楊越淳 任 毅 張繼娟 張仲鳳

（中南林業(yè)科技大學(xué)；國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心；湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國竹資源豐富，竹材繁茂易生，具有采伐周期短、再生能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[1]，符合可持續(xù)發(fā)展理念。竹材的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量等強(qiáng)于一般針葉木材，能夠與硬闊葉木材相媲美[2-3]。隨著竹材加工技術(shù)不斷進(jìn)步，竹制材料緩解了木材資源供給壓力，在建筑、家具、產(chǎn)品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中較為突出的是竹集成材。竹集成材是具有中國色彩的復(fù)合材料，同時(shí)，竹集成材可實(shí)現(xiàn)在家具榫卯結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。因此，本研究以竹集成材為載體，對(duì)榫卯家具進(jìn)行現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯。引入CMF設(shè)計(jì)理念，將竹集成材色彩、材料和表面處理加工工藝作為評(píng)價(jià)內(nèi)容，測(cè)試竹集成材T型榫接合試件的抗彎強(qiáng)度，從用戶感知覺、設(shè)計(jì)美學(xué)、力學(xué)強(qiáng)度三方面評(píng)價(jià)竹集成材作為榫卯家具用材的適用性，并提出符合現(xiàn)代生產(chǎn)、審美及情感需求的竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)策略。

1 CMF設(shè)計(jì)方法

CMF是色彩（Colour）、材料（Material）和表面處理加工工藝（Finish）的縮寫[4]。在精神需求大于物質(zhì)需求的大背景下，CMF設(shè)計(jì)方法從色彩、材料和表面處理方法三方面，以目標(biāo)用戶的視覺、觸覺等感官體驗(yàn)為參考，通過顯性物理元素的選擇來滿足用戶的感性需求[5-7]。將產(chǎn)品的色彩、材料、表面處理加工工藝相互影響所呈現(xiàn)出的情感信息表達(dá)在具體的物體上（如圖1），以達(dá)到美學(xué)與功能的最佳平衡。在竹集成材作為榫卯家具用材的評(píng)價(jià)中，以CMF設(shè)計(jì)方法為理論依據(jù)，將色彩、材料和表面處理加工工藝三方面特性作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過感知覺體驗(yàn)來檢驗(yàn)竹集成材用于榫卯家具是否契合用戶審美及情感需求。

圖1 CMF在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用Fig.1 Application of CMF in product design

2 竹集成材用于榫卯家具的CMF評(píng)價(jià)

2.1 竹集成材色彩特性

竹集成材有本色和碳化色兩種常見的顏色，經(jīng)過去黃、去青處理，保留竹材原本的天然色彩，制成本色竹集成材。經(jīng)過高溫、高壓飽和蒸汽處理，使得竹材碳化，得到相對(duì)沉穩(wěn)的棕色，即碳化竹集成材[8-9]。以孟塞爾色彩系統(tǒng)中的明度（Value）、色相（Hue）、彩度（Chroma）三個(gè)指標(biāo)來表述竹集成材色彩特性，通過測(cè)試得到，本色竹集成材的明度主要分布于7.04～7.12，色相主要分布于6.18～7.02，彩度主要分布于5.24～5.28[10]。數(shù)據(jù)表明，本色竹集成材屬于黃色色相，明度較高，而彩度相對(duì)較低。碳化竹集成材的明度主要分布在5.03～5.23，色相主要分布在3.57～3.84，彩度主要分布在8.08～8.35[10]。碳化竹集成材屬于黃色偏紅色色相，明度中等，彩度稍高。從色彩心理學(xué)角度分析，本色竹集成材較為明亮的黃白色，傳達(dá)出明快、溫暖、舒暢、希望的色彩情緒；碳化竹集成材的棕黃色，體現(xiàn)了沉穩(wěn)、素雅、莊重的色彩情緒[11-12]。榫卯家具多是內(nèi)含中華文化符號(hào)的中式家具，竹集成材所表達(dá)的色彩情緒關(guān)鍵詞與中式家具風(fēng)格相匹配。碳化竹集成材色彩沉穩(wěn)、深沉，用于制造榫卯家具，能夠作為仿珍貴硬木家具用材，減少對(duì)于珍貴硬木的消耗。

2.2 竹集成材材料特性

竹集成材借鑒了木集成材的制造工藝，以竹為原料，經(jīng)過防腐、干燥、施膠等一系列的機(jī)械和化學(xué)加工，在一定的溫度和壓力下，借助膠黏劑或竹材自身的結(jié)合力的作用，膠合成板材和型材[13]。竹集成材經(jīng)過加工，一定程度上補(bǔ)足了竹材易蛀易腐的短處，并保留竹材強(qiáng)度高、韌性好、濕脹干縮形變小、尺寸穩(wěn)定、耐磨損等優(yōu)勢(shì)[14]，目前已廣泛應(yīng)用在建筑、家具、產(chǎn)品等領(lǐng)域。在對(duì)竹集成材的語意感性評(píng)價(jià)中，用戶對(duì)于竹集成材的視覺和心理感受均偏向于褒義詞性，以“舒適、文明、優(yōu)雅、環(huán)?！睘橹鱗15]，能夠滿足用戶對(duì)于家具用材自然環(huán)保的情感需求。作為榫卯家具用材，竹集成材具備了類似珍貴硬木的材質(zhì)特性，滿足用戶情感需求，適合作為榫卯家具用材。

2.3 竹集成材表面處理、加工工藝

竹集成材組坯方式不同，所得到的紋理圖樣也不同。常見的有竹集成材本色平壓、側(cè)壓排列，碳化平壓、側(cè)壓排列、棋盤格排列、斑馬紋排列幾種方式[16]（表1）。竹集成材平壓板表面竹節(jié)錯(cuò)落有致，紋理通直，在對(duì)竹家具表面紋樣的眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，竹節(jié)紋理的保留在用戶對(duì)于竹家具表面紋理的喜愛程度中排名第二[17]，符合人們對(duì)于“竹”這個(gè)文化意向素雅、自然的情感需求。竹集成材側(cè)壓板表面紋理致密流暢，統(tǒng)一性好，符合現(xiàn)代家具的簡(jiǎn)潔風(fēng)格。棋盤格和斑馬紋的排列是將本色竹片與碳化竹片交錯(cuò)、規(guī)則地排列后再膠合，達(dá)到活潑、靈動(dòng)的風(fēng)格效果。

表1 竹集成材常見的紋理類型Tab.1 Common texture types of laminated bamboo

竹集成材適合大規(guī)模生產(chǎn)加工，利用率可達(dá)78%～83%，而實(shí)木利用率不到60%[18]。竹集成材并沒有改變竹材原有結(jié)構(gòu)，仍屬于天然基材，質(zhì)地堅(jiān)硬，且抗拉、抗壓強(qiáng)度還優(yōu)于材料本身，可進(jìn)行雕刻、銑型、鉆孔等加工[19]，相比較竹材本身更不易出現(xiàn)毛刺，便于加工。竹集成材易加工，表面紋理符合現(xiàn)代榫卯家具典雅、質(zhì)樸的風(fēng)格，同時(shí)能夠通過染色、涂飾、覆面等方式滿足用戶個(gè)性化需求，提高竹材利用率。

3 竹集成材T型榫接合力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

竹集成材與木材在物理特征上相似，但相較于木材，竹集成材具有干縮濕脹形變小、耐磨損、耐腐、封閉性好等優(yōu)勢(shì)[20]。由于竹集成材特殊的物理力學(xué)性能，在制作家具榫接合構(gòu)件時(shí)，不應(yīng)該照搬原有的實(shí)木榫卯的要求，應(yīng)提出適合竹集成材材料特性的榫卯配合要求。將竹集成材應(yīng)用于家具中，特別是椅子，其強(qiáng)度及耐久性主要體現(xiàn)在家具腿、扶手等部位上[21]，即家具T型構(gòu)件。在對(duì)竹集成材用于榫卯家具的力學(xué)性能評(píng)價(jià)中，以T型榫接合節(jié)點(diǎn)為試驗(yàn)對(duì)象，以榫頭厚度和榫頭長(zhǎng)度為變量，通過測(cè)試9組不同榫頭尺寸配合的竹集成材T型榫接合試件的抗彎強(qiáng)度，來探究竹集成材家具榫卯節(jié)點(diǎn)力學(xué)抗彎強(qiáng)度及榫卯尺寸影響規(guī)律。

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用材為福建南平生產(chǎn)的竹集成材方材，尺寸為200 mm×40 mm×40 mm （長(zhǎng)×寬×厚），密度為0.75 g/cm3，含水率為8%～10%。QDYX-MJ6128精密推臺(tái)鋸，MZ1610方鑿榫槽機(jī)，配備8、12、16 mm的方孔鉆；MWW-100A萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；夾具、游標(biāo)卡尺、直尺等。

3.2 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試竹集成材榫接合尺寸對(duì)家具節(jié)點(diǎn)力學(xué)強(qiáng)度的影響，試件為家具腿、扶手等部位常出現(xiàn)的方榫接合的T型構(gòu)件，如圖2 所示。其中，a為榫頭厚度，b為榫頭寬度，l為榫頭長(zhǎng)度。

圖2 竹集成材T型榫接合構(gòu)件Fig.2 Laminated bamboo tenon joint T-shaped member

試驗(yàn)設(shè)置榫頭厚度a和榫頭長(zhǎng)度l為變量，榫頭寬度b為定量與試件整體寬度相同，為40 mm。榫眼尺寸與榫頭一致，過盈配合量為0。將榫頭厚度a設(shè)置為8、12、16 mm，榫頭長(zhǎng)度l設(shè)置為20、25、30 mm，試件榫卯尺寸配合方式分為9 組。為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，試件加工精度控制在0.1 mm內(nèi)。T型榫接合試件施加乳白膠組裝，涂膠量為150 g/m2。測(cè)試前，將組裝好的試件放在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為55%的環(huán)境中靜置72 h。

測(cè)試竹集成材T型榫接合試件抗彎強(qiáng)度的加載示意圖如圖3 所示，在距榫卯接合節(jié)點(diǎn)120 mm處施加力，加載速度為10 mm/min。分別對(duì)不同尺寸配合的竹集成材T型試件進(jìn)行測(cè)試，每組尺寸配合重復(fù)3 次試驗(yàn)，記錄T型試件的抗彎強(qiáng)度最大載荷以及試件的位移-載荷數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖3 試件抗彎強(qiáng)度測(cè)試加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of test specimen bending strength test loading

3.3 力學(xué)強(qiáng)度分析

以破壞彎矩作為衡量力學(xué)強(qiáng)度的指標(biāo)，破壞彎矩越高則表示該榫頭榫眼接合節(jié)點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度越大。破壞彎矩計(jì)算公式[22-24]為：

式中：M為破壞彎矩，N·m；P為最大抗彎載荷，N；L為施力點(diǎn)至接合節(jié)點(diǎn)的距離，m。

表2 9 組尺寸配合的抗彎測(cè)試結(jié)果Tab.2 Bending test results of 9 groups of size fits

在試驗(yàn)過程中，T型榫接合試件受到向下加載的力，隨著施加力的增大，榫頭試件的位移不斷增加，榫頭榫眼的擠壓也不斷增大，直至試件破壞，得到最大抗彎載荷，并計(jì)算得到破壞彎矩。根據(jù)表3 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，9 組竹集成材T型榫接合試件的破壞彎矩對(duì)比如圖4 所示。從整體來看，由圖4（a）可知，竹集成材T型榫接合試件的破壞彎矩隨著榫頭厚度和榫頭長(zhǎng)度的增加，也呈階梯狀增大。其中，榫頭厚度為8 mm、榫頭長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，破壞彎矩最小，為40.36 N·m；榫頭厚度為16 mm、榫頭長(zhǎng)度為30 mm時(shí)，破壞彎矩最大，為153.32 N·m。

圖4 榫頭厚度和榫頭長(zhǎng)度對(duì)試件破壞彎矩的影響Fig.4 Influence of tenon width and tenon length on failure moment of specimen

由圖4（b）可知，榫頭厚度相同時(shí)，試件的破壞彎矩隨著榫頭長(zhǎng)度的增加而增大，榫頭長(zhǎng)度為30 mm時(shí)增幅明顯；榫頭長(zhǎng)度相同時(shí)，試件的破壞彎矩隨著榫頭厚度的增加而增大。榫頭厚度為8 mm時(shí)，榫頭長(zhǎng)度為20、25 mm試件破壞彎矩增大不明顯，增幅為14.07%，但榫頭長(zhǎng)度增加至30 mm時(shí)，試件的破壞彎矩增大明顯，較榫頭長(zhǎng)度25 mm增幅為67.07%。榫頭厚度為12、16 mm時(shí)，榫頭厚度增加破壞彎矩的增大相對(duì)均勻，平均增幅分別為44.80%和53.31%?？梢?，榫頭長(zhǎng)度增加竹集成材T型榫接合試件破壞彎矩的增幅隨著榫頭厚度的增加而增大。

4 竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)探索

4.1 竹集成材用于榫卯家具適用性評(píng)價(jià)

對(duì)竹集成材用于榫卯家具的適用性評(píng)價(jià)，從竹集成材本身出發(fā)，通過用戶感知覺、設(shè)計(jì)美學(xué)、力學(xué)強(qiáng)度三方面進(jìn)行。以CMF作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在色彩特性方面，竹集成材所表達(dá)的色彩情緒關(guān)鍵詞與中式榫卯家具風(fēng)格相匹配。碳化竹集成材色彩沉穩(wěn)、深沉，用于制造榫卯家具，能作為仿珍貴硬木家具用材，減少對(duì)于珍貴硬木的消耗。在材料特性方面，竹集成材具備了類似珍貴硬木的材質(zhì)特性，能滿足用戶對(duì)于家具用材自然環(huán)保的情感需求。在表面處理、加工工藝方面，竹集成材易加工，表面紋理符合現(xiàn)代榫卯家具典雅、質(zhì)樸的風(fēng)格，同時(shí)能夠通過染色、涂飾、覆面等方式滿足用戶個(gè)性化需求。榫卯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)家具結(jié)構(gòu)的一種傳承與創(chuàng)新，竹集成材T型榫接合試件抗彎強(qiáng)度隨著榫頭厚度和榫頭長(zhǎng)度的增加而增大，竹集成材榫接合力學(xué)強(qiáng)度能夠滿足榫卯家具需求。

4.2 竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)策略

固有觀念中的榫卯家具，樣式傳統(tǒng)、體量大、裝飾繁多，與現(xiàn)代審美及生活需求相差甚遠(yuǎn)。在對(duì)竹集成材榫卯家具的設(shè)計(jì)中，以現(xiàn)代創(chuàng)新設(shè)計(jì)形式演繹傳統(tǒng)榫卯元素，避免我國傳統(tǒng)審美與現(xiàn)代審美及中式家具使用功能與現(xiàn)代生活需求脫節(jié)[25]?；谥窦刹牡牟牧咸匦裕岢龇犀F(xiàn)代生產(chǎn)、審美及情感需求的竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)策略，為榫卯家具的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)“以竹代木”，緩解資源壓力提供思路。

4.2.1 竹集成材榫卯家具線形設(shè)計(jì)

竹集成材紋理通直，密度大、強(qiáng)度高，在保證家具穩(wěn)定性的前提下，能夠以纖細(xì)的線條形式來進(jìn)行竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)，即線形設(shè)計(jì)。通過竹集成材榫卯家具的線形設(shè)計(jì)，減小了家具零部件的體積，減弱了榫卯家具厚重的體量感，減少了家具用材量，用戶視覺感受通透、輕巧，簡(jiǎn)單的造型與現(xiàn)代裝飾風(fēng)格相襯。通過線的排列、組合、聚集等設(shè)計(jì)手段，能夠以簡(jiǎn)單的線條形式，傳達(dá)出最深沉的中華文化內(nèi)涵。

4.2.2 竹集成材榫卯減量化設(shè)計(jì)

我國傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)在與現(xiàn)代家具結(jié)合時(shí)，常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、不適合大批量生產(chǎn)、加工成本高等問題[26]。對(duì)竹集成材榫卯家具進(jìn)行減量化設(shè)計(jì)，一方面基于竹集成材較強(qiáng)的力學(xué)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)減少用料的同時(shí)不影響家具的力學(xué)強(qiáng)度，減少原材料和能源的投入。另一方面，一部分傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)裝飾性大于功能性，其復(fù)雜而不便于加工的榫卯結(jié)構(gòu)不一定能夠得到力學(xué)強(qiáng)度的有效分布。針對(duì)這一部分復(fù)雜的傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化改進(jìn)，在保證家具結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度的前提下，舍去不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，縮小榫卯尺度，減少加工工序，實(shí)現(xiàn)最大化的材料有效利用。

4.2.3 竹集成材可拆裝榫卯設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)家具中，有許多巧妙的可拆裝榫卯結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部勾掛結(jié)構(gòu)、外嵌榫卯結(jié)構(gòu)、自身搭嵌牽制榫卯結(jié)構(gòu)等形式[27-28]。以燕尾榫、走馬銷、栓、魯班鎖為例，運(yùn)用拆裝、拼接的形式進(jìn)行家具零部件之間的組合固定，結(jié)構(gòu)巧妙且穩(wěn)固?，F(xiàn)代竹集成材家具的可拆裝榫卯設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代審美及用戶需求，考慮榫卯拆裝結(jié)構(gòu)的可操作性，強(qiáng)調(diào)可拆裝榫卯家具功能、結(jié)構(gòu)和形式的完整性。靈活方便的可拆裝的榫卯形式的應(yīng)用，一方面是對(duì)傳統(tǒng)榫卯智慧傳承，另一方面能夠便于更換家具易損零件，且極大地減少了竹集成材家具的包裝和運(yùn)輸成本。

5 結(jié)語

竹集成材的應(yīng)用在很大程度上緩解了木材資源壓力，但在竹集成材榫卯家具的設(shè)計(jì)制造中，完全沿用木榫卯家具的方法不可行。因此，參考竹集成材的美學(xué)特征及特殊性能，提出竹集成材榫卯家具的設(shè)計(jì)策略是發(fā)展的必然道路。經(jīng)過CMF分析評(píng)價(jià)及力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，竹集成材在用戶感知覺、設(shè)計(jì)美學(xué)、力學(xué)強(qiáng)度三方面，均符合用戶對(duì)于榫卯家具的心理需求及功能需求。在家具產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展方面，提出“線形設(shè)計(jì)、減量化設(shè)計(jì)、可拆裝設(shè)計(jì)”的竹集成材榫卯家具設(shè)計(jì)策略，完全契合綠色可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代主題，為“以竹代木”、資源合理利用提供了思路。在文化傳承方面，將我國榫卯智慧與現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)榫卯家具的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯設(shè)計(jì)。