基于工具演變的木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)發(fā)展研究*

賈 東 王 蒙

(北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，100144，北京)

榫卯節(jié)點(diǎn)是一項(xiàng)歷史悠久的技術(shù)發(fā)明，在距今六七千年前的浙江余姚河姆渡木構(gòu)建筑遺跡中就有發(fā)現(xiàn)。榫卯節(jié)點(diǎn)原理簡(jiǎn)單，通過不同構(gòu)件凹凸卯合形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，利用形體限制和摩擦阻力發(fā)揮作用；榫卯節(jié)點(diǎn)類型豐富，在中國古代木構(gòu)建筑、木構(gòu)家具中落地開花，不斷發(fā)展，斗栱作為榫卯節(jié)點(diǎn)集大成者，成為中國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑文化的象征。隨著鋼筋混凝土建筑材料的廣泛使用，在一個(gè)相當(dāng)長的歷史階段，榫卯節(jié)點(diǎn)在建筑和家具上幾近消失。而近些年，隨著人們生態(tài)意識(shí)的提升和對(duì)傳統(tǒng)建筑與家具材料(竹木體系)的重新認(rèn)識(shí)，同時(shí)伴隨著數(shù)字建造技術(shù)的孕育發(fā)展，榫卯節(jié)點(diǎn)以新的形式和功效重新出現(xiàn)并不斷發(fā)展。

榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，以生活生產(chǎn)中對(duì)于建筑空間與家具形體的需求為內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，亦受其所處的自然環(huán)境社會(huì)文化和生活方式諸因素的影響。例如，春秋戰(zhàn)國的棺槨厚葬制度習(xí)俗，唐至五代垂足而坐的生活方式改變，明清社會(huì)文化對(duì)精巧奢華的追求，這些都促進(jìn)了榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。

同時(shí)，工具的發(fā)展演變，也對(duì)于榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展有深刻的影響。而木作工具，對(duì)于木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展有更為直接的影響。石器時(shí)代，石鑿工具的出現(xiàn)，直接推動(dòng)了榫卯節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生；鐵器時(shí)代，鐵質(zhì)工具刃部強(qiáng)勁，促進(jìn)了雙榫節(jié)點(diǎn)的流行；平推铇等工具的出現(xiàn)，直接促進(jìn)了明代榫卯節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化。由此可見，木作工具對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生、類型的豐富、形式的細(xì)化均有重要影響。

木作工具的演變主要集中在加工能力的不斷提高，一方面表現(xiàn)在工具自身材質(zhì)、樣式的不斷演進(jìn)，另一方面表現(xiàn)在工具驅(qū)動(dòng)形式的不斷創(chuàng)新。本文將木作工具的演變劃分為前工業(yè)化時(shí)代、工業(yè)化時(shí)代、信息時(shí)代三個(gè)階段，分析研究工具演變與榫卯節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)與加工兩個(gè)方面的發(fā)展變化。

1 前工業(yè)化時(shí)代榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展

1.1 石器時(shí)代：木作工具的產(chǎn)生與榫卯節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)

直立和勞動(dòng)創(chuàng)造了人類，而勞動(dòng)是從制造工具開始的。從舊石器時(shí)代起，人類迫于生產(chǎn)和生活的需要，開始從使用原始石器向使用經(jīng)過粗糙打制的石器過渡。在舊石器時(shí)代后期，石器的種類增多，部分石器可以進(jìn)行大概分類，而更多的石器表現(xiàn)為“一器多用”。進(jìn)入新石器時(shí)代，工具發(fā)生了幾個(gè)重要改變。一是工具功能開始分化，石鑿從砍砸石器中分化出來。二是工具由打制石器向磨制石器進(jìn)化，并開始制作由兩種材料組合而成的復(fù)合工具。新石器時(shí)代石鑿的出現(xiàn)，為復(fù)合工具和榫卯節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)提供了條件。

舊石器時(shí)代，受限于本身的功能需求和木作工具的加工能力，此時(shí)的木構(gòu)家具不采用榫卯節(jié)點(diǎn)，多采用減材的方式，整段木材削挖而成。在河姆渡木構(gòu)建筑遺跡中，人們發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用于建筑木構(gòu)件上的榫卯節(jié)點(diǎn)(見圖1)，例如直榫、雙層圓榫、端頭榫和企口榫等。但由于當(dāng)時(shí)木作工具僅可以加工制作簡(jiǎn)單的凹凸卯合的榫卯節(jié)點(diǎn)，榫卯節(jié)點(diǎn)的精細(xì)加工是極其困難的，且需要綁扎配合，河姆渡木構(gòu)建筑遺跡中出土的部分構(gòu)件仍帶有便于綁扎的凹槽。石器時(shí)代的木作工具水平大大限制了榫卯節(jié)點(diǎn)的制作和應(yīng)用。

圖1 河姆渡木構(gòu)建筑遺跡部分榫卯種類

1.2 青銅時(shí)代：木作工具的發(fā)展與榫卯節(jié)點(diǎn)的變化

中國人經(jīng)過夏、商兩朝青銅冶煉工業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)完全掌握了青銅冶煉的全過程，這為木作工具的青銅化奠定了基礎(chǔ)。西周時(shí)期，青銅制的木作工具被廣泛的加工和使用。從文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的木作工具種類有斧、錛、鑿、刀、削、鏟等。[1]這表明，木作加工過程中常用的加工工具已經(jīng)基本完成青銅化。這一時(shí)期木作工具在制作上的大發(fā)展是工具刃部的“淬火”技術(shù)，它可根本性地改變材料的剛性、硬度、耐磨性等，從而大幅提升工具持續(xù)加工的能力。因此，相比于石器工具，青銅制木作工具具有鋒利、適用、硬度大、使用壽命長的特點(diǎn)，是木作工具史上一次重要的大發(fā)展。

夏商時(shí)期，家具床的床面和床足的結(jié)合方式已普遍采用簡(jiǎn)單的榫卯節(jié)點(diǎn)。隨著青銅冶煉技術(shù)的成熟，木作工具加工能力的增強(qiáng)，榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的自由度相應(yīng)加大。西周至春秋時(shí)期，木作工具處于青銅時(shí)代的末期，木構(gòu)家具榫卯節(jié)點(diǎn)得到發(fā)展。榫卯節(jié)點(diǎn)除更多使用明榫、交角榫、燕尾榫和企口拼接外，還出現(xiàn)了多種形式的扣榫、槽榫、暗榫、圓榫、楔釘榫以及插接、鑲角等。[2]由此可見，青銅木作工具平面加工能力大幅提升，榫卯節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜多樣，已不再是簡(jiǎn)單的凹凸吻合。

1.3 鐵器時(shí)代：木作工具的飛躍與榫卯節(jié)點(diǎn)的巔峰

1.3.1木作工具材質(zhì)的改變與木作工具類型的增多

考古研究認(rèn)為，春秋中晚期我國就有鐵器的使用，最遲至戰(zhàn)國已能普遍冶煉生鐵。[3]戰(zhàn)國后期，更容易冶煉的滲碳制鋼術(shù)開始使用，鐵制木作工具開始取代青銅制和石制工具成為主要的木作工具。鐵器與青銅器完全不同，首先青銅的密度比鐵的要大，這意味著相同尺寸的工具鐵制的要比青銅制的輕便；其次，相同硬度的鐵器和青銅器，青銅器的韌性要比鐵器的差太多，這意味著鐵器在使用的過程中不易出現(xiàn)脆斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，只有鐵器才能完全取代青銅器和石器，成為木作工具的理想選材。

鐵器時(shí)代木作工具最重要的變化是鋸的進(jìn)化和平推铇的出現(xiàn)。早在石器時(shí)代就有鋸的使用，但用于木作加工的頻率較低。進(jìn)入鐵器時(shí)代，鐵的延展性和硬度都要優(yōu)于青銅，鋸條在這一時(shí)期向細(xì)長方向發(fā)展，這使得鋸身和鋸條分離，鋸的器型發(fā)生改變。約在南北朝前后，弓形鋸進(jìn)一步發(fā)展為框鋸，框鋸的出現(xiàn)直接推動(dòng)了解木工藝的發(fā)展。鐵器時(shí)代之前，人們主要使用錛、鐁和削作為主要的平木工具。鐵器時(shí)代隨著冶鐵技術(shù)的發(fā)展，榫卯節(jié)點(diǎn)加工的需要，铇逐漸由刀形滾刨、刨形滾刨演化為平推铇。[4]平推铇的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)明清木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有重要的推動(dòng)作用。

1.3.2榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的豐富化與加工的精細(xì)化

早期的木作工具加工能力低，分解大塊木材困難，木構(gòu)構(gòu)件多用大料。解木鋸和平推铇的應(yīng)用改變了這種現(xiàn)象。至明代，木構(gòu)家具榫卯節(jié)點(diǎn)的形式非常豐富，比較有特點(diǎn)的如格角榫、粽角榫、搶角榫、扣榫、饅頭榫、托角榫(安裝牙板或托角棖時(shí)采用的嵌槽榫或斜榫)、抱肩榫、夾頭榫、插肩榫、勾掛榫(掛肩榫的一種)、陰陽榫(插榫的一種)、穿帶榫、搭頭榫、走馬銷、暗銷、活腿結(jié)構(gòu)，以及各種形式的穿、掛、套楔榫等，同時(shí)傳統(tǒng)形式的明、暗榫，燕尾榫等仍很流行。可以看出，此時(shí)的工具已經(jīng)可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的窄平面進(jìn)行加工，同時(shí)不同位置的節(jié)點(diǎn)使用也呈現(xiàn)特定化。

鐵器時(shí)代后期，受解木鋸和平推铇的影響，同時(shí)也受社會(huì)文化追求精巧奢華的影響，榫卯節(jié)點(diǎn)的加工逐漸走向精加工，這促進(jìn)了以硬木和優(yōu)質(zhì)柴木為代表的明式木構(gòu)家具的產(chǎn)生。此時(shí)家具的榫卯工藝和構(gòu)件加工普遍趨于精細(xì)嚴(yán)密。如圖2所示的粽角榫的加工，從圖中構(gòu)件多個(gè)窄平面組合的形式可以看出，其加工離不開工具選材的高強(qiáng)度和刃部的高硬度。

圖2 粽角榫

由石器經(jīng)青銅器到鐵器的變化過程中，木作工具的材質(zhì)硬度不斷提高、使用壽命不斷增長，使用功能更加專一，榫卯節(jié)點(diǎn)的類型逐漸豐富，設(shè)計(jì)逐漸復(fù)雜，加工逐漸精細(xì)。受榫卯節(jié)點(diǎn)使用范圍廣，木構(gòu)建筑、木構(gòu)家具加工工作量大的影響，手工匠人逐漸分為技藝操作和復(fù)制加工兩類，技藝操作者負(fù)責(zé)榫卯節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與示范加工，復(fù)制加工者單純負(fù)責(zé)榫卯節(jié)點(diǎn)的加工。

2 工業(yè)化時(shí)代榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展

我國工業(yè)化進(jìn)程曾經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，歐美較早進(jìn)入了工業(yè)化發(fā)展時(shí)代，在蒸汽時(shí)代和電氣時(shí)代進(jìn)程中社會(huì)經(jīng)濟(jì)各方面獲得了巨大發(fā)展，其木構(gòu)架建筑建造和家具制作也有很大發(fā)展與變化。近代我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯不前，木構(gòu)架建筑建造和家具制作在基本形式上發(fā)展變化不大，木作工具的發(fā)展也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，水平仍處在鐵器時(shí)代。而隨著新中國建立，工業(yè)化迅猛發(fā)展，到20世紀(jì)后期，我國木作工具也在機(jī)械化規(guī)模化等各方面有了長足的發(fā)展。改革開放以來，我國各工業(yè)門類的全面和諧有序發(fā)展，為信息時(shí)代的創(chuàng)新實(shí)踐奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 工具的機(jī)械化與規(guī)模生產(chǎn)

我國木作工具機(jī)械化的過程可以分為兩個(gè)階段：一是建國后至改革開放，木作工具逐步由手工工具向電動(dòng)鋸、機(jī)械制材、機(jī)械加工轉(zhuǎn)變，發(fā)展到1977年的時(shí)候，家具工業(yè)的機(jī)械化率已經(jīng)達(dá)到40%左右。[5]二是改革開放以來，木作工具的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇，開始轉(zhuǎn)向全機(jī)械化，生產(chǎn)規(guī)模也隨之?dāng)U大，與之相伴而來的是行業(yè)分工的細(xì)化，設(shè)計(jì)與加工的分離。二者的分離促進(jìn)了工業(yè)化生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。

2.2 建筑小品與家具金屬連接節(jié)點(diǎn)

隨著工業(yè)化的發(fā)展，在建筑方面，鋼筋混凝土材料使用幾乎全面覆蓋，同時(shí)人們對(duì)于竹木結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的安全性認(rèn)知有局限，對(duì)于傳統(tǒng)建筑材料的創(chuàng)新應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很難找到使用木構(gòu)的大型公共建筑，只有部分木構(gòu)建筑小品、亭廊建筑中使用了榫卯節(jié)點(diǎn)，其工具和做法也基本沒有創(chuàng)新。在家具方面，與工具機(jī)械化相伴而來的是板式家具的興起。與傳統(tǒng)框架式木構(gòu)家具不同，板式家具大規(guī)模使用不同于竹木原材的各種復(fù)合重組竹木板材(人造板材)，適于大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，易于快速組裝，與之相適應(yīng)，工業(yè)化金屬連接節(jié)點(diǎn)普遍使用，傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)木構(gòu)家具沒落。此時(shí)木作工具，主要是用于安裝板式家具金屬連接節(jié)點(diǎn)的開槽、開孔等。

2.3 精神需求與生態(tài)意識(shí)

隨著改革開放，生活水平日益提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，混凝土建筑、板式家具、鋼筋水泥、金屬節(jié)點(diǎn)可以滿足人們的功能需求，但無法更好滿足人們的精神需求，而傳統(tǒng)的木構(gòu)建筑、原材竹木家具、榫卯節(jié)點(diǎn)是滿足人們精神需求的有力補(bǔ)充。與板式家具并行存在的采用傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)的中式家具，也逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

而進(jìn)入新時(shí)代以來，人們的生態(tài)文明意識(shí)逐步加強(qiáng)，對(duì)于木構(gòu)建筑、原材竹木家具的意義，已經(jīng)不再局限于審美等精神需求，而是更全面地從生態(tài)循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的更高角度去進(jìn)行認(rèn)知和實(shí)踐。

3 信息時(shí)代與數(shù)字建造領(lǐng)域之榫卯節(jié)點(diǎn)

當(dāng)今，我國處于工業(yè)化歷史進(jìn)程方興未艾與信息技術(shù)迅猛發(fā)展交相輝映的歷史發(fā)展階段，信息時(shí)代背景和數(shù)字化技術(shù)給我國各行業(yè)各領(lǐng)域帶來了深刻變化。數(shù)字建造正成為建筑業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，并與家具制造的數(shù)字化個(gè)性化緊密相連。木作工具的數(shù)字化，特別是數(shù)字化木作工具平臺(tái)的出現(xiàn)，使得榫卯節(jié)點(diǎn)完全突破了傳統(tǒng)形式，以嶄新的形式出現(xiàn)，并在實(shí)踐層面實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與加工的全過程銜接與統(tǒng)一。

3.1 數(shù)字化木作工具平臺(tái)

數(shù)字化木作工具平臺(tái)包含且不限于以下硬件與軟件要素：計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)編程及數(shù)字化軟件、數(shù)字驅(qū)動(dòng)的木作工具、核心技術(shù)與之相配套的其他技術(shù)要素和硬件。其中，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是某一件獨(dú)立的硬件，而更多體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)體系中的一個(gè)或一組節(jié)點(diǎn)；計(jì)算機(jī)編程及數(shù)字化軟件更多融進(jìn)了設(shè)計(jì)者參與乃至補(bǔ)充；數(shù)字驅(qū)動(dòng)的木作工具多種多樣，機(jī)械臂是一種常見形式。機(jī)械臂最早用于工業(yè)生產(chǎn)(汽車生產(chǎn)流水線)，后由于其數(shù)控特性和操作空間范圍大而用于木構(gòu)件加工。數(shù)字化木作工具平臺(tái)的核心技術(shù)是人的設(shè)計(jì)想象與創(chuàng)新能力。

3.2 重要突破：榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與加工的全過程一體化

數(shù)字化木作工具平臺(tái)超強(qiáng)的設(shè)計(jì)和加工能力給榫卯節(jié)點(diǎn)發(fā)展帶來了重要突破，它可以使設(shè)計(jì)師對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行具體的個(gè)性化的設(shè)計(jì)和加工，并完成全過程。依托計(jì)算機(jī)編程驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂輸出端的多樣性、機(jī)械臂加工的多方向性，更重要的是依靠設(shè)計(jì)師對(duì)于形態(tài)造型的創(chuàng)新探索和邏輯分析，設(shè)計(jì)師通過可視化軟件，驅(qū)動(dòng)(機(jī)械臂)工具終端，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件各個(gè)角度的高精度加工。在這里，設(shè)計(jì)師可以只是一個(gè)人，可以沒有嫻熟的傳統(tǒng)的木作工具操作技巧，卻可以做出規(guī)格嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)一的重復(fù)的榫卯節(jié)點(diǎn)，也可以做出有序漸變的不同的榫卯節(jié)點(diǎn)，還可以做出非線性的個(gè)性化的各種造型變化。木作工具的數(shù)字化創(chuàng)新帶來了榫卯節(jié)點(diǎn)的一系列形式創(chuàng)新。設(shè)計(jì)師加工榫卯節(jié)點(diǎn)的難度大大降低，而其創(chuàng)新探索和邏輯分析的意義更為彰顯。

榫卯節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與加工，萌生于一體，在前工業(yè)化時(shí)代，因技藝操作和復(fù)制加工而有所分離；在工業(yè)化時(shí)代，因機(jī)械化操作的專門化和規(guī)模生產(chǎn)的需求而完全分離；這種分離提高了生產(chǎn)效率，但也帶來了同質(zhì)化現(xiàn)象，扼制了個(gè)性化創(chuàng)新，同時(shí)也存在加工過程中信息衰減甚至走樣變形。而信息時(shí)代，數(shù)字化木作工具平臺(tái)，重新實(shí)現(xiàn)了榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與加工的全過程一體化。這個(gè)重要突破既進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，更可以很方便地實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的個(gè)性化創(chuàng)新，同時(shí)也完全避免了加工過程中信息衰減甚至走樣變形。

3.3 榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展與應(yīng)用——方榫方卯與圓榫圓卯

就穿插斷面形式而言，傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)大多可以歸納為方榫方卯，圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)不多，且為輔助定位功能。而數(shù)字化木作工具平臺(tái)使兩種節(jié)點(diǎn)都有了新的發(fā)展與應(yīng)用。

3.3.1方榫方卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展應(yīng)用

在數(shù)字化背景下，今天的方榫方卯節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了很大變化。充分利用數(shù)字化加工工具的特點(diǎn)，榫卯構(gòu)件的具體凹凸加工變得更加簡(jiǎn)潔精確，并有細(xì)微漸變的變化，而其分布組織多呈非線性、面式分布，這樣就可以更好地結(jié)合建筑場(chǎng)地并符合特定空間要素限制。

下面以斯沃琪總部為例(見圖3)進(jìn)行分析方榫方卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展應(yīng)用。該項(xiàng)目位于瑞士比爾的斯沃琪-歐米茄園區(qū)內(nèi)，整個(gè)建筑以一塊完整的木結(jié)構(gòu)曲面網(wǎng)殼屋架覆蓋，該曲面網(wǎng)殼屋架自成結(jié)構(gòu)體系，由7 700個(gè)獨(dú)立木構(gòu)件編織而成，構(gòu)件之間采用方榫方卯節(jié)點(diǎn)連接，每一個(gè)構(gòu)件造型和方榫方卯節(jié)點(diǎn)形式都經(jīng)過數(shù)字化工具計(jì)算優(yōu)化，構(gòu)件方向各不相同，方榫方卯節(jié)點(diǎn)也有變化，由點(diǎn)成線，形成復(fù)雜的空間分布，最終組成非線性屋架。該項(xiàng)目建筑形體與現(xiàn)有道路結(jié)合，以增大建筑的采光面；建筑端部扭轉(zhuǎn)，與城市空間產(chǎn)生對(duì)話。內(nèi)部辦公空間結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，躍層空間、通高空間相互穿插，配合依附在木結(jié)構(gòu)屋架下的表皮系統(tǒng)，形成獨(dú)特的內(nèi)部小氣候。

圖3 斯沃琪總部曲面網(wǎng)殼屋架及方榫方卯節(jié)點(diǎn)

3.3.2圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

圓榫圓卯在傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中所見很少，即使在傳統(tǒng)木構(gòu)架家具中也多是起一些輔助固定及定位作用，這主要因?yàn)閱我坏膱A榫圓卯限位穩(wěn)定性差且強(qiáng)度不足，而多重圓榫圓卯又容易加大材料尺寸或造成木材劈裂，同時(shí)也受限于圓孔加工工具的低效與不精確。而數(shù)字化木作工具其優(yōu)勢(shì)在于其高效精確特別是可以精準(zhǔn)重復(fù)，同時(shí)，數(shù)字化木作工具還有一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)：其高效精確特別是可以精準(zhǔn)重復(fù)可以在空間自由角度上實(shí)現(xiàn)。單一的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)可以變?yōu)槌山M的或者橢圓的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)，大大提高限位穩(wěn)定性且增加強(qiáng)度，單一方向的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)組成多方向多維度的節(jié)點(diǎn)組。依托數(shù)字工具，圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的形體優(yōu)勢(shì)和簡(jiǎn)潔的造型優(yōu)勢(shì)開始釋放并不斷發(fā)展演變。

3.4 圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)在數(shù)字建造家具領(lǐng)域的研究——“多維模塊”的提出及應(yīng)用

北方工業(yè)大學(xué)建筑營造研究團(tuán)隊(duì)(簡(jiǎn)稱NAST)運(yùn)用數(shù)字化木作工具平臺(tái)，以圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)為著眼點(diǎn)對(duì)木構(gòu)家具進(jìn)行了探索研究和實(shí)踐建造。團(tuán)隊(duì)在手繪示意草圖的基礎(chǔ)上，利用可視化軟件建模，進(jìn)行直觀的模型搭建，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)組的幾何可行性，通過機(jī)械臂加工工具完成節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件的實(shí)體加工。

3.4.1成品圓桿的使用

團(tuán)隊(duì)著眼于木構(gòu)框架交接處的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)形式創(chuàng)新，從未來推廣之建造效率出發(fā)，圓榫采用成型桿狀長桿。成品圓桿質(zhì)量穩(wěn)定，可以在一定長度范圍內(nèi)保證其不易變形。進(jìn)而將圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)劃分為兩類：一類其位置和形式均類似于傳統(tǒng)的圓榫圓卯，充分利用數(shù)字加工的便捷實(shí)現(xiàn)快速成型，通過并列增加數(shù)量來彌補(bǔ)其穩(wěn)定性；另一類則是”多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)。

3.4.2“多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)

“多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)有別于傳統(tǒng)的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)，其形體要素為一個(gè)木質(zhì)體塊，可以容納多根成品圓桿插入或穿過，其插入或穿過的線形走向可以是平行的(見圖4)，也可以是在空間上呈現(xiàn)自由角度的(見圖5)，很容易實(shí)現(xiàn)空間多向受力，這既沿承了傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)的固定與受力作用，同時(shí)可以使主要的成品圓桿的走向與主要受力方向吻合，提高了構(gòu)件功效，也自然產(chǎn)生出新的木構(gòu)建造方式和形式造型。而空間自由角度的卯孔與卯洞的設(shè)計(jì)加工之無縫銜接恰恰是數(shù)字化木作工具平臺(tái)的專長。

圖4 “多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)之多根成品圓桿平行組合

圖5 “多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)之多根成品圓桿空間自由角度組合

2018—2019年寒假，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建造了第一個(gè)數(shù)字建造家具——“三尺講臺(tái)”；2019年春季學(xué)期，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建造了數(shù)字建造家具——“靜書桌”；后陸續(xù)有其它數(shù)字建造家具。

3.4.3“靜書桌”設(shè)計(jì)與建造

以2019年“靜書桌”為例(見圖6)，該書桌在形體設(shè)計(jì)上提出三個(gè)要點(diǎn)：遵循基本的人體尺度學(xué)要求，滿足一人舒適使用；增加難度，四條支腿呈空間梯形分布；增加難度，桌面以下構(gòu)架幾何中心向一側(cè)偏移。第一個(gè)難點(diǎn)兼顧堅(jiān)固與美觀，第二個(gè)難點(diǎn)是為了提高舒適度(桌面以下構(gòu)架的厚度會(huì)影響使用者坐姿抬腿舒適感)。而難點(diǎn)的綜合是為了探索木構(gòu)架特殊訂制乃至更大空間形體實(shí)現(xiàn)的可能性。建造實(shí)踐包含三個(gè)要素：在材料組織上，成品圓桿與訂制板材和自加工體塊的綜合使用；在結(jié)構(gòu)體系上，借鑒傳統(tǒng)木構(gòu)架體系制作了一個(gè)成品圓桿和自加工體塊綜合組成的“鋪?zhàn)鲗印币赃B接支腿和桌面；在節(jié)點(diǎn)創(chuàng)新上，采用“多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)桌面以下構(gòu)架幾何中心向一側(cè)偏移。設(shè)計(jì)探索和構(gòu)件加工均在數(shù)字化木作工具平臺(tái)上完成，然后三位教師同學(xué)用兩個(gè)小時(shí)使用普通工具組裝完成。數(shù)字化木作工具平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了家具設(shè)計(jì)建造實(shí)踐的核心部分的全過程，老師和學(xué)生完成了從設(shè)計(jì)榫卯節(jié)點(diǎn)，加工構(gòu)件，到實(shí)體搭建的建造閉環(huán)，再次驗(yàn)證了“多維模塊”榫卯節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用的可能，豐富了數(shù)字建造的內(nèi)容。作品的整體性強(qiáng)、完成度高，并具有自然產(chǎn)生的工程美與工藝美。

圖6 木構(gòu)“靜書桌”建造過程軸測(cè)圖

3.5 圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)在大型公共建筑領(lǐng)域的實(shí)踐案例

與某些習(xí)慣認(rèn)識(shí)不同的事實(shí)是，在大型公共建筑設(shè)計(jì)與建造領(lǐng)域，新的木構(gòu)架應(yīng)用探索十分活躍，并有一些建成的成規(guī)模成體系的優(yōu)秀案例，其中不乏圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)及數(shù)字建造的成功實(shí)踐。

3.5.1SR銀行(Sparebank)的新總部

SR新總部位于挪威，是目前歐洲最大的全木結(jié)構(gòu)辦公建筑之一。用地呈三角形南北狹長，建筑圍繞內(nèi)部中庭沿街布置，形體規(guī)整，為滿足采光需求，一角高度降低，并與周圍環(huán)境融合。該案例在新木構(gòu)架體系(見圖7)實(shí)踐上主要有四點(diǎn)：地上七層主體結(jié)構(gòu)采用木結(jié)構(gòu)，選用5×4 m的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以滿足使用，木構(gòu)架為建筑界面和內(nèi)部空間界面提供結(jié)構(gòu)支撐和定位依據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間靈活劃分；主體木結(jié)構(gòu)中的木梁在滿足力學(xué)性能的前提下進(jìn)行打孔，減輕結(jié)構(gòu)自重，也可以放置管線，木梁結(jié)合木地板和木吊頂形成設(shè)備夾層；木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)(見圖8)未采用同類結(jié)構(gòu)中常用的鋼節(jié)點(diǎn)，而是采用規(guī)格統(tǒng)一的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)，柵格排列的膠合木梁通過矩陣密集排布的圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)與膠合木柱連接在一起，并在受力較大的部分增加斷面高度；所有構(gòu)件均通過工廠預(yù)制加工。該案例具有以下建筑特色：木材獨(dú)特的材料特性，使整個(gè)辦公空間呈現(xiàn)舒適、親和、活潑的氛圍；木質(zhì)梁柱和圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)形成新的木構(gòu)架體系，建筑空間、木構(gòu)架和室內(nèi)空間界面之間既相互獨(dú)立又彼此依存；木構(gòu)架體系自身以木柱劃分水平空間，以木梁劃分垂直空間，但建筑內(nèi)部空間的劃分不依賴于木構(gòu)架的限定，空間靈活多變；圍合而成的中庭作為建筑內(nèi)部的調(diào)節(jié)器，引入自然光、新鮮空氣和綠植。

圖7 SR銀行新總部主體木結(jié)構(gòu)

圖8 SR新總部木結(jié)構(gòu)圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)

3.5.2Tamedia辦公大樓

Tamedia辦公大樓位于瑞士蘇黎世市中心，地上7層，地下2層。建筑緊鄰一條城市景觀河，建筑剖面采用三跨布局，中間一跨較大作為辦公空間，兩側(cè)跨較小，作為交流空間，并在沿河一側(cè)的交流空間設(shè)置直跑樓梯和通高空間。該案例在新木構(gòu)架體系(見圖9)實(shí)踐上主要有三點(diǎn)：主體結(jié)構(gòu)采用木結(jié)構(gòu)，空間界面脫離主體結(jié)構(gòu)，通過格子狀的玻璃外圍護(hù)界面與主體結(jié)構(gòu)的模數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系；木梁和木柱局部斷面加大，圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)如圖所示變形為橢圓形，圓榫作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的同時(shí)起縱向梁的作用，與木梁和木柱形成木構(gòu)架體系，成為整個(gè)建筑空間的支撐骨架；建筑的整個(gè)木結(jié)構(gòu)由工廠預(yù)制加工，運(yùn)送至工地現(xiàn)場(chǎng)安裝。

圖9 Tamedia辦公大樓木結(jié)構(gòu)與圓榫圓卯節(jié)點(diǎn)

以上兩個(gè)實(shí)踐案例中，大型公共建筑木構(gòu)架建造的實(shí)踐在其結(jié)構(gòu)形式、榫卯節(jié)點(diǎn)等方面均與傳統(tǒng)木構(gòu)架體系不同，而其空間組織的通透可變、空間體驗(yàn)的適宜與舒適，又是傳統(tǒng)木構(gòu)架體系的更好演變和發(fā)展，同時(shí)，其構(gòu)件變截面形式的規(guī)模應(yīng)用，是設(shè)計(jì)精細(xì)化與加工精度提高的必然，這一切都離不開不同的數(shù)字化木作工具平臺(tái)，并自然而然地在使用體驗(yàn)和審美愉悅上帶來新的變化。

4 總結(jié)

前文從工具演變的角度，分析榫卯節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)與加工兩個(gè)方面的發(fā)展變化，有以下結(jié)論：

其一，建筑空間功能及家具形體組織的發(fā)展演變，首先源自于人類生產(chǎn)和生活的需要，并與技術(shù)發(fā)展密不可分。榫卯節(jié)點(diǎn)及木作工具是木構(gòu)架技術(shù)發(fā)展演變中很重要的兩個(gè)互相聯(lián)系的關(guān)鍵要素，榫卯節(jié)點(diǎn)的演變?cè)醋杂谌祟惿a(chǎn)和生活對(duì)于木構(gòu)架技術(shù)體系的需要，又受限于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐墓ぞ咚剑ぞ叩陌l(fā)展演變?cè)醋杂谌说膭趧?dòng)積累、社會(huì)進(jìn)步、材料突破、技術(shù)創(chuàng)新，工具的演變，會(huì)很大程度上推動(dòng)榫卯節(jié)點(diǎn)的功能和形式發(fā)展，并呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單、復(fù)雜、簡(jiǎn)潔的表象，其內(nèi)在主線是受力更合理、功能更強(qiáng)大、用材更高效、審美與時(shí)代同步。其中，人的勞動(dòng)，始終是關(guān)鍵因素。

其二，在工業(yè)化歷史進(jìn)程方興未艾與信息技術(shù)迅猛發(fā)展交相輝映的歷史發(fā)展階段，數(shù)字建造是必然趨勢(shì)之一，木作工具以多種方式并存，其中，數(shù)字化木作工具平臺(tái)內(nèi)涵豐富，人可以無需具體嫻熟地掌握木工技法，而是依靠對(duì)于計(jì)算機(jī)編程的掌握，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字化木作工具及機(jī)床，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)木構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與加工的全過程。這是一種人、工具、榫卯節(jié)點(diǎn)三者一體的嶄新實(shí)現(xiàn)，是設(shè)計(jì)與建造的無縫銜接，也是人使用工具直接進(jìn)行勞動(dòng)的一種螺旋式回歸和提升，破解了工業(yè)化時(shí)代過細(xì)分工帶來的一些問題，大大提高了設(shè)計(jì)者的控制度與創(chuàng)新理念的完成度。

其三，榫卯節(jié)點(diǎn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與加工拓展了建筑空間與形式，也豐富了家具設(shè)計(jì)建造的方式與形式，同時(shí)，也對(duì)建筑師及設(shè)計(jì)師的能力提出了新的要求，特別是對(duì)于節(jié)點(diǎn)加工邏輯分析的能力和數(shù)字化工具系統(tǒng)應(yīng)用的能力，同時(shí)，工程意識(shí)和技術(shù)審美也不可或缺且亟待提高。人的勞動(dòng)，特別是智力勞動(dòng)水平及其創(chuàng)新，始終是關(guān)鍵因素。只有高素質(zhì)高水平的持續(xù)勞動(dòng)與創(chuàng)新，才能運(yùn)用好工具，并進(jìn)一步推動(dòng)工具演變。

最后，榫卯節(jié)點(diǎn)的發(fā)展演變，也與材料選用及材料研究密不可分，還有待深入研究。