实木家具有机形结构设计研究

■封 宇 刘文金 Feng Yu & Liu Wenjin

(1.2.中南林业科技大学，湖南长沙 410004）

现代日常生活中，人们愈发注重自身健康问题，实木家具天然环保，正好满足了消费者对健康生活的需求[1]。但传统的实木家具造型往往过于厚重笨拙，让人有审美上疲劳的同时往往还产生了不必要的材料浪费。当下以独立设计师品牌为首的有机造型实木家具出现，立马吸引了消费者的眼球，拥有良好的市场反响[2]。

有机一词原意本指自然的、生物的、含碳的，后引申为事物的各部分互相关联协调而不可分[3]。有机形态是从有机设计中延伸出来的对于产品造型的思考，它是一种形态风格，讲求产品形体的流畅性。有机形结构的实木家具是让家具产品中的每个接合部位像是宛若天成一般，在连接节点出能形成一些具有圆弧的形态的构成形式，模仿树干与枝桠的天然形态特征来处理实木家具中各部件间的接合，采用流畅和圆润的造型手法使得实木家具浑然一体[4-5]。

有机形结构实木家具与曲木家具以及异形实木家具之间的区别：有机形结构家具仅仅只针对各部位之间的连接处的过度形式；曲木家具则是利用木材的外性的弹性原理使它的某个部件弯曲成某种形状[6]；而异形实木家具的部件本身就是不规则的截面形状。不同于曲木实木家具的过于张扬的曲面表现形式，也不同于实木家具较大的加工难度，有机形结构实木家具是一种有节制的家具设计手法，在既满足工业化大批量生产需求的同时也保证了一定的艺术审美价值[7]。

然而现有的实木家具有机形结构往往仅凭设计人员的经验和审美主观地进行构想，除了缺少科学依据之外，其中还存在着一些难题，如材料利用率问题、结构强度问题等急需解决。分析实木家具接合结构形式上最合适的有机形态，可以更好的运用到实木类家具产品有机形设计之中，为产品最终效果评估提供前期的参考依据，也为设计人员以及相关企业对实木家具产品中结构节点的结构强度提供切实有效的数据，使产品设计能够准确定位目标人群，从而赢得市场[8]。

1 两连接件间结合部位的外观形式

由于有机形结构形式的不同会直接影响材料利用率的高低，因此需要探讨怎样的形式是最合理的。在查阅大量的文献及图片资料分析现有市场中有机形结构家具常有形式后，确定现有市场中有机形态的实木家具中以“T”型、“L”型构件表现最为突出，主要表现为杆式部件，常见于实木家具的椅类及架类产品中[9](图1、图2）。

2 有机形态家具中连接规律及相关审美依据

通过归纳现有有机形态实木家具中的连接规律，从而制定相关的审美依据，确定两构件间的截面大小搭配以及过度的圆弧大小之间的关系和影响形式，其核心是找到截面大小与圆弧过度的合适关系。如图3所示，具体以构件正视图中的截面边长（a）为基准来确定过度圆弧的半径（R）大小。

而圆弧半径大小除了与截面积大小有关外，与木材利用率也有着密切的关联，选取两者组合的最优的圆弧半径大小。通过分析结论如下：

①当2a R 0.25a时，构件的木材利用率会随着过度圆弧半径R的增大而减小；

②通过问卷调查，发现2a R 2为构件圆弧过度较佳的视觉范围，有80%的受试者选择该范围的过度圆弧造型；

③当R＞2a时，构件节点使用木材量增大，木材利用率会有所增大，但构件造型超出有机形结构范围内，属于异形实木家具造型；

④当R＜0.25a时，构件节点圆弧过度半径过小，可视为普通直角构件。

3 最佳视觉造型取值评价

采用问卷调查的形式，分析出2a R a为构件圆弧过度较佳的视觉范围，并进一步获取该范围内最佳视觉造型取值的具体数值。以125名不同职业领域的人群作为受试者，其中男女比例为1:1，以20-30岁年龄层居多，且有设计基础与无设计基础的均占一半。具体调查结果如表1及表2所示可知，T型构件的最佳视觉造型取值为R=a；L型构件的最佳视觉造型取值为R=1.5a。

4 构件相应断开方式及木材材料利用率问题

由于接合部位过度连接会导致基材损失较大，切削量较大。因此需要选择合理的连接方式，保证过度作用的构件的外观功能不受影响的同时尽量增大材料利用率。探讨构件相应断开方式以及构成形式，在满足基本力学性能的前提下，最大化提高木材材料利用率。通过计算不同断开方式的木材利用率，来判断最为节约材料的断开方式[10]。

■表1 T型构件最佳视觉造型取值喜爱度调查

■图1 梵几·实木椅

■图3 构件截面边长与过度圆弧关系示意图

■图4 构件断开形式与木材用料示意图

■图2 梵几·实木衣帽架

■图5 构件中间件设计榫卯样式构想示意图

具体的断开方式如图4所示，计算中所需要运用的公式为：

由于所有构件的厚度均一致，故将公式简化为二维面积的比较，通过Auto CAD软件直接得出所需部分的面积大小，简化后的公式为：

计算结果为：

T型构件的木材利用率为：

L型构件的木材利用率为：

由此可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中间件的设计能极大提高木材利用率。

5 结构强度问题

5.1 确定两个连接件之间的结合方式

如图5所示连接形式发生变化，结构形式也会随之也发生变化，所以需要确定相应的榫头榫眼结构，能够保证外形的需求的同时不能有裂缝。通过以直角榫、椭圆榫及圆棒榫接合的T型、L型构件为例，需要采用力学试验方法，对节点强度进行测定，对理想使用状态即在外力垂直荷载匀速加载的作用下使构件节点发生破坏或变形进行研究，最终选择最为理想的榫卯形式[12]。

5.2 有机形结构节点的工艺标准

相关工艺标准的制定，需要在确定最合适的榫卯类型之后进行探讨。参考方材直榫的工艺标准，通过实验建立相关的有机形结构节点的工艺标准，在选用构件节点最佳过度圆弧大小、断开形式以及榫卯种类的情况下，通过极限抗拔试验，探讨榫头宽度与榫眼长度对结构性能影响的关系以及相应的最佳过盈配合量，通过实验建立相关的有机形结构节点的工艺标准[13-14]。

6 结语

通过对实木家具有机形结构节点进行设计研究，以达到核心目的即提高木材的利用率；探讨相关节点的结合方式，采用合适的榫接合时榫头榫眼的相关配合尺寸和配合公差问题，为实际设计实木有机形家具产品时提供理论支撑。

以有机形态中的T型、L型实木构件为代表，归纳现有有机形态家具中的连接规律，将构件正视图中的截面边长（a）作为过度圆弧的半径（R）大小的衡量依据，调查得出2a R a为构件圆弧过度较佳的视觉范围，该范围内的木材利用率也较为合理。运用问卷调查方法，得出T型构件的最佳视觉造型取值为R=a，L型构件的最佳视觉造型取值为R=1.5a。通过计算不同有机形结构节点的断开方式的木材利用率，可以充分得出在忽略榫卯用材的前提下，中间件的设计能极大提高木材利用率。

研究后续将以水曲柳木材为研究基材，进一步研究相关节点的结构强度问题，将研究出的有机形结构榫卯接合的相关理论参数应用于水曲柳实际产品的结构设计中，并对其进行仿真力学稳定性测试，证明相关实验的有效性。在以水曲柳材为基材加工成的实木家具中绝大部分采用的结构为外形单一的直角榫结构，少部分水曲柳实木家具结构中，由于节点有机形态的不规范以及结构设计欠妥，造成连接强度较低。针对这两种情况，通过对节点连接方式的优化，设计出有机形态水曲柳实木家具产品，保证产品结构强度的同时，也实现水曲柳实木家具结构节点的有机化。

[1]胡景初.实木家具可持续发展的战略探讨[J].林产工业,2003,(05):9-13.

[2]郭园,时新,方菲.M型社会背景下独立设计师家具品牌发展研究[J].家具,2016,37(02):48-51+70.

[3]樊晓敏.基于有机形态的家具造型设计研究[D].天津:天津科技大学,2016.

[4]刘文金,王滔.当今实木家具产品主流设计理念概览[J].林产工业,2017,44(08):3-5.

[5]刘雯雯,龙俊丞.树文化与当代家具设计初探[J].家具与室内装饰,2012,(10):18-19.

[6]胡祖林.日本的曲木家具[J].家具,1986,(04):4-5.

[7]熊先青,杨为艳,黄琼涛,等.木家具异型零部件生产工艺[J].林产工业,2016,43(11):39-44.

[8]申明倩.“点”元素在家具设计中的应用初探[J].家具与室内装饰,2012,(10):24-25.

[9]孙亮.现代家具细部设计的技术美特征刍议[J].家具与室内装饰,2012,(06):72-73.

[10]朱云,申黎明.浅析板木家具的结构设计[J].林产工业,2014,41(02):38-40+46.

[11]王德林.试述木材加工中的“三率”计算[J].林业经济,1983,(03):44-49.

[12]李素瑕,刘文金,孙德林.速生松木家具几种节点接合方式的强度比较研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(02):122-126.

[13]陈新义,刘文金,孙德林,等.梓木构件双圆榫接合性能优化研究[J].林产工业,2014,41(06):31-33+42.

[14]戴向东.日本传统家具的选材与应用[J].林产工业,2006,(06):46-48.