基于叢生竹解剖單元的家具構(gòu)件及產(chǎn)品設(shè)計研究

張海雁，劉文金，劉 芳，陳新義 Zhang Haiyan & Liu Wenjin & Liu Fang & Chen Xinyi

(1.湖南工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南益陽 413000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410000; 3.西南林業(yè)大學(xué)，云南昆明 650224）

古語有云：“寧可食無肉，不可居無竹”。亦有古詩記載“食者竹筍、居者竹瓦、載者竹筏、炊者竹薪、衣者竹皮、書者竹紙、履者竹鞋”?？梢钥闯觯褡釉缫雅c人們的生活息息相關(guān)，密不可分。近年來經(jīng)過科技工作者的不懈努力，竹資源在各領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)均取得了突破性進(jìn)展，各類新產(chǎn)品、新技術(shù)及新理念不斷涌現(xiàn)[1-5]。代表散生竹種的楠竹（又稱毛竹）作為竹資源應(yīng)用的翹楚，其種植、工業(yè)化加工利用體系已經(jīng)趨于完善，因?yàn)樗哂猩L快、材性好以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。而叢生竹亦是我國主要的竹質(zhì)資源之一，但其相較于楠竹，主干彎曲、竹管壁薄、材質(zhì)差異性大等不足仍限制了其得到廣泛重視[6]。因此，科學(xué)開發(fā)叢生竹資源，對于響應(yīng)“以竹代木”口號，拓展叢生竹應(yīng)用領(lǐng)域、節(jié)約木材具有促進(jìn)作用。

1 叢生竹資源

我國叢生竹資源廣泛分布于云南、貴州、廣西以及四川等地區(qū)，以慈竹、麻竹、青皮竹、龍竹等為主。有資料報道，叢生竹資源占我國竹林總面積的20%以上, 是一類潛力巨大的竹類資源群體[7-10]。因此充分開發(fā)叢生竹資源，對于拓展我國竹資源應(yīng)用范圍，推動我國竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級有積極作用。

目前我國叢生竹的資源化屬性主要有如下幾種：

①觀賞屬性。叢生竹四季常青、亭亭玉立，且能形成多種地上林冠造型形態(tài)，因而具有極強(qiáng)的觀賞價值。

②優(yōu)異的材用屬性（如竹層級材、竹地板板胚等）。多種大徑級叢生竹（如慈竹、巨龍竹等）具有制造優(yōu)異工程人造板的潛質(zhì)。該屬性的實(shí)施基于圓竹展平和竹纏繞技術(shù)[11]，極大的提高了竹材的利用效率，并且已在我國形成了成套成熟的技術(shù)體系[12-14]。

③優(yōu)異的纖維屬性。叢生竹纖維素含量豐富并大于散生竹，纖維長且柔軟，歷來是造紙纖維的主要來源。

④裝飾屬性。叢生竹具有與楠竹等散生竹類似的加工特性，如可加工成竹片、竹篾及竹絲等。這些材料經(jīng)過不同的加工技法，可廣泛應(yīng)用于竹制家具產(chǎn)品、裝飾擺件以及建筑裝飾等。

2 家具用叢生竹的解剖單元解析

叢生竹具有比楠竹更小的密度和相近的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且生長迅速，可視為一類具有廣泛潛質(zhì)的家具用材。本研究以叢生竹為基材，充分剖析叢生竹的潛在解剖單元類型，進(jìn)而開展產(chǎn)品設(shè)計。對于叢生竹在家具產(chǎn)品設(shè)計上的合理利用有著積極的作用，能夠真正做到材盡其用。

2.1 自然清新的圓竹態(tài)應(yīng)用單元

叢生竹單株圓竹的外觀特征主要表現(xiàn)為顏色、截面形態(tài)、徑級、尖削度、竹節(jié)間長以及竹節(jié)等。竹桿的表面色彩會隨著使用時間的延長，從青色逐漸變?yōu)辄S色。其它特征則變化不顯著。一種具有代表性的材用叢生竹，如巨龍竹，竹桿高可達(dá)20-30m、直徑可達(dá)到30cm以上，節(jié)間長度約25cm左右，竹壁厚度約為0.5-2cm之間，竹節(jié)處呈凸起狀等。

單株圓竹桿一般表現(xiàn)為“線”的特征，常有平排和堆積兩種組合方式[15]。平排組合可有少數(shù)幾根竹桿組成的小平面，亦有多竹桿平排鋪成的大平面。一般選用尖削度、色彩和圍徑相近的圓竹單元，呈現(xiàn)一定的規(guī)律排列。堆積組合的實(shí)現(xiàn)不限于竹桿的截面、圍徑等特征，但一般會對長度有限定。在外力約束下表現(xiàn)為“體”構(gòu)件特性。

圓竹作為竹材利用的最直接的形式，可直接剔除竹枝椏所得，是一種材料利用率相對較高的應(yīng)用方式。整竹應(yīng)用在一定程度上盡可能多的保留了竹材的原有屬性。因此，只需要經(jīng)過簡單的加工，如插接、搭接、郁、綁扎以及堆砌等，便可得到性能優(yōu)良的圓竹家具產(chǎn)品，給使用者營造了質(zhì)樸、清新、自然的感受，如圖1所示，圓竹家具產(chǎn)品。

圖1 圓竹態(tài)家具產(chǎn)品

2.2 剛?cè)岵?jì)的竹片材應(yīng)用單元

竹片解剖單元源于圓竹單元經(jīng)直接劈裂加工而成的若干片狀竹材。依據(jù)竹片的寬度，其截面表現(xiàn)為由兩個同心圓構(gòu)成的圓環(huán)的一部分，厚度取決于圓竹竹壁的厚度。一般有兩種典型的竹片材：如圖2（a）所示竹片，它保留了圓竹的部分外觀特征，如竹青、竹節(jié)外觀等，是一種自然特征保留完整的竹片單元，材料利用率高，如圖2（b）所示，竹片亦可經(jīng)過去青、去黃的加工處理，形成四面光滑、截面規(guī)整的矩形片狀單元。這種竹片形式往往應(yīng)用于有集成需求的竹集成材制備或亦可單獨(dú)應(yīng)用。

圖2 竹片材的兩種表現(xiàn)形態(tài)

竹片材在局部上具有“面”的特征，而往往在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)的是“線”的特性。竹片在應(yīng)用上仍然可用平排和堆積組合，如平面上的平行排列，最終實(shí)現(xiàn)“面”屬性。同時，經(jīng)過規(guī)律的堆積-復(fù)合，最終形成“體”，這是竹集成材中竹片的主要組合形式。堆積-復(fù)合對竹片有一定的特殊要求，如圖2（b）所示，一般要求竹片四面光滑、平整，長度、截面規(guī)格統(tǒng)一。

竹片材在一定程度上保留了竹材原有的剛性，同時其柔韌性初具表現(xiàn)，表現(xiàn)為“剛?cè)岵?jì)”。

2.3 可編輯形態(tài)的竹篾單元

竹篾由竹片材經(jīng)在厚度方向去青、去黃后繼續(xù)剖分所得，是一種0.5 mm-2 mm厚的片體單元，其寬度取決于破篾竹片的寬度。

竹篾通常表現(xiàn)為“線”的特征。但因其強(qiáng)度弱等原因，鮮見單片竹篾應(yīng)用案例。炭化和軟色是竹材變色的常見工業(yè)化途徑。因此，竹篾往往通過一定的編織技法實(shí)現(xiàn)“面”的屬性。并可配合色彩構(gòu)成基本技法，運(yùn)用不同的竹篾色彩實(shí)現(xiàn)精美的竹篾編織圖案。竹篾經(jīng)編織組合，可表現(xiàn)一定的強(qiáng)度屬性，并通過“面”的合圍，最終實(shí)現(xiàn)“體”的特征。

竹篾因?yàn)槠洫?dú)特的形態(tài)特征，單片竹篾不具有橫向強(qiáng)度，從而賦予了它優(yōu)異的可編輯形態(tài)特性。如圖3所示，竹篾條以及竹篾編織產(chǎn)品。

圖3 竹篾及竹篾編織品

2.4 形態(tài)多樣的竹絲單元

竹絲一般描述為方形或者圓形截面的長條形竹篾，截面積小于4 mm2，一般有兩種狀態(tài)：規(guī)則態(tài)和無定形態(tài)。如圖4（a）和4（b）所示。這種具有規(guī)則截面屬性的竹絲同時具備了一定的橫向力學(xué)強(qiáng)度和優(yōu)異的徑向拉伸強(qiáng)度，且保留了竹篾的可編輯特性，為規(guī)則態(tài)竹絲。如圖4（c）所示，無定形態(tài)竹絲可來源于竹篾或方形/圓形截面竹絲加工，是一種副產(chǎn)物。同樣可經(jīng)專門的刮絲裝置制備而成。無定形態(tài)竹絲主要特征表現(xiàn)為輕、柔特性。

圖4 兩種竹絲的形態(tài)

規(guī)則態(tài)竹絲表現(xiàn)為顯著的“線”屬性。即便其具有比竹篾更好的強(qiáng)度屬性，但此種竹絲仍需經(jīng)過拼合、編織以及擰聚等形式聚合，實(shí)現(xiàn)“面”或“體”屬性。無定形態(tài)竹絲一般為蓬松的、無規(guī)則的“體”。但在外力約束下，如經(jīng)施膠、熱壓，最終可表現(xiàn)“面”屬性。

規(guī)則態(tài)竹絲可經(jīng)纏繞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對其它材料表面裝飾、或增強(qiáng)效果，如對小截面木構(gòu)件的性能增強(qiáng)。無定形態(tài)竹絲具有柔軟、輕彈屬性，可作為填充物。同樣可以作為纖維增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)某些復(fù)合材料的機(jī)械性能增強(qiáng)，充分展現(xiàn)叢生竹纖維長、強(qiáng)度大的優(yōu)勢。

3 針對叢生竹解剖單元屬性的家具構(gòu)件與產(chǎn)品設(shè)計

竹材，尤其是竹集成材（以楠竹等散生竹為主），在家具構(gòu)件或產(chǎn)品設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用。但其產(chǎn)品仍然沿用木家具的設(shè)計方法，并未完全展現(xiàn)出竹材的特有屬性。鑒于此，充分依據(jù)叢生竹基本屬性，從其優(yōu)勢出發(fā)開展家具構(gòu)件或產(chǎn)品的設(shè)計很有必要。

3.1 圓竹單元家具產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)圓竹家具產(chǎn)品設(shè)計的方法眾多，如插接、搭接、郁、綁以及捆扎等。它們也是自古以來圓竹家具產(chǎn)品中的最為常用接合形式。

圖5（a）所示圓竹家具構(gòu)件，立足于我國傳統(tǒng)竹產(chǎn)品制作技藝“小郁竹藝”。該技法最大限度的保留了圓竹的本體特征，配合如插接、搭接等工藝技法，共同實(shí)現(xiàn)竹產(chǎn)品的功能。

圖5 圓竹態(tài)叢生竹家具產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)

“捆扎”手法是賦予小徑級材料以較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的一種方式，如中空的竹材經(jīng)常通過“捆扎”的手法實(shí)現(xiàn)其在結(jié)構(gòu)材方面的應(yīng)用。叢生竹的徑級因竹種、立地條件等的差異而不同。大、小徑級竹材共混式“捆扎”，使得大徑級竹之間的間隙得以填充：一來實(shí)現(xiàn)各元素間的緊密接觸，減少元素的位移；二來減少了整體產(chǎn)品間的間隙，提升了產(chǎn)品或構(gòu)件的整體強(qiáng)度；三是改善產(chǎn)品截面圖案，改善視覺感受。如圖5（b）所示，該產(chǎn)品的另一特性是極易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)。

新材料及新技術(shù)的進(jìn)步，同樣為圓竹接合方式的進(jìn)步提供了技術(shù)支撐[16-19]。為實(shí)現(xiàn)圓竹接合的可拆裝接合，研究人員開發(fā)了圓竹連接五金件及相關(guān)配套技術(shù)，如圖5（c）所示兩種典型的圓竹家具連接五金件接合類型。

圓竹與其它材料（樹脂）有較強(qiáng)的兼容性，如圖5（d）所示，短的圓竹筒與樹脂或新型材料復(fù)合，截面呈現(xiàn)直徑大小不一的圓環(huán)聚集狀態(tài)。類“細(xì)胞”單元以一種自然的平面圖案構(gòu)成給使用者生命的使用感受。

3.2 片狀竹單元家具產(chǎn)品設(shè)計

竹片材是竹制產(chǎn)品中最常用的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)。如建筑用竹模板、竹集成材、CLT等。同樣，在家具產(chǎn)品中，竹片材依然是在設(shè)計實(shí)踐中常見的一種結(jié)構(gòu)形態(tài)，并且所構(gòu)成的產(chǎn)品形制豐富多樣、造型迥異。

竹片的平排與堆積重構(gòu)，是竹片材在家具產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的技法。竹片既可以做到對圓竹外觀屬性的部分保留，又可以去除外觀屬性單獨(dú)表現(xiàn)竹材的強(qiáng)、韌屬性。因此竹片是最能完整體現(xiàn)竹材特性的解剖單元結(jié)構(gòu)。

如圖6（a）產(chǎn)品所示，由竹片材的規(guī)則平排構(gòu)成的幅面規(guī)格材，充分利用了竹片材在生長橫向上的承載能力，實(shí)現(xiàn)幅面構(gòu)件功能，如此種結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于椅、凳坐面凳產(chǎn)品。這種源于“籬笆”構(gòu)成的技法依然具有較為明顯的標(biāo)準(zhǔn)化特性，符合批量生產(chǎn)需求。

圖6 竹片狀叢生竹家具產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用

徑向高強(qiáng)、彈性優(yōu)、韌性好是竹片材的幾大特征，并且在多數(shù)產(chǎn)品中均是對這幾項(xiàng)性能的綜合考量。如圖6（b）所示，1/3或1/4圓竹直接劈裂形成的獨(dú)特類“C”型截面結(jié)構(gòu)，使其在橫向上能夠達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使構(gòu)件功能得以實(shí)現(xiàn)。這種具有橫向承載能力的“C”型構(gòu)造竹片，同時發(fā)揮其優(yōu)異的彈、韌性，經(jīng)合理的設(shè)計重構(gòu)，便可實(shí)現(xiàn)同一竹片在不同平面的不同功能。如沿竹片縱向的豎向承載作用，在竹凳中實(shí)現(xiàn)凳腿的功能，同時沿竹片橫向，實(shí)現(xiàn)凳面的承載功能。

叢生竹竹片材在實(shí)現(xiàn)異形單元方面比散生竹更具有優(yōu)勢，這種優(yōu)勢源于它們更長且韌的纖維。如圖6（c）所示，統(tǒng)一形狀的竹片單元的規(guī)律、整齊排列，以同一種受力狀態(tài)保障竹片單元在使用過程中受同一種外力作用。很明顯該技法所得產(chǎn)品極易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，維護(hù)簡便。

3.3 竹篾家具構(gòu)件或產(chǎn)品應(yīng)用

竹篾是經(jīng)縱向剖分的更薄的片材單元，其柔性、韌性俱佳，但其在橫向上不具有任何強(qiáng)度。竹篾在我國有著源遠(yuǎn)流長的應(yīng)用歷史，編織技法決定竹篾材的應(yīng)用，在產(chǎn)品中呈現(xiàn)和諧、自然的線條之美。

竹篾往往經(jīng)過一定的編織組合成面，然后由面合圍成體，典型的“竹篾簸箕”“竹篾籮筐”等。這種利用形式充分發(fā)揮了竹篾的強(qiáng)抗拉性能。

竹篾具有良好的上染性，在實(shí)施編織技法的同時，結(jié)合基本的色彩構(gòu)成科學(xué)原理，便可制備具有特殊風(fēng)格的裝飾構(gòu)件。這種竹篾編織成的經(jīng)過簡單的加工，配合以傳統(tǒng)框式家具結(jié)構(gòu)類型，制成具有顯著裝飾性能的家具產(chǎn)品構(gòu)件，如圖7（a）所示，竹篾編織產(chǎn)品首先與人造板復(fù)合，而后經(jīng)過加工，制備成框架結(jié)構(gòu)“芯板”。這種構(gòu)件可廣泛應(yīng)用于家具產(chǎn)品中的非承載構(gòu)件中，實(shí)現(xiàn)竹篾編織產(chǎn)品的裝飾功能，如幾、柜類家具側(cè)面框架的芯板。

圖7 竹篾材在家具構(gòu)件或產(chǎn)品中的應(yīng)用案例

竹篾較小的單元體積，在自然力學(xué)狀態(tài)下便能發(fā)生彎曲，使其彎曲加工工藝變得更加容易實(shí)施。因此，錯綜繁復(fù)的竹篾交織形態(tài)、交織成異形多面體曲面造型構(gòu)件可以不再依靠材料的銑削加工，可經(jīng)過精湛的編織技法實(shí)現(xiàn)同樣的造型。復(fù)雜的“鳥巢”狀結(jié)構(gòu)，由多種寬度、長度，甚至厚度規(guī)格下的竹篾經(jīng)編織重構(gòu)合圍而成。而這種形狀契合了凳的凳面構(gòu)件，如圖7（b）所示，配合合適的凳腿構(gòu)件，便可實(shí)現(xiàn)功能。

由于竹篾的可編輯特征，因此竹編幅面材經(jīng)樹脂浸漬，隨后與木材或是人造板進(jìn)行多層復(fù)合，可制備具有表面特性要求的規(guī)格板材，如圖7（c）所示。隨后根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)，將其裁切成所需規(guī)格。這種構(gòu)件可應(yīng)用于 對材料表面有強(qiáng)度需求的家具產(chǎn)品構(gòu)件中，充分體現(xiàn)竹材的高強(qiáng)特性，如椅、凳產(chǎn)品的坐面。同時竹材的強(qiáng)拉伸性能對復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)，提升其承載能力，實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品的“輕量化”設(shè)計理念。

3.4 竹絲態(tài)家具產(chǎn)品或構(gòu)件設(shè)計應(yīng)用

竹絲態(tài)結(jié)構(gòu)單元在彎曲性能方面與竹篾材不相上下，但其在橫向、縱向力學(xué)性能方面顯著優(yōu)于竹篾材。故竹絲經(jīng)編織、排列而構(gòu)成的家具產(chǎn)品構(gòu)件及產(chǎn)品可以保持其特有的有機(jī)形態(tài)，并且繼承了竹絲單元的橫向和縱向承載力，以滿足產(chǎn)品特殊功能。如圖8（a）所示，規(guī)律的竹絲編織結(jié)構(gòu)可以在橫向和縱向上均保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了純竹絲單元經(jīng)排列組合從而作為結(jié)構(gòu)材使用的可能性。

圖8 竹絲態(tài)叢生竹家具產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用

竹絲依然可作為單獨(dú)的線型原材料，直接通過最簡單的豎向平行，或稍加竹絲編織技法，作為傳統(tǒng)木框架結(jié)構(gòu)中的“填充”材料，最典型的應(yīng)用是屏風(fēng)等家具產(chǎn)品, 如圖8（b）所示。

竹纏繞復(fù)合管道技術(shù)成為近年來竹材的一項(xiàng)新的應(yīng)用技術(shù)。竹纏繞復(fù)合技術(shù)以竹資源為基礎(chǔ)材料，在氨基樹脂膠黏劑的作用下，運(yùn)用纏繞工藝加工而成的一種新型的生物基復(fù)合材料[19-22]。叢生竹更長的纖維、更好的柔韌性能使其在實(shí)施竹纏繞技術(shù)方面蘊(yùn)含了一定的技術(shù)潛力。減小家具構(gòu)件截面尺寸是體現(xiàn)“輕量化”家具產(chǎn)品設(shè)計理念的最直觀的表現(xiàn)，但構(gòu)件強(qiáng)度會隨著截面尺寸的減小而降低。因此通過技術(shù)集成與創(chuàng)新，在某些細(xì)小的、有強(qiáng)度要求的木質(zhì)構(gòu)件的表面實(shí)施竹纏繞技術(shù)，對原有構(gòu)件進(jìn)行增強(qiáng)，使其滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求，其截面示意圖如圖9所示。同時表面的規(guī)則或不規(guī)則的竹材纏繞所形成的特殊的表面圖案，對構(gòu)件起到一定的表面裝飾作用[23-24]。

圖9 竹纏繞木構(gòu)件

4 結(jié)語

叢生竹資源在我國儲量豐富，并且擁有與已廣泛成熟化應(yīng)用的毛竹相媲美的物理力學(xué)性能，甚至在纖維素含量、柔韌性及纖維強(qiáng)度方面優(yōu)于毛竹。故合理開發(fā)利用叢生竹材資源對于拓展我國竹資源類型，推動竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有積極作用。因此，充分分析叢生竹解剖單元基本屬性，包括圓竹、竹片、竹篾以及竹絲4中基本解剖單元，并有針對性的基于其解剖單元結(jié)構(gòu)分析設(shè)計應(yīng)用方法。同時開展家具構(gòu)件或產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用案例解析，為叢生竹家具構(gòu)件或產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)用提供借鑒。系列新技術(shù)、新方法的集成與創(chuàng)新，如竹展平技術(shù)、竹纏繞技術(shù)等，賦予了竹材基本解剖單元新的應(yīng)用屬性。