家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法研究?

陳亞楠 張仲鳳

為進一步提高家具產(chǎn)品附加值，實現(xiàn)由“中國制造”向“中國智造”的升級轉(zhuǎn)變，家具行業(yè)未來將更多地把發(fā)展基點放在創(chuàng)新上，依靠創(chuàng)新驅(qū)動，塑造引領(lǐng)型發(fā)展。家具系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計包括家具產(chǎn)品的造型、功能、工藝與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。因為結(jié)構(gòu)承擔著造型的連接點，功能的實現(xiàn)點，工藝的關(guān)鍵點等多方面的重要角色，所以家具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計在整個家具系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計中至關(guān)重要。

1 家具結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

結(jié)構(gòu)賦予家具功能，是功能的物質(zhì)載體，它通過安排家具各零部件間的連接方式和相對位置實現(xiàn)設(shè)計初期所規(guī)劃的特定使用目標；同時結(jié)構(gòu)也是家具承重部分的構(gòu)造，是受力物體的架構(gòu)形態(tài)，物體可以借由結(jié)構(gòu)在一定程度上抵抗外力引起的形狀或大小的改變。家具結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容就是依據(jù)設(shè)計主體持有的目標，通過一系列手段，確定家具產(chǎn)品各構(gòu)成元素間的連接方式和裝配方式。除了解決連接和承載問題，家具結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還必須協(xié)同造型、功能、工藝設(shè)計等重要環(huán)節(jié)，充分考慮實用價值、生產(chǎn)成本、運輸成本、產(chǎn)品生命周期和節(jié)能環(huán)保等問題。最終得到一系列能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期外觀形態(tài)與功能要求，并能用以指導(dǎo)家具生產(chǎn)制造的結(jié)構(gòu)工程圖紙[1]。

2 家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求有：合理利用材料、保證使用強度、加工工藝合理、充分表現(xiàn)造型需要[2]。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計則要求綜合考慮社會生產(chǎn)、生活方式的變革、新技術(shù)及其應(yīng)用的影響、新思想理念的發(fā)展趨勢等，針對以上幾個方面的變化發(fā)展對家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計提出新要求。

2.1 提高拆裝性能

便于拆裝的結(jié)構(gòu)使得家具整體可以分解為合適的若干零部件，可減少運輸空間，提高裝載量，從而降低成本。因此家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計要求簡化拆裝過程,減少緊固件數(shù)量,避免可能造成破壞的結(jié)構(gòu)方式，只設(shè)置必要且合適的接口，使家具整體在拆裝性能方面進一步得到完善[3]。

2.2 適應(yīng)信息化生產(chǎn)

通過計算機控制生產(chǎn)設(shè)備和使用參數(shù)化的設(shè)計工具是今后家具生產(chǎn)方式發(fā)展的必然趨勢?；跀?shù)控生產(chǎn)條件下的家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計要求接合部位的形狀根據(jù)設(shè)備刀具的運行狀態(tài)做出改變，整合和簡化復(fù)雜的加工基準面，重新設(shè)計符合定制化生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)造型[4]。同時參數(shù)化設(shè)計工具的廣泛應(yīng)用要求家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計放眼定量研究，在設(shè)計過程中借助數(shù)學模型，以精確的數(shù)據(jù)計算來分析構(gòu)件的強度和受力情況，有針對性地進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。

2.3 關(guān)注新材料特性

材料的理化特性，如強度、硬度、韌性、耐磨性等會影響到家具結(jié)構(gòu)零部件的成型加工方式和表面處理工藝，也會在一定程度上限制零部件之間的接合形式；材料塑性、剛性等力學性能的高低，關(guān)系到家具結(jié)構(gòu)能否有效抵抗外部載荷的作用，包括在沖擊載荷和循環(huán)載荷下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)疲勞，以及在靜載荷和變載荷作用下產(chǎn)生的蠕變[1]。所以只有充分掌握新材料的特性才能在結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮新材料的優(yōu)勢，創(chuàng)造出理性優(yōu)美的新結(jié)構(gòu)。

2.4 遵循生態(tài)設(shè)計理念

1）精簡結(jié)構(gòu)零部件，使之符合標準化、規(guī)格化，以便組織專業(yè)化、聯(lián)動化的生產(chǎn)過程，幫助節(jié)能減排；

2）使結(jié)構(gòu)零部件間具備靈活的互換性，支持回收受損結(jié)構(gòu)中善好的零部件以重復(fù)使用；

3）賦予家具產(chǎn)品合理的使用壽命，綜合考慮產(chǎn)品精神報廢和追求完美品質(zhì)的不同需求[3,4]。

3 家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方法

著名的家具設(shè)計師朱小杰曾談到，創(chuàng)新設(shè)計不等于原始創(chuàng)新，而是一種模仿后的組合，是先接受先人與他人的智慧，再重新用自己特有的、擅長的、成熟的技藝進行的組合。家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計可以歸結(jié)為以下幾種方法。

3.1 改進傳統(tǒng)的家具結(jié)構(gòu)

中國傳統(tǒng)家具的結(jié)構(gòu)形式由箱型壺門結(jié)構(gòu)發(fā)展至框架結(jié)構(gòu)后，逐漸臻于成熟穩(wěn)定。傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)具有歷經(jīng)時間考驗的實用性和經(jīng)典審美意趣的同時，也因為新技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代社會生產(chǎn)、生活方式的巨大變革逐漸暴露出不可忽視的局限性。

改進傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)的具體做法有：傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形制創(chuàng)新和面向數(shù)字化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

3.1.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形制創(chuàng)新

提煉傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拆裝形式將其應(yīng)用于現(xiàn)代家具的連接配合可以得到家具結(jié)構(gòu)的新形制，這種古為今用的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法，既保留了古典家具優(yōu)美的結(jié)構(gòu)造型又改進了其中不適應(yīng)時代特征的缺陷，對傳承優(yōu)秀文化遺產(chǎn)具有重要意義。

例如，牙條是傳統(tǒng)家具中既作為結(jié)構(gòu)部件使用，又具有裝飾作用的一類結(jié)構(gòu)，但家具經(jīng)過長期使用牙條部位容易脫落，為解決這個問題，對牙條結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。圖1中的案，將牙條與面板改進為一體結(jié)構(gòu)，解決牙條脫落問題的同時保留了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的榫卯符號[4]。

圖1 牙條結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計Fig.1 The innovation design of the article tooth structure

3.1.2 面向數(shù)字化的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

許多傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)造型制約只適應(yīng)于手工或半手工生產(chǎn)，這種情況與現(xiàn)代工業(yè)追求的成本效益難以協(xié)調(diào)，因此為實現(xiàn)傳統(tǒng)家具的定制化生產(chǎn)，應(yīng)對傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的造型進行創(chuàng)新設(shè)計使其能適應(yīng)于數(shù)控銑削或激光切割的加工。圖2為基于CNC數(shù)控加工中心銑削特點改進的榫卯結(jié)構(gòu)，其加工基準面經(jīng)過整合更適應(yīng)于數(shù)控設(shè)備的刀具運行狀態(tài)[5]。

圖2 基于CNC數(shù)控加工中心改進的榫卯結(jié)構(gòu)Fig.2 The modified mortise and tenon joint structure based on CNC

3.2 借鑒跨界的結(jié)構(gòu)形式

尋找其他領(lǐng)域中可以化為己用的結(jié)構(gòu)形式是家具結(jié)構(gòu)多元化創(chuàng)新設(shè)計的重要途徑之一，跨界的學習借鑒有助于整合其他行業(yè)的獨特視角，為家具模塊化設(shè)計中連接節(jié)點問題提供有益參考。

中國木結(jié)構(gòu)建筑中的木拱廊橋是一種以梁木穿插、咬合、別壓形成的拱橋，橋的底座是由圓木成角度拼接對拱形成的“八字結(jié)構(gòu)”。建筑師趙英明根據(jù)木拱廊橋的特殊結(jié)構(gòu)原理設(shè)計出圖3所示的廊橋桌，其結(jié)構(gòu)強度主要來源于構(gòu)件自身強度和構(gòu)件間的摩擦力、成型角度以及水平距離等因素的協(xié)調(diào)，不需一釘一鉚卻非常堅固。

圖3 木拱廊橋結(jié)構(gòu)的書桌Fig.3 The design of desk referenced the structure of wooden arch bridge

3.3 利用異種材料進行節(jié)點連接

形形色色的新材料為家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拓展了新思維，將造型效果對比強烈，力學性能優(yōu)勢互補的異種材料搭配起來用于家具節(jié)點的連接可以創(chuàng)造出令人耳目一新的結(jié)構(gòu)形式。圖4為硅膠與實木構(gòu)件的節(jié)點連接，硅膠化學性質(zhì)穩(wěn)定、機械強度高，且具有良好的彈性和防滑性能，將其用于固定圓木桿件的搭接,既可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又可以獲得靈活的拆卸性。

圖4 硅膠與實木構(gòu)件的節(jié)點連接Fig.4 Node connection of silicone and wooden components

但要注意，利用異種材料進行節(jié)點連接，關(guān)鍵在于綜合考慮異種材料間的性能差異，理化性能相差過于懸殊的異種材料會限制結(jié)構(gòu)的接合方式，也會降低結(jié)構(gòu)有效抵抗外部載荷的能力。

3.4 借助計算機輔助技術(shù)

SolidWorks和 Virtools 等計算機輔助設(shè)計軟件用于家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計具有突出優(yōu)勢。借助計算機輔助設(shè)計軟件進行家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的一般步驟是：參數(shù)化建?！鷳?yīng)用軟件進行結(jié)構(gòu)受力分析→依據(jù)分析結(jié)果，針對性修改結(jié)構(gòu)細部→以各零部件間的約束關(guān)系為基礎(chǔ)，仿真模擬結(jié)構(gòu)的逆向拆裝→導(dǎo)入虛擬裝配平臺，觀察裝配順序→調(diào)整裝配工序→提高裝配效率[6,7]。

3.5 應(yīng)用去結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想

去結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想認為，以組裝為制造核心的工業(yè)時代設(shè)計正在向以信息構(gòu)建實體的技術(shù)要素為制造核心的信息時代設(shè)計轉(zhuǎn)變，新技術(shù)如3D打印的成熟解決方案將成為家具設(shè)計從工業(yè)時代邁向信息時代的最后一個壁壘[8]。未來家具的機械性與組裝性將逐步精簡，最終結(jié)構(gòu)元素將歸于隱退。在家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用去結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，探索如何消弭關(guān)節(jié)以獲得均質(zhì)、連續(xù)的有機整體，并使其能適應(yīng)批量化生產(chǎn)和長途運輸，是未來結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向之一。

4 結(jié)語

社會的變化發(fā)展一方面拓寬了家具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的范圍，對結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計提出了新的要求，另一方面新技術(shù)的涌現(xiàn)又極大地豐富了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方法，未來家具研發(fā)仍將不斷探尋新的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新使家具技藝與美得到真正統(tǒng)一。

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