輕質蜂窩形仿生材料在家具設計中的應用與發(fā)展研究

■王 強，王 寧，王鈴偉，吳新鳳

(中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410004）

近年來，蜂窩形仿生材料作為一種新型輕質環(huán)保材料，逐漸受到人們的青睞，其在家具設計、生產(chǎn)及包裝中的應用越來越廣泛。目前在家具中應用的蜂窩形仿生材料主要包括木質蜂窩板、蜂窩紙板和蜂窩紙材料。木質蜂窩板是由上下兩塊木質人造板中間夾一個紙質中空蜂窩六邊形填料，經(jīng)過膠合加壓固定而成的一種新型輕質板材，結構如圖1所示[1-2]。其根據(jù)芯層四周有無木質邊框，可以分為有框木質蜂窩板和無框木質蜂窩板，若表板為紙質材料，則稱為蜂窩紙板。

蜂窩形仿生材料的芯層蜂窩通常采用牛皮紙排列組合而成，可回收利用，并且芯層材料是整體結構的主體部分，能夠大大減少木質材料用量，有助于森林資源保護，具有輕質、高強、成本低等優(yōu)點。另一方面，蜂窩結構具有隔熱、吸音、保溫、減震等功能，可根據(jù)需求進行尺寸、飾面、蜂窩芯子和表板材料的選擇。因為其獨特的優(yōu)勢，逐漸成為設計師開發(fā)產(chǎn)品爭先使用的材料[3]。

1 木質蜂窩板家具

木質蜂窩板可設計成厚型板件，能夠提升家具產(chǎn)品的體量感、厚重感、檔次感。應用于家具生產(chǎn)的木質蜂窩板多數(shù)是有框蜂窩板，其常見的應用形式有兩種：與金屬材料結合、與其他木質板件結合。

1.1 與金屬材料結合

應用形式：木質蜂窩板具有表面平整，不易變形的特點。目前，市場上木質蜂窩板材料常作為頂?shù)装濉⒐耖T、側板等零部件選材應用于板式家具中。現(xiàn)在，板式家具設計的流行趨勢之一便是板材與金屬材料相結合，即木質蜂窩板面板、側板等與金屬支架、腿架等部位組合，設計出造型簡潔、結構合理、符合現(xiàn)代大眾審美的板式家具（圖2-圖3）。

接合方式：在蜂窩板與金屬材料的接合方式上，多采用家具五金配件接合，主要可分為固裝式連接和拆裝式連接兩種。

固裝式連接包括內六角木螺釘接合、自攻螺絲接合等。內六角木螺釘接合強度高，安裝方便，不影響造型美觀，但由于木材本身的纖維結構，用木螺釘結合時不能多次拆裝，會破壞木材組織，影響連接強度，所以通常作為固裝式連接件使用（圖4）。比如用于會議桌、條桌等家具，金屬部位預先鉆通孔，木質蜂窩板框架部位預先鉆定位孔，然后按照孔位使用內六角木螺釘將它們進行接合，其中有框蜂窩板木質框架的尺寸、位置和數(shù)量可根據(jù)支撐強度和連接位置的需要進行定制。結構如圖5-圖7所示。

拆裝式連接主要是指螺栓螺母連接，一般要加防松裝置，如彈簧墊片。螺栓螺母連接較好的強度和緊密性，便于拆卸和安裝，節(jié)約運輸成本，但其裸露在家具表面會對美觀造成一定影響，常用于條桌、條幾等家具。木質蜂窩板預先鉆孔，根據(jù)產(chǎn)品尺寸確定孔位數(shù)量，一般為2-3個。然后使用螺釘螺栓將其與金屬支架緊密連接，結構如圖8和圖9所示。

1.2 與其它板材結合

應用形式：在板式家具設計中，木質蜂窩板常作為面板、柜門、側板等部件，與纖維板、膠合板、刨花板、細木工板等材料組合使用，可制成各種輕質板式家具。其中以宜家家居為代表，其衣柜、櫥柜、儲物柜、學生書桌等家具大量使用蜂窩板材料，并輔以纖維板、膠合板等，甚至部分家具全部使用木質蜂窩板材料制作而成（圖10-圖12）。從圖片中可以看出，宜家家居部分家具的側板、頂?shù)装宕罅渴褂梅涓C板材料，蜂窩板厚度一般為40mm，使家具具有厚重感，同時又不失現(xiàn)代家具造型簡潔的特點，并且符合家具輕質化發(fā)展趨勢，所以，蜂窩板材料用于家具行業(yè)具有十分廣闊的前景。

圖1 木質有框蜂窩板結構組成

圖2 會議桌

圖3 會議桌連接件

圖4 內六角木螺釘

圖6 固裝式連接方式二

圖7 固裝式連接方式三

圖8 螺栓螺母連接

圖9 條桌

圖10 宜家吊柜

圖11 宜家各種蜂窩板件

圖12 宜家兒童書桌

圖13 小型儲物柜

圖14 小型儲物柜側板

圖15 小型儲物柜頂?shù)装?/p>

圖16 小型儲物柜層板

接合方式：同樣分為拆裝式接合和固裝式接合兩種。每種接合方式可單獨使用，也可聯(lián)合使用。

拆裝式接合使用靈活，便于安裝和拆卸。以小型儲物柜為例，側板與頂?shù)装濉影暹B接通常采用三合一連接件和圓棒榫結合使用的連接方式，三合一連接件起固定作用，圓棒榫起定位作用。如圖13-圖16所示，按照32mm系統(tǒng)要求，在木質框架部位鉆孔，孔位根據(jù)板件尺寸變化。

固裝式接合同樣包括內六角木螺釘接合，結構如圖17所示一些柜類家具，如儲物柜、擱物架，常將兩種結合方式聯(lián)合使用，比如側板與頂?shù)装迨褂脙攘悄韭葆斶B接，側板與層板、頂?shù)装迮c隔板使用三合一連接件與圓棒榫組合連接，結構如圖18所示。

同有框蜂窩板相比，無框蜂窩板加工工藝簡單，而且可以按照家具零部件的尺寸規(guī)格進行制作和裁截。但由于連接件安裝復雜、連接強度不及實心板件，封邊技術不夠成熟，自身強度較低等限制因素，因而使用較少。隨著“全屋定制”浪潮的興起，越來越多的消費者根據(jù)自己的喜好選擇定制家具[4-5]。木質蜂窩板與人造板材組合使用，應用于定制衣柜、書柜等家具，有很大的應用和探索空間。

2 蜂窩紙家具

隨著輕質化家具成為設計潮流，人們對于空間利用的重視度和便攜家具需求度越來越高，人們渴望一種輕質、便攜、節(jié)省空間的家具出現(xiàn)。蜂窩紙具有輕質、可折疊壓縮、強度高等特性，完美地迎合了人們的需要，于是人們開始探索如何把蜂窩紙用于家具設計[6]。其中的代表企業(yè)為十八紙創(chuàng)意文化有限公司，簡稱“十八紙”，其產(chǎn)品采用高纖維的進口原漿紙進行生產(chǎn)再造，使紙張具有防水防潮功能的同時，增強自身的韌性，并充分利用蜂窩六邊形承重性能好的優(yōu)勢[7]。產(chǎn)品如圖19-圖23所示。

應用形式：從圖片中可以看出十八紙家具充分利用蜂窩紙可折疊壓縮的特性，坐凳以圓柱形結構為主，配合坐墊使用，蜂窩紙收縮后為圓角矩形方體，體積較小，可隨身攜帶；床類家具采用木質床頭床尾與蜂窩紙相結合方式，以蜂窩紙為主要承重結構，木質床頭床尾防止床墊滑落，使床類家具具有輕質、節(jié)省空間、造型簡潔的特性，可以有效解決小戶型空間不夠用的難題。同時，十八紙家具注重結合中國傳統(tǒng)文化（圖22-圖23），通過對傳統(tǒng)元素的使用和創(chuàng)新，展示出中國家具設計特有的魅力[8-10]。

接合方式：主要分為活動接合和膠合兩種。活動接合指不固定在一起，使用時接合，閑置時可以隨時分開，具有較高的靈活性，比如坐凳，其蜂窩紙支架和坐墊就可以自由分合。蜂窩紙和木材材料的固定接合采用膠黏劑接合，比如折疊床中蜂窩紙和木材的膠合連接。

此類家具受到青年消費者的喜愛，但由于傳統(tǒng)觀念、價格等因素，在國外銷量比國內要高。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平和文化素質的提高，此類家具有著廣闊的市場和光明的前景。

3 蜂窩紙板家具

蜂窩紙板輕質高強，現(xiàn)在主要用于制作包裝箱。蜂窩紙板箱的重量僅為相同規(guī)格的瓦楞紙箱包裝箱的2/3，約為相同規(guī)格實木箱重量的1/3[11-13]。現(xiàn)在蜂窩紙板在家具生產(chǎn)中應用較少，筆者查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有不少設計師探索蜂窩紙板家具在趣味兒童家具和簡易家具中的應用（圖24-圖25）。

圖中所示蜂窩紙板家具充分利用了蜂窩紙板易加工的優(yōu)點，針對其不易折彎的特性，折彎部位可采用“V型槽”或“U型槽”的加工方法解決。將大塊面積的蜂窩紙板作為家具零部件，輔以支撐結構，合理的分散作用力，通過卡槽插接（圖25）和折疊的結合方式、紙棱角度的變化，可以組合成不同的造型，且在制作過程中不使用膠粘劑連接，并且蜂窩紙板具有可回收再利用的特點，發(fā)展蜂窩紙板家具，有利于減少森林砍伐和可持續(xù)發(fā)展。

圖17 固裝式接合

圖18 小型擱物架

圖19 十八紙坐凳

圖20 十八紙大型座椅

圖21 十八紙折疊床

圖22 十八紙風琴燈系列之一

圖23 十八紙風琴燈系列之二

圖24 蜂窩紙板方桌

圖25 卡槽結構之一示意圖

圖26 蜂窩紙圓幾

4 設計探索

純紙家具設計一直是設計師不斷探索的方向，雖然瓦楞紙家具已取得一定進展，但是由于瓦楞紙密封性差、易受潮等缺陷，導致人們接受度低。再者由于紙不能像木材、金屬那樣易于加工成彎曲的造型，紙自身的力學承載性能、安全性相對較差，使得純紙家具的研究進展相對較慢[14-15]。基于蜂窩形仿生材料輕質、強質比高、綠色環(huán)保、節(jié)省材料、成本低、造型時尚等優(yōu)勢，可將蜂窩紙板與蜂窩紙結合用于家具設計，例如小型圓幾、角幾，設計圖如圖26所示。

此方案的設計思路為：采用變化與統(tǒng)一的形式美法則，統(tǒng)一圓形元素，直線型面板與曲線型支撐部分變化交融。將增強型蜂窩紙板作為面板，經(jīng)過防水防潮、表面裝飾處理，承載物品擺放[16-17]。蜂窩紙造型富于變化，色彩及圖案可定制，用于支撐結構，可設計出曲線優(yōu)美的形態(tài)。二者的接合方式可以選擇膠合或活動接合，這樣便可以設計出輕質、造型優(yōu)美、綠色環(huán)保、節(jié)省空間的紙家具[18]。其中面板力學承載性能增強方法為：蜂窩紙板的表板采用厚度2-3mm的卡紙，可進行貼面處理，中間采用蜂窩邊長較小的，比如6-8mm的蜂窩紙芯。

5 結語

輕質蜂窩形仿生材料應用于家具設計與生產(chǎn)，拓寬了家具設計的空間和材料的選擇性。木質蜂窩板、蜂窩紙、蜂窩紙板相互組合使用在家具設計中有很大的探索空間。蜂窩紙造型多樣、色彩豐富，可以接合多種材料組合使用，賦予設計師很大的靈活性。蜂窩紙板受限于自身側面的抗破壞性較低，易破損的缺點，在包裝紙箱中應用較多，但用于特定趣味家具、配飾家具，采用卡槽等接合方式，便可以發(fā)揮其輕質高強的優(yōu)勢，有很大的應用前景。蜂窩形仿生材料用于家具制造符合國家生態(tài)文明建設的需要，是節(jié)材代木、發(fā)展輕質化家具的不可或缺的選擇。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強和思想觀念的更新，蜂窩形仿生材料將會更多地運用家具生產(chǎn)和包裝中，從而有效地促進環(huán)境保護和家具輕質化發(fā)展。