木-竹家具设计中木竹构件的配置策略∗

张海雁 刘文金 陈新义

（1.湖南工艺美术职业学院，湖南 益阳 413000；2. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；3. 西南林业大学，云南 昆明 650224）

竹材及竹制品长期以来都与人类生产生活息息相关，如竹制生产器具、家具、建筑等。随着木材资源的紧缺，竹材被认为是最具潜力的木材替代资源[1]。然而，在当前竹制高档家具产品中，存在一个普遍缺陷，即竹家具产品体量相对较大、运输与装配相对不便等。究其原因主要是竹家具产品的设计与生产过度沿用了传统木质家具的设计与生产规范[2]。目前，已有学者提出“轻量化”竹基家具产品设计理念，以及相应的设计技法与策略[3-4]。有研究报道，摆脱单纯使用竹材的传统竹家具设计与制作模式，有针对性的采用竹材、木材设计与制造相应的家具构件，可克服上述缺陷，生产出性能优异的木-竹家具产品。本文研究旨在以木-竹家具构件产品为例，分析木-竹材家具的设计技法与创新性，以期为木-竹家具产品设计与创新提供借鉴。

1 圆竹-木家具构件设计

圆竹构件应用是直接截取整竹的一段，以竹筒、半圆竹、竹片等形态加以利用，可根据具体需要设置长度，方便灵活。

用作整竹的家具用材，其加工工艺简单，材料利用率高，只需剔除枝丫等便可直接利用，并且保留了竹材的外观属性。此外，天然竹节的存在赋予了构件或产品一种典型的装饰效果[5-6]。近年来，新材料与新技术的革新给竹制构件设计与制造带来了新的策略及思路。

1.1 树脂-圆竹复合家具构件设计

单株圆竹受其直径的限制，在有幅面要求的家具构件中，往往需要借助其它手段来实现其功能需求，如传统的捆、扎、绑等。因此，难以满足当下工业标准化的生产需求。新型树脂材料的出现，给家具产品中竹构材的设计提供了一些新启发。

保持圆竹外观属性的典型方式有两种：一是圆竹直接横截制备具有特定长度的竹筒；二是将圆竹保留一定长度，而后将竹片一分为二或一分为三。

图1（b）为竹片树脂复合构件。呈“线”性特征的竹片材通过平排的方式，实现“面”的功能。曲面的竹片使得相邻两竹片间存在空隙，出现不平的缺陷。树脂材料可以填充相邻两竹片之间的空隙，通过相应的技术手法实现稳定的平面功能。此外，“C形”竹片赋予了竹材在垂直生长方向上强于平面竹片的抗弯性能。

图1 两种典型树脂-竹复合构件Fig. 1 Two typical resin-bamboo composite components

竹筒或竹片与树脂的复合，是圆竹材剔除枝丫后的直接运用，加工简便，材料利用率高，并能有效改善竹材触感“偏硬”“偏冷”的用材体验，具有显著的标准化生产特性，符合现代家具规模化生产需求。

1.2 圆竹-木构件的接合策略

圆竹构件间稳定、可反复拆装接合策略一直是竹家具产品中节点设计的热点问题。现圆竹构件稳定连接的方法众多，如插接、搭接、郁、绑、捆扎等。节点接合新技术的发展，推动了圆竹-圆竹、圆竹-木构件间的稳定接合，同时集成了可反复拆装的属性[7-8]。

源于传统插接连接，使用五金连接件实现材料之间的稳定连接，是一种相对可靠的方式[9-11]。图2（a）为圆竹-木构件的稳定接合，只需在木构件中预埋螺母，并在竹构件中预制通孔即可实现两者的相互连接。该策略适用于不同直径构件间的稳定连接。

对传统“绑扎”接合优势的提炼，采用外用套管式套件实现两构件间的稳定连接，如图2（b）所示的竹-木构件接合策略。该策略只需通过预制适合直径的套件便可实现接合，拆装方便，加工效率高。

图2 木竹构件的两种典型接合策略Fig. 2 Two typical joining strategies for wood and bamboo components

图2两种策略在实现圆竹-木构件稳定接合的同时，集成了可反复拆装功能，符合现代家具设计与制造中的构件或部件拆装简便、降低运输成本的基本理念。

2 竹展平材-木家具构件设计

20 世纪70～80 年代，我国进行了圆竹展平成套技术体系研发，提高了竹材利用率。有研究表明，无损圆竹展平技术可提高竹材出材率，且不受圆竹长度的限制，生产效率高[12-15]。

2.1 展平竹-木层积复合材料设计

展平竹继承了竹材高强的固有属性，可单独作为板材使用，也可与木材复合制备成竹展平竹-木复合板材作为家具、地板的基材，并有研究表明，典型的三层或多层木竹复合结构可在很大程度上提升整体构件的性能，如抗弯强度、抗剪切强度以及弹性模量等[16-18]。

1）设计运营架构，即从政府、企业以及行业三方着手，调查其涉及的相关业务，在构建运营架构之后协调三方的关系，在确保其具有良好的交互关系后，便可以按照相互协作、管理和投资等关系进行城市运营活动；

如图3 所示，展平竹-木复合板材的设计在一定程度上拓展了速生人工林的应用领域，提升了人工林的利用效率，实现小材大用。同时，竹木复合板材的设计能够大幅降低纯竹集成/复合板材的整体重量。

图3 竹展平材生产流程及与木材复合构件Fig. 3 Production process of bamboo flat timber and its composite component with wood

展平竹-木复合板材的设计，可实现小尺寸竹展平材的拼宽和接长，制备成多种规格的板、方材，具有明显的标准化生产特征。就家具用料而言，竹木复合材可替代部分实木家具用料。

2.2 竹展平材-木材合理配置的传统框式家具构件

传统框式构件由四边框架（抹头和攒边）和芯板合围而成，是一种典型的实木家具的结构形式。竹展平材干缩湿胀率较小，在传统框式家具中可替代纯木制芯板构件，有效维持构件的整体稳定性（图4）。同时，竹材的特殊纹理与质感赋予了材料表面雕刻、烙画、绘画、书写等各种装饰的可能性[19]。

图4 竹展平材-木制传统框架结构家具构件Fig.4 Bamboo flat timber-wooden traditional frame construction furniture elements

3 薄竹缠绕技术背景下的竹-木家具构件设计

薄竹缠绕技术是将薄竹片通过氨基树脂粘接，采用往复式机械缠绕的新型工业技术，具有自动化程度高、竹材利用率高，加工灵活等特性，可用于竹制非线性零部件的制备。

3.1 薄竹缠绕增强木构件设计

减小构件截面尺寸是实现家具构件“轻量化”目标的有效途径，但随之而来的是构件强度的降低，缩短了构件甚至产品的使用寿命。薄竹缠绕技术充分利用竹材的高韧性和抗拉强度，可在木质构件表面形成加强外层，还能给构件提供特殊的表面装饰效果（图5）。这种类似于薄竹缠绕“管廊”的结构，能提升小截面木质构件的顺纹抗压和抗弯强度。

图5 薄竹缠绕技术增强小截面木制构建示意图Fig.5 The schematic diagram of bamboo winding technology enhancing small section wooden component

3.2 薄竹缠绕曲面异形竹木家具构件及产品设计

家具构件的有机形态在很大程度上赋予了家具产品丰富而别致的特有造型形态。竹材优异的弯曲性能，使其在有机形态的塑造方面有着不可取代的优势。传统竹制有机形态构件的制备是通过竹篾编织工艺实现，在一定程度上限制了其工业化进程。

薄竹缠绕技术在非线性曲面构造方面的优势较为明显，这种类增材制造的技术体系，提升了原材料利用率[20]。

如图6（a）[21]所示，在竹木家具产品中，木质框架配合竹制构件，突破了消费者对传统平面或简单曲面椅背造型形态的认识，丰富了产品造型。图6（b）[22]凳面的类“鸟巢”形态，传统的竹篾编织技法虽可以实现，但需耗费大量的时间，效率低。薄竹缠绕技术则在这种多曲面竹构件的工业化生产上具有优势。

图6 竹缠绕技术木竹家具产品示例Fig. 6 The bamboo winding technology wooden bamboo furniture products example

4 关键构件节点的竹“取代”与增强设计

无论家具设计采用的是传统榫卯节点接合形式，还是现代金属五金连接件形式，关键节点部位材料的力学强度对家具使用寿命影响较大。如部分速生木材力学性能相对较差，在传统的榫卯接合和五金金属连接件中，都会因为其构件的应力松弛或较差的握钉力，使其使用寿命降低[23-25]。同时，基于可拆装节点的设计特点，节点接合的强度显得尤为重要。

实践证明，关键节点“取代”与增强设计形式，可改善构件节点的强度，延长家具产品使用寿命。图7中的“竹制构件”可替代传统柜类家具产品柜门或类似构件。柜门结构中，有其中一个攒边结构需要与柜体通过物件连接件连接，需承担在柜门开启状态下整个柜门的重量[26]，且需要满足可拆装需求。因此，可用竹制构件“取代”此部位，用来安装铰链及其相应的木螺钉，充分利用竹材的高强度特性，实现柜门的可重复拆卸。

榫接合是木竹家具中最常见的接合形式，接合性能的强弱受到材料的制约。应力松弛则是榫卯节点接合破坏的主要因素之一。因此，为避免木材在使用过程中的应力松弛现象，则可在木质构件榫头、榫眼接合处采用竹部件实施局部“增强”，提高节点接合的长时效性，如图7中的“竹制增强件”所示。

图7 2 种典型的关键节点“取代”设计Fig.7 Two typical "substitution" designs for key nodes

5 体现竹材“柔性”属性的异形构件“取代”设计

木制家具中异形构件如果由铣削成型，不仅材料利用率低、加工难度大，还会降低构件的力学性能。因此，可采取弯曲木质构件的柔性材料取代设计策略。竹材具有优异的弯曲加工性能，可用来“取代”部分木质弯曲构件，发挥同等功能。

竹制异形构件的加工成型主要有两种方式可以实现：一是竹材经高温蒸汽软化后弯曲；二是薄竹材可先弯曲成型而后胶合集成。

椅类产品中有较多的弯曲构件应用，如椅子的扶手、椅背等主要部件。因此，在木竹家具产品中，主要弯曲构件使用竹材“取代”部分木构件具有重要意义。低质人工林木材家具产品往往因使用者的感受（如轻、纹理差等）而被归为“劣质”家具产品行列。竹制构件的引入，对于提高产品的整体体量具有积极作用。因此，该“取代”策略在提升木材使用率的同时，对于提升低质人工林木材家具产品的“体量感”“品质感”具有重要意义。

如图8（a）[27]所示，由于竹材的柔性特性，在合理的工艺条件下可以实现复杂、有机的形态，可有效丰富产品的造型，缓解产品同质化问题。如图8（b）[28]所示，家具产品中扶手和椅背的加工，使用竹材将会表现出较强的优势[29-30]。

图8 "取代"主要弯曲构件Fig. 8 "Replacement" of main bending components

6 竹材高强、弹性优势下的木-竹复合构件设计

相较于木材，竹材强度较高、弹性性能较优。因此，根据不同设计需求，将竹材以某种特定的方式加以运用，做到材尽其用。

6.1 “木包竹”家具构件设计

珍贵树种木材资源的紧缺，促使科技工作者开发出了如图9（a）所示的科技薄木用材模式。通过覆面工艺技术，将珍贵木材科技木皮覆盖在劣质集成材、刨花板等人造板基材表面，这也成为了速生人工林木材优势利用的典型途径。

竹材具有优异的抗弯抗压强度，可在一定程度上取代同等作用下的木质构件，适当缩小家具构件的截面尺寸。例如，可在竹制构件表面覆以科技木皮，如图9（b）所示，进而获得具有木质材料表观属性的高强木竹复合构件，对于木、竹制家具产品“轻量化”的设计思想做出应有呼应。

图9 "木包竹"构件截面图Fig. 9 Section diagram of "wood wrapped bamboo" component

6.2 作为木构件的增强材料

如图10 所示，竹材与木材复合制备竹木复合构件。具有较优的抗弯、抗压性能的竹材作为木构件的芯层增强材料，提升构件整体抗弯、抗压强度，以达到运用小截面尺寸构件满足产品高强使用的要求。

图10 竹材作为木构件增强材料设计Fig.10 Bamboo is designed as wood reinforcement material

6.3 作为局部增强材料

竹材还可作为局部增强材料，包覆在木制构件的直角边缘部位。如图11（a）所示，该设计可缓解应力集中，同时还能起到一定的装饰作用。

木质家具产品中，某些构件的部分位置会由于经常与使用者接触，易被磨损，如纯木质构件表面涂饰的色彩变化、漆膜表面的损伤痕迹等。决定漆膜使用寿命的一个重要因素则是基材的强度。因此，可用竹材对木制构件中的易损部位实施增强。如图11（b）所示，书桌面板与使用者经常接触的部位，采用竹材取代。同时，由于木-竹之间表观属性的差异，材料的混合搭配赋予了材料的视觉丰富性。

图11 竹材作为木构件的局部增强Fig. 11 Bamboo as a local reinforcement of wood components

6.4 改善蠕变

蠕变会缩短材料的使用寿命。如图12 所示，将木材与竹材复合，竹材的引入打破了纯木制构件的视觉整体性，同时能够缓解“蠕变”，达到延长构件使用寿命的目的。例如，现代家具中床的排骨架中的易损构件，其原材料通常为多层胶合板。木-竹材复合预应力构件可在一定程度上作为此类构件的替代品，不仅提升了构件强度，而且在制备环节中减少了胶合层，降低了胶黏剂的使用。

图12 木-竹复合构件Fig.12 The wood-bamboo composite components

7 结语

木、竹材经合理配置可充分发挥出竹材的高强、柔韧特性，对木材的性能加以补偿，并能降低纯粹竹构件的重量，对实现木竹家具构件及产品“轻量化”设计理念具有积极意义。开展木竹家具产品中的木竹构件配置设计，运用科学的设计技法与规范，充分解析木、竹材的基本属性很有必要，可有效解决竹木家具产品过度依赖木家具的设计技法现状。本文充分分析了木竹材各自属性在木竹家具产品中的应用可行性及缺陷，通过设计技法与材料属性的集成与创新，提出了几种具有工业化潜力的木竹家具构件产品设计技术，并列举了典型设计案例以验证其可行性。