基于薄竹纏繞工藝的參數化坐具設計研究

劉玲玲 馬 彪 李鵬輝 劉楚蓉 付煥娜

（桂林理工大學藝術學院，廣西 桂林 541000）

我國竹類資源豐富，大約占世界竹林總面積的20%。與木材相比，竹材的性能良好，且綠色環(huán)保，具有明顯的資源優(yōu)勢[1]。因此，竹家具在家具市場上占據一定地位。例如，由原竹加工而成的原竹家具；將竹材二次加工后，制造而成的竹集成材家具、竹重組材家具、竹層集材家具、竹材彎曲膠合家具等。相較而言，原竹家具對竹材的利用較為傳統(tǒng)，材料利用率較低，力學性能不夠優(yōu)異，且形式單一，難以滿足現代消費者的個性化需求[2]。竹材二次加工后再制造而成的竹家具雖然擁有優(yōu)良的力學性能，但其生產方式基本沿用木質家具的生產工藝，沒有很好地根據竹材的自身特性進行創(chuàng)新型設計制造，因而無法凸顯其優(yōu)勢[3]。鑒于此，本文引入薄竹纏繞工藝，并將其與參數化設計結合，在充分利用竹材性能和利用率的基礎上，實現竹家具的個性化定制與批量化生產，以期推動竹家具產業(yè)的發(fā)展。

1 薄竹纏繞工藝概述

1.1 薄竹纏繞工藝

與木材相比，竹材具有優(yōu)良的物理性能，如收縮量小，割裂性、彈性和韌性高，隔音防潮效果好等[4]。薄竹纏繞技術正是利用竹材上述這些優(yōu)點進行加工的一種方式。薄竹纏繞技術將刨切得到的薄竹片或其它竹單元，通過竹單元之間的相互作用或者使用膠黏劑進行膠合連接，在特定模具上進行有規(guī)律的往復式機械纏繞，經固化脫模后獲得制品[5]。具體工藝流程如圖1所示。薄竹纏繞技術不光可以加工形狀規(guī)整的線性產品，也可以加工非線性的產品，具有加工方式靈活、原竹利用率高、生產過程全自動化等特點[6]。薄竹纏繞技術可分為無膠竹纏繞技術與膠合竹纏繞技術。無膠竹纏繞是指在沒有膠黏劑的作用下，利用竹單元之間相互作用或借助外力作用，實現竹單元纏繞并成型的技術。膠合竹纏繞是指在施加膠黏劑的條件下，實現竹材單元的纏繞并膠合成型[7]。

圖1 薄竹纏繞技術工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of thin bamboo winding technology

1.2 薄竹纏繞工藝應用現狀

薄竹纏繞技術多用于生產圓形竹產品，如竹纏繞吸管、管道等[8]。竹纏繞復合管具有成本低，承壓能力強、保溫性能突出、抗震抗沉降能力強、變形率低等優(yōu)勢[9-11]，多用于管道埋于地下，其沿管徑方向由內到外主要分為內襯層、增強層和外防護層共3 層[12]。其中，內襯層由防腐性能優(yōu)異、符合食品安全的樹脂與竹纖維無紡布組成，具有防水作用；增強層由竹篾與水性樹脂組成；外防護層則為具有防水、防腐及抗老化性的樹脂。竹纏繞復合管的加工工藝大致可以分為內襯層的制備、帶狀薄竹片預處理、增強層的制備和外防護層的制備。

此外，還可以利用薄竹纏繞技術制造非圓形輪廓的異型產品[13]。以竹纏繞房屋為例，以每間房屋為單位，對整間房屋進行整體纏繞成型、裝修和運輸，最后在施工現場進行組裝放置，建造速度極快。竹纏繞整體組合式房屋可有效減少建筑裝修垃圾，且綠色環(huán)保，污染少，使用年限可達到70 年，具有優(yōu)異的保溫、隔音、阻燃等性能[14]。在家居產品領域，薄竹纏繞技術多用于裝飾或一些非幾何圖案產品的制作[15]。與竹編工藝類似，竹纏繞工藝可以模仿竹編技法，用于豐富產品的表面裝飾效果。

1.3 薄竹纏繞工藝在竹家具中的應用

竹纏繞家具在質量和制造工藝上具有較大的靈活性。在質量上，竹材本身就是一種性能優(yōu)良的材料，質輕、抗拉、抗壓和抗彎強度高[16]，結合薄竹纏繞工藝，更能充分發(fā)揮出竹材的優(yōu)勢，如此制成的竹家具不但比木家具輕巧，且性能更優(yōu)。在結構設計上，一方面可以采用整體纏繞成型工藝，通過竹單元之間的相互作用進行纏繞；另一方面，也可以先將局部部件纏繞成型，再組裝成整體。在造型設計上，薄竹纏繞技術可以在曲線表面直接纏繞編織，非常適合非線性家具的生產制造，并且在一定程度上彌補了傳統(tǒng)竹材加工原材料浪費大、加工靈活度低、產品同質化等缺點。利用薄竹纏繞技術可以將竹材作為一種裝飾，將纖細的竹條參照編織的方式纏繞于家具表面，用于豐富其表面裝飾。此外，還可以將竹材作為一種承重結構，用以維持家具的穩(wěn)定性，成型后無需額外的架構支撐，增強了家具的整體性[17]。目前，我國在批量化竹家具生產設計領域還處于空缺階段。鑒于此，本研究在造型分析時引入參數化設計，利用薄竹纏繞技術，結合參數化設計，可在產品模型上直接進行纏繞，使產品固化后一次成型，極大減少了參數化家具的制造工序，從而降低了人力物力的消耗，提高了生產效率，有望用于批量化生產。

2 參數化設計研究現狀

2.1 參數化設計概念

參數化設計是一種將設計要素看成參數，并以某種邏輯關系將其組織到一起，借助計算機編程和軟件形成參數模型的設計方法[18]，其本質是將編程思維引入到設計中，構建一個由參數約束控制、由算法邏輯生成的數字模型。參數化設計因其具有邏輯精準性、同步可視性、可調節(jié)性、推導性等特點，被廣泛用于建筑外觀設計、家具設計、工業(yè)產品設計、藝術品設計等領域。隨著互聯網技術的發(fā)展，在AI人工智能等技術的支撐下，參數化設計也在不斷的與新技術、新材料、新工藝相結合，滿足消費者日益增長的個性化需求。

2.2 參數化設計在家具設計中的研究現狀

在參數化設計的發(fā)展歷程中，很多設計師在參數化思維的指導下完成了作品設計，如扎哈·哈迪德[19]基于“游牧”等思想設計了一系列參數化家具。張周捷創(chuàng)立了國內首個數字化家具品牌“EndlessForm”。相較于傳統(tǒng)設計方法，將參數化技術應用于家具設計中具有明顯的優(yōu)勢。首先是信息可視化，設計師可以更直觀高效地理解并分析用戶信息，并將其與機器有效結合，實現信息的可視化。其次是方案可優(yōu)化，參數化技術使設計師可以通過調整設計因素所對應的參數來改變設計方案，從而快速得到最優(yōu)方案。宋杰等[20]將參數化設計與3D打印技術相結合，探索了將其應用于個人家具定制領域的可行性。李維立[21]以吧臺桌設計為例，基于參數化與三維圖形靜力學進行家具結構找形設計，簡化了設計過程，豐富了數字時代設計的多樣性，為家具的結構設計提供新思路。李帆[22]通過構建的分形理論的產品形態(tài)參數化設計模型，實現產品形態(tài)的族群化，同時結合感性優(yōu)選方法，創(chuàng)造了感性與理性相結合的產品形態(tài)設計方式?？梢姡絹碓蕉嗟膶W者將參數化設計應用于家具設計中，而將其與薄竹纏繞技術結合的研究鮮有報道。因此，本文將薄竹纏繞技術與參數化相結合，嘗試一種新的竹家具設計生產方式，并考察其可行性。

3 薄竹纏繞技術參數化家具設計思路

竹家具設計需要結合現代市場和用戶需求。將竹材、設計方法和加工工藝有機結合，用于制造可量產的竹家具，這是現代家具設計的理念和探索方向。薄竹纏繞技術可將竹材進行有規(guī)律的纏繞，而纏繞順序及方式需采用參數化程序進行控制。參數化造型結構設計的原理的是空間幾何，通過特定規(guī)則構建坐標點集，對由坐標點構成的函數圖形進行控制，兩者存在一定的關聯性。因此，本研究提出可以運用薄竹纏繞技術，通過參數化編程和交互APP建設，研發(fā)基于薄竹纏繞技術的竹家具智慧開發(fā)公共設計平臺，以滿足個性化的定制需求，讓設計師與用戶共同參與產品設計，并通過互聯網+等實現產品的數字化智造。薄竹纏繞竹家具的設計思路如圖2 所示。下面將結合“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設計實踐過程進行詳細闡述。

圖2 產品開發(fā)設計思路Fig.2 Product development and design ideas

4 薄竹纏繞技術參數化家具設計實踐

Grasshopper是一款基于Rhino環(huán)境運行的參數化插件，可通過參數調整實時看到模型形態(tài)的變化[23]。本次設計實踐主要包括參數化實踐、薄竹纏繞工藝成型、模塊化實踐、個性化實踐，設計流程如圖3所示。

圖3 基于薄竹纏繞工藝的參數化坐具設計流程Fig.3 Parametric seat design process based on thin bamboo winding process

4.1 參數化實踐

“ENTANGLED BAMBOO”座椅設計在參數化建模軟件中要有清晰的邏輯思路。首先，根據人體工程學創(chuàng)建家具的初始外觀造型M1，使用Volume運算器找到模型的幾何中心點iO。之后，使用PopGeo運算器在模型表面隨機生成若干點i1、i2……in，隨機點的數量初步控制在20個。使用Line運算器將幾何中心點iO與模型表面的每個點i1、i2……i20分別連接成直線LO1、LO2……LO20，并使用Pl運算器過直線LO1、LO2……LO20生成平面P1、P2……P20，每一個平面與模型M1表面相交，在Sec運算器下在模型表面產生20條相互交錯的曲線C1、C2……C20，這些曲線即為后期薄竹纏繞的路徑。創(chuàng)建薄竹條截面S1或其它竹單元截面S2、S3……為初始形狀，使用Swp1運算器，沿著曲線C1、C2……C20，以初始形狀截面S1、S2……掃掠構建生成薄竹纏繞模型M2，至此便完成基于參數化的薄竹纏繞家具模型。由于Grasshopper參數化設計軟件的動態(tài)可視性，模型會根據參數的變化實時改變，大大提高了工作效率。設計師只需調整設計參數，即可得到最佳造型方案。在“ENTANGLED BAMBOO”座椅設計過程中，隨機點的位置和數量主要決定產品造型。經過反復調整，最終的模型方案如圖4所示。將模型數據輸入到云數據庫中，在生產家具時，薄竹纏繞設備在調用模型數據后，在現有模具表面依據參數化數據纏繞好竹單元，固化成型后脫模，隨后對各家具部件進行組裝，其生產流程如圖5所示。

圖4 造型生成圖Fig.4 Styling generation diagram

圖5 “ENTANGLED BAMBOO”生產過程圖Fig.5 “ENTANGLED BAMBOO” production process diagram

4.2 模塊化實踐

模塊化設計最初廣泛應用于重工業(yè)的機械設備設計中，例如發(fā)動機、渦輪機、大型機床等。隨著模塊化設計的不斷發(fā)展，近幾年在家具設計領域中的應用也越來越廣泛[24]。模塊化家具設計以家具基本使用功能的合理分析為基礎，對家具系列化功能模塊作出系統(tǒng)的合理劃分，并將劃分好的功能區(qū)進行歸納簡化，之后對每個模塊進行設計，最后選擇相同或不同模塊任意組合，滿足用戶不同需求。模塊化設計過程主要分為用戶需求分析、產品功能分析、模塊劃分與模塊設計4個階段。模塊化家具在追求實現家具多樣化功能的基礎上，還需滿足各模塊加工、運輸和組裝的可能性。通過分析，最終確認“ENTANGLED BAMBOO”座椅分為3個模塊，分別為坐墊、薄竹纏繞部分以及底座。這3個模塊分別可以替換重組，滿足用戶不同需求。坐墊和底座主要為顏色模塊化，薄竹纏繞部分模塊化設計主要涉及選擇竹纏繞單元和纏繞方式。目前，竹纏繞基本單元大致包括竹纖維、竹篾、竹條、竹絲、刨切薄竹等。纏繞方式又可分為有規(guī)律和無規(guī)律的往復式纏繞。具體方案如圖6所示。

圖6 模塊化設計方案Fig.6 Modular design scheme

4.3 個性化實踐

協同設計（co-design），在廣義上是一個將不同想法、角色和團隊成員聚集在一起的過程；在狹義上是協同設計作為一種設計方法，鼓勵用戶參與到設計過程中來，與設計師一同完成產品或服務的設計[25]。隨著時代的進步，現在用戶的消費不僅僅滿足于直接購買產品，而是希望參與到產品的設計過程中，滿足個性化需求。設計模式正在從封閉式創(chuàng)新走向開放式創(chuàng)新[26]。鑒于此，本研究設計了一個APP，用戶可以在手機端界面自由選擇需要定制產品的顏色、材質、薄竹纏繞方式等，交互界面如圖7所示。APP界面實時呈現產品的最終效果，并且可以呈現產品的三維模型數據，讓用戶更加直觀地看到自己的設計作品。在確認設計方案后，產品開始按照用戶選擇的樣式進行加工、組裝、包裝和配送，最終送到用戶手中。這種協同設計的方式，吸引用戶參與進來，增加了趣味性，同時也提高了產品銷量。

圖7 APP交互界面Fig.7 APP interactive interface

5 結語

目前，薄竹纏繞技術總體處于初始發(fā)展階段。將參數化設計引入薄竹纏繞技術，通過參數化程序控制竹單元進行有規(guī)律的纏繞，充分利用竹材的縱向拉伸性和彎曲可塑性，滿足了用戶多樣化和個性化的需求。參數化提升了薄竹纏繞技術的機械化水平，使其應用領域更寬，產品種類更豐富，提升了薄竹纏繞技術產品的經濟效益和市場競爭能力。

本文通過“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設計實踐證明，在家居產品設計與生產中，薄竹纏繞技術與參數化設計相結合的方式具有較高可行性，是技術手段與設計思維的雙重創(chuàng)新，代表著對傳統(tǒng)材料和現代工藝的創(chuàng)新探索，對可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約的關注，以及對個性化定制的追求。這種結合不僅推動了家居產品設計領域的發(fā)展和進步，也為資源可持續(xù)利用做出積極貢獻。