紙管材料在家具結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)?

閆 波 呂文蕾 耿曉杰

隨著綠色設(shè)計(jì)思潮的興起，紙質(zhì)材料以綠色環(huán)保、易降解可循環(huán)利用等特點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用的家具材料。紙質(zhì)材料家具較適合追求時(shí)尚個性化的消費(fèi)者短期使用，以紙管為主要材料的紙質(zhì)家具不僅具有各類紙家具的優(yōu)勢，且造型、結(jié)構(gòu)形式新穎，前景廣闊[1]。

1 紙質(zhì)家具的概況

1.1 紙質(zhì)家具設(shè)計(jì)的意義

隨著生態(tài)文化建設(shè)理念的提出，設(shè)計(jì)產(chǎn)品除滿足功能和形式上的需求外，更加注重是否遵循生態(tài)保護(hù)觀點(diǎn)[2]。紙質(zhì)材料的環(huán)保特點(diǎn)正與這一觀念不謀而合。紙質(zhì)材料是由無毒無污染的原紙制成的，不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，安全性高。除此之外，紙質(zhì)家具還具有很多材料優(yōu)勢：其一，質(zhì)輕便攜，經(jīng)濟(jì)可拆裝。由于紙質(zhì)材料本身質(zhì)量較輕，制成家具產(chǎn)品方便挪動搬運(yùn)和隨身攜帶，且大多數(shù)紙質(zhì)家具結(jié)構(gòu)為可拆裝結(jié)構(gòu)，不僅能夠節(jié)省儲存空間而且大大降低了運(yùn)輸成本。其二，造型獨(dú)特，趣味性強(qiáng)。紙質(zhì)家具特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其整體造型新穎獨(dú)特，表面裝飾形式可采用涂飾、貼面、鑲嵌、雕刻等多種方法，能夠滿足使用者DIY的趣味需求[3]。

1.2 紙質(zhì)家具的材性特點(diǎn)

強(qiáng)度方面，經(jīng)過科學(xué)測試,A級紙板為瓦楞紙板,斷裂強(qiáng)度達(dá)28 kg/cm3,由其制成的家具可以承受90 kg的重物和10萬次以上的撞擊。紙管材料也在1991年由日本設(shè)計(jì)師作為支撐性結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于永久性建筑，由此可見紙質(zhì)家具并非不堪一擊，紙質(zhì)材料的力學(xué)強(qiáng)度完全能夠支持其作為家具用材應(yīng)用于日常生活之中。

耐水性能方面，紙張因其組成結(jié)構(gòu)纖維的獨(dú)特性，既有彈性體彈性變形的性質(zhì)，也有流體的塑性變形性質(zhì)，同時(shí)還存在形變和形變恢復(fù)滯后于作用力和作用力撤除的彈性余效。因此，在制造成家具前須進(jìn)行防水處理。目前國內(nèi)原紙生產(chǎn)企業(yè)大多采用表面施膠來提高紙張的強(qiáng)度和防水防潮性能，并取得了較為理想的效果，可以滿足日常使用需求。更有相關(guān)紙張環(huán)壓和防水性能實(shí)驗(yàn)證明，添加AKD 施膠劑后，紙樣防潮性可在原有基礎(chǔ)上大大提高，Cobb 值可達(dá)39.8 g/m2。

1.3 幾種常見的紙質(zhì)家具

紙質(zhì)家具主要是以紙漿和廢紙板為主要原料，但根據(jù)紙材的性能、塑型方式、造型方法可分為不同類型[4]?，F(xiàn)在常見的幾種紙質(zhì)家具分別為：紙漿模塑家具、紙板家具（瓦楞紙板、蜂窩紙芯板）、紙疊藝術(shù)家具（皺紙家具、風(fēng)琴紙家具）、紙纖家具以及紙管家具（如圖1）。

圖1 幾種紙質(zhì)家具Fig.1 Several kinds of paper furniture

2 紙管建筑及家具的經(jīng)典案例

普利茲克建筑獎獲得者、日本著名建筑師坂茂（Shigeru Ban）在1986年受邀為阿爾瓦·阿爾托設(shè)計(jì)臨時(shí)展覽空間，為避免材料浪費(fèi)，第一次將紙管材料應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)之中并一舉成功。此后，坂茂設(shè)計(jì)了詩人高橋睦郎的書庫，在這個小跨度建筑中紙管成為了真正的結(jié)構(gòu)支撐，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)師將紙管材料作為建筑（非構(gòu)筑物）結(jié)構(gòu)的設(shè)想[5]。在先后完成了日本阪神大地震災(zāi)后紙教堂、中國四川華林小學(xué)臨時(shí)校舍和海地紙質(zhì)應(yīng)急避難所等紙結(jié)構(gòu)建筑后，坂茂在2013年設(shè)計(jì)并參與建造了蘇黎世TAMEDIA 傳媒新大樓，第一次跨界設(shè)計(jì)了一系列紙管家具作品（如圖2），首次將紙管材料的應(yīng)用從建筑設(shè)計(jì)延伸至了家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

3 紙管家具的結(jié)構(gòu)形式分類

坂茂對于紙的使用最大的突破莫過于將觀念中脆弱的紙用作建筑的結(jié)構(gòu)材料[6]。從其建筑案例中可以總結(jié)出紙管材料作為結(jié)構(gòu)用材的幾種構(gòu)建形式：紙管墻、紙管框架、拱和網(wǎng)架。以這些建筑結(jié)構(gòu)體系作為參考，結(jié)合紙質(zhì)家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，可以總結(jié)出紙管家具的結(jié)構(gòu)形式分為以下幾類。

3.1 以紙管材料為基材的設(shè)計(jì)

1）管材排列式。

圖2 TAMEDIA內(nèi)部紙管家具Fig.2 Paper tube furniture in TAMEDIA

圖3 carta系列作品Fig.3 Serial works of carta

圖4 紙管家具Fig.4 Paper tube furniture

將若干個經(jīng)過剪裁的紙管通過膠粘、內(nèi)部螺釘連接或捆扎的形式，按照重復(fù)或漸變的造型規(guī)律沿水平或垂直方向進(jìn)行排列，形成可承受外力的平面或起圍合作用的背板。紙管有序的排列不僅能營造出強(qiáng)烈的韻律感，有著良好的視覺效果，而且能夠大大增強(qiáng)材料抵抗外力荷載的承重性和穩(wěn)定性。如坂茂的“carta”作品（見圖3）就是利用了這一結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)了包含單椅、躺椅、屏風(fēng)在內(nèi)的一系列家具作品，在靠背和座面部分采用了橫向管材排列的方式。此外還有其他角度、方向的排列式紙管家具案例，如圖4所示坐具，造型新穎獨(dú)特，整體穩(wěn)定性強(qiáng)。

2）框架搭建式。

中國傳統(tǒng)框架式家具上的許多構(gòu)件和做法多是仿取或源于建筑做法而成的。如家具腿腳間不同位置所設(shè)的棖子源于建筑立柱間的枋串，家具用作輔助支托以顯穩(wěn)固的牙子仿照建筑的替木和雀替[7]。因此部分建筑構(gòu)架的做法對于家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。紙管框架搭建體系中管材的使用方式和木框架結(jié)構(gòu)中木材的使用方式非常接近，即以紙管材料作為基本構(gòu)件，結(jié)構(gòu)仿效建筑梁柱支架,取法建筑結(jié)構(gòu)形式,采用立柱、橫梁搭構(gòu)框架。家具腳足如同建筑立柱取圓柱形式,并連以橫棖。該體系是紙材料使用率較高的體系，在家具設(shè)計(jì)中非常實(shí)用。

3.2 多種材料結(jié)合的設(shè)計(jì)——組合式

紙管家具的組合式結(jié)構(gòu)指的是利用紙管、瓦楞紙板、軟木板、定向刨花板等兩種或多種材料通過插接、嵌套、捆扎、連接件連接等多種方式進(jìn)行組合的結(jié)構(gòu)形式。組合結(jié)構(gòu)家具的主要特點(diǎn)是：造型靈活多變，形態(tài)元素豐富；便于拆裝組合；材料利用率較高。坂茂的系列作品“Carta”椅身和椅腳就是采用山毛櫸木膠合板和紙管兩種材料相結(jié)合制成，膠合板作為基本框架結(jié)構(gòu)，椅面上鋪排細(xì)型環(huán)保紙管，成為既簡約又有趣的家具產(chǎn)品。此外還有“Paper Tube and Plywood Stool”（紙管膠合板便攜凳）的設(shè)計(jì)（見圖5），是坂茂運(yùn)用了當(dāng)時(shí)技術(shù)已臻成熟的膠合板，結(jié)合 4 支粗型紙管作為凳腳的雙位一體結(jié)構(gòu)，外觀或許并不是那么引人注目，卻是蘊(yùn)含坂茂將紙、木這類容易回收的材質(zhì)，轉(zhuǎn)化為容易收納的設(shè)計(jì)。

圖5 紙管膠合板便攜凳Fig.5 Paper tube and plywood stool

4 紙管家具連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)探究

家具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受諸多因素的制約，如材料自身的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度到工藝技術(shù)和使用方式等，其中紙質(zhì)家具的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)則是保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重點(diǎn)。

4.1 紙管家具結(jié)構(gòu)連接件應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則

1）保證力學(xué)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)紙管家具結(jié)構(gòu)的首要要求就是要保證其力學(xué)強(qiáng)度。不同的材料、不同的接合點(diǎn)數(shù)量和接合方式，其受力情況存在很大的差異，因而設(shè)計(jì)紙管家具結(jié)構(gòu)時(shí)，必須了解材料力學(xué)特性和接合點(diǎn)受力特性，通過合理設(shè)計(jì)零部件尺寸，精確計(jì)算插接或裁割位置以提高紙管家具的整體力學(xué)性能和安全性能。

2）便于拆卸與重組。

紙管家具的拆卸主要是基于運(yùn)輸、存儲或體現(xiàn)趣味性的目的而開展。拆卸動作結(jié)束后，紙管家具零部件之間要有良好的分離性能，盡量不要借助外力或工具進(jìn)行強(qiáng)制性分離，以免損壞材料，影響其重新組裝。紙管家具的制造材料主要是紙管，面對二次裝配或多次裝配時(shí)會存在材料的損耗問題，因而設(shè)計(jì)紙管家具的結(jié)構(gòu)連接部位時(shí)，應(yīng)該著重考慮這一問題。此外，在拆卸與重組的過程中，便捷性也是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)連接考量的重點(diǎn)之一，由于紙材的特殊性，若使用者失去動手拆卸組裝時(shí)的便捷性和趣味性，則其作為家具用材的優(yōu)勢也將大打折扣。

3）經(jīng)濟(jì)性原則。

消費(fèi)者選擇紙質(zhì)家具的原因很多，其中包括紙材的綠色環(huán)保特性、新穎獨(dú)特性、DIY趣味性等，其中經(jīng)濟(jì)性更是非常重要的購置原因之一[8]。因此，在紙管家具的設(shè)計(jì)研究中必須考慮的原則之一便是經(jīng)濟(jì)性原則。要盡可能地利用現(xiàn)有的制造設(shè)備和制造工藝，盡可能利用或改進(jìn)現(xiàn)有的家具連接方式及配件，實(shí)現(xiàn)低成本、經(jīng)濟(jì)適用的連接件開發(fā)使用原則。

4.2 紙管家具結(jié)構(gòu)連接形式

1）嵌套式。

坂茂在2014年為菲律賓建設(shè)的援建住宅“Paper Log House”中，出現(xiàn)了紙管直接穿孔插接的形式。在這個作品中，設(shè)計(jì)師直接通過紙管自身解決連接問題。此方法也可以借鑒到紙管材料家具設(shè)計(jì)中兩種或兩種以上不同直徑紙管材，直徑較大的紙管的孔隙預(yù)先打好，只需要將直徑較小的紙管以插接、嵌套的方式進(jìn)行連接，輔以膠黏劑或螺釘固定，無需其他連接部件便可基本形成一定角度或不同維度的結(jié)構(gòu)搭建，從而大大提高了紙管家具的制作便利性及經(jīng)濟(jì)性。

2）捆扎式。

對于上下疊置的紙管，可以使用繩帶綁扎式的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，即使用繩帶將紙管進(jìn)行捆綁式連接。這樣的設(shè)計(jì)不但為整個家具輪廓的調(diào)整留出了靈活的空間，還能夠節(jié)省大部分造價(jià)[9]。古樸的綁扎技法取代實(shí)體的節(jié)點(diǎn)，更加突出了對“紙”這一材料質(zhì)感的表達(dá)。使用綁扎式節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)由于連接較為靈活，需要提前在紙管上穿繩孔位或使用其他輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，使其能夠承受正常范圍的外力荷載。

3）連接件接合式。

通過對坂茂紙建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的歸納，可以看到最早也是最常用的是節(jié)點(diǎn)連接件的使用。這種接合方式也可應(yīng)用到紙管家具設(shè)計(jì)中。紙管家具各個零部件的連接節(jié)點(diǎn)可采用其他材料制成特殊的形狀，通過切削或是加入夾板形成插腳伸入紙管的空腔中，連接不同方向和維度的紙管，之后節(jié)點(diǎn)通過螺栓和紙管固定。此外，還可運(yùn)用其他材料制成套管形式，多方向、多角度、多維度地將紙管和連接件進(jìn)行嵌套連接，輔以膠黏劑和螺栓進(jìn)行固定。幾種形式可參考表1所示。

表1 紙管家具結(jié)構(gòu)連接形式Tab 1 The structure connection methods of the paper tube furniture

5 小結(jié)

在紙質(zhì)家具設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定著家具的功能實(shí)現(xiàn)、家具外觀造型、家具成型工藝和家具成本等重要內(nèi)容[10]。整體結(jié)構(gòu)及連接節(jié)點(diǎn)的合理化設(shè)計(jì)對于紙管家具的重要性不言而喻。一方面，結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)決定了紙管家具是否符合國家強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，滿足日常使用需求，另一方面，結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提升了家具的造型美觀性與新穎程度，因此應(yīng)不斷對紙管家具的結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)進(jìn)行研究，以達(dá)到材料和結(jié)構(gòu)的科學(xué)統(tǒng)一,創(chuàng)造更多的綠色產(chǎn)品，讓質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、時(shí)尚環(huán)保的紙質(zhì)家具豐富人們的生活。

[1]畢留舉.瓦楞紙板家具設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)形式分析[J].包裝工程,2010(1):14-17.

[2]趙祎乾.基于瓦楞紙板材料屬性和結(jié)構(gòu)形式的家具設(shè)計(jì)研究[J].家具,2016,37(4):45-49.

[3]王城湘,蘇曉蓓,閆波,等.瓦楞紙板家具表面裝飾方法[J].家具與室內(nèi)裝飾,2016(6):57-59.

[4]江爾德,于伸,李德華.紙漿模塑家具家具[J].家具,2008(1):45-48.

[5]侯林,災(zāi)后臨時(shí)過渡建筑建造研究初探[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[6]宋昀.坂茂(Shigeru Ban)作品中的輕型設(shè)計(jì)思想與手法研究 [D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[7]張十慶.建筑與家具——古代家具結(jié)構(gòu)與風(fēng)格的建筑化發(fā)展[J].室內(nèi)設(shè)計(jì)與裝修,2005(4):98-101.

[8]劉愛平.紙板家具的研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2011.

[9]管理.坂茂及其紙結(jié)構(gòu)建造體系研究[D].南京:南京大學(xué),2014.

[10]張璐霞,胡蝶,伍冰,等.兒童瓦楞紙板家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程,2016(3):92-95.