃，相對濕度為55%的環(huán)境中靜置72 h。

測試竹集成材T型榫接合試件抗彎強度的加載示意圖如圖3 所示，在距榫卯接合節(jié)點120 mm處施加力，加載速度為10 mm/min。分別對不同尺寸配合的竹集成材T型試件進行測試，每組尺寸配合重復3 次試驗，記錄T型試件的抗彎強度最大載荷以及試件的位移-載荷數(shù)據(jù)及節(jié)點的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖3 試件抗彎強度測試加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of test specimen bending strength test loading

3.3 力學強度分析

以破壞彎矩作為衡量力學強度的指標，破壞彎矩越高則表示該榫頭榫眼接合節(jié)點的抗彎強度越大。破壞彎矩計算公式[22-24]為：

式中：M為破壞彎矩，N·m；P為最大抗彎載荷，N；L為施力點至接合節(jié)點的距離，m。

表2 9 組尺寸配合的抗彎測試結(jié)果Tab.2 Bending test results of 9 groups of size fits

在試驗過程中，T型榫接合試件受到向下加載的力，隨著施加力的增大，榫頭試件的位移不斷增加，榫頭榫眼的擠壓也不斷增大，直至試件破壞，得到最大抗彎載荷，并計算得到破壞彎矩。根據(jù)表3 中的試驗數(shù)據(jù)，9 組竹集成材T型榫接合試件的破壞彎矩對比如圖4 所示。從整體來看，由圖4（a）可知，竹集成材T型榫接合試件的破壞彎矩隨著榫頭厚度和榫頭長度的增加，也呈階梯狀增大。其中，榫頭厚度為8 mm、榫頭長度為20 mm時，破壞彎矩最小，為40.36 N·m；榫頭厚度為16 mm、榫頭長度為30 mm時，破壞彎矩最大，為153.32 N·m。

圖4 榫頭厚度和榫頭長度對試件破壞彎矩的影響Fig.4 Influence of tenon width and tenon length on failure moment of specimen

由圖4（b）可知，榫頭厚度相同時，試件的破壞彎矩隨著榫頭長度的增加而增大，榫頭長度為30 mm時增幅明顯；榫頭長度相同時，試件的破壞彎矩隨著榫頭厚度的增加而增大。榫頭厚度為8 mm時，榫頭長度為20、25 mm試件破壞彎矩增大不明顯，增幅為14.07%，但榫頭長度增加至30 mm時，試件的破壞彎矩增大明顯，較榫頭長度25 mm增幅為67.07%。榫頭厚度為12、16 mm時，榫頭厚度增加破壞彎矩的增大相對均勻，平均增幅分別為44.80%和53.31%?？梢?，榫頭長度增加竹集成材T型榫接合試件破壞彎矩的增幅隨著榫頭厚度的增加而增大。

4 竹集成材榫卯家具設(shè)計探索

4.1 竹集成材用于榫卯家具適用性評價

對竹集成材用于榫卯家具的適用性評價，從竹集成材本身出發(fā)，通過用戶感知覺、設(shè)計美學、力學強度三方面進行。以CMF作為評價標準，在色彩特性方面，竹集成材所表達的色彩情緒關(guān)鍵詞與中式榫卯家具風格相匹配。碳化竹集成材色彩沉穩(wěn)、深沉，用于制造榫卯家具，能作為仿珍貴硬木家具用材，減少對于珍貴硬木的消耗。在材料特性方面，竹集成材具備了類似珍貴硬木的材質(zhì)特性，能滿足用戶對于家具用材自然環(huán)保的情感需求。在表面處理、加工工藝方面，竹集成材易加工，表面紋理符合現(xiàn)代榫卯家具典雅、質(zhì)樸的風格，同時能夠通過染色、涂飾、覆面等方式滿足用戶個性化需求。榫卯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)的一種傳承與創(chuàng)新，竹集成材T型榫接合試件抗彎強度隨著榫頭厚度和榫頭長度的增加而增大，竹集成材榫接合力學強度能夠滿足榫卯家具需求。

4.2 竹集成材榫卯家具設(shè)計策略

固有觀念中的榫卯家具，樣式傳統(tǒng)、體量大、裝飾繁多，與現(xiàn)代審美及生活需求相差甚遠。在對竹集成材榫卯家具的設(shè)計中，以現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計形式演繹傳統(tǒng)榫卯元素，避免我國傳統(tǒng)審美與現(xiàn)代審美及中式家具使用功能與現(xiàn)代生活需求脫節(jié)[25]。基于竹集成材的材料特性，提出符合現(xiàn)代生產(chǎn)、審美及情感需求的竹集成材榫卯家具設(shè)計策略，為榫卯家具的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯設(shè)計及實現(xiàn)“以竹代木”，緩解資源壓力提供思路。

4.2.1 竹集成材榫卯家具線形設(shè)計

竹集成材紋理通直，密度大、強度高，在保證家具穩(wěn)定性的前提下，能夠以纖細的線條形式來進行竹集成材榫卯家具設(shè)計，即線形設(shè)計。通過竹集成材榫卯家具的線形設(shè)計，減小了家具零部件的體積，減弱了榫卯家具厚重的體量感，減少了家具用材量，用戶視覺感受通透、輕巧，簡單的造型與現(xiàn)代裝飾風格相襯。通過線的排列、組合、聚集等設(shè)計手段，能夠以簡單的線條形式，傳達出最深沉的中華文化內(nèi)涵。

4.2.2 竹集成材榫卯減量化設(shè)計

我國傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)在與現(xiàn)代家具結(jié)合時，常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)過于復雜、不適合大批量生產(chǎn)、加工成本高等問題[26]。對竹集成材榫卯家具進行減量化設(shè)計，一方面基于竹集成材較強的力學特性，能夠?qū)崿F(xiàn)減少用料的同時不影響家具的力學強度，減少原材料和能源的投入。另一方面，一部分傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)裝飾性大于功能性，其復雜而不便于加工的榫卯結(jié)構(gòu)不一定能夠得到力學強度的有效分布。針對這一部分復雜的傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進行簡化改進，在保證家具結(jié)構(gòu)力學強度的前提下，舍去不必要的復雜結(jié)構(gòu)，縮小榫卯尺度，減少加工工序，實現(xiàn)最大化的材料有效利用。

4.2.3 竹集成材可拆裝榫卯設(shè)計

在傳統(tǒng)家具中，有許多巧妙的可拆裝榫卯結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部勾掛結(jié)構(gòu)、外嵌榫卯結(jié)構(gòu)、自身搭嵌牽制榫卯結(jié)構(gòu)等形式[27-28]。以燕尾榫、走馬銷、栓、魯班鎖為例，運用拆裝、拼接的形式進行家具零部件之間的組合固定，結(jié)構(gòu)巧妙且穩(wěn)固。現(xiàn)代竹集成材家具的可拆裝榫卯設(shè)計應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代審美及用戶需求，考慮榫卯拆裝結(jié)構(gòu)的可操作性，強調(diào)可拆裝榫卯家具功能、結(jié)構(gòu)和形式的完整性。靈活方便的可拆裝的榫卯形式的應(yīng)用，一方面是對傳統(tǒng)榫卯智慧傳承，另一方面能夠便于更換家具易損零件，且極大地減少了竹集成材家具的包裝和運輸成本。

5 結(jié)語

竹集成材的應(yīng)用在很大程度上緩解了木材資源壓力，但在竹集成材榫卯家具的設(shè)計制造中，完全沿用木榫卯家具的方法不可行。因此，參考竹集成材的美學特征及特殊性能，提出竹集成材榫卯家具的設(shè)計策略是發(fā)展的必然道路。經(jīng)過CMF分析評價及力學試驗驗證，竹集成材在用戶感知覺、設(shè)計美學、力學強度三方面，均符合用戶對于榫卯家具的心理需求及功能需求。在家具產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展方面，提出“線形設(shè)計、減量化設(shè)計、可拆裝設(shè)計”的竹集成材榫卯家具設(shè)計策略，完全契合綠色可持續(xù)發(fā)展的時代主題，為“以竹代木”、資源合理利用提供了思路。在文化傳承方面，將我國榫卯智慧與現(xiàn)代設(shè)計理念相結(jié)合，實現(xiàn)榫卯家具的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯設(shè)計。