劉玲玲 馬 彪 李鵬輝 劉楚蓉 付煥娜

（桂林理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541000）

我國竹類資源豐富，大約占世界竹林總面積的20%。與木材相比，竹材的性能良好，且綠色環(huán)保，具有明顯的資源優(yōu)勢[1]。因此，竹家具在家具市場上占據(jù)一定地位。例如，由原竹加工而成的原竹家具；將竹材二次加工后，制造而成的竹集成材家具、竹重組材家具、竹層集材家具、竹材彎曲膠合家具等。相較而言，原竹家具對竹材的利用較為傳統(tǒng)，材料利用率較低，力學(xué)性能不夠優(yōu)異，且形式單一，難以滿足現(xiàn)代消費者的個性化需求[2]。竹材二次加工后再制造而成的竹家具雖然擁有優(yōu)良的力學(xué)性能，但其生產(chǎn)方式基本沿用木質(zhì)家具的生產(chǎn)工藝，沒有很好地根據(jù)竹材的自身特性進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計制造，因而無法凸顯其優(yōu)勢[3]。鑒于此，本文引入薄竹纏繞工藝，并將其與參數(shù)化設(shè)計結(jié)合，在充分利用竹材性能和利用率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)竹家具的個性化定制與批量化生產(chǎn)，以期推動竹家具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 薄竹纏繞工藝概述

1.1 薄竹纏繞工藝

與木材相比，竹材具有優(yōu)良的物理性能，如收縮量小，割裂性、彈性和韌性高，隔音防潮效果好等[4]。薄竹纏繞技術(shù)正是利用竹材上述這些優(yōu)點進(jìn)行加工的一種方式。薄竹纏繞技術(shù)將刨切得到的薄竹片或其它竹單元，通過竹單元之間的相互作用或者使用膠黏劑進(jìn)行膠合連接，在特定模具上進(jìn)行有規(guī)律的往復(fù)式機(jī)械纏繞，經(jīng)固化脫模后獲得制品[5]。具體工藝流程如圖1所示。薄竹纏繞技術(shù)不光可以加工形狀規(guī)整的線性產(chǎn)品，也可以加工非線性的產(chǎn)品，具有加工方式靈活、原竹利用率高、生產(chǎn)過程全自動化等特點[6]。薄竹纏繞技術(shù)可分為無膠竹纏繞技術(shù)與膠合竹纏繞技術(shù)。無膠竹纏繞是指在沒有膠黏劑的作用下，利用竹單元之間相互作用或借助外力作用，實現(xiàn)竹單元纏繞并成型的技術(shù)。膠合竹纏繞是指在施加膠黏劑的條件下，實現(xiàn)竹材單元的纏繞并膠合成型[7]。

圖1 薄竹纏繞技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of thin bamboo winding technology

1.2 薄竹纏繞工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

薄竹纏繞技術(shù)多用于生產(chǎn)圓形竹產(chǎn)品，如竹纏繞吸管、管道等[8]。竹纏繞復(fù)合管具有成本低，承壓能力強(qiáng)、保溫性能突出、抗震抗沉降能力強(qiáng)、變形率低等優(yōu)勢[9-11]，多用于管道埋于地下，其沿管徑方向由內(nèi)到外主要分為內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外防護(hù)層共3 層[12]。其中，內(nèi)襯層由防腐性能優(yōu)異、符合食品安全的樹脂與竹纖維無紡布組成，具有防水作用；增強(qiáng)層由竹篾與水性樹脂組成；外防護(hù)層則為具有防水、防腐及抗老化性的樹脂。竹纏繞復(fù)合管的加工工藝大致可以分為內(nèi)襯層的制備、帶狀薄竹片預(yù)處理、增強(qiáng)層的制備和外防護(hù)層的制備。

此外，還可以利用薄竹纏繞技術(shù)制造非圓形輪廓的異型產(chǎn)品[13]。以竹纏繞房屋為例，以每間房屋為單位，對整間房屋進(jìn)行整體纏繞成型、裝修和運輸，最后在施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝放置，建造速度極快。竹纏繞整體組合式房屋可有效減少建筑裝修垃圾，且綠色環(huán)保，污染少，使用年限可達(dá)到70 年，具有優(yōu)異的保溫、隔音、阻燃等性能[14]。在家居產(chǎn)品領(lǐng)域，薄竹纏繞技術(shù)多用于裝飾或一些非幾何圖案產(chǎn)品的制作[15]。與竹編工藝類似，竹纏繞工藝可以模仿竹編技法，用于豐富產(chǎn)品的表面裝飾效果。

1.3 薄竹纏繞工藝在竹家具中的應(yīng)用

竹纏繞家具在質(zhì)量和制造工藝上具有較大的靈活性。在質(zhì)量上，竹材本身就是一種性能優(yōu)良的材料，質(zhì)輕、抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度高[16]，結(jié)合薄竹纏繞工藝，更能充分發(fā)揮出竹材的優(yōu)勢，如此制成的竹家具不但比木家具輕巧，且性能更優(yōu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，一方面可以采用整體纏繞成型工藝，通過竹單元之間的相互作用進(jìn)行纏繞；另一方面，也可以先將局部部件纏繞成型，再組裝成整體。在造型設(shè)計上，薄竹纏繞技術(shù)可以在曲線表面直接纏繞編織，非常適合非線性家具的生產(chǎn)制造，并且在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)竹材加工原材料浪費大、加工靈活度低、產(chǎn)品同質(zhì)化等缺點。利用薄竹纏繞技術(shù)可以將竹材作為一種裝飾，將纖細(xì)的竹條參照編織的方式纏繞于家具表面，用于豐富其表面裝飾。此外，還可以將竹材作為一種承重結(jié)構(gòu)，用以維持家具的穩(wěn)定性，成型后無需額外的架構(gòu)支撐，增強(qiáng)了家具的整體性[17]。目前，我國在批量化竹家具生產(chǎn)設(shè)計領(lǐng)域還處于空缺階段。鑒于此，本研究在造型分析時引入?yún)?shù)化設(shè)計，利用薄竹纏繞技術(shù)，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計，可在產(chǎn)品模型上直接進(jìn)行纏繞，使產(chǎn)品固化后一次成型，極大減少了參數(shù)化家具的制造工序，從而降低了人力物力的消耗，提高了生產(chǎn)效率，有望用于批量化生產(chǎn)。

2 參數(shù)化設(shè)計研究現(xiàn)狀

2.1 參數(shù)化設(shè)計概念

參數(shù)化設(shè)計是一種將設(shè)計要素看成參數(shù)，并以某種邏輯關(guān)系將其組織到一起，借助計算機(jī)編程和軟件形成參數(shù)模型的設(shè)計方法[18]，其本質(zhì)是將編程思維引入到設(shè)計中，構(gòu)建一個由參數(shù)約束控制、由算法邏輯生成的數(shù)字模型。參數(shù)化設(shè)計因其具有邏輯精準(zhǔn)性、同步可視性、可調(diào)節(jié)性、推導(dǎo)性等特點，被廣泛用于建筑外觀設(shè)計、家具設(shè)計、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、藝術(shù)品設(shè)計等領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在AI人工智能等技術(shù)的支撐下，參數(shù)化設(shè)計也在不斷的與新技術(shù)、新材料、新工藝相結(jié)合，滿足消費者日益增長的個性化需求。

2.2 參數(shù)化設(shè)計在家具設(shè)計中的研究現(xiàn)狀

在參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展歷程中，很多設(shè)計師在參數(shù)化思維的指導(dǎo)下完成了作品設(shè)計，如扎哈·哈迪德[19]基于“游牧”等思想設(shè)計了一系列參數(shù)化家具。張周捷創(chuàng)立了國內(nèi)首個數(shù)字化家具品牌“EndlessForm”。相較于傳統(tǒng)設(shè)計方法，將參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于家具設(shè)計中具有明顯的優(yōu)勢。首先是信息可視化，設(shè)計師可以更直觀高效地理解并分析用戶信息，并將其與機(jī)器有效結(jié)合，實現(xiàn)信息的可視化。其次是方案可優(yōu)化，參數(shù)化技術(shù)使設(shè)計師可以通過調(diào)整設(shè)計因素所對應(yīng)的參數(shù)來改變設(shè)計方案，從而快速得到最優(yōu)方案。宋杰等[20]將參數(shù)化設(shè)計與3D打印技術(shù)相結(jié)合，探索了將其應(yīng)用于個人家具定制領(lǐng)域的可行性。李維立[21]以吧臺桌設(shè)計為例，基于參數(shù)化與三維圖形靜力學(xué)進(jìn)行家具結(jié)構(gòu)找形設(shè)計，簡化了設(shè)計過程，豐富了數(shù)字時代設(shè)計的多樣性，為家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新思路。李帆[22]通過構(gòu)建的分形理論的產(chǎn)品形態(tài)參數(shù)化設(shè)計模型，實現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)的族群化，同時結(jié)合感性優(yōu)選方法，創(chuàng)造了感性與理性相結(jié)合的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計方式?？梢?，越來越多的學(xué)者將參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用于家具設(shè)計中，而將其與薄竹纏繞技術(shù)結(jié)合的研究鮮有報道。因此，本文將薄竹纏繞技術(shù)與參數(shù)化相結(jié)合，嘗試一種新的竹家具設(shè)計生產(chǎn)方式，并考察其可行性。

3 薄竹纏繞技術(shù)參數(shù)化家具設(shè)計思路

竹家具設(shè)計需要結(jié)合現(xiàn)代市場和用戶需求。將竹材、設(shè)計方法和加工工藝有機(jī)結(jié)合，用于制造可量產(chǎn)的竹家具，這是現(xiàn)代家具設(shè)計的理念和探索方向。薄竹纏繞技術(shù)可將竹材進(jìn)行有規(guī)律的纏繞，而纏繞順序及方式需采用參數(shù)化程序進(jìn)行控制。參數(shù)化造型結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理的是空間幾何，通過特定規(guī)則構(gòu)建坐標(biāo)點集，對由坐標(biāo)點構(gòu)成的函數(shù)圖形進(jìn)行控制，兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性。因此，本研究提出可以運用薄竹纏繞技術(shù)，通過參數(shù)化編程和交互APP建設(shè)，研發(fā)基于薄竹纏繞技術(shù)的竹家具智慧開發(fā)公共設(shè)計平臺，以滿足個性化的定制需求，讓設(shè)計師與用戶共同參與產(chǎn)品設(shè)計，并通過互聯(lián)網(wǎng)+等實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化智造。薄竹纏繞竹家具的設(shè)計思路如圖2 所示。下面將結(jié)合“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設(shè)計實踐過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖2 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計思路Fig.2 Product development and design ideas

4 薄竹纏繞技術(shù)參數(shù)化家具設(shè)計實踐

Grasshopper是一款基于Rhino環(huán)境運行的參數(shù)化插件，可通過參數(shù)調(diào)整實時看到模型形態(tài)的變化[23]。本次設(shè)計實踐主要包括參數(shù)化實踐、薄竹纏繞工藝成型、模塊化實踐、個性化實踐，設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 基于薄竹纏繞工藝的參數(shù)化坐具設(shè)計流程Fig.3 Parametric seat design process based on thin bamboo winding process

4.1 參數(shù)化實踐

“ENTANGLED BAMBOO”座椅設(shè)計在參數(shù)化建模軟件中要有清晰的邏輯思路。首先，根據(jù)人體工程學(xué)創(chuàng)建家具的初始外觀造型M1，使用Volume運算器找到模型的幾何中心點iO。之后，使用PopGeo運算器在模型表面隨機(jī)生成若干點i1、i2……in，隨機(jī)點的數(shù)量初步控制在20個。使用Line運算器將幾何中心點iO與模型表面的每個點i1、i2……i20分別連接成直線LO1、LO2……LO20，并使用Pl運算器過直線LO1、LO2……LO20生成平面P1、P2……P20，每一個平面與模型M1表面相交，在Sec運算器下在模型表面產(chǎn)生20條相互交錯的曲線C1、C2……C20，這些曲線即為后期薄竹纏繞的路徑。創(chuàng)建薄竹條截面S1或其它竹單元截面S2、S3……為初始形狀，使用Swp1運算器，沿著曲線C1、C2……C20，以初始形狀截面S1、S2……掃掠構(gòu)建生成薄竹纏繞模型M2，至此便完成基于參數(shù)化的薄竹纏繞家具模型。由于Grasshopper參數(shù)化設(shè)計軟件的動態(tài)可視性，模型會根據(jù)參數(shù)的變化實時改變，大大提高了工作效率。設(shè)計師只需調(diào)整設(shè)計參數(shù)，即可得到最佳造型方案。在“ENTANGLED BAMBOO”座椅設(shè)計過程中，隨機(jī)點的位置和數(shù)量主要決定產(chǎn)品造型。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，最終的模型方案如圖4所示。將模型數(shù)據(jù)輸入到云數(shù)據(jù)庫中，在生產(chǎn)家具時，薄竹纏繞設(shè)備在調(diào)用模型數(shù)據(jù)后，在現(xiàn)有模具表面依據(jù)參數(shù)化數(shù)據(jù)纏繞好竹單元，固化成型后脫模，隨后對各家具部件進(jìn)行組裝，其生產(chǎn)流程如圖5所示。

圖4 造型生成圖Fig.4 Styling generation diagram

圖5 “ENTANGLED BAMBOO”生產(chǎn)過程圖Fig.5 “ENTANGLED BAMBOO” production process diagram

4.2 模塊化實踐

模塊化設(shè)計最初廣泛應(yīng)用于重工業(yè)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計中，例如發(fā)動機(jī)、渦輪機(jī)、大型機(jī)床等。隨著模塊化設(shè)計的不斷發(fā)展，近幾年在家具設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛[24]。模塊化家具設(shè)計以家具基本使用功能的合理分析為基礎(chǔ)，對家具系列化功能模塊作出系統(tǒng)的合理劃分，并將劃分好的功能區(qū)進(jìn)行歸納簡化，之后對每個模塊進(jìn)行設(shè)計，最后選擇相同或不同模塊任意組合，滿足用戶不同需求。模塊化設(shè)計過程主要分為用戶需求分析、產(chǎn)品功能分析、模塊劃分與模塊設(shè)計4個階段。模塊化家具在追求實現(xiàn)家具多樣化功能的基礎(chǔ)上，還需滿足各模塊加工、運輸和組裝的可能性。通過分析，最終確認(rèn)“ENTANGLED BAMBOO”座椅分為3個模塊，分別為坐墊、薄竹纏繞部分以及底座。這3個模塊分別可以替換重組，滿足用戶不同需求。坐墊和底座主要為顏色模塊化，薄竹纏繞部分模塊化設(shè)計主要涉及選擇竹纏繞單元和纏繞方式。目前，竹纏繞基本單元大致包括竹纖維、竹篾、竹條、竹絲、刨切薄竹等。纏繞方式又可分為有規(guī)律和無規(guī)律的往復(fù)式纏繞。具體方案如圖6所示。

圖6 模塊化設(shè)計方案Fig.6 Modular design scheme

4.3 個性化實踐

協(xié)同設(shè)計（co-design），在廣義上是一個將不同想法、角色和團(tuán)隊成員聚集在一起的過程；在狹義上是協(xié)同設(shè)計作為一種設(shè)計方法，鼓勵用戶參與到設(shè)計過程中來，與設(shè)計師一同完成產(chǎn)品或服務(wù)的設(shè)計[25]。隨著時代的進(jìn)步，現(xiàn)在用戶的消費不僅僅滿足于直接購買產(chǎn)品，而是希望參與到產(chǎn)品的設(shè)計過程中，滿足個性化需求。設(shè)計模式正在從封閉式創(chuàng)新走向開放式創(chuàng)新[26]。鑒于此，本研究設(shè)計了一個APP，用戶可以在手機(jī)端界面自由選擇需要定制產(chǎn)品的顏色、材質(zhì)、薄竹纏繞方式等，交互界面如圖7所示。APP界面實時呈現(xiàn)產(chǎn)品的最終效果，并且可以呈現(xiàn)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，讓用戶更加直觀地看到自己的設(shè)計作品。在確認(rèn)設(shè)計方案后，產(chǎn)品開始按照用戶選擇的樣式進(jìn)行加工、組裝、包裝和配送，最終送到用戶手中。這種協(xié)同設(shè)計的方式，吸引用戶參與進(jìn)來，增加了趣味性，同時也提高了產(chǎn)品銷量。

圖7 APP交互界面Fig.7 APP interactive interface

5 結(jié)語

目前，薄竹纏繞技術(shù)總體處于初始發(fā)展階段。將參數(shù)化設(shè)計引入薄竹纏繞技術(shù)，通過參數(shù)化程序控制竹單元進(jìn)行有規(guī)律的纏繞，充分利用竹材的縱向拉伸性和彎曲可塑性，滿足了用戶多樣化和個性化的需求。參數(shù)化提升了薄竹纏繞技術(shù)的機(jī)械化水平，使其應(yīng)用領(lǐng)域更寬，產(chǎn)品種類更豐富，提升了薄竹纏繞技術(shù)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭能力。

本文通過“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設(shè)計實踐證明，在家居產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)中，薄竹纏繞技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計相結(jié)合的方式具有較高可行性，是技術(shù)手段與設(shè)計思維的雙重創(chuàng)新，代表著對傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代工藝的創(chuàng)新探索，對可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約的關(guān)注，以及對個性化定制的追求。這種結(jié)合不僅推動了家居產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步，也為資源可持續(xù)利用做出積極貢獻(xiàn)。