實木家具有機形結構設計研究

■封 宇 劉文金 Feng Yu & Liu Wenjin

(1.2.中南林業科技大學，湖南長沙 410004）

現代日常生活中，人們愈發注重自身健康問題，實木家具天然環保，正好滿足了消費者對健康生活的需求[1]。但傳統的實木家具造型往往過于厚重笨拙，讓人有審美上疲勞的同時往往還產生了不必要的材料浪費。當下以獨立設計師品牌為首的有機造型實木家具出現，立馬吸引了消費者的眼球，擁有良好的市場反響[2]。

有機一詞原意本指自然的、生物的、含碳的，后引申為事物的各部分互相關聯協調而不可分[3]。有機形態是從有機設計中延伸出來的對于產品造型的思考，它是一種形態風格，講求產品形體的流暢性。有機形結構的實木家具是讓家具產品中的每個接合部位像是宛若天成一般，在連接節點出能形成一些具有圓弧的形態的構成形式，模仿樹干與枝椏的天然形態特征來處理實木家具中各部件間的接合，采用流暢和圓潤的造型手法使得實木家具渾然一體[4-5]。

有機形結構實木家具與曲木家具以及異形實木家具之間的區別：有機形結構家具僅僅只針對各部位之間的連接處的過度形式；曲木家具則是利用木材的外性的彈性原理使它的某個部件彎曲成某種形狀[6]；而異形實木家具的部件本身就是不規則的截面形狀。不同于曲木實木家具的過于張揚的曲面表現形式，也不同于實木家具較大的加工難度，有機形結構實木家具是一種有節制的家具設計手法，在既滿足工業化大批量生產需求的同時也保證了一定的藝術審美價值[7]。

然而現有的實木家具有機形結構往往僅憑設計人員的經驗和審美主觀地進行構想，除了缺少科學依據之外，其中還存在著一些難題，如材料利用率問題、結構強度問題等急需解決。分析實木家具接合結構形式上最合適的有機形態，可以更好的運用到實木類家具產品有機形設計之中，為產品最終效果評估提供前期的參考依據，也為設計人員以及相關企業對實木家具產品中結構節點的結構強度提供切實有效的數據，使產品設計能夠準確定位目標人群，從而贏得市場[8]。

1 兩連接件間結合部位的外觀形式

由于有機形結構形式的不同會直接影響材料利用率的高低，因此需要探討怎樣的形式是最合理的。在查閱大量的文獻及圖片資料分析現有市場中有機形結構家具常有形式后，確定現有市場中有機形態的實木家具中以“T”型、“L”型構件表現最為突出，主要表現為桿式部件，常見于實木家具的椅類及架類產品中[9](圖1、圖2）。

2 有機形態家具中連接規律及相關審美依據

通過歸納現有有機形態實木家具中的連接規律，從而制定相關的審美依據，確定兩構件間的截面大小搭配以及過度的圓弧大小之間的關系和影響形式，其核心是找到截面大小與圓弧過度的合適關系。如圖3所示，具體以構件正視圖中的截面邊長（a）為基準來確定過度圓弧的半徑（R）大小。

而圓弧半徑大小除了與截面積大小有關外，與木材利用率也有著密切的關聯，選取兩者組合的最優的圓弧半徑大小。通過分析結論如下：

①當2a R 0.25a時，構件的木材利用率會隨著過度圓弧半徑R的增大而減小；

②通過問卷調查，發現2a R 2為構件圓弧過度較佳的視覺范圍，有80%的受試者選擇該范圍的過度圓弧造型；

③當R＞2a時，構件節點使用木材量增大，木材利用率會有所增大，但構件造型超出有機形結構范圍內，屬于異形實木家具造型；

④當R＜0.25a時，構件節點圓弧過度半徑過小，可視為普通直角構件。

3 最佳視覺造型取值評價

采用問卷調查的形式，分析出2a R a為構件圓弧過度較佳的視覺范圍，并進一步獲取該范圍內最佳視覺造型取值的具體數值。以125名不同職業領域的人群作為受試者，其中男女比例為1:1，以20-30歲年齡層居多，且有設計基礎與無設計基礎的均占一半。具體調查結果如表1及表2所示可知，T型構件的最佳視覺造型取值為R=a；L型構件的最佳視覺造型取值為R=1.5a。

4 構件相應斷開方式及木材材料利用率問題

由于接合部位過度連接會導致基材損失較大，切削量較大。因此需要選擇合理的連接方式，保證過度作用的構件的外觀功能不受影響的同時盡量增大材料利用率。探討構件相應斷開方式以及構成形式，在滿足基本力學性能的前提下，最大化提高木材材料利用率。通過計算不同斷開方式的木材利用率，來判斷最為節約材料的斷開方式[10]。

■表1 T型構件最佳視覺造型取值喜愛度調查

■圖1 梵幾·實木椅

■圖3 構件截面邊長與過度圓弧關系示意圖

■圖4 構件斷開形式與木材用料示意圖

■圖2 梵幾·實木衣帽架

■圖5 構件中間件設計榫卯樣式構想示意圖

具體的斷開方式如圖4所示，計算中所需要運用的公式為：

由于所有構件的厚度均一致，故將公式簡化為二維面積的比較，通過Auto CAD軟件直接得出所需部分的面積大小，簡化后的公式為：

計算結果為：

T型構件的木材利用率為：

L型構件的木材利用率為：

由此可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中間件的設計能極大提高木材利用率。

5 結構強度問題

5.1 確定兩個連接件之間的結合方式

如圖5所示連接形式發生變化，結構形式也會隨之也發生變化，所以需要確定相應的榫頭榫眼結構，能夠保證外形的需求的同時不能有裂縫。通過以直角榫、橢圓榫及圓棒榫接合的T型、L型構件為例，需要采用力學試驗方法，對節點強度進行測定，對理想使用狀態即在外力垂直荷載勻速加載的作用下使構件節點發生破壞或變形進行研究，最終選擇最為理想的榫卯形式[12]。

5.2 有機形結構節點的工藝標準

相關工藝標準的制定，需要在確定最合適的榫卯類型之后進行探討。參考方材直榫的工藝標準，通過實驗建立相關的有機形結構節點的工藝標準，在選用構件節點最佳過度圓弧大小、斷開形式以及榫卯種類的情況下，通過極限抗拔試驗，探討榫頭寬度與榫眼長度對結構性能影響的關系以及相應的最佳過盈配合量，通過實驗建立相關的有機形結構節點的工藝標準[13-14]。

6 結語

通過對實木家具有機形結構節點進行設計研究，以達到核心目的即提高木材的利用率；探討相關節點的結合方式，采用合適的榫接合時榫頭榫眼的相關配合尺寸和配合公差問題，為實際設計實木有機形家具產品時提供理論支撐。

以有機形態中的T型、L型實木構件為代表，歸納現有有機形態家具中的連接規律，將構件正視圖中的截面邊長（a）作為過度圓弧的半徑（R）大小的衡量依據，調查得出2a R a為構件圓弧過度較佳的視覺范圍，該范圍內的木材利用率也較為合理。運用問卷調查方法，得出T型構件的最佳視覺造型取值為R=a，L型構件的最佳視覺造型取值為R=1.5a。通過計算不同有機形結構節點的斷開方式的木材利用率，可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中間件的設計能極大提高木材利用率。

研究后續將以水曲柳木材為研究基材，進一步研究相關節點的結構強度問題，將研究出的有機形結構榫卯接合的相關理論參數應用于水曲柳實際產品的結構設計中，并對其進行仿真力學穩定性測試，證明相關實驗的有效性。在以水曲柳材為基材加工成的實木家具中絕大部分采用的結構為外形單一的直角榫結構，少部分水曲柳實木家具結構中，由于節點有機形態的不規范以及結構設計欠妥，造成連接強度較低。針對這兩種情況，通過對節點連接方式的優化，設計出有機形態水曲柳實木家具產品，保證產品結構強度的同時，也實現水曲柳實木家具結構節點的有機化。

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