鄉村振興下秸稈家具綠色模塊化設計研究

李宏

鄉村振興下秸稈家具綠色模塊化設計研究

李宏1,2

（1.廣州華商學院，廣州 511300；2.澳門城市大學 創新設計學院，澳門 999078）

實施鄉村振興戰略必須要優先考慮生態文明，以綠色發展引領美麗鄉村的振興。農村廢棄秸稈焚燒產生的大量煙霧會對大氣造成污染，從綠色模塊化設計角度出發，分析秸稈材料的特點以及設計的多種可能性，對廢棄秸稈進行有效利用以減少焚燒污染，將鄉土材料轉換為可利用的資源。運用綠色模塊化設計理念以功能與結構的相關性進行聚類劃分，在此基礎上對劃分的模塊進行零件變型設計，形成產品族的擴展設計，以增加產品的綠色屬性及個性化需求。明確了模塊劃分在秸稈材料家具設計中的實現方法，使其符合現代家具產品的使用功能、綠色屬性及美學特征，拓展了自然材料在現代家具產品設計中的應用范圍，優化了秸稈材料設計在家具領域的方法，傳達了鄉村振興下的綠色生態發展理念。

模塊化設計；產品族；秸稈材料；家具設計；鄉村振興

黨的十九大報告中提出要實施鄉村振興戰略，其中提到要以發展鄉村綠色生態環境為首，重點治理鄉村的生態環境，以此來推進鄉村的可持續發展，共建人與自然的和諧共生之路[1]。在鄉村振興發展過程中會不可避免地產生資源消耗和環境污染，使鄉村生態環境遭受破壞。秸稈作為一種綠色自然材料，直接焚燒會產生氮氧化合物，容易導致霧霾天氣的形成，農村秸稈的處置成為棘手的問題。“綠色可持續”是推進鄉村振興的重要變革，不僅要改變鄉村環境，還需要創造良好的人居環境。綠色設計強調資源循環利用及減少環境污染，本文運用綠色模塊化的設計方法對廢棄秸稈展開設計，以滿足其功能屬性、環境屬性及個性化需求，使廢棄的秸稈發揮新的使用價值，為廢棄秸稈的處理提供新的途徑，減少鄉村焚燒秸稈對大氣的污染。

1 關于產品族的綠色模塊化設計

綠色模塊化設計概念及基本框架，最早由美國斯坦福大學Kosuke Ishii教授提出，主要內容為：將綠色設計基本理念與模塊化設計方法相結合，對產品在既定范圍內的不同功能或相同模塊的不同性能，通過綠色原則和功能方式進行模塊劃分、組合，從而構建出系列化產品[2]。產品族綠色模塊化設計具有低成本、可重復、易換代、開發周期短等特點，能夠通過產品的基礎模塊，并增加不同的模塊來實現產品的多樣化[3]。

國內外學者對綠色模塊化設計已經進行了大量的研究，如Simpson提出了同異比的產品族模塊化設計方法，韋俊民等通過產品的零件特征來劃分模塊，實現了產品族創建，滿足了不同用戶的需求。筆者通過引入綠色模塊化的理念，運用模塊聚類方法進行模塊劃分，通過產品族的擴展形成產品族設計。

產品族的設計可分為有平臺與無平臺2種設計形式。有平臺設計指通過設計可變模塊或修改屬性部分的具體參數值，從而改變產品族的個性化設計。最終，根據用戶和市場需求完成產品族設計，見圖1。無平臺設計是指通過基礎模塊不斷擴展延深的設計過程。如先對基產品1進行基礎設計，再將產品1擴展至個不同的模塊向量，繼續用相似的方法將產品2擴展至個產品系列[4]。按此方法和邏輯，將產品1擴展至產品2直至產品的過程，即完成了產品族的擴展設計，見圖2。一般情況下，產品復雜程度高、屬性值變量多的情況下選擇有平臺設計，反之適用無平臺的產品族設計。

圖1 有平臺產品族設計圖

圖2 無平臺產品族設計圖

2 面向產品族的綠色模塊化劃分準則

目前，傳統的產品設計流程為：市場調研—用戶需求—設計概念—實物模型，而綠色模塊化設計流程應以系統性的生態思維為指導，將可持續發展作為基本原則。在綠色模塊劃分過程中，不僅要對用戶展開調研，而且要積極引導人們樹立環保意識，推動人與自然的和諧發展。面向產品的綠色模塊化劃分流程為：首先，產品要依據初始零件設計與功能進行劃分，使其對應各個零件序列；其次，以綠色屬性原則進行劃分，運用零件之間相似性關系進行模塊組合，滿足產品功能性與綠色屬性的需要；最后，對產品的模塊化部分進行合理性和可行性檢查，檢驗合格后對零件與模塊化接口進行深入細化，進而完成模塊劃分設計。

模塊化設計劃分還要考慮功能、結構、接口等單元關系，劃分的標準將直接影響產品的生命周期。產品在使用的每個周期都會產生能源消耗及資源排放，因此，綠色模塊化劃分要通過材料相關性原則、生命周期原則、回收方式、可重用性來進行劃分。綠色模塊化劃分準則是此次研究的重點之一，直接關系到產品功能結構和綠色屬性的綜合協調問題，劃分準則主要涉及如下幾項。

2.1 材料相關性準則

材料與產品之間相互促進、密不可分。材料相關性指在產品中各零件材料間具有相通性與相似性的特征，相關性特征指不同零件之間如何進行相互影響，其中包括材料的選擇運用、材料的回收便利性，以及維修工藝難易程度等問題。材料相關性的選擇是產品綠色模塊化設計的重要支撐，制定材料間的應用標準，能夠拓展材料技術綠色化應用范圍。

2.2 生命周期相關性準則

產品的生命周期是指產品從開始進入市場到淘汰退出市場的全過程，其主要包括物理壽命與功能壽命2個方面[5]。物理壽命指產品本身功能價值的失效，功能壽命指產品受外界因素的影響而終止使用與流通。因此，在設計中要考慮產品生命周期的每一個環節，模塊化劃分時要將零件壽命相同或相近的劃分在一起，有效節約資源消耗、強化資源的整體利用率。

2.3 回收方式相關性準則

產品的回收方式是衡量產品綠色屬性的重要指標，在產品生命周期結束后要考慮產品的處理方式，使產品或零件得到循環使用或再生利用。在報廢過程中要實現資源利用率最大化、環境污染最小化，從而滿足保護生態環境的要求[6]。因此，產品的回收關系原則為：將回收方式相同的零件劃分在同一個模塊中，充分認識回收方式的綠色價值，合理利用回收技術，并創新再利用方式。

2.4 可重用相關性準則

模塊化產品零件之間具有結構的相關性，具體表現在零件的裝配關系、拆卸組合、尺寸約束、連接方式等相互作用上，產品在使用過程中或生命周期結束后，其部分零部件具有重復使用的功能屬性，并能回收循環利用。在設計階段增強產品的可拆解性，促使產品零部件兼容化、可重用化，使資源利用率最大化，因此，需要對模塊化零部件的相關性進行事先規劃布局。

3 模塊聚類

在面向綠色模塊化設計的產品族中，綠色設計是可持續發展規劃的系統設計，強調產品設計促進資源循環再利用、永續發展的理念。綠色模塊產品組成的零部件中存在材料相關性、生命周期相關性、回收方式相關性、可重用相關性等相互關系[7]。根據公理設計理論，在綠色模塊化設計中應盡可能按照內部零件綠色屬性劃分原則，使其相互間具有較強的依賴性及作用關系，而模塊之間的相關性應盡量減少[8]，以體現出模塊化設計思維及可持續發展理念。

3.1 鄰接矩陣的構建

3.2 產品族的創建

在產品族的創建過程中，先通過模塊聚類劃分形成系列的變型模塊，再通過標準化的接口實現模塊功能的轉換，模塊之間以共同性和差異性的組合方式形成產品族[9]，并根據市場變化擴展產品的種類，靈活地匹配產品族中零件與功能間的復雜關系，從而實現產品的標準化、系列化、多樣化，滿足不同消費者的個性化需求。

綠色模塊化設計運用三維坐標系來表達模塊劃分，以坐標軸的3個方向來表示不同的劃分子原則，見圖3。其中，軸代表產品模塊化設計的組成要素，包含產品基礎模塊、產品變型設計、模塊聚類、產品族設計；軸代表綠色設計原則，以材料相關性、生命周期、回收性、可重用性為評判依據；軸代表產品的復雜程度。產品劃分子原則映射在3個坐標的交集點處，將該點相對應的三維坐標作為模塊劃分的依據[10]。不同的產品可以依據產品的屬性來選擇劃分原則，并通過坐標軸劃分的子原則形成合集，最終構成綠色模塊化劃分的三維模型。

圖3 綠色模塊劃分三維模型圖

4 綠色模塊化設計在秸稈材料家具中的應用

廢棄秸稈焚燒產生的煙霧容易造成大氣環境污染，與空氣中的粉塵物疊加在一起，容易形成霧霾天氣。如何解決農村秸稈焚燒污染問題，最好的出路是為農民提供一個既方便又能產生價值的生態方法。秸稈材料的天然屬性符合環保的特性，將綠色模塊化設計方法運用于家具產品中，可以使廢棄秸稈轉換為綠色生態的處理方式。世界生態建筑開拓者曾提出，設計的結果應來自環境本身，生態支出是評價設計的標準[11]。秸稈材料在使用完成后可自然降解，符合綠色模塊化的可重用性原則；秸稈材料家具拆卸方便、能耗小、環境污染少，符合綠色模塊化的可回收性原則。以上優良特性都適用于綠色模塊化設計的生態屬性要求。

在現代家具領域有較多的綠色模塊化設計成功案例，例如丹麥設計師克蘭特（Kaare Klint）設計的經典式躺椅，將不上油漆的自然木料與編織物相結合，表現出一種接近自然的搭配方式。秸稈是農村常見的一種自然材料，此次研究選擇以高粱秸稈為基材，結合其他輔助材料進行設計。從滿足用戶美學需求的角度出發，以綠色理念為指導進行產品功能分解，通過模塊劃分進行分組，在分組的過程中確定模塊聚類，接著進行產品組的擴展設計直至完成設計任務。功能上滿足人機工程學，造型上時尚美觀、結構合理，適應于現代日常生活的需求。根據上述產品綠色模塊化設計流程，通過設計實踐驗證秸稈材料綠色模塊化設計的可行性，見圖4。

4.1 秸稈材料的處理

秸稈材料是可再生自然資源，選擇高粱秸稈作為研究對象，首先需要通過干燥處理工藝，對秸稈材料進行晾曬、貯存，時間為30～50天，含水量要低于15%，這樣才能夠達到使用的標準。有2種干燥方法，一種是自然晾曬干燥，但受天氣和其他條件的影響，不符合大規模的使用要求；另外一種是封閉式除濕干燥，將機器干燥溫度調節在75 ℃～85 ℃，秸稈各部位都能均勻干燥，滿足干燥工藝的基本要求。封閉式除濕干燥沒有廢氣和廢熱的排放，優點在于干燥的秸稈外表面質量高，不易出現開裂、表面硬化的現象，能夠達到設計材料的使用要求。本研究選擇廢棄的高粱秸稈進行封閉式除濕干燥處理，并用于設計實踐。

4.2 秸稈家具模塊劃分

秸稈是一種天然生成的纖維素，結構呈空心管柱狀，具有一定的韌性、受力性以及自然降解的特性，符合綠色模塊化設計的功能化、綠色化原則[12]。本研究區別于傳統的粉碎注模成型方式，在家具設計中直接將秸稈材料作為基材與面材，用以結構支撐以及表面裝飾。篩選金屬、塑料、硅膠等材料與秸稈進行模塊組合搭配設計，呈現出特有的視覺語言（粗狂與精致、樸素與時尚、沉悶與靈動），這種互補效果帶給用戶不一樣的審美體驗。

以一款秸稈材料坐具設計實踐為例，進行模塊化設計實踐研究，見圖5。首先，使用切割機和打磨機對高粱秸稈進行葉、莖表面化處理，依據模塊劃分的相關性準則，用高粱秸稈的莖作為產品的構成子元素，采用若干單株捆綁的結構，將若干單個的線轉換為體，提高產品的結構力度，以此作為基礎模塊部分。其次，根據可重用性相關性準則，將坐具外部包裹部分設置為模塊擴展部分，使用金屬框架，采用厚度為4 mm的扁鐵材質，運用離子切割技術將扁鐵切成曲線形狀，金屬框架接口用焊接工藝完成。最后，采用鑲嵌的方式將金屬模塊部分與高粱秸稈相結合，將若干單株模塊鑲嵌在金屬框架模塊內形成牢固的整體。

圖4 綠色模塊化設計流程圖

圖5 秸稈材料坐具設計

運用模塊化設計方法對秸稈坐具的功能、結構、接口進行靈活轉換，可以使坐具產品的拆卸、回收與升級更加多樣化，并滿足用戶基本的使用功能和視覺美感等需求，形成曲與直、柔與剛、動與靜的視覺對比效果。

4.3 模塊結構變型設計

變型設計指在原型產品的基礎上，通過改變相關參數、造型或結構來設計出一種新的產品。運用此方法對上文中圖5坐具進行模塊結構變型設計，高粱秸稈作為固定模塊，能夠通過改變外框的形態來實現坐具產品的變型設計。第1種變型設計，將高粱秸稈單株用線穿起來，構成排列式組合結構，并將其當作面材鑲嵌在金屬框內部。金屬外框設計成可變型結構，外框形態借鑒法國雕塑家扎德金（Ossip Zadkine）的透疊借構方法，將互動穿插的線條融入立體化形態中，使用多邊形與三角形的結合設計，強調形態間的比例節奏關系。第2種變型設計，將外框設計為矩形形態，變型后方形坐具穩重厚實，外框結構為標準化的模塊配件，可以重復循環使用，符合綠色模塊化設計理念的可重用性原則，見圖6。

4.4 產品族的創建設計

產品族的設計指以共享模塊為基礎，通過相關接口關系匹配不同模塊設計出關聯產品[13]。秸稈材料家具功能結構較為簡單，將其功能描述為利用秸稈提供支撐力以滿足坐的姿勢和視覺美感。根據模塊聚類方法和相關性準則，將不同材料與秸稈模塊相匹配，以實現產品族的擴展設計。

在家具產品設計中，以不同屬性材料作為可變零件與共享模塊秸稈相匹配進行設計。首先，以高粱秸稈為基礎模塊，通過修改外邊框的形態與組合搭配來實現產品族擴展設計。第1組設計將高粱秸稈作為結構受力的主要模塊，金屬部分選擇扁鐵材質，表面做磨砂效果處理，運用曲線的造型實現產品族的擴展設計，銀色的金屬時尚感與秸稈材料的自然美，表達出現代技術與傳統意境的綜合美。

根據模塊聚類功能部分和結構部分的相關性，第2組在第1組平臺設計的基礎上進行擴展設計，設計出一套組合家具。第2組基礎模塊部分采用高粱秸稈，將第1組圓形坐具變型為矩形坐具與多邊形桌子。運用不銹鋼材料實現外結構形態的擴展設計，高粱秸稈的自然色澤與金屬強烈的反射效果，使自然材質的溫暖感與人工材質的冷酷感互相襯托。廢棄秸稈通過模塊化擴展設計形成的產品族，適用于多樣化的家居場景，為鄉村生活形態設計提供了新的思路。

為滿足產品的舒適性、防水性及多樣性等需求，繼續進行第3組產品族擴展設計。將可變模塊部分改為透明軟膠塑料材質，與高粱秸稈進行匹配設計。軟膠塑料材質具有透明、耐用、現代等特點，使家具產品表面具有防水、耐臟等功能，可以提升用戶體驗的舒適感。外框模塊采用金屬材質的線條設計，將點、線、面基礎元素進行新的組合，既延續了產品的整體風格，又實現了系列化擴展設計。3組產品族的擴展設計見圖7。

圖6 秸稈材料坐具變型設計

圖7 3組產品族擴展設計圖

通過改變秸稈家具系列化的顏色，以擴展產品族系列的美學理念。高粱秸稈顏色比較單一，運用擴展模塊的不同顏色可以豐富產品族。運用噴涂的方式，對金屬表面進行各種顏色的油漆噴涂，從而增強產品的顏色點綴效果。金屬的顏色噴涂紅色，紅色與秸稈淺黃色的搭配，傳遞出鄉土材料天然質樸的特點，彰顯了生態環保理念，見圖8。將金屬噴涂成藍色，與高粱秸稈的黃色形成對比，打破了產品的單調沉悶感，創造出個性化的家具產品風格內涵，見圖9。

圖8 紅色產品族

圖9 藍色產品族

通過探討設計流程、模塊劃分準則、產品族擴展及設計實踐，提供設計實例闡釋說明了綠色模塊化在秸稈材料中的運用的可行性。從綠色模塊設計角度來看重點是傾向使用、維修以及回收的模塊劃分，較之傳統的模塊化設計，綠色模塊化設計更注重環境屬性，不僅適用于工業領域產品設計，同樣適合鄉村振興下的家具產品創新設計。

5 結語

本研究通過系統梳理秸稈材料的特征和造型工藝，進一步解析用綠色模塊化設計的可再生利用新途徑。實現了秸稈材料家具產品擴展方式與多樣化，將秸稈家具產品零部件功能與結構進行聚類，以相互強弱關系進行模塊劃分，提升了產品族設計擴展的有效作用[14]。不僅可以解決農村廢棄秸稈的處理問題，同時提升了鄉土材料的轉化運用價值。生態環境越來越多地被設計所關注，如加拿大著名設計師阿瑟·埃里克森.（Arthur Erickson）所言“環境意識就是一種現代意識[15]”。曾經在農村只能化為煙塵的秸稈華麗轉身變為設計材料資源，拓寬了現代家具產品材料的運用領域，傳達了自然材料在家具設計中應用的綠色理念。在一定程度上減少焚燒秸稈產生的大氣污染，有利于改善鄉村自然生態環境，推動村莊清潔提升村容村貌，建設美麗綠色的宜居鄉村。

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Green Modular Design of Straw Furniture under Rural Revitalization

LI Hong1,2

(1. Guangzhou Huashang College, Guangzhou 511300, China; 2.Faculty of Innovation and Design, City University of Macau, Macau 999078, China)

To implement the Rural Revitalization Strategy, we must give priority to ecological civilization and lead the revitalization of beautiful countryside with green development. A large amount of smoke is produced by the burning of waste straw in rural areas, and therefore causes air pollution. From the perspective of green modular design, this paper analyzes the characteristics of straw materials and various design possibilities, so as to effectively use the waste straw, reduce the burning pollution, and convert the local materials into design resources. The green modular design philosophy was used to cluster the modules according to the correlation between function and structure. On this basis, the parts variant design of the clustered modules was carried out to form the extended design of product family, so as to improve the personalized needs and green attributes of products. Through clear implementation method of module division in straw material furniture design, it makes itself conform to the use function, aesthetic characteristics and green attributes of modern furniture products, expands the application scope of natural materials in modern furniture product design, improves the new method of straw material design in furniture field, and conveys the concept of green ecological development under the Rural Revitalization.

modular design; product family; straw materials; furniture design; rural revitalization

TB472

A

1001-3563(2022)14-0272-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.14.033

2022–02–08

廣東省教育廳普通高校特色創新項目（2020WTSCX151）

李宏（1983—），男，博士生，副教授，主要研究方向為產品設計理論創新與實踐。

責任編輯：馬夢遙