万字符形态在榫卯结构家具中的设计研究∗

苏 晨 马莹莹 苏玉涵 王海强

（1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2.华中科技大学，湖北 武汉 430074）

随着文化自信概念的提出，有关传统文化内涵的研究与创新应用越来越受到重视。榫卯结构是中国传统造物结构的典范，是最具研究性的连接方式[1]。本文以榫卯结构家具为设计载体，运用合理的设计分析方法，将传统的万字符形态以立体化、功能化等形式进行组合，既能有效体现传统符号独特的艺术魅力，又能提升家具的文化附加值，在满足消费者对产品功能需求的同时，让消费者对传统符号形态和榫卯结构文化有更加深刻的认识。

1 榫卯结构家具设计

榫卯结构是传统建筑、家具中的主要结构方式，其结构强度大且精度高，被认为是最稳固的木材结合方式[2]。然而，榫卯结构制作流程繁琐[3]，难以适应现代化的批量生产方式，因此大多被五金连接构件所代替。但榫卯结构蕴含的民族智慧与传统文化内涵是现代工艺所不能取代的[4]，为此许多研究者从机械加工、刀具改良等方面试图改进榫卯结构制作工艺，并取得了较多的成果。汤琳等[5]通过开发一款高效榫卯智能化加工代码生成系统，实现榫卯加工数控程序的设计和代码的智能化编制，为数字化改良榫卯提供理论依据。刘志峰等[6]提出一种榫卯加工中心夹具系统的改进方案，以提高榫卯加工中心加工精度。简化的工艺流程降低了榫卯家具的成本，使其进入千家万户。但目前相关研究更加偏重于榫卯结构加工、生产模式上的创新，对榫卯结构文化内涵的扩充与发展重视不够，导致榫卯家具市场趋向同质化，影响了榫卯文化的发展与传播。因此需要有更多的设计形式创新，以丰富榫卯结构家具的表现形式，扩充其文化内涵。本文针对万字符形态进行研究分析，通过对比研究传统榫卯结构，探索榫卯工艺结构的功能和构成形式，并运用万字符形态的典型元素特征，进行具有民族文化特点的榫卯结构家具设计。

2 万字符形态在现代设计中的应用

2.1 万字符形态

万字符通常指“卍”字形纹饰，其谐音为“万”，寓意万福、万寿、好运和吉祥，承载着人们对于美好生活的期盼[7]。在现代设计中，设计师以万字符造型为载体，设计出不同形式的万字符图形语言。在设计实践中，万字符通常以二方连续或者四方连续的形式出现[8]，如在2014 年北京APEC会议上，国家领导人服饰采用的是以万字符为面料底纹的宋锦改良中装，万字符也常作为一种辅助性纹样雕刻于产品之上，如寓意吉祥的酸枝万字纹书尺，见图1。万字符的使用提升了产品的文化附加值，同时延伸了其图形形态与精神内涵，使得消费者对于传统符号形态有了更加深刻的认识。

图1 万字符在现代设计中的应用Fig.1 Application of swastika in modern design

2.2 设计应用流程

万字符形态本身所具备的特殊表现力是传统装饰艺术魅力所在，在现代设计中万字符同样拥有广阔的应用前景。本文借助设计学原理，将万字符形态应用于榫卯结构家具设计领域，借助万字符丰富榫卯结构的表现形式及其文化内涵，具体的设计应用流程如图2所示。

图2 设计应用流程Fig.2 Design application process

设计主要有符号元素分析、设计要素提取、设计应用三个阶段。首先通过相关文献与资料调研“卍”符号的基本特征与内涵，并分析提炼出其特征要素。其次，筛选出设计要素关键词，并进行设计应用与延伸，从而搭建家具产品基础模型。在此基础上，筛选可使用的榫卯形式，并进行结构强度分析以及材料选择，完成榫卯结构家具产品的整体构建。最后，通过产品实物的生产与制作检验设计的合理性。

2.3 万字符形态要素分析

从万字符中提取设计要素主要参考三个方面，即造型特征、装饰特性与寓意内涵。从造型特征来看，万字符形态是按照一定角度和方向排列形成的折线型几何纹样，重复的形态构建了一种带有秩序感的网状构图，使得万字符具有多样统一的形式美感[9]；从装饰特性来看，万字符形态的独特造型特征使其本身可以独立成型或组合成型，其独特的表现力符合当代大众审美需求[10]；从寓意内涵来看，万字符蕴含着人民美好的愿望，承载着民族文化的信念和追求。

在“卍”字纹运用过程中，其连续性[11]、中心对称性和规则性这三个结构特性是主要切入点。1）连续性：“卍”字纹采用方形架构，形似一个四边分别被剪掉了一半长度的“田”字，长、短线的搭配体现出一种延续感。2）中心对称性：“卍”字纹是由一个简单元素通过旋转90°、180°而成的中心对称图形，这种旋转对称的形式赋予了“卍”字纹更多的设计表现形式。3）规则性：“卍”是由两个“Z”形符号旋转或翻转形成的交错对称符号，具有规则性，但又如风车般旋转不停，静态的符号造型有着动态的表现力[12]。根据以上分析，最终确定的设计要素关键词为连续、对称、规则和动态，研究者也可以此为参考进行相应的产品设计创新。

图3 万字符分析图Fig.3 Swastika analysis chart

3 万字符形态在榫卯结构家具中的设计应用

3.1 基础模型搭建

基于2.3 节中对万字符造型特征、装饰特性及寓意内涵等的分析研究，总结万字符形态具有的特征要素，并以之为设计载体，设计小组采用头脑风暴法，获得部分草图方案，经筛选与可行性分析，选定榫卯结构旋转书柜设计方案。书柜充分利用万字符连续、中心对称、规则的结构特性，将平面化的符号造型以立体化形式展示出来，使得原有的万字符形态有了新的表现方式。书柜以榫卯结构为主要连接构件，每层可独立旋转，为静态的符号造型增添动态的表现力。经过相应的草图绘制与计算机三维建模软件进行基础模型搭建，形成的产品基础模型如图4 所示。

佛教中万字符呈四周均为敞开的空间形态，运用这一特点将书柜的整体空间分为四个部分，使用者可按照个人喜好将书籍分类摆放。同时各模块可360°自由旋转，既提升产品的使用功能，又满足符号本身动态特征表达需求。

3.2 榫卯结构分析

在建立基础模型后，从产品的结构、功能等方面入手，根据书柜的整体形态特征以及形体之间的组合方式，选择合适的榫卯部件以增强家具的稳定性和整体强度[13-14]。当前书柜主要为面与面之间的接合，两面相互垂直，且相交的截面面积较大，筛选当前常用的榫卯结构，列出符合目标产品结构条件的几类榫卯，并且归纳其结构与相应的特点，如图4 所示。

图4 榫卯结构分析Fig.4 Tenon and mortise structure analysis

书柜单个模型单元主要由三个不同维度的平面构成，受力方向形成三维向，对于榫卯结构的稳固性能要求较高。同时考虑到批量化的机械化生产需求[15]，对当前榫卯家具中常见的榫卯结构的用途和优点进行对比分析，选择薄板槽榫、揣揣榫、十字交叉榫、方材丁字榫、粽角榫、直榫这6 种榫作为目标书柜结构的连接构件。其中薄板槽榫、揣揣榫、十字交叉榫、方材丁字榫、直榫这5 类榫卯，结构较为简单，机器切削加工较为便捷，结构调整幅度小。

用于书柜直角拐角处的粽角榫，因外形如粽子角而得名，它是由3 根方材的各个格角穿插而形成的6 个45°斜角的榫卯结构[16]。粽角榫榫头在中间，两边均有榫肩，榫头与榫肩相互依托各自分担压力，增强了结构的稳定性和支撑力，从而可提高家具产品安全性和稳固性。

3.3 榫卯结构改良

传统粽角榫内部结构复杂，对加工精度要求极高，机械加工工艺难度大，难以进行批量化生产[17]。为此改良优化粽角榫内部结构，在保持其外观整齐、结构严谨，保证内部结构强度和整体稳定性条件下，使改良后的粽角榫结构适应现代机械化生产的工艺要求。将传统粽角榫中的透榫部分进行简化，优化斜肩部分，添加抄手榫结构强化整体结构，同时预留胶槽，便于后期的安装与加固，改良后粽角榫内部结构见图5。

图5 粽角榫改良内部结构图Fig.5 Internal structure diagram of zongjiao tenon improved

为保证改良后粽角榫的整体强度满足产品需求，对其进行力学性能试验[18]。在此设计中，粽角榫用于书柜的直角拐角处，C处（图6 所示）常受到向下的弯力作用，为此研究者运用ANSYS软件测试其在垂直载荷作用下的极限抗弯能力[19-21]，选取尺寸为40 mm ×40 mm × 250 mm的改良粽角榫进行抗弯强度测试，材料参数以硬木为基础：弹性模量为12 GPa，泊松比为0.47，密度为1200 kg/ m3。在改良棕角榫的A处施加固定约束，C处施加870 N的抗弯力，此时改良棕角榫的最大应力为69.683 70 MPa，接近于70 MPa。如图6 所示，改良棕角榫的最大抗弯力为870 N，测试结果表明该结构的整体强度基本符合产品需求。最后运用UG软件进行三维建模和加工机械的刀路设计，并以实木进行试加工，最终机械加工较为流畅，且改良后粽角榫结构切合度高，结构稳定。

图6 改良粽角榫抗弯强度测试图Fig.6 Test chart of flexural strength of improved zongjiao tenon

3.4 材料分析

材料具有自身特有的造型语言，其固有的特性决定了家具的构造特征[22]，因此家具选料非常重要。传统家具的榫卯结构一般以质密纹美的红木作为主要材料，但是对于现代家具而言，昂贵的红木易导致产品受众面窄，因此需选择合适的替代材料。在本设计中，研究者宜选用物理性能较强、色彩纹理美观丰富、加工难度适中的材料，在保证榫卯结构稳固和家具产品美观度的同时，控制产品生产成本。

在明确产品定位后，研究者调研了市场上实木家具设计中常用的几种木材，如榉木、橡胶木、白蜡木、柚木、松木、黑胡桃木等，通过对比其力学性能、单位价格、色彩纹理、加工难易度等情况[23-24]，选出最适合作为此书柜设计的木料。不同材料参数如表1所示，在物理属性上榉木、白腊木、柚木、黑胡桃木均符合产品的基本需求，但白腊木色彩偏白，纹理较为单调，柚木价格较贵难以控制成本。为了保证书柜结构稳定性和产品美观性，同时降低生产成本，最终选择性价比较高的榉木与最贴近红木性能的黑胡桃木作为主要材料。

表1 几种常用木材的力学性能、纹理色彩等对比Tab.1 Comparison of mechanical properties, texture and color of several commonly used wood

3.5 设计实践

综合前文相关研究，按照1∶1比例设定相关参数，使用五轴端面加工中心[25](S5)与其他自动化木工加工工具进行榫卯部件的加工。产品实物加工操作步骤主要包含图纸绘制、板材加工、方材加工与整体的拼接与组装四部分，最终实物如图7所示。书柜的基本单元按照不同方向进行排列组合，形成一个连续且富有规律的整体，基本单元之间通过金属旋转盘进行连接，完善了书柜的使用功能，同时增加了产品动态性。最终书柜成品基本符合前期的设计预期，验证了本文设计研究方法的可行性与有效性。

4 结语

榫卯结构是我国传统家具的重要组成部分，也是我国传统文化的重要载体。传统纹样符号种类繁多、形象生动、寓意吉祥，具有浓厚的民族特色与丰富的文化内涵，是我国历史文化中必不可少的一部分。本文对万字符形态进行提炼简化，并将之应用于现代榫卯结构家具产品设计，既加强了符号文化在榫卯结构中的体现，也为现代榫卯结构家具设计创新提供了新方向。传统符号文化与榫卯结构家具设计相结合，有利于促进我国传统文化的创新与传承，更为同类型的榫卯产品设计研究提供了理论支持。