數(shù)字建造技術(shù)下榫卯家具創(chuàng)作課程的探索與研究

韋紫怡 武漢傳媒學(xué)院

榫卯結(jié)構(gòu)是我國傳統(tǒng)建筑的主要連接方式，也是支撐家具的經(jīng)典拼接結(jié)構(gòu)，更是我國匠人的智慧結(jié)晶。在新時代大力弘揚(yáng)工匠精神和文化自信的背景下，很多學(xué)者都在研究傳統(tǒng)榫卯藝術(shù)的傳承，但對于高校的實(shí)踐教學(xué)來說，傳統(tǒng)龐大的榫卯工藝知識體系并不能僅僅通過寥寥幾個學(xué)時讓學(xué)生吸收，然而通過與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，可以改變這一現(xiàn)狀。

一、榫卯技藝與數(shù)字榫卯的概述

榫卯，從詞源解讀，榫是指凸出的榫頭，卯是指切掉的榫槽或榫口，兩者可相互結(jié)合為一個整體，它隱喻了陰和陽這一樸素的東方藝術(shù)學(xué)原理。將榫卯結(jié)構(gòu)的傳承與數(shù)字技術(shù)相融合，可通過現(xiàn)代技術(shù)CNC 數(shù)控雕刻機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序來自動完成雕刻工作，結(jié)合榫卯的拼合方式完成家具的制作。數(shù)字榫卯是構(gòu)想實(shí)現(xiàn)一種在線切割服務(wù)，在電腦上操作設(shè)計，實(shí)現(xiàn)三軸CNC 數(shù)字加工后通過板材榫卯結(jié)構(gòu)式拼裝，在數(shù)字制造中突破空間的限制。數(shù)字榫卯讓藝術(shù)品制作像打印照片一樣便捷，像打印一樣使用數(shù)字處理機(jī)遠(yuǎn)程輸出，本地制造。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和繁榮，信息和資源更加開放，基于對傳統(tǒng)文化、傳統(tǒng)技藝和當(dāng)代建筑等多樣性知識的共同興趣，進(jìn)行了理論和實(shí)踐相結(jié)合的“知行合一”課程研學(xué)。

二、高等院校開展數(shù)字榫卯實(shí)踐創(chuàng)作課程的意義

傳統(tǒng)木構(gòu)建筑營造技藝是人類對天然木材進(jìn)行充分認(rèn)知且長期習(xí)得所形成，具有悠久的歷史和高超的技術(shù)。從可拆裝的角度，結(jié)合現(xiàn)代的材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，將傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，提出榫卯結(jié)構(gòu)家具現(xiàn)代化設(shè)計的方法，使其重新回歸到家具產(chǎn)品中。通過對榫卯結(jié)構(gòu)及數(shù)控切割技術(shù)的學(xué)習(xí)，可增強(qiáng)學(xué)生對前沿技術(shù)的了解，也能提高學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力。將傳統(tǒng)榫卯工藝與CNC 數(shù)字雕刻技術(shù)相結(jié)合，完成榫卯結(jié)構(gòu)數(shù)字化家具設(shè)計與制作，具體包含“榫卯工藝了解、CNC 機(jī)床操作、方案設(shè)計與論證、家具生產(chǎn)”四個板塊。從木材的材性出發(fā)，對不同文化背景下的榫卯類型進(jìn)行廣泛的比較和深入的解讀，直觀地揭示了這個獨(dú)特領(lǐng)域的學(xué)理知識。通過對從力學(xué)分析到復(fù)雜造型的建造的深入介紹，拓展了對傳統(tǒng)木構(gòu)的空間和造型的認(rèn)知。從數(shù)字技術(shù)的科普到CNC 數(shù)控加工工藝的學(xué)習(xí)，初步了解數(shù)控雕刻的設(shè)計流程及特點(diǎn)。以此為出發(fā)點(diǎn)，通過由小到大之不同尺度、由易到難之結(jié)構(gòu)知識的學(xué)習(xí)，落實(shí)在榫卯家具的制造上，完成構(gòu)思、設(shè)計、繪圖和實(shí)操等完整教學(xué)過程。通過校企合作，將傳統(tǒng)榫卯構(gòu)建基本結(jié)構(gòu)原理及數(shù)控切割手法傳授給學(xué)生，在不同教學(xué)環(huán)境和審美認(rèn)知下進(jìn)行交流、碰撞，產(chǎn)生一定的影響。對榫卯知識點(diǎn)及CNC 數(shù)控技術(shù)的操作進(jìn)行研究教學(xué)，分析挖掘其結(jié)構(gòu)的巧妙性、藝術(shù)性，通過單一的板材和榫卯結(jié)構(gòu)將其組裝成一個具有穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的座椅。通過實(shí)物建構(gòu)的設(shè)計形式，應(yīng)用真實(shí)材料1 ∶1 搭建真實(shí)尺寸空間體的體驗式學(xué)習(xí)及實(shí)踐活動，在此教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生可以從課程中領(lǐng)悟到工匠的創(chuàng)造思維和一絲不茍的精神，并根據(jù)對環(huán)境設(shè)計專業(yè)的空間要求、對材料及造型邏輯的掌握來解釋自己的方案，致力于將作品與人文藝術(shù)聯(lián)系在一起。這一實(shí)踐培養(yǎng)了學(xué)生對環(huán)境、材質(zhì)紋理、空間尺度等設(shè)計影響因素的把控能力，了解體驗了設(shè)計前沿技術(shù)，為校企合作的實(shí)訓(xùn)項目奠定了基礎(chǔ)。

三、數(shù)字榫卯家具設(shè)計的實(shí)訓(xùn)策略

設(shè)計流程為從設(shè)計方案到CAD 圖紙，再到CNC數(shù)字加工、雕刻，CNC 加工和數(shù)字制作的作品被稱為數(shù)字榫卯產(chǎn)品。通過加工板材的方式來制作產(chǎn)品，最終完成榫卯結(jié)構(gòu)式拼接。在選材時了解材料的科學(xué)性能，在取材時體會數(shù)學(xué)的縝密，在制作時鍛煉動手能力與空間想象能力，最后完成制作時培養(yǎng)綜合能力。

在前期設(shè)計階段要充分了解榫卯的拼合方式，才能在產(chǎn)品的三視圖中有意識地進(jìn)行榫頭及榫口的準(zhǔn)確設(shè)置。用數(shù)控技術(shù)加工后的產(chǎn)品安裝有2 種構(gòu)成方式、5 種接合方式。構(gòu)成方式一為“三明治式”，可理解為三片式結(jié)構(gòu)，是用左右兩邊的木板夾擊中間的一塊木板形成家具產(chǎn)品的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)；其二為“十字交叉式”，是木板之間預(yù)留空隙，將木板間互相形成豎向穿插后立坐于地面，將平行于地面的座椅座面固定其上方形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這其中的拼接結(jié)構(gòu)就運(yùn)用了我國傳統(tǒng)榫卯拼接結(jié)構(gòu)，采取了其中幾種較為經(jīng)典且易操作的方法。按照基本結(jié)構(gòu)體中的構(gòu)件連接方式進(jìn)行榫卯節(jié)點(diǎn)的類型學(xué)分析，這使得復(fù)雜的榫卯節(jié)點(diǎn)變得相對容易理解。一類主要是做面與面的接合，也可以是兩條邊的拼合，還可以是面與邊的交接；另一類是作為“點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)方法，對基于榫卯節(jié)點(diǎn)的圖解進(jìn)行研學(xué)練習(xí)，了解多種類型的榫卯拼接結(jié)構(gòu)（見圖1）。在椅子產(chǎn)品中常用的榫卯形式有燕尾榫、十字榫、半榫、穿榫等，其中燕尾榫和十字榫因與板材契合度高使用較多。

圖1 榫卯接合形式種類

通過使用給定的材料及技術(shù)方法，在開源設(shè)計的前提下制作一把椅子。學(xué)生通過學(xué)習(xí)繪制實(shí)際家具生產(chǎn)中不可缺少的三面圖和全尺寸圖，可以迅速捕捉到傳統(tǒng)榫卯技藝與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的奧秘。位于車間的匠人對板材加工及計算機(jī)的數(shù)據(jù)操作可直觀呈現(xiàn)雕刻技術(shù)的精細(xì)化處理，學(xué)生參與部分樣品家具的榫卯拆解和組合，動手參與的過程更能夠深刻體會隱藏在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)，可以激發(fā)學(xué)生對傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的喜愛，從而轉(zhuǎn)化為動力，能動性地去研究其拼合結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)品的制作可歸納為四個環(huán)節(jié)：制作三視圖、設(shè)計榫卯接合部分、榫孔部分進(jìn)行0.2～0.4 mm 的放量、在機(jī)器打孔位置預(yù)留轉(zhuǎn)彎圓孔。數(shù)字榫卯可加工制作很多形狀的板材，目前的加工機(jī)器可進(jìn)行垂直切割，需提前計算耗材。由于實(shí)物板材的膨脹程度不一，在板材受到限制的情況下，需要提前測試好與計算機(jī)方案的尺寸誤差值，以在進(jìn)行設(shè)計及生產(chǎn)時，盡量節(jié)省材料，讓設(shè)計變得更經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

四、數(shù)字榫卯家具設(shè)計的教學(xué)實(shí)例

榫卯結(jié)構(gòu)是古典家具的靈魂。一套家具雖然不使用一顆釘子，但可以使用數(shù)百年甚至數(shù)千年。榫卯不僅是匠心的體現(xiàn)，更是中華傳統(tǒng)文化的瑰寶?！熬C合創(chuàng)作2”集中實(shí)踐課程是以木構(gòu)為主題、人機(jī)工程學(xué)為設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)控加工技藝制作為手段、榫卯節(jié)點(diǎn)為核心結(jié)構(gòu)的綜合性聯(lián)合教學(xué)。在教學(xué)內(nèi)容分配過程中，減少理論知識點(diǎn)的講解，以體驗式教學(xué)環(huán)節(jié)為主，通過工作坊的調(diào)研參觀及企業(yè)導(dǎo)師的實(shí)操講授，身臨其境地體驗設(shè)計流程。

課程教學(xué)內(nèi)容劃分為三個階段，以層次遞進(jìn)式推動教學(xué)進(jìn)展。

（一）“理解與挖掘”

在此課程階段中分別設(shè)置榫卯解讀、工坊參觀、測繪實(shí)錄的環(huán)節(jié)，輔助學(xué)生理解知識點(diǎn)，以多款數(shù)字榫卯產(chǎn)品實(shí)物為對象，經(jīng)歷場景體驗、實(shí)物拆解及拼裝、理解與歸納等一系列從實(shí)物體驗到主觀認(rèn)知的過程。

（二）“反思與構(gòu)思”

分別設(shè)置案例檢索、設(shè)計構(gòu)思、結(jié)構(gòu)探究的環(huán)節(jié)，以優(yōu)秀的榫卯座椅家具為對象，在開源網(wǎng)站里查閱CNC 數(shù)字家具的拼裝結(jié)構(gòu)及板材的制作細(xì)節(jié)圖紙，通過線上智能共創(chuàng)與線下智能制造結(jié)合的數(shù)字線下工坊的形式，在全網(wǎng)進(jìn)行案例的收集和整理工作，針對大范圍樣本案例的設(shè)計進(jìn)行分析以及對設(shè)計方法、路徑進(jìn)行歸納與反思。以第一階段的榫卯知識點(diǎn)和數(shù)控雕刻技術(shù)為設(shè)計基礎(chǔ)，完成知識了解到具體應(yīng)用方法的銜接。

（三）“創(chuàng)新與建構(gòu)”

分別設(shè)置模型驗證、實(shí)物搭建、表達(dá)呈現(xiàn)的環(huán)節(jié)，課程作品設(shè)計方案預(yù)先使用CAD、SU 等電腦制圖軟件完成后，再通過1 ∶10 的小模型來驗證座椅設(shè)計的穩(wěn)固性和設(shè)計語言呈現(xiàn)。通過多次嘗試及細(xì)節(jié)調(diào)整，在最大限度減少耗材的情況下確保座椅結(jié)構(gòu)的完整性，結(jié)合驗證模型及對應(yīng)的CNC 雕刻圖紙文件、方案中座椅的比例尺度，完成方案呈現(xiàn)。

經(jīng)過課堂教學(xué)、實(shí)地考察、現(xiàn)場交流、合作設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)，完成了學(xué)校與企業(yè)的聯(lián)合實(shí)踐教學(xué)。在本次教學(xué)實(shí)驗中有意地開闊師生視野，使他們走出院校，吸納學(xué)習(xí)新型建造技術(shù)，讓環(huán)境設(shè)計實(shí)踐教學(xué)作品更加精細(xì)化。和優(yōu)秀企業(yè)聯(lián)合教學(xué)的形式，初衷是希望看到某種劇烈的相互激發(fā)，以產(chǎn)生更加獨(dú)特的設(shè)計成果。學(xué)生在實(shí)際搭建的過程中能夠收獲到團(tuán)體分工合作完成任務(wù)的喜悅，靈活運(yùn)用板材及操作工具完成家具拼裝，并在搭建過程中用視頻完整記錄拼接的過程，組內(nèi)分工明確且合理，搭建成品結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、尺寸適宜、造型美觀。舉辦“椅子計劃——數(shù)字榫卯技術(shù)應(yīng)用下的家具設(shè)計展覽”（見圖2），有資質(zhì)的建筑師及設(shè)計師參與到課程中，對方案進(jìn)行指導(dǎo)點(diǎn)評。在課程展覽中被設(shè)計師選中的優(yōu)秀椅子，其作者可與企業(yè)簽署協(xié)議，成為簽約設(shè)計師，作品上架于數(shù)字商店中進(jìn)行售賣。通過這種方式鼓勵學(xué)生進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，不僅可以提高學(xué)生的藝術(shù)修養(yǎng)，還可以促進(jìn)學(xué)生的自我表達(dá)和成長，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中也有了深刻的感想，真切體會到實(shí)踐課程的意義。

圖2 座椅家具實(shí)踐成果

五、結(jié)束語

傳統(tǒng)木構(gòu)技藝需要匠心巧思和親力親為，該特點(diǎn)成為此次教學(xué)研究的基石。該課題的核心價值主要在于以木建構(gòu)這一具體可設(shè)計和制作并討論的對象，進(jìn)行空間、功能、人體尺度、材料、技術(shù)、制作、結(jié)構(gòu)等多維度的建造問題的深度學(xué)習(xí)，借助數(shù)字榫卯形式使家具得以順利呈現(xiàn)，其過程充滿了挑戰(zhàn)和趣味。教學(xué)過程除了設(shè)計草圖這樣最基本的操作之外，1 ∶10 的構(gòu)思模型，1 ∶1 的實(shí)物展示，學(xué)生動手操作所觸發(fā)的身體與材料之間的互動關(guān)系、材料連接時的不同節(jié)點(diǎn)設(shè)計與榫卯加工制作之間的關(guān)系，這些拓展了環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)習(xí)的常規(guī)方式，必然會引發(fā)教師和學(xué)生對空間設(shè)計基本問題的新思考。