榫卯中的自锁奥秘与设计创新∗

王佳实 吴新凤 郝景新 孙德林

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

榫卯结构是一种应用木质纤维强度和摩擦力的结构形式，是我国传统家具的主要连接方式，凝聚了古代能工巧匠的智慧与精湛技艺，是中国传统家具文化的精粹[1-2]。但是由于榫卯构件加工复杂且成本高，在现代家具广泛使用人造板、金属连接件的背景下,家具中应用榫卯结构的传统正在消失[3-4]。

在复杂的榫卯体系中自锁结构具有组装方便、拆卸迅捷、损坏易换的特点。榫卯中的自锁结构系指榫与卯的安装方向与安装后的受力方向垂直或呈一定角度，即安装后受结构限制或结构间的作用力而固定不动，而在安装方向上可拆装的一种结构。自锁结构的拆装具有固定的顺序，安装后可卡紧，非人为不可拆卸。自锁结构含有一个关键组件，只要未移除关键组件，其他组件被锁住，整个装配体处于稳定状态，移除关键组件，其他组件即解锁[5]。这种结构不仅降低了家具拆装的难度，为人们的日常生活提供便利，而且减少了更换成本，同时增加了家具组装过程中的趣味性与互动性，具有极大的研究价值。目前，自锁结构主要应用于玩具开发、家具设计和文物修复等方面[6]。本文对传统榫卯结构中的自锁形式进行汇总归纳，并对榫卯中自锁结构的特征进行提炼分析，探讨运用现代设计手法对自锁结构进行拓展和延伸，解决自锁结构的稳定性与强度问题，在工业设计与家具结构中对自锁结构进行创新性融合与设计[7-8]。

1 传统榫卯中自锁结构类型

1.1 摩擦力自锁

摩擦力自锁是指自锁构件在“锁定”后，构件间所受摩擦力与相对运动或相对运动趋势方向相反，依靠摩擦力结构被“锁定”。摩擦力计算公式为F=μ×Fn，摩擦力的大小（F）与接触面的粗糙程度(即摩擦系数μ)以及接触面的压力（Fn）呈正相关。当榫销与榫眼的接触面粗糙程度保持固定时，摩擦力随接触面压力的增加而增大，当摩擦力大于等于使用过程中产生的拉力时便可固定住榫销榫眼的位置；减小接触面压力，榫销榫眼的摩擦力便随之减小，当摩擦力小于使用过程中产生的拉力时，便可解锁，同时应保证摩擦力与榫卯活动方向垂直，以防止滑脱。走马销就是通过增加接触面压力的方式增加摩擦力以实现自锁目的，如图1 所示。走马销的榫销呈楔形，和榫眼的接触面是一个完整的面，而榫眼为一大一小两部分，将榫销插入榫眼大的一端后，对榫销施加一个水平力，使其向榫眼小的部分滑动，当榫销榫眼扣住时，继续施力，使榫销被挤压扣紧，榫眼与榫销接触面的压力增大，摩擦力也增大，从而达到锁定的目的。拆卸时，榫销需退回榫眼大的一侧。走马销常见于家具的夹缝中，例如常应用于罗汉床围子间的连接及床围子与床身之间的连接[9]。

图1 走马销Fig.1 Running horse tenon

1.2 搭接自锁

搭接自锁是将两块相同的木构件呈一定角度互相搭接固定，通过构件搭接处的凹槽断面相扣达到锁定的目的。搭接结构多用于相同构件的交叉接合，在相交之处，构件上下合二为一。搭接自锁的典型结构是十字枨，如图2 所示，十字枨上下拼装后，在水平方向上由于木构件本身的结构因素，水平移动受限，形成自锁组，通过局部自锁，达到锁定的目的[10]。

图2 十字枨Fig.2 Crossed stretchers

1.3 嵌入式自锁

嵌入式自锁是通过嵌入某一外部零部件，以起到拼合两块板件或连接两个结构件的作用，其安装方式与其板件运动方向垂直，以达到锁定的目的。嵌入的零部件不仅起到卡紧结构的作用，还可作为一种家具设计语言，具有美化和装饰功能。常见的嵌入式自锁有银锭榫和楔钉榫，如图3a、b所示。银锭榫为中腰细、两端宽形似银锭的结构，主要用于拼合板件以及防止板件结构性开裂。楔钉榫多用于弧形构件，将构件端部各切去一半，榫头相互嵌接，在中间插入楔钉，使得两个构件结合紧密，限制位置以锁定构件。硬木弹性极好，具有热胀冷缩、湿涨干缩的特点，使嵌入的构件能与结构件贴合紧实，在需要“解锁”时，用热水浇烫局部即可退出嵌入件[11]。

图3 嵌入式自锁Fig.3 Embedding self-locking

1.4 旋转自锁

旋转自锁是指木构件通过旋转进行啮合，木构件内部的凹凸部分卡紧，通过位移榫构件以及相应杠杆的互补与搭接形成特有的稳固结构，完成自锁[12]。三柱鲁班锁是旋转自锁的典型代表，如图4 所示。鲁班锁由数个类长方体组成，不同构件经过切割，产生不同的凹槽，凹槽互为补充且相互制约，按照固定的顺序可进行反复拆卸，在古代常用作绕线板、筷子筒、烛台等。鲁班锁看似简单,却凝结着古人不平凡的智慧[13-16]。

图4 三柱鲁班锁Fig.4 LuBan Lock with three column

1.5 穿插自锁

穿插自锁是通过推插的连接方式将两个或多个木构件接合起来，构件的连接方向和构件受力方向垂直，连接后的构件呈锁定状态，沿推插方向可拆卸解锁。常见的穿插自锁结构有龙凤榫以及常与龙凤榫搭配使用的穿带，龙凤榫如图5a所示，穿带如图5b所示。板件的一端榫头截面为半个银锭榫状，与其连接的板件一端为内大外小的榫槽，板件沿榫头榫槽的长度方向推插连接，连接后板件相互卡紧无法横向拉出，以达到锁定目的。龙凤榫常用作平板的拼宽，通过龙凤榫拼接后的宽板力学强度较低，且会因木材热胀冷缩而发生形变，因此在拼板的横向开槽，嵌入木条以固定拼板，此木条即为穿带[17]。

图5 穿插自锁Fig.5 Interspersed self-locking

2 传统自锁结构特征

2.1 拆装顺序固定

零部件在进行拆解时，有顺序性和方向性。自锁结构严格按照预设的安装逻辑进行安装，以使自锁部件相互卡紧。在拆卸时，关键部件解锁后，其余部件可依次拆卸。

2.2 安装方向与受力方向呈一定角度

自锁构件的安装方向与受力方向主要呈垂直状态，使构件在安装后非手动不能解锁。例如银锭榫垂直拼板放置，是为了限制拼板水平方向运动；而穿带中沿板件长度方向推插，以增加板件横向宽度。

2.3 自锁部件移动受限

在自锁部件锁定后，由于安装方向与部件受力方向呈一定角度，因此自锁部件被卡紧，呈稳定状态，自锁部件移动受限，需人为干预才可拆卸。

3 传统自锁结构的现代化再设计

现代社会中传统的自锁结构正在不断地消逝。将传统与现代进行融合，让传统的结构形式以一种新的形式继续流传至关重要[18-19]。

3.1 十字枨的创新设计

在古代，为装饰与稳定结构常在方杌方凳的四腿对角处设十字枨。徐乐于2017 年设计的十字枨桌椅系列，巧妙地运用了十字枨结构的自锁特性，并对其进行改良，将十字枨与牙板形状的腿部构件融为一体，作为结构件，起到了固定腿部位置及承受上部压力的作用。在保证美观性与结构性的同时，运用了扁平化的设计理念，使其徒手便可拆装且便于收纳，因此运输成本大大降低，如图6 所示。

图6 徐乐十字枨家具Fig.6 Crossed stretchers furniture designed by XuLe

3.2 鲁班锁的创新设计

常见的鲁班锁为木质材料。图7 是一款名为“解锁”的灯具设计作品，该设计赋予鲁班锁新的装饰性与功能性，创新地将传统木质材料替换为亚克力材质，并嵌入光源制成灯具，巧妙将光影与结构幻化融为一体。鲁班锁的精美构造与现代新材料的绝妙搭配，让现代人在探索鲁班锁自锁原理，体验远古智慧的同时，领略光的奥秘。

图7 设计作品“解锁” （设计者：袁媛）Fig.7 "Unlocked"by Yuan Yuan

3.3 龙凤榫的创新设计

来自纽约的艺术家兼设计师Sebastian Errazuriz以中国传统的自锁榫卯结构—龙凤榫为设计元素，创作了一款造型夸张的家具作品“The Explosion Cabinet”（爆炸柜），如图11所示。柜体全身以龙凤榫为结构，沿柜体长度方向滑动实现“锁定”和“解锁”，为防止完全解锁导致结构解体，在展开的最远处设计了小凹槽对解锁进行限制。龙凤榫作为柜体表面结构，所受的力是垂直于水平面的重力，而滑动方向是水平的，因而大大增强了结构的稳定性。这件超乎想象的设计作品，完美地展示了精湛的工艺，被设计师称为“互动式家具”。

图8 爆炸柜Fig.8 The explosion cabinet

4 产品创新

4.1 实木手机壳

榫卯结构是集力学、美学、哲学于一身的工匠智慧结晶。在现代社会，榫卯结构不仅仅局限于传统家具中的应用，更是作为一种艺术符号，流转于工业设计之中[20]。图9a为笔者基于当下最流行的手机款式设计的一款实木手机壳，实木相比于常见的塑胶和金属，有着天然环保、古朴自然的优点。这款实木手机壳的设计创新地运用了自锁式榫卯结构，手机壳边框采用楔钉榫的变形结构，在边框连接处留下锁孔，边框拼装完成后，嵌入圆棒榫，圆棒榫的安装方向与其受力方向垂直，以使手机边框呈锁定状态。手机壳背板与边框采用龙凤榫连接方式，背板边缘为银锭榫状的榫头，通过推插的安装方式与边框连接，安装方向为产品长度方向，主要受边框于背板横向间的力，故达到自锁。整体的安装顺序为左右边框先和上边框连接固定，再将背板推插进去，最后安装下边框，以达到整体闭环连接。

4.2 可拆装的便携式坐凳

坐凳是日常生活中常见的单体家具，其外观、质感、重量与用户体验息息相关。目前市面上也有不少自锁式坐凳，但普遍存在结构不稳定、笨重等问题，为解决此类问题，王朝等设计了一种可拆装的自锁便携坐凳，如图9b所示[21]。坐凳面板两侧设有燕尾槽，脚板通过顶部楔形结构与面板卡接，脚板的中部套有支撑杆，下半部分设有限位槽，铰卷绳通过槽孔穿接形成闭环，翻转杆通过底部的环形槽与铰卷绳中段卡接，翻转杆的上端通过止转槽与支撑杆卡紧。当铰卷绳向内拉紧脚板底部时，由于支撑杆与脚板间形成了杠杆结构，使得脚板顶部向外紧贴面板，脚板的安装方式为竖直方向，被卡紧后主要受到燕尾榫水平方向的力，以达到锁定的目的。在拆卸时，将翻转杆从支撑杆中掰离，反向翻转铰卷绳即可消除铰卷绳的拉力，以达到解锁的目的。

4.3 自锁式坐凳

图9c所示为一款自锁式坐凳，坐凳凳面与凳腿通过走马销连接固定，利用摩擦力自锁的特性，将凳面与凳腿紧密固定。在凳腿部分，采用了十字枨的变形设计，将十字枨与龙凤榫相结合，凳腿的上半部分通过十字枨搭接自锁进行扣接，由于走马销的连接需要在凳腿的搭接处保留一定空隙，因此在搭接后通过龙凤榫的连接方式推插进木销，形成局部自锁，从而达到全局自锁的目的。这一设计在保留传统坐凳榫卯结构的同时，提高了坐凳的实用性及拆装便利性，改变了传统坐凳结构复杂且不易拆装的现状。

图9 自锁结构的产品创新Fig.9 Product innovation with self-locking structure

5 结语

传统榫卯结构中蕴藏有各种自锁结构，如以走马销为代表的摩擦力自锁结构，以十字枨为代表的搭接自锁结构，以银锭榫为代表的嵌入式自锁结构，以鲁班锁为代表的旋转自锁结构以及以龙凤榫为代表的穿插自锁结构。自锁结构凭借其精巧的设计、稳定的结构、可拆卸的特性，在传统中式家具中占有很大的比重[22-25]。在今后家具器物的设计创新中应以精益求精、追求完美的工匠精神为思想导向，将传统结构与现代设计进行融合，针对不同的产品设计，研究设计适用的自锁结构实现方式与零部件的装配顺序，同时注重结构的稳定性、连接强度、造型美学、可装配性等问题，为传统自锁结构注入新的生命与活力。