王 麗,祝 苗,駱 琦,2,王 涵
(1.浙江農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,浙江杭州 311300;2.浙江省輕工業(yè)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院,浙江杭州 310018)
隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展,人為產(chǎn)生的溫室氣體的排放正在對(duì)自然系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大沖擊,引發(fā)的自然災(zāi)害、極端溫度將更加頻繁達(dá)到人類健康的臨界耐受閾值[1],減少碳排放、推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品向低碳減排轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為控制環(huán)境惡化,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)低碳發(fā)展的必由之路。家具產(chǎn)業(yè)是我國(guó)工業(yè)的重要組成部分,其生產(chǎn)過(guò)程中涉及多種資源能源消耗以及二氧化碳排放,作為家具產(chǎn)品生命周期的起點(diǎn),設(shè)計(jì)階段對(duì)家具產(chǎn)品70%以上的制造、使用、運(yùn)輸、回收再利用和廢棄處理等性能起決定性作用[2]。觀念的轉(zhuǎn)變要求設(shè)計(jì)師以低碳思維指導(dǎo)家具設(shè)計(jì),從成本及工藝的源頭減少家具制造過(guò)程中的碳排放[3]。進(jìn)行基于全生命周期的木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)策略研究,有助于設(shè)計(jì)師在家具設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)、創(chuàng)新的運(yùn)用低碳設(shè)計(jì)方法,最大程度提升設(shè)計(jì)的低碳性,從源頭改善家具產(chǎn)業(yè)高碳排放問(wèn)題,為我國(guó)家具低碳設(shè)計(jì)提供思路和參考。
全生命周期理論被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域,用于表達(dá)事物從“出生”到“滅亡”的整個(gè)過(guò)程,在設(shè)計(jì)領(lǐng)域以設(shè)計(jì)研發(fā)為起點(diǎn)、以控制各個(gè)階段產(chǎn)品碳排放為目標(biāo)指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行周期性設(shè)計(jì)。作為設(shè)計(jì)決策的重要思想和工具,其基于環(huán)境資源、消費(fèi)心理、戰(zhàn)略成本等多角度進(jìn)行綜合分析,系統(tǒng)直觀的展示產(chǎn)品的整個(gè)生命進(jìn)程。
全生命周期設(shè)計(jì)立足于“過(guò)程”層面,以減少碳排放為目標(biāo)進(jìn)行全面思考,使設(shè)計(jì)師真正站在全局角度尋找優(yōu)化資源利用的思路與方法,針對(duì)產(chǎn)品不同階段的特點(diǎn)采取相應(yīng)設(shè)計(jì)策略,從宏觀角度解決家具制造過(guò)程中的微觀問(wèn)題[4],探尋任何有可能對(duì)環(huán)境造成不良影響的因素,并在后續(xù)設(shè)計(jì)策略制定及實(shí)施過(guò)程中盡量減少甚至消除其影響,目的是以最少的碳排放完成產(chǎn)品需求的實(shí)現(xiàn)。
綜合分析近年我國(guó)不同類型的家具產(chǎn)品產(chǎn)量,木質(zhì)家具以其較好的固碳能力及健康舒適的使用價(jià)值名列前茅,較大的產(chǎn)量決定了木質(zhì)家具產(chǎn)業(yè)較高的碳排放強(qiáng)度以及較大的碳減排空間。因此,大量業(yè)內(nèi)學(xué)者試圖立足于設(shè)計(jì)的角度探索解決問(wèn)題的有效策略。
現(xiàn)階段,木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)方法主要可以歸結(jié)為三類:一是選取較為低碳的材料進(jìn)行設(shè)計(jì),林立平指出原材料消耗在木質(zhì)家具碳排放中占最大份額,根據(jù)木基材料固碳能力的差異選擇固碳能力較高的原材料作為家具設(shè)計(jì)的用料有助于減少其碳排放[5]。二是家具結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì),即通過(guò)設(shè)計(jì)手段減少或循環(huán)使用高排放材料,如膠水、五金連接件等,或提高家具可拆卸性能延長(zhǎng)家具壽命以減少碳排放。孫良峰曾通過(guò)模塊細(xì)分及重構(gòu)表達(dá)來(lái)提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可重用性達(dá)到節(jié)能減排的效果,并構(gòu)建了面向低碳設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多層集成模型[6],哈里瓦g 艾迪尼(Harivaedhini)等提出一種集成框架為產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段的可拆卸性設(shè)計(jì)決策提供幫助,以降低設(shè)計(jì)方案對(duì)環(huán)境的影響[7]。三是采用減量化設(shè)計(jì)方法,戴向東等從材料、生產(chǎn)工藝及包裝等三個(gè)方面進(jìn)行木質(zhì)家具減量化設(shè)計(jì)研究并提出了具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以期通過(guò)減少資源消耗達(dá)到節(jié)能減排的目的[8]。對(duì)于木質(zhì)家具設(shè)計(jì)而言,只考慮某一方向進(jìn)行碳減排設(shè)計(jì)的方式較為單一,無(wú)法保證家具碳減排設(shè)計(jì)的整體性和系統(tǒng)性,而家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要基于全局考慮產(chǎn)品的每一個(gè)生命階段,同時(shí)還需保證各階段與設(shè)計(jì)需求(如功能、結(jié)構(gòu)、成本等)的一致性。鑒于木質(zhì)家具生命周期較復(fù)雜,設(shè)計(jì)師應(yīng)基于全生命周期理論分析木質(zhì)家具碳排放特征,以準(zhǔn)確識(shí)別家具設(shè)計(jì)中碳減排的關(guān)鍵因素,并依此制定后續(xù)設(shè)計(jì)策略。
木質(zhì)家具全生命周期作為一個(gè)完整的系統(tǒng),其生命周期每個(gè)階段中影響碳排放的因素都可以作為木質(zhì)家具設(shè)計(jì)中需要考慮的碳足跡關(guān)鍵點(diǎn),即是該家具的碳減排設(shè)計(jì)突破點(diǎn),本文從設(shè)計(jì)的角度出發(fā),基于木質(zhì)家具全生命周期將其碳排放的產(chǎn)生分為五個(gè)策略階段:材料選擇、生產(chǎn)加工、包裝運(yùn)輸、銷售維護(hù)、使用回收進(jìn)行分析,提取要素。見圖1表達(dá)了木質(zhì)家具生命周期不同階段的碳足跡以及關(guān)系示意圖。
圖1 木質(zhì)家具全生命周期系統(tǒng)示意圖
2.2.1 材料選擇
材料選擇是木質(zhì)家具碳排放的基礎(chǔ)階段,決定著碳排放的下限。木質(zhì)家具在用材上分為實(shí)木板和人造板,其中人造板主要包括纖維板、刨花板、膠合板等,由于其生產(chǎn)工藝不同其碳排放情況存在顯著差異。實(shí)木板的碳排放特點(diǎn)為自身單位碳排放相對(duì)較低,但其后續(xù)加工步驟較多,且易產(chǎn)生不必要的原材料消耗;人造板相對(duì)而言自身碳排放較高,但其應(yīng)用靈活,加工工序較少[9],并且利用了大量回收木材,間接產(chǎn)生了固碳作用[10],一定程度上能夠控制碳排放。
2.2.2 生產(chǎn)加工
生產(chǎn)加工是木質(zhì)家具碳排放產(chǎn)生的主要階段,涉及開料、刨切、銑型鉆孔、上漆、裝配等多道生產(chǎn)工序[11],需要使用的生產(chǎn)設(shè)備及工藝都對(duì)木質(zhì)家具碳排放有著至關(guān)重要的影響。工藝的耗能直接影響碳足跡,工藝設(shè)備對(duì)能源如電能、水能、熱能的消耗都是碳排放產(chǎn)生的主要原因,采用低耗能工藝及環(huán)保工藝可有效實(shí)現(xiàn)減排[12]。工序的復(fù)雜度影響碳排放,對(duì)原材料加工、上漆、裝配(連接件使用、連接膠使用)等工序的安排直接影響碳足跡。
2.2.3 包裝運(yùn)輸
包裝運(yùn)輸涉及到包裝材料使用、在庫(kù)管理、運(yùn)輸能源等碳排放。首先,木質(zhì)家具自身重量決定其儲(chǔ)運(yùn)難度以及運(yùn)輸能源消耗量,家具重量與運(yùn)輸碳排放成正比;其次,木質(zhì)家具結(jié)構(gòu)影響碳排放,這由運(yùn)輸過(guò)程中包裝及擺放方式?jīng)Q定;其三,包裝材料用量影響碳足跡,為保證在儲(chǔ)運(yùn)木質(zhì)家具過(guò)程中的安全,一般會(huì)大量使用塑料膠布、塑料填充氣泡、紙質(zhì)包裝盒等碳排放較高的包裝材料,因此優(yōu)化包裝材料是減少碳排放的有效途徑之一。
2.2.4 銷售維護(hù)
銷售維護(hù)環(huán)節(jié)是連接生產(chǎn)者與使用者的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),涉及的碳排放活動(dòng)除去基礎(chǔ)銷售,還包括產(chǎn)品的分揀,上架,維護(hù)、售賣等,銷售效率即庫(kù)存數(shù)量決定著銷售維護(hù)環(huán)節(jié)所消耗的電能與維護(hù)成本,是銷售維護(hù)環(huán)節(jié)碳足跡的主要影響因素,此環(huán)節(jié)受產(chǎn)品外觀及理念設(shè)計(jì)影響較大。
2.2.5 使用回收
使用過(guò)程受木質(zhì)家具自身材料及結(jié)構(gòu)影響較大,相同使用方式與強(qiáng)度之下,家具結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、拆裝難度決定了其使用壽命即報(bào)廢率,其中可拆卸結(jié)構(gòu)家具以其更新便利性有助于控制碳排放?;厥者^(guò)程分為回收銷毀、降級(jí)利用[13]與直接利用三種方式,降級(jí)利用與直接利用能有效減少資源消耗以及碳排放,是木質(zhì)家具減排設(shè)計(jì)的重要組成部分。
木質(zhì)家具全生命周期中涉及多種復(fù)雜影響因素,這就要求設(shè)計(jì)師進(jìn)一步明確木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)的本質(zhì):即對(duì)碳排放影響因素的優(yōu)化、取舍,并在保證或提高家具性能的情況下控制其對(duì)環(huán)境的影響,例如當(dāng)改變某個(gè)原材料、部件以減少產(chǎn)品碳排放時(shí),必定會(huì)影響到與之相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品性能,如穩(wěn)定性、耐用性等,若此影響為負(fù)面則會(huì)出現(xiàn)沖突。因此在木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)中必需發(fā)現(xiàn)和解決沖突。由發(fā)明家阿奇舒勒創(chuàng)立TRIZ 理論是一種為解決問(wèn)題建立的通用模型,能夠通過(guò)對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)指導(dǎo)設(shè)計(jì)師在探索中掌握產(chǎn)品創(chuàng)新規(guī)律。目前廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域(圖2)。本文擬應(yīng)用TRIZ模型將木質(zhì)家具設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的矛盾基于39個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行重新描述,分析得出相應(yīng)的技術(shù)矛盾,并通過(guò)建立矛盾矩陣,由沖突雙方確定相應(yīng)的可用發(fā)明原理用于后續(xù)設(shè)計(jì)[14-16]。
圖2 TRIZ解決問(wèn)題示意圖
通過(guò)對(duì)木質(zhì)家具碳排放特征及影響因素進(jìn)行篩選與歸類處理,從設(shè)計(jì)方面減少木質(zhì)家具碳排放主要可以通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)、外觀三方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖3),該優(yōu)化過(guò)程面臨如下三種沖突。
圖3 沖突分析流程圖
(1)碳減排與穩(wěn)定性方面的沖突。木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)中,為減少原材料自身以及儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的能源消耗,通常會(huì)采取減少原材料使用、減少連接件使用、優(yōu)先輕量原材料等設(shè)計(jì)方法,然而若材料使用過(guò)少或過(guò)于輕便,則強(qiáng)度及支撐力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化,或影響產(chǎn)品正常使用;若設(shè)計(jì)中大量減少連接件、膠黏劑的使用,雖一定程度上控制了碳排放但不合理的設(shè)計(jì)易導(dǎo)致穩(wěn)定性降低,從而使消耗率上升即碳排放增加,并且易造成安全隱患,與設(shè)計(jì)目的相悖。
(2)碳減排與結(jié)構(gòu)方面的沖突。為了有利于木質(zhì)家具的拆解運(yùn)輸,回收拆分以減少碳排放,大量設(shè)計(jì)師致力于木質(zhì)家具結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新,但當(dāng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜時(shí)易導(dǎo)致如下問(wèn)題:其一,用戶組裝與維護(hù)難度提升,雖便于部分零件更換或者減輕運(yùn)輸空間壓力,但操作不當(dāng)引起不必要的損耗的概率隨之提高;其二,消費(fèi)者購(gòu)買欲望降低,過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致消費(fèi)者認(rèn)為其使用難度較高,難以提高消費(fèi)者的消費(fèi)欲望,將增加庫(kù)存成本;其三,加工難度增大,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)雖然減少了材料消耗,但是對(duì)加工精度要求較高,引起工序的增加,生產(chǎn)過(guò)程中需要花費(fèi)更多的時(shí)間,從而降低生產(chǎn)效率,不利于節(jié)能減排。
(3)碳減排與外觀方面的沖突。在外觀與結(jié)構(gòu)上,為減少木質(zhì)家具碳排放,極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)大量出現(xiàn),然而過(guò)于簡(jiǎn)化或忽視外觀設(shè)計(jì)或引起消費(fèi)者購(gòu)買欲望減弱,降低產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,從而導(dǎo)致銷量減少,同時(shí)外觀設(shè)計(jì)也是對(duì)產(chǎn)品的一種保護(hù)設(shè)計(jì),適當(dāng)?shù)难b飾可減少木質(zhì)家具主體框架儲(chǔ)運(yùn)及使用過(guò)程中的磨損,有助于木質(zhì)材料的回收再利用,而過(guò)于簡(jiǎn)化外觀設(shè)計(jì)易增加產(chǎn)品消耗率,更易引起碳排放增加。
3.2.1 TRIZ沖突矩陣構(gòu)建
針對(duì)木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)中存在的3對(duì)主要沖突,為獲取相關(guān)技術(shù)矛盾,需將相關(guān)產(chǎn)品特性向TRIZ問(wèn)題轉(zhuǎn)化。首先將設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的沖突轉(zhuǎn)化為39個(gè)工程參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)描述。碳減排、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、外觀分別對(duì)應(yīng):No.23、24能量和物質(zhì)損失、No.36裝置的復(fù)雜性、No.13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及No.12形狀?;跇?biāo)準(zhǔn)的工程參數(shù)描述可將木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)中的矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ沖突矩陣,矩陣中行所描述的是工程參數(shù)為沖突中改善的一方,列代表工程參數(shù)中惡化的一方,表1為木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣簡(jiǎn)圖。
表1 木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣簡(jiǎn)圖
3.2.2 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)沖突解決
利用矩陣所得發(fā)明原理并結(jié)合專業(yè)知識(shí)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)所得各個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選后優(yōu)選出發(fā)明原理如表1所示,解決碳減排與穩(wěn)定性的矛盾可用原理為分離原理、多用性原理,解決碳減排與結(jié)構(gòu)的矛盾可用原理為預(yù)操作原理、套裝、反饋,解決碳減排與外觀的矛盾可用原理為局部質(zhì)量、合并、參數(shù)變化。木質(zhì)家具碳減排面臨的三個(gè)設(shè)計(jì)改進(jìn)方向已初步確定,在此結(jié)合篩選設(shè)計(jì)原理為木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)提出相應(yīng)解決方案如下:(1)將木質(zhì)家具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分離出來(lái),在保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固的基礎(chǔ)上針對(duì)其他部分進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)以及減少連接件設(shè)計(jì)等,以減少木質(zhì)家具碳排放;(2)使一個(gè)家具能同時(shí)滿足多種家具功能,雖然單一家具耗材增加,但是合理搭配的多功能家具能夠同時(shí)滿足用戶多項(xiàng)需求,最大限度地發(fā)揮木質(zhì)家具各部分的作用。(3)預(yù)先對(duì)需拆卸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使其處于易操作位置,減少木質(zhì)家具組裝和使用過(guò)程中需用戶組裝及維護(hù)的難度,提高使用和生產(chǎn)效率。(4)充分調(diào)研用戶需求,明確木質(zhì)家具目標(biāo)消費(fèi)群體需求,通過(guò)外觀和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提高消費(fèi)者購(gòu)買欲望。
基于對(duì)木質(zhì)家具全生命周期系統(tǒng)的碳足跡分析以及通過(guò)TRIZ理論得出的碳減排設(shè)計(jì)沖突解決方案,本文以一款家用木質(zhì)功能桌椅為例,探討碳減排設(shè)計(jì)在木質(zhì)家具中的實(shí)踐運(yùn)用。
對(duì)木材的合理利用是木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一,本款木質(zhì)家具設(shè)計(jì)基于TRIZ的分離原理依據(jù)各部分所承載的功能以及板材特性選用了實(shí)木與人造板作為主要材料,骨架承重部分采用實(shí)木板,非承重部分采用輕質(zhì)人造板,節(jié)省實(shí)木材料的同時(shí)一定程度上減輕了家具重量,減少了家具儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的碳排放(圖4)。
圖4 家具拆分示意圖
在家具生產(chǎn)時(shí),往往因家具結(jié)構(gòu)尺寸的差異性而使生產(chǎn)工藝及工序相對(duì)復(fù)雜,本設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品功能進(jìn)行設(shè)計(jì),大范圍使用標(biāo)準(zhǔn)幾何形及零部件,并結(jié)合TRIZ與操作原理,將安裝拆卸位置于易操作位置,很大程度上降低了生產(chǎn)加工過(guò)程中的操作難度,減少木材消耗以及能源消耗,可有效降低碳排放。
基于本家具易拆裝的特點(diǎn),包裝運(yùn)輸時(shí)可將家具拆卸為多塊板材并進(jìn)行疊放(圖5),有效提高了空間利用率,除此之外,實(shí)木與輕質(zhì)刨花板的結(jié)合使其相對(duì)重量較輕,能夠提高運(yùn)輸效率,減少碳排放。包裝上采用質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高且耗材少的蜂窩紙箱,并使用板材開料后的剩余邊角料進(jìn)行填充,保護(hù)支撐家具的同時(shí)對(duì)廢料的二次利用是碳減排的重要方式之一。
圖5 包裝疊放示意圖
隨著低碳消費(fèi)理念逐漸走進(jìn)人群,廣大消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品的環(huán)保性、低碳認(rèn)證、材質(zhì)親和力等更為重視,本設(shè)計(jì)基于TRIZ多用性原理對(duì)家具進(jìn)行多功能設(shè)計(jì),在不過(guò)多增加材料消耗以及工藝難度的基礎(chǔ)上豐富了產(chǎn)品的功能,一物多用的設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品吸引力,簡(jiǎn)潔明了的造型符合當(dāng)前低碳簡(jiǎn)約的審美風(fēng)向,提高銷售效率。
為在使用階段提高產(chǎn)品的使用率并使資源利用最大化,本款家具實(shí)現(xiàn)了座椅、置物架以及書桌三種功能的轉(zhuǎn)換(圖6),且在此過(guò)程中不需要額外拆卸,優(yōu)化用戶使用體驗(yàn);淺綠色以及原木色的結(jié)合從心理上向用戶傳達(dá)節(jié)能減排的理念[17]。此外,大范圍使用標(biāo)準(zhǔn)件以及易于拆裝的特點(diǎn)使用戶能較為方便地更換損壞部件,實(shí)現(xiàn)家具結(jié)構(gòu)的再加固,從而延長(zhǎng)木質(zhì)家具的生命周期,并避免了拆卸時(shí)材料和零部件的損傷,提高回收再利用價(jià)值,以減少其碳排放[18]。
圖6 木質(zhì)家具功能轉(zhuǎn)換圖
本文基于全生命周期理論,對(duì)木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,將木質(zhì)家具全生命周期進(jìn)行階段劃分,梳理各階段碳足跡特點(diǎn),分析解決了木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)中存在的沖突并轉(zhuǎn)化為39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)描述,通過(guò)構(gòu)建木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣提出了對(duì)應(yīng)解決方法。以一款功能家具設(shè)計(jì)為例,驗(yàn)證了基于全生命周期理論能夠更全面更系統(tǒng)地進(jìn)行木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì),一定程度上為木質(zhì)家具碳減排設(shè)計(jì)實(shí)踐提供了借鑒與參考。