实木椅腿现代榫卯结构减量化设计

吴 为， 徐 伟，2*

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学智库林业产业发展中心，江苏 南京 210037)

榫卯结构传承至今，一直被国人乃至世界所钟爱。当下大批量工业化生产是各行业都比较推崇的生产方式，因此对于榫卯结构进行现代化设计是当代设计师必须要做的事情。近年来，人类的生态文化观念开始转变，意识到无节制地使用自然资源，无限制地追求物质享受，焚林而田，竭泽而渔的思想观念已不合时宜，最终人类反受其害，陷入严重的生态危机和环境危机[1]。在绿色设计新要求下，对于现代榫卯结构的设计应趋向于减少五金零部件，简化结构，而且木材本身作为一种天然的材料，还应尽可能使用纯木材。随着社会的发展人们生活质量的提高，人们更加追求家居装饰简约性、实用性和舒适性的完美结合，特别是与人们日常生活息息相关的座椅，目前大多数的家具使用螺钉等固定，不但不易运输和拆装，而且容易损坏，因此需要提出一种用于座椅上的椅腿与横枨、座面连接的榫卯结构，通过椅腿、横枨和座面间的榫头、榫槽相互配合，实现椅腿与横枨、座面的稳定连接，实现结构的可拆装，方便平板化包装及运输，实现流水线加工，提高工业化生产效率[2]。

1 减量化原则

1.1 绿色设计

人们很早就意识到在设计中加入绿色理念的重要性，20世纪60年代，美国设计理论家维克多·帕帕奈克的专著《为真实世界而设计》[3]中就强调设计要与生态保护联系起来。

绿色设计(green design)也称生态设计(ecological design)、环境设计(design for environment)、环境意识设计(environment conscious design)[4]，简化为“4R原则”，即减量化(reduce)、再利用(reuse)、再循环(recycle)、再生(regenerate)。强调的是实现产品的“从摇篮到再生”，在产品的整个生命周期里重点关注可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等环境属性[5]，在不放弃产品的性能、寿命、质量等要求的前提下，实现材料、能源消耗和有害物质排放的最小化。

1.2 减量化原则

减量化原则是绿色设计的核心，指导思想是保护环境，实现可持续发展，核心思想是物尽其用，是目前实现全生命周期绿色设计最有效的方法之一。其通过减少物料的重量、面积和数量，减少原材料和能源投入，以实现既定的生产目标或消费目标，使生产、流通、消费和使用过程节能化，从源头减少进入生产和消费环节的物质和能量流，从而节约资源，减少污染，使造型结构简约化的同时，仍要保证产品和功能的合理性、结构的坚固性，尽可能延长使用寿命[6]。

2 榫卯结构减量化设计要求

在产品的全生命周期中，减量化原则的应用主要从简化产品、缩短时间、包装运输优化和简化组装步骤4个方面入手。

2.1 简化产品

如今在常见的家居产品中很难见到一些结构较复杂的榫卯，一方面是部分榫卯结构的装饰性强于功能性，在两种结构具有同等接合强度的情况下，装饰性较强的结构自然需要抛弃；另一方面，在当下追逐利益而寻求快速的工业生产背景下，不适合机械化批量生产的榫卯结构，自然应该被减少使用甚至淘汰。抱肩榫如图1所示，粽角榫如图2所示，粽角榫的5个部件之间互相穿插需要7个卯眼，这7个卯眼大小、深度和造型均不同，这就需要7个与卯眼对应的榫头[7-8]，结构形式复杂，制作过程繁复。因此，像此类榫卯结构需要进行简约化改进，以缩短设计周期，简化工艺流程，实现加工、包装、运输等环节的节能。

图1 抱肩榫

图2 粽角榫

2.2 缩短时间

传统榫卯由纯手工制作，非常耗时，且在现代生产技术水平下，仍有许多榫卯结构的制作时间较长，这就增加了能源的消耗和碳足迹的产生。如图2所示粽角榫的外形，榫头相接面为45°的倾角，内部细节复杂、繁琐[9]。此类榫卯一般用于中式古典家具，而现代中式家具除非外形需要，家居企业一般很少会使用或将整体式榫卯制作成分体式榫卯，现代机械在1～2次加工程序内也很难完成此类复杂的榫卯结构，加工周期必然会延长，从而导致成本大幅增加，手工制作的成本就更高了[10]。而且此类榫卯结构一般使用CNC数控机床，设备昂贵，国内很多家具厂家无法承担。因此在保证美观和功能的同时，应优化零部件的数量与尺度，缩小或省去不承重或作用小的零部件，缩短原材料制备工序，减少产品加工工序，节约产品加工和拼装时间，提高生产效率。

2.3 包装运输优化

部分榫卯不适于当下产品的原因是不具有可拆装性，只能采用整体组装运输，并且异形件和大件家具运输所占的空间和摆放都存在问题，运输成本高。可拆装的榫卯结构更适合当今的发展趋势，其标准化、模块化的设计理念，不仅可以实现零部件的可替换性，节约加工过程中的劳动力消耗，提高生产效率，最大程度节约资源，而且可采用平板包装，降低物流成本，节省家具产品的仓储空间，方便运输与储存[11-13]。

2.4 简化组装步骤

降低家居产品的组装难度，使产品更易安装不仅是减量化的要求，通过此方法可以有效减少碳足迹，而且使用户参与到产品的设计中来，增加体验感，也是以人为本设计的要求。以往的家居产品都需要专业人士制作、安装，对于消费者和卖家将会是另一种麻烦。而且市面上大部分DIY家居产品五金零部件多，虽可由用户自行组装，但极其耗时，而且缺少专业安装知识和熟练操作技能的用户在组装复杂的结构时也并非是件易事。因此，家居产品进行可拆装设计时，还需考虑产品组装简易化，使用尽可能少的零部件，组装过程需要尽可能少的安装步骤，使得拆装形式简洁明了以提高安装速度和安装效率，节约人员的使用[14-15]。

宜家的LISABO系列产品把减量化原则应用到了极致，受楔形榫钉启发，桌腿整体就是一个楔钉，装配速度可提高80%，缩短装配时间，且无需铁钉和胶，可以手动安装且无需借助工具，其可拆装的特点不仅便于运输，而且可以为用户增加装配的乐趣，这正是对榫卯结构拆装便捷性的体现[16-17]。宜家的LISABO系列产品如图3所示。

图3 LISABO系列产品

3 榫卯结构减量化设计实践

在绿色设计的减量化要求下，为实现流水线加工，设计了一种用于椅腿、横枨与座面连接的榫卯结构设计[18]。通过优化榫卯结构，实现节约材料，提高工业化生产效率，同时采用榫卯的自锁保证榫卯具有足够的结合强度和各方向上的结构稳定性，重新设计一种自锁的现代压条榫结构。

3.1 具体说明

如图4所示，包括椅腿A、横枨一B、横枨二C和座面D。椅腿A的横截面、横枨一B的纵截面和横枨二C的纵截面均为40 mm × 40 mm方形。其中椅腿A的顶端设有横截面为方形的榫头一A-1和榫头二A-2，两榫头位于椅腿A顶端的两个对角位置，两榫头尺寸相同，长度、宽度和高度分别为12 mm、12 mm和60 mm。

横枨一B的一端开设有用于与榫头一A-1匹配的榫槽一B-1以及横截面为梯形的榫槽二B-2，榫槽二B-2深度为40 mm，梯形横截面的上底边长I为12 mm，其中一个腰与下底之间的夹角为70°，与横枨二C上的榫头三C-1的形状和尺寸相同。

横枨二C的一端设有用于与榫槽二B-2匹配的榫头三C-1，榫头三C-1上开设有用于与榫头二A-2匹配的榫槽三C-2，如图4b所示。所述座面D上开设有用于分别与榫头一A-1和榫头二A-2匹配的榫槽四D-1和榫槽五D-2，两榫头尺寸相同，长度、宽度和深度分别为12 mm、12 mm和20 mm。横枨一B上的榫槽一B-1与横枨二C上的榫槽三C-2尺寸相同，长度、宽度和深度分别为12 mm、12 mm和40 mm。

3.2 装配方式

横枨一B的榫槽一B-1与椅腿A的榫头一A-1插接，横枨一B的榫槽二B-2与横枨二C的榫头三C-1插接，横枨二C的榫槽三C-2与椅腿A的榫头二A-2插接，横枨一与横枨二形成自锁配合挤紧。座面D的榫槽四D-1与椅腿A的榫头一A-1插接，座面D的榫槽五D-2与椅腿A的榫头二A-2插接，横枨一B、横枨二C和椅腿A均位于座面D下方。

4 结束语

中国传统榫卯结构体现了丰富而深刻的设计思想，其和谐的设计思想使现代产品更具文化内涵。伴随着对绿色设计理念的重视，木结构的应用越来越广泛，现代榫卯结构的承载力也随之提高，与传统榫卯结构相比，在造型上也能更好地融合到现代家具设计中。但现代榫卯结构的绿色设计发展还远远不够，传统榫卯结构亟待改进和创新。为此，提出了一种用于椅腿、横枨与座面连接自锁型压条榫结构，该结构简单、便于装配、零部件加工简单，便于家具企业实现大规模生产和平板包装，为可拆装实木椅凳结构的发展提供参考。