家具结构创新设计方法研究∗

陈亚楠 张仲凤

为进一步提高家具产品附加值，实现由“中国制造”向“中国智造”的升级转变，家具行业未来将更多地把发展基点放在创新上，依靠创新驱动，塑造引领型发展。家具系统的创新设计包括家具产品的造型、功能、工艺与结构的创新设计。因为结构承担着造型的连接点，功能的实现点，工艺的关键点等多方面的重要角色，所以家具结构的创新设计在整个家具系统的创新设计中至关重要。

1 家具结构设计的内容

结构赋予家具功能，是功能的物质载体，它通过安排家具各零部件间的连接方式和相对位置实现设计初期所规划的特定使用目标；同时结构也是家具承重部分的构造，是受力物体的架构形态，物体可以借由结构在一定程度上抵抗外力引起的形状或大小的改变。家具结构设计的内容就是依据设计主体持有的目标，通过一系列手段，确定家具产品各构成元素间的连接方式和装配方式。除了解决连接和承载问题，家具结构设计过程中还必须协同造型、功能、工艺设计等重要环节，充分考虑实用价值、生产成本、运输成本、产品生命周期和节能环保等问题。最终得到一系列能够实现预期外观形态与功能要求，并能用以指导家具生产制造的结构工程图纸[1]。

2 家具结构创新设计的要求

结构设计的基本要求有：合理利用材料、保证使用强度、加工工艺合理、充分表现造型需要[2]。结构创新设计则要求综合考虑社会生产、生活方式的变革、新技术及其应用的影响、新思想理念的发展趋势等，针对以上几个方面的变化发展对家具结构创新设计提出新要求。

2.1 提高拆装性能

便于拆装的结构使得家具整体可以分解为合适的若干零部件，可减少运输空间，提高装载量，从而降低成本。因此家具结构创新设计要求简化拆装过程,减少紧固件数量,避免可能造成破坏的结构方式，只设置必要且合适的接口，使家具整体在拆装性能方面进一步得到完善[3]。

2.2 适应信息化生产

通过计算机控制生产设备和使用参数化的设计工具是今后家具生产方式发展的必然趋势。基于数控生产条件下的家具结构创新设计要求接合部位的形状根据设备刀具的运行状态做出改变，整合和简化复杂的加工基准面，重新设计符合定制化生产的结构造型[4]。同时参数化设计工具的广泛应用要求家具结构创新设计放眼定量研究，在设计过程中借助数学模型，以精确的数据计算来分析构件的强度和受力情况，有针对性地进行结构改进设计。

2.3 关注新材料特性

材料的理化特性，如强度、硬度、韧性、耐磨性等会影响到家具结构零部件的成型加工方式和表面处理工艺，也会在一定程度上限制零部件之间的接合形式；材料塑性、刚性等力学性能的高低，关系到家具结构能否有效抵抗外部载荷的作用，包括在冲击载荷和循环载荷下产生的结构疲劳，以及在静载荷和变载荷作用下产生的蠕变[1]。所以只有充分掌握新材料的特性才能在结构设计中发挥新材料的优势，创造出理性优美的新结构。

2.4 遵循生态设计理念

1）精简结构零部件，使之符合标准化、规格化，以便组织专业化、联动化的生产过程，帮助节能减排；

2）使结构零部件间具备灵活的互换性，支持回收受损结构中善好的零部件以重复使用；

3）赋予家具产品合理的使用寿命，综合考虑产品精神报废和追求完美品质的不同需求[3,4]。

3 家具结构创新设计的方法

著名的家具设计师朱小杰曾谈到，创新设计不等于原始创新，而是一种模仿后的组合，是先接受先人与他人的智慧，再重新用自己特有的、擅长的、成熟的技艺进行的组合。家具结构创新设计可以归结为以下几种方法。

3.1 改进传统的家具结构

中国传统家具的结构形式由箱型壶门结构发展至框架结构后，逐渐臻于成熟稳定。传统家具结构具有历经时间考验的实用性和经典审美意趣的同时，也因为新技术的发展和现代社会生产、生活方式的巨大变革逐渐暴露出不可忽视的局限性。

改进传统家具结构的具体做法有：传统结构的形制创新和面向数字化的传统结构优化等。

3.1.1 传统结构的形制创新

提炼传统结构的拆装形式将其应用于现代家具的连接配合可以得到家具结构的新形制，这种古为今用的结构创新设计方法，既保留了古典家具优美的结构造型又改进了其中不适应时代特征的缺陷，对传承优秀文化遗产具有重要意义。

例如，牙条是传统家具中既作为结构部件使用，又具有装饰作用的一类结构，但家具经过长期使用牙条部位容易脱落，为解决这个问题，对牙条结构进行改进设计。图1中的案，将牙条与面板改进为一体结构，解决牙条脱落问题的同时保留了传统结构的榫卯符号[4]。

图1 牙条结构的创新设计Fig.1 The innovation design of the article tooth structure

3.1.2 面向数字化的传统结构优化

许多传统结构受结构造型制约只适应于手工或半手工生产，这种情况与现代工业追求的成本效益难以协调，因此为实现传统家具的定制化生产，应对传统榫卯结构的造型进行创新设计使其能适应于数控铣削或激光切割的加工。图2为基于CNC数控加工中心铣削特点改进的榫卯结构，其加工基准面经过整合更适应于数控设备的刀具运行状态[5]。

图2 基于CNC数控加工中心改进的榫卯结构Fig.2 The modified mortise and tenon joint structure based on CNC

3.2 借鉴跨界的结构形式

寻找其他领域中可以化为己用的结构形式是家具结构多元化创新设计的重要途径之一，跨界的学习借鉴有助于整合其他行业的独特视角，为家具模块化设计中连接节点问题提供有益参考。

中国木结构建筑中的木拱廊桥是一种以梁木穿插、咬合、别压形成的拱桥，桥的底座是由圆木成角度拼接对拱形成的“八字结构”。建筑师赵英明根据木拱廊桥的特殊结构原理设计出图3所示的廊桥桌，其结构强度主要来源于构件自身强度和构件间的摩擦力、成型角度以及水平距离等因素的协调，不需一钉一铆却非常坚固。

图3 木拱廊桥结构的书桌Fig.3 The design of desk referenced the structure of wooden arch bridge

3.3 利用异种材料进行节点连接

形形色色的新材料为家具结构创新设计拓展了新思维，将造型效果对比强烈，力学性能优势互补的异种材料搭配起来用于家具节点的连接可以创造出令人耳目一新的结构形式。图4为硅胶与实木构件的节点连接，硅胶化学性质稳定、机械强度高，且具有良好的弹性和防滑性能，将其用于固定圆木杆件的搭接,既可以保证结构的稳定性，又可以获得灵活的拆卸性。

图4 硅胶与实木构件的节点连接Fig.4 Node connection of silicone and wooden components

但要注意，利用异种材料进行节点连接，关键在于综合考虑异种材料间的性能差异，理化性能相差过于悬殊的异种材料会限制结构的接合方式，也会降低结构有效抵抗外部载荷的能力。

3.4 借助计算机辅助技术

SolidWorks和 Virtools 等计算机辅助设计软件用于家具结构创新设计具有突出优势。借助计算机辅助设计软件进行家具结构创新设计的一般步骤是：参数化建模→应用软件进行结构受力分析→依据分析结果，针对性修改结构细部→以各零部件间的约束关系为基础，仿真模拟结构的逆向拆装→导入虚拟装配平台，观察装配顺序→调整装配工序→提高装配效率[6,7]。

3.5 应用去结构化的设计思想

去结构化的设计思想认为，以组装为制造核心的工业时代设计正在向以信息构建实体的技术要素为制造核心的信息时代设计转变，新技术如3D打印的成熟解决方案将成为家具设计从工业时代迈向信息时代的最后一个壁垒[8]。未来家具的机械性与组装性将逐步精简，最终结构元素将归于隐退。在家具结构创新设计中应用去结构化的设计思想，探索如何消弭关节以获得均质、连续的有机整体，并使其能适应批量化生产和长途运输，是未来结构设计的发展方向之一。

4 结语

社会的变化发展一方面拓宽了家具结构创新设计的范围，对结构创新设计提出了新的要求，另一方面新技术的涌现又极大地丰富了结构创新设计的方法，未来家具研发仍将不断探寻新的结构创新使家具技艺与美得到真正统一。

[1]柯清, 杨舒英, 杨诺, 等. 基于稳健设计思想的家具结构优化设计[J].林产工业, 2016, 43(2):30-33.

[2]张仲凤. 家具结构设计[M]. 北京:机械工业出版社, 2014:45-46.

[3]徐秋鹏. 中国传统家具结构形式现代化的研究[D]. 无锡:江南大学,2004.

[4]薛坤. 传统家具榫卯结构的性能与设计进化研究[D]. 南京:南京林业大学, 2013.

[5]薛坤, 许柏鸣. 传统家具的拆装结构研究与现代设计应用[J]. 包装工程, 2012(6):57-60.

[6]何风梅. 基于ANSYS的板式家具结构强度分析与优化设计研究[D].哈尔滨:东北林业大学, 2008.

[7]贾梦琳, 虞江. 3dsMax和Virtools虚拟技术在家具装配中的应用[J].家具, 2013(2):53-56.

[8]阮昊. 猫桌:可缩放尺度的空间原型与其面向设计未来的探讨[J].装饰, 2015(5):105-107.