X形折叠结构模块化设计研究

■史 枫，张欣宏，毕力格巴图 Shi Feng & Zhang Xinhong & BI Ligebatu

(内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010010）

游牧文化是中华文化的重要组成部分，在“弘扬优秀传统文化“的时代背景下，用现代的思想理念与设计方法，把优秀的游牧文化带入到现代社会中，使其与当代文化相适应、与现代社会相协调，做到“取其精华”而又赋予其新生命。蒙古包是游牧民族优秀传统文化之一，本文使用模块化设计方法，分析传统蒙古包哈那结构原理及特性进行X形折叠结构的设计，通过草图绘制、电脑建模、3D打印实物等过程完成了产品的设计与开发。便于运输。哈那具有支撑力强、可组合、可拆卸、可折叠等诸多优点，同时具备伸缩性与组合性两种功能，其中伸缩功能是核心。

1 哈那是X形折叠结构的设计来源

蒙古人“逐水草而居，逐水草而牧”的生活方式及高原自然环境的特点，形成了适合游牧方式的草原民居建筑——蒙古包。蒙古包是草原民居建筑形式，它体现了游牧民族的生态观、审美观、精神风貌[1]。蒙古包的架木结构主要由天窗（陶脑）、顶杆（乌尼）、围壁（哈那）、门（哈拉嘎）、柱（巴根）等组成[2]。

蒙古语称蒙古包网状围壁为“哈那”。单片哈那是由长短各异、粗细均匀的红柳枝，按两层等距离交叉排列，形成的菱形孔隙的网壁[3]。单片展开的哈那左右两端相互连接围合成一个圆形，构成了蒙古包的“墙壁”（图1）。哈那结构的支撑力强，上部连接乌尼支撑起陶脑，承担着来自蒙古包顶部的重力；下面接触地面，将重力分散至地面。这种结构不仅外形美观，还符合力学的基本要求。搬迁时，可将哈那拆卸成单片，哈那折叠收缩后体积较小，占用空间少，

2 哈那结构的功能特征

2.1 伸缩功能

两层且交叉的排列方式赋予了哈那灵活的伸缩性（图2-图3）。哈那的伸缩可以改变蒙古包围壁的高度或者长度，同样数量哈那可组合成不同大小、高矮的蒙古包，如：哈那的网眼越窄，包的直径就越小，蒙古包就越高。牧民会根据季节调节蒙古包的形状，来适应草原上不同季节的自然环境。春季草原风力较大，蒙古包低搭可减少风的阻挡力，此时的哈那网眼较宽；而夏季高搭，可便于蒙古包排雨，此时的哈那网眼较宽。

X形折叠结构模块化设计需保留哈那的伸缩特性，伸展开的模块可产生较大的使用面积和体积，折叠收拢后的模块又便于贮存和运输，这一点无论在蒙古族人民的游牧生活中还是在现代生活中都显得尤为重要。

2.2 组合功能

传统蒙古包的哈那通常是由4片以上的哈那片连接而成，由4个哈那片即可围合成一个小型蒙古包，在此基础上可再多组合两个、六个或更多的哈那片围合成中型或大型蒙古包，哈那的数量对蒙古包直径的大小起着决定性的作用。此特性对X形折叠结构模块化设计具有重要的借鉴意义，可通过多个基本模块单元进行数量组合，形成不同体量、不同形状的产品。

3 X形折叠结构模块化设计思路

模块化设计是一种符合新时代社会发展需要的设计思想, 已从理论研究走向实践应用并被设计行业广泛运用[4]。本文将蒙古包哈那的X形折叠结构提取出来作为产品开发设计的基本模块。X形折叠结构将继承哈那的主要特征，最大程度地保留传统哈那结构的组合性和伸缩性，并且使用较少种类的模块，实现新产品的形状与体积的搭建与变化。

3.1 创建X形折叠结构的基本单元

对哈那进行结构分解可发现更小的X形单元，以此作为X形折叠结构模块的基本单元。分解过程如图4所示，单片哈那是由X形折叠结构不断组合而成，该X形结构是实现哈那主要功能的重要核心结构，即X形交叉结构。无论单片哈那或多片围合的哈那墙，均可视为该X形结构的组合与迭代。

3.2 实现X形折叠结构的伸缩性

哈那的伸缩性与其两层且交叉的排列方式有关，为实现组合性与伸缩性，X形折叠结构采用“上下两层”且“中间有连接件”的形式。如图5-图6所示，上下两层由中间的连接件连接，具有相对独立性，可最大程度地展开和折叠。

■图1 多片哈那围合形成蒙古包的网状围

■图2 壁展开状态下的单片哈那

■图3 折叠状态下的单片哈那

■图4 单片哈那分解过程

■图5 X形折叠结构示意图

■图6 X形折叠结构双层示意图

4 X形折叠结构的创建

复杂的双层可折叠结构在生产时很难实现一次成型和批量化产出，因此需要对X形折叠结构进行拆分设计，经拆分设计的X形折叠结构需要具有清晰的组成单元，注重明确的单元尺寸和接口结构，通过具体的通用模块和定性的参数进行组合联系[5]。X形折叠结构整体采用“上层直杆+连接件+下层直杆=X形折叠结构”的组合设计方法。

4.1 X形折叠结构的部件

4.1.1 直杆

尺寸 200×40×20mm。上下两层直杆实现统一设计，以减少部件种类。直杆两端结构不同，其中一端底面有长条形榫舌呈凸型，另一端顶面有长条形槽口呈凹型。可实现两个直杆之间的拼接。直杆中段开圆孔，圆孔的顶面与底面有齿状结构，可与圆柱形连接件外围的齿状接口实现拼合，以此来固定上下两层直杆的交叉角度。直杆模块是X形折叠结构的主要部件（图7-图8）。

4.1.2 圆柱形连接件

尺寸 40*40*20mm。圆柱形连接件内外部结构较为复杂，不易一次性塑型加工，因此将圆柱形连接件设计为一对较易加工的中空半圆柱体组合而成，圆柱形连接件可实现上下两层直杆的连接。其外围中段有环形突出，该环形向顶面与底面突出齿状，与直杆中孔的齿状结构相互对应卡接，以此控制上下两层直杆交叉的角度。两个直杆由圆柱形连接件连接为上下两层，由此形成一个完整的X形折叠结构，圆柱形连接件是X形折叠结构的连接部件（图9-图10）。

4.2 连接方法

X形折叠结构之间、相同部件之间、不同部件之间实现标准化几何接口，易于部件之间分解、组合、替换，最大程度上实现了模块化设计的通用性、互换性和相对独立性[6]。结构的标准化亦可降低生产成本、缩短生产周期、提高生产效率等[7]。

4.2.1 圆柱形连接件的连接

一对中空的半圆柱体竖向相对，由直角榫结构组合成一个完整的圆柱形连接件（图11）。

4.2.2 直杆的连接

圆柱形连接件的外壁有上下两层半圆环结构，两个直杆通过上下两层半圆环结构与连接件连接（图12）组合成一个完整的双层X形折叠结构（图13）。

4.2.3 X形折叠结构的连接

X形折叠结构之间依靠直杆部件上相对固定一致的榫舌和槽口完成模块化组合(图14),每一个X形折叠结构都可从同一平面的四个方向与其他的X形折叠结构实现模块化拼接（图 15）。

5 X形折叠结构的材料选择

5.1 产品材料的需求

①柔性组合：材料要重量轻、坚固且韧性好，满足产品的柔性搭建组合。

②生产塑形：材料要具有较高的可塑性，生产时容易被塑制成较为复杂的形状。

③安全使用：材料要有抗腐蚀能力、耐高温、导热性低、易涂装、耐化学侵蚀且是良好的绝缘体以保证产品的使用安全。

④制造成本：材料价格要低保证产品制造成本低，以实现大量、批量生产。

■图7 直杆（结构图）

■图8 两端结构不同的直杆（效果图）

■图9 圆柱形连接件（结构图）

■图10 圆柱形连接件（效果图）

■图11 圆柱形连接件拼接示意图

■图12 两个直杆的连接

■图13 双层的X形折叠结构

■图14 直杆拼接示意图

■图15 X形折叠结构组合示意图

■图16 直面组合示意图

5.2 ABS 工程塑料的优势

ABS 工程塑料是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料，是目前产量最大、应用最广泛的聚合物。它兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能，可以在-25℃~60℃的环境下正常表现，且有很好的成型性。ABS 工程塑料可与多种树脂配混成共混物，产生新性能和应用于新领域[8]。其材料特性及对应的产品需求如表 1所示。

6 X形折叠结构的应用探讨

X形折叠结构的模块化组合实现了“X形折叠结构*N=产品”的组合方式。不同数量的“X形折叠结构”可组合成不同形状的直面、曲面和曲面围合空间。

6.1 直面

组合成的直面（图16）延续了哈那结构的组合性和伸缩性，增加或减少X形折叠结构的数量以控制产品的大小，通过连接件调整上下两层的交叉角度控制展开状态下产品的形状，以此来适应不同的应用场景，应用场景设想为吊顶、墙体、隔断等[9]。

表 1 “ABS 树脂”材料部分特性及对应的产品需求

■图17 曲面组合应用设想图

■图18 曲面组合应用设想图

■图19 曲面围合空间组合应用设想图

6.2 曲面

在直面的基础上利用ABS工程塑料的韧性进行变形可得到曲面，组合成的曲面可作为隔断用于大型会展现场（图17），实现会展现场内部空间的划分，或配合墙体一起使用形成空间的搭建（图18）。

6.3 曲面围合空间

由曲面变形可得到形状更为复杂的曲面围合空间，曲面围合空间可直接作为中小型展陈空间进行使用（图19）。相较于直面与曲面，曲面围合空间的造型更为奇特，可满足使用者的个性化定制需求[10-11]。

利用模块化设计后的X形折叠结构通过不断组合（N×X形折叠结构=最终产品）可完成复杂产品的搭建，由于是单一模块组成的较为复杂的模块化产品，这种组合结构相较稳定，实现了用集成化少量结构实现功能的最大化尝试。搭建的模块化产品外观造型独特、效果丰富多元，可运用到不同领域的展示与陈列空间之中，满足使用者不同的需求[12-13]。

7 结语

本文提取了蒙古包中哈那的结构元素进行功能分析，采用模块化设计方法，创建X形折叠结构，形成不同造型的模块化产品，建立基于X形折叠结构的模块化设计。X形折叠结构模块化设计保留了哈那传统工艺结构的优点，又使其成为可运用于现代生活的工业产品，形成了传统文化和创新设计的融合，以期为模块化设计方法应用于传统结构设计提供更多参照与借鉴。