轻质蜂窝形仿生材料在家具设计中的应用与发展研究

■王 强，王 宁，王铃伟，吴新凤

(中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410004）

近年来，蜂窝形仿生材料作为一种新型轻质环保材料，逐渐受到人们的青睐，其在家具设计、生产及包装中的应用越来越广泛。目前在家具中应用的蜂窝形仿生材料主要包括木质蜂窝板、蜂窝纸板和蜂窝纸材料。木质蜂窝板是由上下两块木质人造板中间夹一个纸质中空蜂窝六边形填料，经过胶合加压固定而成的一种新型轻质板材，结构如图1所示[1-2]。其根据芯层四周有无木质边框，可以分为有框木质蜂窝板和无框木质蜂窝板，若表板为纸质材料，则称为蜂窝纸板。

蜂窝形仿生材料的芯层蜂窝通常采用牛皮纸排列组合而成，可回收利用，并且芯层材料是整体结构的主体部分，能够大大减少木质材料用量，有助于森林资源保护，具有轻质、高强、成本低等优点。另一方面，蜂窝结构具有隔热、吸音、保温、减震等功能，可根据需求进行尺寸、饰面、蜂窝芯子和表板材料的选择。因为其独特的优势，逐渐成为设计师开发产品争先使用的材料[3]。

1 木质蜂窝板家具

木质蜂窝板可设计成厚型板件，能够提升家具产品的体量感、厚重感、档次感。应用于家具生产的木质蜂窝板多数是有框蜂窝板，其常见的应用形式有两种：与金属材料结合、与其他木质板件结合。

1.1 与金属材料结合

应用形式：木质蜂窝板具有表面平整，不易变形的特点。目前，市场上木质蜂窝板材料常作为顶底板、柜门、侧板等零部件选材应用于板式家具中。现在，板式家具设计的流行趋势之一便是板材与金属材料相结合，即木质蜂窝板面板、侧板等与金属支架、腿架等部位组合，设计出造型简洁、结构合理、符合现代大众审美的板式家具（图2-图3）。

接合方式：在蜂窝板与金属材料的接合方式上，多采用家具五金配件接合，主要可分为固装式连接和拆装式连接两种。

固装式连接包括内六角木螺钉接合、自攻螺丝接合等。内六角木螺钉接合强度高，安装方便，不影响造型美观，但由于木材本身的纤维结构，用木螺钉结合时不能多次拆装，会破坏木材组织，影响连接强度，所以通常作为固装式连接件使用（图4）。比如用于会议桌、条桌等家具，金属部位预先钻通孔，木质蜂窝板框架部位预先钻定位孔，然后按照孔位使用内六角木螺钉将它们进行接合，其中有框蜂窝板木质框架的尺寸、位置和数量可根据支撑强度和连接位置的需要进行定制。结构如图5-图7所示。

拆装式连接主要是指螺栓螺母连接，一般要加防松装置，如弹簧垫片。螺栓螺母连接较好的强度和紧密性，便于拆卸和安装，节约运输成本，但其裸露在家具表面会对美观造成一定影响，常用于条桌、条几等家具。木质蜂窝板预先钻孔，根据产品尺寸确定孔位数量，一般为2-3个。然后使用螺钉螺栓将其与金属支架紧密连接，结构如图8和图9所示。

1.2 与其它板材结合

应用形式：在板式家具设计中，木质蜂窝板常作为面板、柜门、侧板等部件，与纤维板、胶合板、刨花板、细木工板等材料组合使用，可制成各种轻质板式家具。其中以宜家家居为代表，其衣柜、橱柜、储物柜、学生书桌等家具大量使用蜂窝板材料，并辅以纤维板、胶合板等，甚至部分家具全部使用木质蜂窝板材料制作而成（图10-图12）。从图片中可以看出，宜家家居部分家具的侧板、顶底板大量使用蜂窝板材料，蜂窝板厚度一般为40mm，使家具具有厚重感，同时又不失现代家具造型简洁的特点，并且符合家具轻质化发展趋势，所以，蜂窝板材料用于家具行业具有十分广阔的前景。

图1 木质有框蜂窝板结构组成

图2 会议桌

图3 会议桌连接件

图4 内六角木螺钉

图6 固装式连接方式二

图7 固装式连接方式三

图8 螺栓螺母连接

图9 条桌

图10 宜家吊柜

图11 宜家各种蜂窝板件

图12 宜家儿童书桌

图13 小型储物柜

图14 小型储物柜侧板

图15 小型储物柜顶底板

图16 小型储物柜层板

接合方式：同样分为拆装式接合和固装式接合两种。每种接合方式可单独使用，也可联合使用。

拆装式接合使用灵活，便于安装和拆卸。以小型储物柜为例，侧板与顶底板、层板连接通常采用三合一连接件和圆棒榫结合使用的连接方式，三合一连接件起固定作用，圆棒榫起定位作用。如图13-图16所示，按照32mm系统要求，在木质框架部位钻孔，孔位根据板件尺寸变化。

固装式接合同样包括内六角木螺钉接合，结构如图17所示一些柜类家具，如储物柜、搁物架，常将两种结合方式联合使用，比如侧板与顶底板使用内六角木螺钉连接，侧板与层板、顶底板与隔板使用三合一连接件与圆棒榫组合连接，结构如图18所示。

同有框蜂窝板相比，无框蜂窝板加工工艺简单，而且可以按照家具零部件的尺寸规格进行制作和裁截。但由于连接件安装复杂、连接强度不及实心板件，封边技术不够成熟，自身强度较低等限制因素，因而使用较少。随着“全屋定制”浪潮的兴起，越来越多的消费者根据自己的喜好选择定制家具[4-5]。木质蜂窝板与人造板材组合使用，应用于定制衣柜、书柜等家具，有很大的应用和探索空间。

2 蜂窝纸家具

随着轻质化家具成为设计潮流，人们对于空间利用的重视度和便携家具需求度越来越高，人们渴望一种轻质、便携、节省空间的家具出现。蜂窝纸具有轻质、可折叠压缩、强度高等特性，完美地迎合了人们的需要，于是人们开始探索如何把蜂窝纸用于家具设计[6]。其中的代表企业为十八纸创意文化有限公司，简称“十八纸”，其产品采用高纤维的进口原浆纸进行生产再造，使纸张具有防水防潮功能的同时，增强自身的韧性，并充分利用蜂窝六边形承重性能好的优势[7]。产品如图19-图23所示。

应用形式：从图片中可以看出十八纸家具充分利用蜂窝纸可折叠压缩的特性，坐凳以圆柱形结构为主，配合坐垫使用，蜂窝纸收缩后为圆角矩形方体，体积较小，可随身携带；床类家具采用木质床头床尾与蜂窝纸相结合方式，以蜂窝纸为主要承重结构，木质床头床尾防止床垫滑落，使床类家具具有轻质、节省空间、造型简洁的特性，可以有效解决小户型空间不够用的难题。同时，十八纸家具注重结合中国传统文化（图22-图23），通过对传统元素的使用和创新，展示出中国家具设计特有的魅力[8-10]。

接合方式：主要分为活动接合和胶合两种。活动接合指不固定在一起，使用时接合，闲置时可以随时分开，具有较高的灵活性，比如坐凳，其蜂窝纸支架和坐垫就可以自由分合。蜂窝纸和木材材料的固定接合采用胶黏剂接合，比如折叠床中蜂窝纸和木材的胶合连接。

此类家具受到青年消费者的喜爱，但由于传统观念、价格等因素，在国外销量比国内要高。随着中国经济的发展，人们生活水平和文化素质的提高，此类家具有着广阔的市场和光明的前景。

3 蜂窝纸板家具

蜂窝纸板轻质高强，现在主要用于制作包装箱。蜂窝纸板箱的重量仅为相同规格的瓦楞纸箱包装箱的2/3，约为相同规格实木箱重量的1/3[11-13]。现在蜂窝纸板在家具生产中应用较少，笔者查阅大量资料发现，已经有不少设计师探索蜂窝纸板家具在趣味儿童家具和简易家具中的应用（图24-图25）。

图中所示蜂窝纸板家具充分利用了蜂窝纸板易加工的优点，针对其不易折弯的特性，折弯部位可采用“V型槽”或“U型槽”的加工方法解决。将大块面积的蜂窝纸板作为家具零部件，辅以支撑结构，合理的分散作用力，通过卡槽插接（图25）和折叠的结合方式、纸棱角度的变化，可以组合成不同的造型，且在制作过程中不使用胶粘剂连接，并且蜂窝纸板具有可回收再利用的特点，发展蜂窝纸板家具，有利于减少森林砍伐和可持续发展。

图17 固装式接合

图18 小型搁物架

图19 十八纸坐凳

图20 十八纸大型座椅

图21 十八纸折叠床

图22 十八纸风琴灯系列之一

图23 十八纸风琴灯系列之二

图24 蜂窝纸板方桌

图25 卡槽结构之一示意图

图26 蜂窝纸圆几

4 设计探索

纯纸家具设计一直是设计师不断探索的方向，虽然瓦楞纸家具已取得一定进展，但是由于瓦楞纸密封性差、易受潮等缺陷，导致人们接受度低。再者由于纸不能像木材、金属那样易于加工成弯曲的造型，纸自身的力学承载性能、安全性相对较差，使得纯纸家具的研究进展相对较慢[14-15]。基于蜂窝形仿生材料轻质、强质比高、绿色环保、节省材料、成本低、造型时尚等优势，可将蜂窝纸板与蜂窝纸结合用于家具设计，例如小型圆几、角几，设计图如图26所示。

此方案的设计思路为：采用变化与统一的形式美法则，统一圆形元素，直线型面板与曲线型支撑部分变化交融。将增强型蜂窝纸板作为面板，经过防水防潮、表面装饰处理，承载物品摆放[16-17]。蜂窝纸造型富于变化，色彩及图案可定制，用于支撑结构，可设计出曲线优美的形态。二者的接合方式可以选择胶合或活动接合，这样便可以设计出轻质、造型优美、绿色环保、节省空间的纸家具[18]。其中面板力学承载性能增强方法为：蜂窝纸板的表板采用厚度2-3mm的卡纸，可进行贴面处理，中间采用蜂窝边长较小的，比如6-8mm的蜂窝纸芯。

5 结语

轻质蜂窝形仿生材料应用于家具设计与生产，拓宽了家具设计的空间和材料的选择性。木质蜂窝板、蜂窝纸、蜂窝纸板相互组合使用在家具设计中有很大的探索空间。蜂窝纸造型多样、色彩丰富，可以接合多种材料组合使用，赋予设计师很大的灵活性。蜂窝纸板受限于自身侧面的抗破坏性较低，易破损的缺点，在包装纸箱中应用较多，但用于特定趣味家具、配饰家具，采用卡槽等接合方式，便可以发挥其轻质高强的优势，有很大的应用前景。蜂窝形仿生材料用于家具制造符合国家生态文明建设的需要，是节材代木、发展轻质化家具的不可或缺的选择。随着人们环保意识的不断增强和思想观念的更新，蜂窝形仿生材料将会更多地运用家具生产和包装中，从而有效地促进环境保护和家具轻质化发展。