数字建造技术下榫卯家具创作课程的探索与研究

韦紫怡 武汉传媒学院

榫卯结构是我国传统建筑的主要连接方式，也是支撑家具的经典拼接结构，更是我国匠人的智慧结晶。在新时代大力弘扬工匠精神和文化自信的背景下，很多学者都在研究传统榫卯艺术的传承，但对于高校的实践教学来说，传统庞大的榫卯工艺知识体系并不能仅仅通过寥寥几个学时让学生吸收，然而通过与数字技术相结合，可以改变这一现状。

一、榫卯技艺与数字榫卯的概述

榫卯，从词源解读，榫是指凸出的榫头，卯是指切掉的榫槽或榫口，两者可相互结合为一个整体，它隐喻了阴和阳这一朴素的东方艺术学原理。将榫卯结构的传承与数字技术相融合，可通过现代技术CNC 数控雕刻机根据设定的程序来自动完成雕刻工作，结合榫卯的拼合方式完成家具的制作。数字榫卯是构想实现一种在线切割服务，在电脑上操作设计，实现三轴CNC 数字加工后通过板材榫卯结构式拼装，在数字制造中突破空间的限制。数字榫卯让艺术品制作像打印照片一样便捷，像打印一样使用数字处理机远程输出，本地制造。随着数字技术的发展和繁荣，信息和资源更加开放，基于对传统文化、传统技艺和当代建筑等多样性知识的共同兴趣，进行了理论和实践相结合的“知行合一”课程研学。

二、高等院校开展数字榫卯实践创作课程的意义

传统木构建筑营造技艺是人类对天然木材进行充分认知且长期习得所形成，具有悠久的历史和高超的技术。从可拆装的角度，结合现代的材料、结构和技术，将传统榫卯结构进行优化与创新，提出榫卯结构家具现代化设计的方法，使其重新回归到家具产品中。通过对榫卯结构及数控切割技术的学习，可增强学生对前沿技术的了解，也能提高学生的设计能力和动手能力。将传统榫卯工艺与CNC 数字雕刻技术相结合，完成榫卯结构数字化家具设计与制作，具体包含“榫卯工艺了解、CNC 机床操作、方案设计与论证、家具生产”四个板块。从木材的材性出发，对不同文化背景下的榫卯类型进行广泛的比较和深入的解读，直观地揭示了这个独特领域的学理知识。通过对从力学分析到复杂造型的建造的深入介绍，拓展了对传统木构的空间和造型的认知。从数字技术的科普到CNC 数控加工工艺的学习，初步了解数控雕刻的设计流程及特点。以此为出发点，通过由小到大之不同尺度、由易到难之结构知识的学习，落实在榫卯家具的制造上，完成构思、设计、绘图和实操等完整教学过程。通过校企合作，将传统榫卯构建基本结构原理及数控切割手法传授给学生，在不同教学环境和审美认知下进行交流、碰撞，产生一定的影响。对榫卯知识点及CNC 数控技术的操作进行研究教学，分析挖掘其结构的巧妙性、艺术性，通过单一的板材和榫卯结构将其组装成一个具有稳固结构的座椅。通过实物建构的设计形式，应用真实材料1 ∶1 搭建真实尺寸空间体的体验式学习及实践活动，在此教学环节中学生可以从课程中领悟到工匠的创造思维和一丝不苟的精神，并根据对环境设计专业的空间要求、对材料及造型逻辑的掌握来解释自己的方案，致力于将作品与人文艺术联系在一起。这一实践培养了学生对环境、材质纹理、空间尺度等设计影响因素的把控能力，了解体验了设计前沿技术，为校企合作的实训项目奠定了基础。

三、数字榫卯家具设计的实训策略

设计流程为从设计方案到CAD 图纸，再到CNC数字加工、雕刻，CNC 加工和数字制作的作品被称为数字榫卯产品。通过加工板材的方式来制作产品，最终完成榫卯结构式拼接。在选材时了解材料的科学性能，在取材时体会数学的缜密，在制作时锻炼动手能力与空间想象能力，最后完成制作时培养综合能力。

在前期设计阶段要充分了解榫卯的拼合方式，才能在产品的三视图中有意识地进行榫头及榫口的准确设置。用数控技术加工后的产品安装有2 种构成方式、5 种接合方式。构成方式一为“三明治式”，可理解为三片式结构，是用左右两边的木板夹击中间的一块木板形成家具产品的稳固结构；其二为“十字交叉式”，是木板之间预留空隙，将木板间互相形成竖向穿插后立坐于地面，将平行于地面的座椅座面固定其上方形成稳定结构。这其中的拼接结构就运用了我国传统榫卯拼接结构，采取了其中几种较为经典且易操作的方法。按照基本结构体中的构件连接方式进行榫卯节点的类型学分析，这使得复杂的榫卯节点变得相对容易理解。一类主要是做面与面的接合，也可以是两条边的拼合，还可以是面与边的交接；另一类是作为“点”的结构方法，对基于榫卯节点的图解进行研学练习，了解多种类型的榫卯拼接结构（见图1）。在椅子产品中常用的榫卯形式有燕尾榫、十字榫、半榫、穿榫等，其中燕尾榫和十字榫因与板材契合度高使用较多。

图1 榫卯接合形式种类

通过使用给定的材料及技术方法，在开源设计的前提下制作一把椅子。学生通过学习绘制实际家具生产中不可缺少的三面图和全尺寸图，可以迅速捕捉到传统榫卯技艺与数字技术相结合的奥秘。位于车间的匠人对板材加工及计算机的数据操作可直观呈现雕刻技术的精细化处理，学生参与部分样品家具的榫卯拆解和组合，动手参与的过程更能够深刻体会隐藏在结构体内部的节点，可以激发学生对传统榫卯结构的喜爱，从而转化为动力，能动性地去研究其拼合结构。

产品的制作可归纳为四个环节：制作三视图、设计榫卯接合部分、榫孔部分进行0.2～0.4 mm 的放量、在机器打孔位置预留转弯圆孔。数字榫卯可加工制作很多形状的板材，目前的加工机器可进行垂直切割，需提前计算耗材。由于实物板材的膨胀程度不一，在板材受到限制的情况下，需要提前测试好与计算机方案的尺寸误差值，以在进行设计及生产时，尽量节省材料，让设计变得更经济环保。

四、数字榫卯家具设计的教学实例

榫卯结构是古典家具的灵魂。一套家具虽然不使用一颗钉子，但可以使用数百年甚至数千年。榫卯不仅是匠心的体现，更是中华传统文化的瑰宝。“综合创作2”集中实践课程是以木构为主题、人机工程学为设计基础、数控加工技艺制作为手段、榫卯节点为核心结构的综合性联合教学。在教学内容分配过程中，减少理论知识点的讲解，以体验式教学环节为主，通过工作坊的调研参观及企业导师的实操讲授，身临其境地体验设计流程。

课程教学内容划分为三个阶段，以层次递进式推动教学进展。

（一）“理解与挖掘”

在此课程阶段中分别设置榫卯解读、工坊参观、测绘实录的环节，辅助学生理解知识点，以多款数字榫卯产品实物为对象，经历场景体验、实物拆解及拼装、理解与归纳等一系列从实物体验到主观认知的过程。

（二）“反思与构思”

分别设置案例检索、设计构思、结构探究的环节，以优秀的榫卯座椅家具为对象，在开源网站里查阅CNC 数字家具的拼装结构及板材的制作细节图纸，通过线上智能共创与线下智能制造结合的数字线下工坊的形式，在全网进行案例的收集和整理工作，针对大范围样本案例的设计进行分析以及对设计方法、路径进行归纳与反思。以第一阶段的榫卯知识点和数控雕刻技术为设计基础，完成知识了解到具体应用方法的衔接。

（三）“创新与建构”

分别设置模型验证、实物搭建、表达呈现的环节，课程作品设计方案预先使用CAD、SU 等电脑制图软件完成后，再通过1 ∶10 的小模型来验证座椅设计的稳固性和设计语言呈现。通过多次尝试及细节调整，在最大限度减少耗材的情况下确保座椅结构的完整性，结合验证模型及对应的CNC 雕刻图纸文件、方案中座椅的比例尺度，完成方案呈现。

经过课堂教学、实地考察、现场交流、合作设计等教学环节，完成了学校与企业的联合实践教学。在本次教学实验中有意地开阔师生视野，使他们走出院校，吸纳学习新型建造技术，让环境设计实践教学作品更加精细化。和优秀企业联合教学的形式，初衷是希望看到某种剧烈的相互激发，以产生更加独特的设计成果。学生在实际搭建的过程中能够收获到团体分工合作完成任务的喜悦，灵活运用板材及操作工具完成家具拼装，并在搭建过程中用视频完整记录拼接的过程，组内分工明确且合理，搭建成品结构稳固、尺寸适宜、造型美观。举办“椅子计划——数字榫卯技术应用下的家具设计展览”（见图2），有资质的建筑师及设计师参与到课程中，对方案进行指导点评。在课程展览中被设计师选中的优秀椅子，其作者可与企业签署协议，成为签约设计师，作品上架于数字商店中进行售卖。通过这种方式鼓励学生进行艺术创作，不仅可以提高学生的艺术修养，还可以促进学生的自我表达和成长，学生在课程学习中也有了深刻的感想，真切体会到实践课程的意义。

图2 座椅家具实践成果

五、结束语

传统木构技艺需要匠心巧思和亲力亲为，该特点成为此次教学研究的基石。该课题的核心价值主要在于以木建构这一具体可设计和制作并讨论的对象，进行空间、功能、人体尺度、材料、技术、制作、结构等多维度的建造问题的深度学习，借助数字榫卯形式使家具得以顺利呈现，其过程充满了挑战和趣味。教学过程除了设计草图这样最基本的操作之外，1 ∶10 的构思模型，1 ∶1 的实物展示，学生动手操作所触发的身体与材料之间的互动关系、材料连接时的不同节点设计与榫卯加工制作之间的关系，这些拓展了环境设计专业学习的常规方式，必然会引发教师和学生对空间设计基本问题的新思考。