空心管材連接設計及其在家具中的應用研究*

張奇 ZHANG Qi 陶毓博 TAO Yubo 李鵬 LI Peng

東北林業大學，哈爾濱150040（Northeast Forestry University，150040 Harbin）

空心管材連接設計及其在家具中的應用研究*

張奇 ZHANG Qi 陶毓博 TAO Yubo 李鵬 LI Peng

東北林業大學，哈爾濱150040（Northeast Forestry University，150040 Harbin）

介紹了空心管材的種類和應用現狀。重點對空心管材本體式連接、機械裝配式連接和特殊工藝連接這3種基本連接方式進行了分析，總結了空心管材連接設計的特點。提出可以將空心管材作為結構材料應用于家具中，對此進行了系統的研究與設計實踐。闡釋了空心管材家具的物質性能及藝術特征，設計了一種新型的空心管材連接方法，進行了空心管材置物架設計實踐，以期為空心管材在家具領域中的有效應用提供借鑒。

家具；空心管材；連接設計

一、引言

家具作為生活中不可缺少的部分，它由各種物質材料連接組合而成［1］。家具設計中，材料是設計的靈魂，對材料特性的把握以及連接方式的選用，是家具設計風格產生和家具產品制作實現的必要基礎和充分條件。

空心管材作為一種特殊的結構材料，在結構上具有較高的強度且自重較輕，對外力抗性較強。將空心管材應用于家具中，在美觀性和制造成本上與其他的結構材料相比，同樣具有優勢。

然而，空心管材的連接一直是空心管材結構設計中的一個難題，導致空心管材在家具設計中未能完全運用其優點，使用率與附加值低。

如何充分利用空心管材特性，創新空心管材連接設計方法，使其符合現代家具的生產方式，這是值得設計者、空心管材加工業和家具業共同探討的重要課題之一。

二、空心管材的種類和應用現狀

1.空心管材的種類

設計中所選用的空心管材按其物質結構分類，主要有四大類：金屬管材、無機非金屬管材、有機管材、復合管材。各類空心管材的品種繁多，而且隨著科技的進步還會不斷出現更新、更好的新型管材。設計者無論選用何種管材，在設計時一定都要了解其特性及適用范圍，才能使其更好地服務于設計的需要。

2.空心管材的應用現狀

從20世紀90年代開始，各類空心管材的應用領域擴展速度加快，憑借各類空心管材自身的材料特性，不斷向建筑、樓宇、結構（簡稱ABC）和汽車、軌道車、運輸（簡稱ART）等領域擴展。空心管材也可被用于其他各類結構，如學校、樓亭、電視塔、信號支架、人行過街橋、彎形結構、醫院、工業建筑、長廊、高層建筑、展覽館等［2］。

空心管材結構的廣泛應用，不僅僅是出于美學上的考慮，同時也是因為空心管材結構與普通的開口截面結構構件相比，具有優越的力學性能和良好的經濟技術指標，近年來在我國得到了快速的發展［3］。

三、空心管材連接設計分析

1.本體式連接

所謂本體式連接，是指利用空心管材本身的材料特性、形狀特征而形成的連接方式，也包括一些利用簡單輔助手段而形成的連接方式。將較大的竹竿開孔，然后將較小的竹竿插入并用竹釘鎖牢的形式將它們連接起來（見圖1）。將金屬或塑料空心管材進行加熱或加壓，使之熔合待凝固冷卻后將它們連接起來。這些都屬于空心管材的本體式連接。

圖1　本體式連接示意圖①

關于本體式連接的方法，具體如下（見表1）。

表1　本體式連接的方法

2.機械裝配式連接

所謂機械裝配式連接，是指利用緊固件、防松件或連接件，將空心管材通過機械組裝的方式連接成產品整體（見圖2）。目前，空心管材連接大多采用這種方式。空心管材機械裝配式連接的方法，主要有螺栓連接、螺釘連接和連接件連接等。

圖2　機械裝配式連接示意圖①

關于機械裝配式連接的方法，具體如下（見表2）。

表2　機械裝配式連接的方法

3.特殊工藝連接

除了上面所述的本體式連接、機械式連接外，還有纏接、彎接，包接和嵌接等一些空心管材獨有的連接方式（見圖3）。

圖3　特殊工藝連接示意圖①

關于特殊工藝連接的方法，具體如下（見表3）。

表3　特殊工藝連接的方法

四、空心管材在家具中的應用研究

1.空心管材家具的物質性能

我們生活中的家具產品，是人類物質文明和精神文明的雙重產物［4］。空心管材作為一種特殊的結構材料，具有形圓且中空的形狀結構，以及強度高、質量輕和抗外力性能強等物質性能。

顯然，家具設計與空心管材之間的關系是互為表里、相互制約的。以物觀物，設計者對各類空心管材物質性能的理解，把握探究其物質性能自身的內在意義，這不單是完成家具設計的物質基礎，更是家具藝術價值存在的本質依據。

2.空心管材家具的藝術特征

藝術也是一種造型，只有通過技術實現對藝術形象的塑造，才有可能從研究造型藝術的規律之中給予掌控和把握，并科學合理地使用其功能［5］。

空心管材家具的藝術特征，表現在綜合運用各類空心管材的結構形狀、色彩、質感和機理等要素進行家具設計，使家具產品擁有藝術美的形態，改變了材料本身的單一性。

通過各類空心管材自身的三維結構，呈現出不同的質感和肌理效果，豐富了人們的感官，可以更完美地表達出設計者的情感，使人們獲得視覺形式（見圖4）和觸覺感應（見圖5）雙重的感官反應。這些都是空心管材家具不可忽視的重要藝術特征。

圖4　空心管材的視覺形式①

圖5　空心管材的觸覺感應①

3.空心管材套接式連接創新設計

套接式連接屬于機械裝配式連接的方法之一，適用于各類空心管材間的互相連接。針對空心管材中空壁薄的特點，空心管材套接式連接創新設計采用了標準化、可拆裝設計的連接件，利用內置橡膠墊的金屬（或塑料）套筒和螺栓調節裝置，實現了空心管材的連接（見圖6）。

圖6　空心管材套接式連接示意圖①

將需要連接的空心管材打孔加工后插入金屬（或塑料）套筒內，再利用螺栓穿過空心管材和金屬（或塑料）套筒的同心通孔，通過螺栓調節裝置使其內置橡膠墊收縮，通過橡膠墊作用于空心管材，采用過盈配合形成空心管材的連接，彌補了機械連接易松動的缺陷。

拆卸時，僅需松開螺栓調節裝置，抽出空心管材即可，因此連接強度高，拆裝方便，便于日常使用中進行維護和更換，節省了成本。由于此種連接是一種快速的、非破壞性的連接方法，所以連接效率高，金屬（或塑料）套筒和螺栓調節裝置搭配連接穩固、安全可靠，具有較好的應用前景。

4.空心管材置物架的創新設計實踐

為了驗證空心管材應用于家具中的可行性，我們以置物架為例進行了設計實踐，以此豐富和加深對空心管材連接設計及其在家具中的應用在實際操作層面上的理解。

置物架框架由34根黑色金屬管和6根彩色塑料管（紅、黃、藍各2根），通過套接連接件裝配而成，構造穩固，使用性能好。在對材料的表達和細節的處理上，綜合運用塑料、金屬管材與木質隔板、箱體互相形成對比；在顏色上使用了紅、黃、藍三基色和黑、白無色彩相結合的組配（見圖7、圖8）。我們在置物架設計中體現了比較美學，對其比例和尺度的合理設計，使其整體造型和諧統一，充分體現了多樣化、人性化、人文化和個性化的設計特征。

圖7　空心管材置物架設計效果圖①

圖8　空心管材置物架設計零部件圖和節點圖①

五、結語

綜上所述，空心管材通過連接設計應用于家具中給我們帶來了一些啟示：空心管材作為結構材料應用于家具中是可行的，具有極大的發展空間；在家具中空心管材也可以采用機械裝配式連接的方式，使其可以直接用作家具結構材料；可以研制出專用于空心管材家具所使用的標準化、可拆卸設計的連接件，加強其連接部位的強度和穩定性。

目前，空心管材雖然已經廣泛應用于建筑、樓宇、結構（簡稱ABC）和汽車、軌道車、運輸（簡稱ART）等領域，但是要將其推廣應用于家具領域中并大有作為，則始終有賴于設計者、空心管材加工業者以及家具業者繼續共同的努力。

空心管材連接設計及其在家具中的應用研究，吸收了設計學、材料學等交叉學科的知識，定性分析了空心管材作為一種特殊的結構材料，通過創新其連接設計可以滿足家具使用的物質性能及藝術特征。

但是，目前這個領域的研究，還缺乏精確的數據說明或分析不夠全面、深入。期待后續的研究可以在本研究的基礎上，進一步對空心管材家具的強度各方面指標進行定量的、實驗性的研究，對應用性做出更有針對性的和更加深入的分析，從而得出更清晰、更深入的結論。

注釋

①圖1至圖8來源：作者自繪.

［1］ 鄒偉華.家具產品設計［M］.合肥：合肥工業大學出版社，2011：61-67.

［2］ PACKER·J.A.，HENDERSON·J.E.空心管結構連接設計指南［M］.曹俊杰，譯.北京：科學出版社，1997：1-6.

［3］ 張思海，郭澤英.空心管結構及在建筑工程中的應用［J］.建筑技術開發，2007（4）：109-111.

［4］ 余繼宏，徐雷.從符號學的角度談家具形態的結構與功能［J］.美術大觀，2011（12）：116-117.

［5］ 浦培勇.藝術與技術美學價值探微［J］.設計藝術研究，2012（3）：61-64.

（責任編輯 孫玉萍）

Research on the Connection Design of Hollow Pipe and Its Application in Furniture

This paper introduces the species and application status of hollow pipe.It summarizes the characteristic of hollow pipe connection design by focusing on the analysis of three basic connection modes including hollow pipe ontology connection， mechanical assembly connection and special arts and crafts connection. Systematical research and design practice are made after putting forward that hollow pipe can be used in furniture as structural material.It also conducts hollow pipe shelf design practice after illustrating the material properties and artistic features of the hollow pipe furniture and designing a new type of hollow pipe connection mode，in order to provide reference for the effective application of hollow pipe in furniture.

furniture；hollow pipe；Connection design

J525.3

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.05.014（0076-05）

2016-09-18

2013年度教育部“新世紀優秀人才支持計劃” 資助項目（NCET-13-0711）。

張奇，東北林業大學材料科學與工程學院碩士生；陶毓博，博士，東北林業大學材料科學與工程學院副教授；李鵬，博士，東北林業大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。