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面向用户装配的实木家具榫卯结构设计

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2019-1-10 08:28| 查看数: 323| 评论数: 0|帖子模式

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面向用户装配的实木家具榫卯结构设计
朱云1,申黎明2*
(1.惠州学院,广东 惠州 516007;2.南京林业大学家居与工业设计学院,南京 210037)
摘 要:面向用户的可装配性设计是当前产品设计的一个主流趋势,也是实木家具榫卯设计的一个重要内容。通过分析实木家具榫卯特色及用户装配需求,指出了榫卯结构的优势与局限,并在此基础上提出了可装配性榫卯设计的主要原则和要求,随后通过借鉴现代设计理念,阐述了装配性榫卯结构的减量化、通用化、标准化及模块化等设计方法。最后结合案例,从榫卯类别和接合方式的角度,系统论证了可装配性榫卯结构的具体条件和做法,并给出了相关改进建议。将可装配理念和实木家具榫卯结构相融合,不仅可以提高实木家具的整体效益,适应现代生产生活方式变革,还能有机传承我国传统家具文化,推动传统榫卯结构的现代更新,甚至对其他产品结构的未来设计也能提供方法指导和经验借鉴。
关键词:榫卯结构;可装配设计;实木家具;接合;可拆卸

[size=1em]实木家具,从广义上而言,是指GB/T 3324—2008《木家具通用技术条件》规定的实木类家具,即是以实木锯材或实木板材为基材制作的、表面经涂饰处理的家具,或在此类基材上采用实木单板或薄木贴面后再进行涂饰处理的家具。其中的实木板材特指指接材、集成材等木材通过二次加工形成的实木类材料。而从狭义角度而言,其更多是指以榫接合为主要结构特征,并以实木为主要基材的家具[1],即方材通过榫接合构成框架支撑全部荷重,围合板件附设于框架之上用于分隔和封闭空间的家具[2]。因此可以看出,前者是从材料角度定义的,后者则是结合家具结构和材料而言的,而笔者所研究的实木家具更多是指后者。

[size=1em]榫卯,是榫头与卯眼(榫眼)的合称。榫即器物或构件上凹凸相接时凸出的部分,卯即器物上安装榫头的孔眼。清梁同书在《直语补证·笋卯》中曾言:凡剡木相入,以盈入虚谓之笋,以虚入盈谓之卯,故俗有笋头卯之语。榫卯作为一种器物节点技术,其不仅是中国传统建筑的基本结构,而且也是中国传统家具、传统民具的造器精髓,具有鲜明的民族特色和文化魅力[3-4]。特别是在实木家具领域,榫卯结构以其实用精致的特性,至今闪烁着智慧的光芒。

[size=1em]面向用户装配的设计(design for user assembly,DFUA),是以用户消费者为主要装配设计对象,以中小型产品为设计客体,在产品开发的初始阶段,就考虑用户的装配能力和产品的可装配、可拆卸性能,在满足产品性能和功能的前提下用可装配性、可拆卸性来约束和优化产品设计方案,使设计的产品不仅易于制造和装配,而且也便于包装和维修,从而达到降低装配难度和提高产品质量的目的,并最终实现缩短产品开发周期,降低产品成本,减少废弃物排放和节约资源的目标[5-9]。

[size=1em]当前,随着互联网经济的迅猛发展,面向用户装配的设计已经成为一种新的时代潮流。将可装配理念和实木家具榫卯结构相融合,不仅可以提高实木家具整体效益,适应现代生产生活方式变革,而且还能有机传承我国传统家具文化,推动传统榫卯结构的现代更新。笔者将就实木家具可装配榫卯结构进行研究,通过对用户装配需求及榫卯特性的分析,指出可装配榫卯结构设计时的主要原则、方法及制约要素,并结合具体榫卯接合方式、结构类型进行案例分析,提出相应的用户可装配设计方案或建议,进而为可装配榫卯实木家具的设计生产提供方法指导和经验借鉴。

1 传统榫卯结构特色及木材特性

[size=1em]榫卯结构,自新石器时代起,至今已有7 000余年的历史。发展到中国明清时期,尤其是在家具制造领域,其不仅形制多样,体系完备,而且实用美观,技艺精湛,达到了一种叹为观止的地步。相关资料表明,明清家具榫卯结构总计100余种,其中常用结构有数十种,包括实木拼板结构、木框嵌板结构、弯曲件结构、箱框结构、木框架结构等多种接合类型,涵盖面与面、线与面、线与线、线与点等多种组合形式。在这些接合类型中,榫卯结构能够针对不同的功能形态、家具部位,采用不同的受力结构方式,如龙凤榫、格角榫、抱肩榫、楔钉榫和粽角榫等。借助榫卯之间的咬合和摩擦,家具构件无论上下左右,还是粗细直曲,不用钉子,仅添加少许鳔胶,就能扣合严密。精致细腻的榫卯在弘扬家具结构工艺美的同时,也为实木家具增添了许多人文魅力,但是,从相反角度而言,其在一定程度上也给家具的拆卸装配带来了局限性。严密、隐藏、复杂的榫卯不仅增加了用户的畏难心理,而且也降低了其参与体验度。20世纪后半叶,随着新材料、新技术的不断涌现,一大批先进理念的家具产品悉数登场,如拆装式(KDF)、待装式家具(RTAF)、易装式(ETAF)、自装式家具(DIYF)等。它们在推动家具产业快速发展的同时,也为榫卯结构的现代化改造提供了良好的借鉴。

[size=1em]木材是实木家具制作的主要材料,也是影响榫卯质量的核心所在。由于木材种类众多,材性各异,进而对榫卯质量的把控造成了一定的难度。从宏观角度看,木材一般可分针叶材(如松、杉、柏等)和阔叶材(如榆、柞、杨、榉、柚、檀),但无论哪种木材,均可能存在一定的缺陷,如吸湿胀缩、各向异性或天然缺陷等,因此使用木材制造家具及榫卯前均要对其进行处理,甚至是改性,以确保家具及榫卯质量的稳定。木材改性是当前应对木材缺陷的有力手段,也是提高榫卯质量的有效方法,其主要通过化学、生物或物理方法改变木材成分或结构,进而提高木材的性能,延长使用寿命[10]。考虑到木材原生多孔特性,运用改性剂不仅可以使其进入细胞壁内并充胀细胞壁,同时还能提高木材堆积密度,促进改性剂与细胞壁成分发生化学反应,从而达到提升木材性能和保持材性稳定的目的[10]。如利用糠醇改性木材,不仅可以增强木材细胞壁,增加木材塑性,还能提高木材尺寸稳定性和力学性能;利用乙酰化技术则能提高木材的尺寸稳定性、抗吸水性和耐候性等。因此,就榫卯结构而言,利用木材改性就是要提高其力学强度、尺寸稳定性,以及耐磨和耐久性能,从而有利于榫卯既能发挥木材的固有优点,又能抑制木材的天然缺陷,最终实现榫卯安全稳固、重复拆装的目标。

2 榫卯结构可装配性设计要求

[size=1em]榫卯存在于实木家具的各个角落,特别是家具的主体框架和围合结构,榫卯接合更为常见。在现实生活中,由于受家具制造技术和制造成本的制约,多数榫卯需要补强介质(如胶水、钉子、楔钉等)才能稳固,因而榫卯也常常被误认为是固定不可拆卸的,或者是不能自主和二次装配的。加上实木家具榫卯设计时,没有深入探究其拆卸和二次装配特性,当局部榫卯损坏时,一旦拆卸或维修成本过高或难度过大,就会导致整件家具被废弃[5]。因而,为使实木家具榫卯结构具备较好的可装配和可拆卸性能,除了提高其工艺制造水平外,在设计上其也必须遵守一定的原则。

[size=1em]1)保障力学强度。实木家具结构的稳固与否,与其榫卯接点和整体的强度刚度有直接的关联[5]。榫卯从构件形态上看,其主要是做减法,即制造榫卯时,其构件均需削减或挖除以制备榫头与榫眼,相对构件本身,榫卯位置比较薄弱。因此,在使用或装配拆卸过程中,家具损坏的部位往往就是榫卯位置。为保证家具的力学强度,有必要考虑榫卯结构的尺寸、数量及类型等因素。通过精确计算榫卯尺寸和数量,合理设计榫卯接合方式,以提高榫卯及实木家具的力学强度和安全性能。

[size=1em]2)严格的榫卯技术指标。实木家具是以实木为主要基材,榫卯也不例外。由于榫卯原生材质特性,在工艺技术上必须对其精确限定。精确的榫卯尺寸是用户装配的基本保障,特别是榫卯之间的咬合力和摩擦力,其是榫卯接点和整体结构的关键。因此要想榫卯尺寸精确不变形,就必须注意材质选择、榫卯公差及含水率、表面粗糙度等细节。影响榫卯的主要因素及相关技术指标见表1。由表1可知,榫卯的制作应优先选择材质致密、纹理通顺、干缩变形系数小的木材,同时还应避开节疤、腐朽及虫眼等病害区域,通过过盈量、含水率、表面粗糙度及榫头榫孔相关参数的精准控制,以提高榫卯的接合稳定性。

[size=0.8em]表1 可装配榫卯的主要影响因素及相关技术指标
Table 1 Main influencing factors and relevant technical indexes of mortise tenon assembly
6b814a9df34aacee3b9a609acad17e1b.jpg

[size=1em]3)便于装配拆卸。便于装配拆卸是面向用户装配设计的核心内容,其主要是针对装配拆卸两种动作过程。面向用户的装配设计,其榫卯结构的复杂难易程度与装配质量有很大关联。从用户角度来看,拆卸装配时,不仅榫卯特征要简明易识,而且操作步骤要简短易懂,尽可能少用特殊工具,以免破坏榫卯接口。同时,榫卯部位还应有良好的可达性和预测性[5]。装配拆卸部位不仅要有容纳动作的空间,而且还要省时省力,通过一个安装拆解动作就可预测其他安装拆卸结果,使榫卯接点安装之后不晃动,拆卸之时不费力[5]。

[size=1em]4)不影响二次和多次装配。二次和多次装配包含了若干的拆卸过程。由于木材本质特性,木质榫卯在进行二次和多次装配时会面临一些问题,如吸湿膨胀、干燥开裂,或摩擦咬合力下降,甚至界面磨损等。因此设计实木家具榫卯结构时,应着重考虑其材料特性,通过材料改性,增大榫卯受力尺寸,或表面处理来提高榫卯的抗变形能力,甚至可以考虑使用材质替代手法提高榫卯的多次装配拆卸性能。

[size=1em]5)合理的装配拆卸路径和效果。与其他类型家具相比,实木家具不仅形态复杂,而且整体成型的零件数量较少,多数是由部件组装而来。为避免家具结构强度降低和质量欠佳等问题,实木家具一般采取部件装配或整体装配再销售[12]。考虑到装配和拆卸成本,实木家具榫卯设计要优先考虑并行装配拆卸顺序,即尽量满足按需装配拆卸的要求,同时还要将装配拆卸效果控制在一定的限度。面向用户装配并不意味着所有的零部件都要自行组装或拆分再组装,而应允许局部预装部件的存在,允许局部破坏性的拆卸,从而在装配拆卸时,能够以较小的代价换来最佳的效益[5]。

3 面向用户装配的榫卯结构设计方法

[size=1em]提高装配效益,降低装配成本是面向用户装配设计的核心考量。考虑到用户固有认知的局限,榫卯结构宜简不宜繁,宜少不宜多,不仅榫卯接点数量要少,接合零件要少,而且接合特征要明显,接合顺序要简单,甚至整体质量都应适当减轻。从榫卯接合部位来看,实木家具装配性能主要由带榫卯的零部件(即整体榫,如线材、面材)来决定,因而设计可装配性实木家具主要就是通过榫卯接口优化零部件之间的匹配关系。而借助减量化、通用化、标准化及模块化等设计方法,不仅可以优化零部件之间的关系,而且还有利于用户装配目标的实现。

[size=1em]减量化是面向用户装配的基础,也是消除用户心理恐惧,提高用户参与度的前提。通过减量化设计,首先就是要大幅减少家具零部件、榫卯接口及连接件的数量与种类。家具是三维空间形态的产品,其存在长宽高3个方向的维度,包含各式各样的零部件。但整体而言,其均是线构成面、面构成体的过程,并且很多的线材在家具中都是补强结构。因此合理的线面合一和线线合一,有利于减少零件的数量与种类。如柜子的顶板、旁板,椅子的座面及桌面的面板等,传统上其均采用木框嵌板结构,并内部加横档或穿条,但是从宏观来看,其就是一个面构件。若将这些构件的木框架及内部横档、穿条全部减化,直接用一个面板代替,则可以减少很多零件数量和种类。又如传统带拖泥的几案,或带步步高赶枨的靠背椅,在结构安全的基础上,若能省略拖泥和赶枨则同样可以达到减量的目的。其次还要将同种功能的零件进行合理的成组和预装,即并将近似或类似的零件功能事先进行组合,以缩短终端客户的装配时间。家具从形态构成上看,其大部分是线面构成空间或块体,特别是以面为单元的成组部件,不仅可以减少用户接触的零件数,而且还有利于包装、运输,如各类家具的面板、顶板及旁板等。最后还要将榫卯自身的结构进行减量,简约化处理。如将传统三线接合的榫卯转化为普通三线接合的榫卯(方材三向接合),将普通三线接合的榫卯尽量转化成两线接合(方材两向接合)的榫卯,或将两线接合的榫卯转化成一个整体零件,以此减少接口和连接件数量,降低榫卯的装配加工难度,提高家具接点刚度。

[size=1em]通用化和标准化设计是以减量化为基础的设计方法,也是提高实木家具榫卯装配效率的主要方法[5]。虽然实木家具存在多种类型,多种形态,但基本上是一个对称协调的体系,即家具存在左右对称或前后对称的特性,同时在不同家具之中也存在一定的相似性,这就为通用化、标准化零部件设计提供了良好的优化前提[13-14]。利用通用化和标准化就是要将榫卯结构的接口和连接件形式尽量统一,并严格标准化,以方便零部件在一件家具或多件家具中的通用。以实木柜子为例,其虽然规格形式多样,但其均存在多个隔板、搁板及抽屉等部件,相应也存在多个相同规格的线材和面材,若每种同类零部件的接口均统一,则可以显著提高实木家具的装配效率。

[size=1em]除此之外,榫卯结构的模块化也对实木家具的装配效益起到很大的促进作用。模块化设计是以标准化、通用化为基础的高层次设计手法,也是从“少量”走向“多样”,“单一”走向“系列”的设计方法。在实木家具中,面对优秀定型的家具结构,其榫卯结构的模块化可以从两方面考虑:

[size=1em]一是自身参数配置的模块衍化。以传统方桌、条案、角几为例,其三者在形态上比较近似,均需一个面板4条腿,若以模块化方法将其榫卯进行有规律的扩展,则可以获得近似形态、不同尺寸的多个榫卯,那么装配时,其效率就会得到有效提高。

[size=1em]二是在保持榫卯结构稳定的基础上,衍化实木家具的外观形态。即将实木家具分成两大模块体系,具有通用性质的功能模块(以榫卯为主体的家具框架)和具有专属性质的形式模块(以围合板为主的附属板件),然后利用规则的派生、演化和层级化手法对实木家具进行系列化,从而得到大量的有近似规律的家具[5]。

[size=1em]以实木柜架为例,其主要包括顶-底模块、旁-隔模块、搁板模块、背板模块、门板模块以及抽屉模块等,其中构建柜架主要受力网络的是以榫卯为基础的顶面、底面、旁板、搁板、隔板及背板等功能模块。而门板、抽屉则兼具形式与功能的属性,特别是门板和抽屉的抽面其形式属性更强[5]。进行系列模块化时,可以先将功能模块层级化、参数化扩展,设计出相同结构不同规格的模块;而形式模块则可以进行大幅的变化,从日式风格到中式风格,最后将所有模块进行风格形式协调,这样就能得到内部榫卯结构相同,而外部形式多变的柜架,从而提高实木家具结构的装配效率[5]。因此可以看出,模块化设计不仅可以在不同种类家具中进行横向拓展,而且也可以在同类家具中进行纵向衍化,能够有效丰富实木家具的层次与内涵。

4 可装配性榫卯设计案例及分析

[size=1em]尽量“活拆”,不做“绝户”,是中国传统榫卯结构的精髓,也是设计可装配性榫卯的目标所在。实木家具榫卯可拆卸的种类很多,但面向普通用户和消费者的却很少。除受相关知识经验制约外,其主要还在于榫卯结构是一个严密科学的体系,加上不同工匠、不同家具因时因地的演化,进一步增添了榫卯结构的神秘感。但从榫头和零件来看,榫卯主要存在两种类别,即整体榫和分体榫。整体榫是在方材零件上直接加工而成(如直角榫、燕尾榫、梳齿榫),而分体榫则和零件相互分离(如楔钉榫,圆棒榫),单独成型后再装入家具零件的预制孔或槽中[12]。同时,从榫头受力情况来看,任何一个榫卯结构均有6个自由度,但能变化的一般只有一个。因此要想实现榫卯结构用户装配的目标,其关键就在于如何有效控制其变化的自由度。综合榫卯类别和接合方式发现,能够有效提升用户装配效益的榫卯主要有如下几种:搭接式榫卯、卡口式榫卯、自锁式榫卯、拴榫、走马销及片榫等,下面结合图1和表2对其特色进行分析。

[size=1em]实木家具的用户装配效益取决于多方面因素,如优秀的榫卯质量、简短的装配工序、省力的装配动作、充裕的装配空间及可视的装配区域等。从图1a~r,无论是搭接式榫卯还是卡口式榫卯,抑或是自锁式榫卯,其榫卯接点不仅可视性强,直观易懂,而且也消除了用户对榫卯装配的心理障碍。同时从装配动作来看,采用插、卡形式的榫卯不仅有利于接点的快速定位,而且也省力,在无特殊工具的条件下,用户采用单向动作,就可完成榫卯装配。但是,从相反角度来看,图1a~r则对榫卯的质量提出了更高的要求,不仅榫卯尺寸要精确,不变形,而且其局部尺寸也要适当增大,并通过过盈配合,以增大榫卯接触面的摩擦力。过盈量是榫卯之间摩擦力的关键,其合适与否,直接关系到用户的装配体验。在理想情况下,榫卯之间的摩擦力约与成人臂力相当,以方便手动装配拆卸,若摩擦力过小则榫卯容易移位。除此之外,随着时代的发展,新材料新工艺也为实木家具的可装配性提供了极大的助力。图1s是一种新型榫卯,属于独立型插接式榫卯连接件,是当前及未来榫卯设计的一种新趋势。它以预制件的形式,在满足用户装配的同时,也满足了工业化生产需求,并降低了生产成本。图1t是另一种榫卯接合形式,其借鉴了螺栓的紧固特性,方便家具零部件位置的无极调节。总体而言,从图1a~t,不仅有效简化了榫卯的接合形式,而且也便于进行标准化、通用化及模块化运作,适合在多数家具中推广,具有很高的用户装配效益。

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[size=0.8em]图1 可装配性榫卯
Fig. 1 Assembly of mortise and tenon
[size=0.8em]表2 可装配性榫卯分析
Table 2 Analysis of assembly of mortise and tenon

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5 结 语

[size=1em]面向用户的可装配性设计是当前产品设计的一个主流趋势,也是实木家具榫卯设计的一个重要内容。为获得性能优越的可装配性实木家具,设计师不仅要熟悉实木家具的材料和结构特点,而且还要了解影响榫卯性能的各项因素,通过分析榫卯的优势和局限,梳理可装配性榫卯结构的设计原则和要求。同时,在设计理念上,还应大胆借鉴减量化、通用化和标准化等先进设计方法,以进一步优化榫卯结构设计的理论体系,提高其装配效益。除此之外,设计师还可将当前相关领域的新材料、新工艺和新技术与实木家具相融合,大胆创新,以进一步推动其榫卯结构的现代化转变[15]。

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Design for user assembly mortise and tenon structure insolid wood furniture
ZHU Yun1, SHEN Liming2*
(1. Huizhou University, Huizhou 516007, Guangdong, China; 2. College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)
Abstract: Design for user assembly (DFUA) is a mainstream trend of the current product design, and also an important part of the design of solid wood furniture (SWF). By analyzing the characteristics of the SWF and user assembly requirements, this study pointed out the advantages and limitations of the mortise and tenon structure (MTS) and put forward the main assembly principles and requirements of the MTS as follows: 1) reliable mechanical strength of tenon joints; 2) strict tenon joints technical index; 3) easy assembly and disassembly; 4) being able secondary- and multiple-times assembly; and 5) reasonable assembly and disassembly procedures. Then, by drawing on the modern design concept, it expounded the design methods of the MTS for reduction, generalization, standardization, modularization, etc. Finally, with some case studies, from the perspective of mortise and tenon joint type and joint technique, it analyzed the concrete practice of the assembly of the MTS, and provided some suggestions for improvement. In solid wood furniture, there are many structures to be disassembled, but these usually cannot be completed by user themselves. From the point of tenons and parts, there are two main types of mortise and tenon joint categories, namely, the whole tenon and the split tenon. In terms of the mortise and joints, there are several kinds of tenons which can effectively improve the efficiency of the users’ assembly, such as lap type of the MTS, bayonet type of the MTS, self-locking type of the MTS, plug-in type of the MTS, chip type of the MTS. Especially, some of innovative MTS, such as fastening type of the MTS and replacement type of the MTS, which will help to modernize the structure of solid wood furniture. The integration of the assembly concepts and the SWF could not only improve the overall benefit of the SWF and adapt to the change of the modern production and lifestyle, but also inherit the traditional furniture culture of China, promote the modern renewal of the traditional moron structure, and provide the DFUA guidance and experience for the solid wood future design and application.
Keywords:mortise and tenon structure (MTS); design for user assemble; solid wood furniture (SWF); joint; disassembly
收稿日期:2017-07-19
修回日期:2017-09-05
基金项目:国家林业局合作项目(2012-53);广东省哲学社会科学规划项目(GD15YYS06);广东省非物质文化遗产研究基地开放基金资助课题(650406);惠州学院教授博士科研启动资助课题(2017JB002);广东石油化工学院2016年度博士启动资助课题(660494)。
作者简介:朱云,男,副教授,研究方向为家具设计与室内设计。通信作者:申黎明,男,教授。E-mail:shenlimingda@hotmail.com

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