纸管材料在家具结构中的设计∗

闫 波 吕文蕾 耿晓杰

随着绿色设计思潮的兴起，纸质材料以绿色环保、易降解可循环利用等特点，成为广泛应用的家具材料。纸质材料家具较适合追求时尚个性化的消费者短期使用，以纸管为主要材料的纸质家具不仅具有各类纸家具的优势，且造型、结构形式新颖，前景广阔[1]。

1 纸质家具的概况

1.1 纸质家具设计的意义

随着生态文化建设理念的提出，设计产品除满足功能和形式上的需求外，更加注重是否遵循生态保护观点[2]。纸质材料的环保特点正与这一观念不谋而合。纸质材料是由无毒无污染的原纸制成的，不会产生任何有害物质，安全性高。除此之外，纸质家具还具有很多材料优势：其一，质轻便携，经济可拆装。由于纸质材料本身质量较轻，制成家具产品方便挪动搬运和随身携带，且大多数纸质家具结构为可拆装结构，不仅能够节省储存空间而且大大降低了运输成本。其二，造型独特，趣味性强。纸质家具特殊的结构设计使其整体造型新颖独特，表面装饰形式可采用涂饰、贴面、镶嵌、雕刻等多种方法，能够满足使用者DIY的趣味需求[3]。

1.2 纸质家具的材性特点

强度方面，经过科学测试,A级纸板为瓦楞纸板,断裂强度达28 kg/cm3,由其制成的家具可以承受90 kg的重物和10万次以上的撞击。纸管材料也在1991年由日本设计师作为支撑性结构材料应用于永久性建筑，由此可见纸质家具并非不堪一击，纸质材料的力学强度完全能够支持其作为家具用材应用于日常生活之中。

耐水性能方面，纸张因其组成结构纤维的独特性，既有弹性体弹性变形的性质，也有流体的塑性变形性质，同时还存在形变和形变恢复滞后于作用力和作用力撤除的弹性余效。因此，在制造成家具前须进行防水处理。目前国内原纸生产企业大多采用表面施胶来提高纸张的强度和防水防潮性能，并取得了较为理想的效果，可以满足日常使用需求。更有相关纸张环压和防水性能实验证明，添加AKD 施胶剂后，纸样防潮性可在原有基础上大大提高，Cobb 值可达39.8 g/m2。

1.3 几种常见的纸质家具

纸质家具主要是以纸浆和废纸板为主要原料，但根据纸材的性能、塑型方式、造型方法可分为不同类型[4]。现在常见的几种纸质家具分别为：纸浆模塑家具、纸板家具（瓦楞纸板、蜂窝纸芯板）、纸叠艺术家具（皱纸家具、风琴纸家具）、纸纤家具以及纸管家具（如图1）。

图1 几种纸质家具Fig.1 Several kinds of paper furniture

2 纸管建筑及家具的经典案例

普利兹克建筑奖获得者、日本著名建筑师坂茂（Shigeru Ban）在1986年受邀为阿尔瓦·阿尔托设计临时展览空间，为避免材料浪费，第一次将纸管材料应用于建筑设计之中并一举成功。此后，坂茂设计了诗人高桥睦郎的书库，在这个小跨度建筑中纸管成为了真正的结构支撑，实现了设计师将纸管材料作为建筑（非构筑物）结构的设想[5]。在先后完成了日本阪神大地震灾后纸教堂、中国四川华林小学临时校舍和海地纸质应急避难所等纸结构建筑后，坂茂在2013年设计并参与建造了苏黎世TAMEDIA 传媒新大楼，第一次跨界设计了一系列纸管家具作品（如图2），首次将纸管材料的应用从建筑设计延伸至了家具产品设计领域。

3 纸管家具的结构形式分类

坂茂对于纸的使用最大的突破莫过于将观念中脆弱的纸用作建筑的结构材料[6]。从其建筑案例中可以总结出纸管材料作为结构用材的几种构建形式：纸管墙、纸管框架、拱和网架。以这些建筑结构体系作为参考，结合纸质家具结构设计方法，可以总结出纸管家具的结构形式分为以下几类。

3.1 以纸管材料为基材的设计

1）管材排列式。

图2 TAMEDIA内部纸管家具Fig.2 Paper tube furniture in TAMEDIA

图3 carta系列作品Fig.3 Serial works of carta

图4 纸管家具Fig.4 Paper tube furniture

将若干个经过剪裁的纸管通过胶粘、内部螺钉连接或捆扎的形式，按照重复或渐变的造型规律沿水平或垂直方向进行排列，形成可承受外力的平面或起围合作用的背板。纸管有序的排列不仅能营造出强烈的韵律感，有着良好的视觉效果，而且能够大大增强材料抵抗外力荷载的承重性和稳定性。如坂茂的“carta”作品（见图3）就是利用了这一结构形式设计了包含单椅、躺椅、屏风在内的一系列家具作品，在靠背和座面部分采用了横向管材排列的方式。此外还有其他角度、方向的排列式纸管家具案例，如图4所示坐具，造型新颖独特，整体稳定性强。

2）框架搭建式。

中国传统框架式家具上的许多构件和做法多是仿取或源于建筑做法而成的。如家具腿脚间不同位置所设的枨子源于建筑立柱间的枋串，家具用作辅助支托以显稳固的牙子仿照建筑的替木和雀替[7]。因此部分建筑构架的做法对于家具结构设计具有指导意义。纸管框架搭建体系中管材的使用方式和木框架结构中木材的使用方式非常接近，即以纸管材料作为基本构件，结构仿效建筑梁柱支架,取法建筑结构形式,采用立柱、横梁搭构框架。家具脚足如同建筑立柱取圆柱形式,并连以横枨。该体系是纸材料使用率较高的体系，在家具设计中非常实用。

3.2 多种材料结合的设计——组合式

纸管家具的组合式结构指的是利用纸管、瓦楞纸板、软木板、定向刨花板等两种或多种材料通过插接、嵌套、捆扎、连接件连接等多种方式进行组合的结构形式。组合结构家具的主要特点是：造型灵活多变，形态元素丰富；便于拆装组合；材料利用率较高。坂茂的系列作品“Carta”椅身和椅脚就是采用山毛榉木胶合板和纸管两种材料相结合制成，胶合板作为基本框架结构，椅面上铺排细型环保纸管，成为既简约又有趣的家具产品。此外还有“Paper Tube and Plywood Stool”（纸管胶合板便携凳）的设计（见图5），是坂茂运用了当时技术已臻成熟的胶合板，结合 4 支粗型纸管作为凳脚的双位一体结构，外观或许并不是那么引人注目，却是蕴含坂茂将纸、木这类容易回收的材质，转化为容易收纳的设计。

图5 纸管胶合板便携凳Fig.5 Paper tube and plywood stool

4 纸管家具连接节点设计探究

家具结构的稳定性受诸多因素的制约，如材料自身的力学性能、结构强度到工艺技术和使用方式等，其中纸质家具的连接节点的设计则是保证整体结构稳定性的重点。

4.1 纸管家具结构连接件应遵循的设计原则

1）保证力学强度。

设计纸管家具结构的首要要求就是要保证其力学强度。不同的材料、不同的接合点数量和接合方式，其受力情况存在很大的差异，因而设计纸管家具结构时，必须了解材料力学特性和接合点受力特性，通过合理设计零部件尺寸，精确计算插接或裁割位置以提高纸管家具的整体力学性能和安全性能。

2）便于拆卸与重组。

纸管家具的拆卸主要是基于运输、存储或体现趣味性的目的而开展。拆卸动作结束后，纸管家具零部件之间要有良好的分离性能，尽量不要借助外力或工具进行强制性分离，以免损坏材料，影响其重新组装。纸管家具的制造材料主要是纸管，面对二次装配或多次装配时会存在材料的损耗问题，因而设计纸管家具的结构连接部位时，应该着重考虑这一问题。此外，在拆卸与重组的过程中，便捷性也是设计节点连接考量的重点之一，由于纸材的特殊性，若使用者失去动手拆卸组装时的便捷性和趣味性，则其作为家具用材的优势也将大打折扣。

3）经济性原则。

消费者选择纸质家具的原因很多，其中包括纸材的绿色环保特性、新颖独特性、DIY趣味性等，其中经济性更是非常重要的购置原因之一[8]。因此，在纸管家具的设计研究中必须考虑的原则之一便是经济性原则。要尽可能地利用现有的制造设备和制造工艺，尽可能利用或改进现有的家具连接方式及配件，实现低成本、经济适用的连接件开发使用原则。

4.2 纸管家具结构连接形式

1）嵌套式。

坂茂在2014年为菲律宾建设的援建住宅“Paper Log House”中，出现了纸管直接穿孔插接的形式。在这个作品中，设计师直接通过纸管自身解决连接问题。此方法也可以借鉴到纸管材料家具设计中两种或两种以上不同直径纸管材，直径较大的纸管的孔隙预先打好，只需要将直径较小的纸管以插接、嵌套的方式进行连接，辅以胶黏剂或螺钉固定，无需其他连接部件便可基本形成一定角度或不同维度的结构搭建，从而大大提高了纸管家具的制作便利性及经济性。

2）捆扎式。

对于上下叠置的纸管，可以使用绳带绑扎式的节点构造，即使用绳带将纸管进行捆绑式连接。这样的设计不但为整个家具轮廓的调整留出了灵活的空间，还能够节省大部分造价[9]。古朴的绑扎技法取代实体的节点，更加突出了对“纸”这一材料质感的表达。使用绑扎式节点的结构由于连接较为灵活，需要提前在纸管上穿绳孔位或使用其他辅助结构进行加固，使其能够承受正常范围的外力荷载。

3）连接件接合式。

通过对坂茂纸建筑结构节点的归纳，可以看到最早也是最常用的是节点连接件的使用。这种接合方式也可应用到纸管家具设计中。纸管家具各个零部件的连接节点可采用其他材料制成特殊的形状，通过切削或是加入夹板形成插脚伸入纸管的空腔中，连接不同方向和维度的纸管，之后节点通过螺栓和纸管固定。此外，还可运用其他材料制成套管形式，多方向、多角度、多维度地将纸管和连接件进行嵌套连接，辅以胶黏剂和螺栓进行固定。几种形式可参考表1所示。

表1 纸管家具结构连接形式Tab 1 The structure connection methods of the paper tube furniture

5 小结

在纸质家具设计中结构设计决定着家具的功能实现、家具外观造型、家具成型工艺和家具成本等重要内容[10]。整体结构及连接节点的合理化设计对于纸管家具的重要性不言而喻。一方面，结构及节点设计决定了纸管家具是否符合国家强度标准，满足日常使用需求，另一方面，结构的创新提升了家具的造型美观性与新颖程度，因此应不断对纸管家具的结构及细节进行研究，以达到材料和结构的科学统一,创造更多的绿色产品，让质优价廉、时尚环保的纸质家具丰富人们的生活。

[1]毕留举.瓦楞纸板家具设计中的结构形式分析[J].包装工程,2010(1):14-17.

[2]赵祎乾.基于瓦楞纸板材料属性和结构形式的家具设计研究[J].家具,2016,37(4):45-49.

[3]王城湘,苏晓蓓,闫波,等.瓦楞纸板家具表面装饰方法[J].家具与室内装饰,2016(6):57-59.

[4]江尔德,于伸,李德华.纸浆模塑家具家具[J].家具,2008(1):45-48.

[5]侯林,灾后临时过渡建筑建造研究初探[D].成都:西南交通大学,2010.

[6]宋昀.坂茂(Shigeru Ban)作品中的轻型设计思想与手法研究 [D].广州:华南理工大学,2015.

[7]张十庆.建筑与家具——古代家具结构与风格的建筑化发展[J].室内设计与装修,2005(4):98-101.

[8]刘爱平.纸板家具的研究与设计[D].哈尔滨:东北林业大学,2011.

[9]管理.坂茂及其纸结构建造体系研究[D].南京:南京大学,2014.

[10]张璐霞,胡蝶,伍冰,等.儿童瓦楞纸板家具结构设计研究[J].包装工程,2016(3):92-95.