基于丛生竹解剖单元的家具构件及产品设计研究

张海雁，刘文金，刘 芳，陈新义 Zhang Haiyan & Liu Wenjin & Liu Fang & Chen Xinyi

(1.湖南工艺美术职业学院，湖南益阳 413000；2.中南林业科技大学，湖南长沙 410000; 3.西南林业大学，云南昆明 650224）

古语有云：“宁可食无肉，不可居无竹”。亦有古诗记载“食者竹笋、居者竹瓦、载者竹筏、炊者竹薪、衣者竹皮、书者竹纸、履者竹鞋”。可以看出，竹子早已与人们的生活息息相关，密不可分。近年来经过科技工作者的不懈努力，竹资源在各领域的应用开发均取得了突破性进展，各类新产品、新技术及新理念不断涌现[1-5]。代表散生竹种的楠竹（又称毛竹）作为竹资源应用的翘楚，其种植、工业化加工利用体系已经趋于完善，因为它具有生长快、材性好以及适应性强等优势。而丛生竹亦是我国主要的竹质资源之一，但其相较于楠竹，主干弯曲、竹管壁薄、材质差异性大等不足仍限制了其得到广泛重视[6]。因此，科学开发丛生竹资源，对于响应“以竹代木”口号，拓展丛生竹应用领域、节约木材具有促进作用。

1 丛生竹资源

我国丛生竹资源广泛分布于云南、贵州、广西以及四川等地区，以慈竹、麻竹、青皮竹、龙竹等为主。有资料报道，丛生竹资源占我国竹林总面积的20%以上, 是一类潜力巨大的竹类资源群体[7-10]。因此充分开发丛生竹资源，对于拓展我国竹资源应用范围，推动我国竹产业创新与升级有积极作用。

目前我国丛生竹的资源化属性主要有如下几种：

①观赏属性。丛生竹四季常青、亭亭玉立，且能形成多种地上林冠造型形态，因而具有极强的观赏价值。

②优异的材用属性（如竹层级材、竹地板板胚等）。多种大径级丛生竹（如慈竹、巨龙竹等）具有制造优异工程人造板的潜质。该属性的实施基于圆竹展平和竹缠绕技术[11]，极大的提高了竹材的利用效率，并且已在我国形成了成套成熟的技术体系[12-14]。

③优异的纤维属性。丛生竹纤维素含量丰富并大于散生竹，纤维长且柔软，历来是造纸纤维的主要来源。

④装饰属性。丛生竹具有与楠竹等散生竹类似的加工特性，如可加工成竹片、竹篾及竹丝等。这些材料经过不同的加工技法，可广泛应用于竹制家具产品、装饰摆件以及建筑装饰等。

2 家具用丛生竹的解剖单元解析

丛生竹具有比楠竹更小的密度和相近的结构强度，且生长迅速，可视为一类具有广泛潜质的家具用材。本研究以丛生竹为基材，充分剖析丛生竹的潜在解剖单元类型，进而开展产品设计。对于丛生竹在家具产品设计上的合理利用有着积极的作用，能够真正做到材尽其用。

2.1 自然清新的圆竹态应用单元

丛生竹单株圆竹的外观特征主要表现为颜色、截面形态、径级、尖削度、竹节间长以及竹节等。竹杆的表面色彩会随着使用时间的延长，从青色逐渐变为黄色。其它特征则变化不显著。一种具有代表性的材用丛生竹，如巨龙竹，竹杆高可达20-30m、直径可达到30cm以上，节间长度约25cm左右，竹壁厚度约为0.5-2cm之间，竹节处呈凸起状等。

单株圆竹杆一般表现为“线”的特征，常有平排和堆积两种组合方式[15]。平排组合可有少数几根竹杆组成的小平面，亦有多竹杆平排铺成的大平面。一般选用尖削度、色彩和围径相近的圆竹单元，呈现一定的规律排列。堆积组合的实现不限于竹杆的截面、围径等特征，但一般会对长度有限定。在外力约束下表现为“体”构件特性。

圆竹作为竹材利用的最直接的形式，可直接剔除竹枝桠所得，是一种材料利用率相对较高的应用方式。整竹应用在一定程度上尽可能多的保留了竹材的原有属性。因此，只需要经过简单的加工，如插接、搭接、郁、绑扎以及堆砌等，便可得到性能优良的圆竹家具产品，给使用者营造了质朴、清新、自然的感受，如图1所示，圆竹家具产品。

图1 圆竹态家具产品

2.2 刚柔并济的竹片材应用单元

竹片解剖单元源于圆竹单元经直接劈裂加工而成的若干片状竹材。依据竹片的宽度，其截面表现为由两个同心圆构成的圆环的一部分，厚度取决于圆竹竹壁的厚度。一般有两种典型的竹片材：如图2（a）所示竹片，它保留了圆竹的部分外观特征，如竹青、竹节外观等，是一种自然特征保留完整的竹片单元，材料利用率高，如图2（b）所示，竹片亦可经过去青、去黄的加工处理，形成四面光滑、截面规整的矩形片状单元。这种竹片形式往往应用于有集成需求的竹集成材制备或亦可单独应用。

图2 竹片材的两种表现形态

竹片材在局部上具有“面”的特征，而往往在实际应用中体现的是“线”的特性。竹片在应用上仍然可用平排和堆积组合，如平面上的平行排列，最终实现“面”属性。同时，经过规律的堆积-复合，最终形成“体”，这是竹集成材中竹片的主要组合形式。堆积-复合对竹片有一定的特殊要求，如图2（b）所示，一般要求竹片四面光滑、平整，长度、截面规格统一。

竹片材在一定程度上保留了竹材原有的刚性，同时其柔韧性初具表现，表现为“刚柔并济”。

2.3 可编辑形态的竹篾单元

竹篾由竹片材经在厚度方向去青、去黄后继续剖分所得，是一种0.5 mm-2 mm厚的片体单元，其宽度取决于破篾竹片的宽度。

竹篾通常表现为“线”的特征。但因其强度弱等原因，鲜见单片竹篾应用案例。炭化和软色是竹材变色的常见工业化途径。因此，竹篾往往通过一定的编织技法实现“面”的属性。并可配合色彩构成基本技法，运用不同的竹篾色彩实现精美的竹篾编织图案。竹篾经编织组合，可表现一定的强度属性，并通过“面”的合围，最终实现“体”的特征。

竹篾因为其独特的形态特征，单片竹篾不具有横向强度，从而赋予了它优异的可编辑形态特性。如图3所示，竹篾条以及竹篾编织产品。

图3 竹篾及竹篾编织品

2.4 形态多样的竹丝单元

竹丝一般描述为方形或者圆形截面的长条形竹篾，截面积小于4 mm2，一般有两种状态：规则态和无定形态。如图4（a）和4（b）所示。这种具有规则截面属性的竹丝同时具备了一定的横向力学强度和优异的径向拉伸强度，且保留了竹篾的可编辑特性，为规则态竹丝。如图4（c）所示，无定形态竹丝可来源于竹篾或方形/圆形截面竹丝加工，是一种副产物。同样可经专门的刮丝装置制备而成。无定形态竹丝主要特征表现为轻、柔特性。

图4 两种竹丝的形态

规则态竹丝表现为显著的“线”属性。即便其具有比竹篾更好的强度属性，但此种竹丝仍需经过拼合、编织以及拧聚等形式聚合，实现“面”或“体”属性。无定形态竹丝一般为蓬松的、无规则的“体”。但在外力约束下，如经施胶、热压，最终可表现“面”属性。

规则态竹丝可经缠绕技术，实现对其它材料表面装饰、或增强效果，如对小截面木构件的性能增强。无定形态竹丝具有柔软、轻弹属性，可作为填充物。同样可以作为纤维增强材料实现某些复合材料的机械性能增强，充分展现丛生竹纤维长、强度大的优势。

3 针对丛生竹解剖单元属性的家具构件与产品设计

竹材，尤其是竹集成材（以楠竹等散生竹为主），在家具构件或产品设计过程中得到了广泛的应用。但其产品仍然沿用木家具的设计方法，并未完全展现出竹材的特有属性。鉴于此，充分依据丛生竹基本属性，从其优势出发开展家具构件或产品的设计很有必要。

3.1 圆竹单元家具产品设计应用

实现圆竹家具产品设计的方法众多，如插接、搭接、郁、绑以及捆扎等。它们也是自古以来圆竹家具产品中的最为常用接合形式。

图5（a）所示圆竹家具构件，立足于我国传统竹产品制作技艺“小郁竹艺”。该技法最大限度的保留了圆竹的本体特征，配合如插接、搭接等工艺技法，共同实现竹产品的功能。

图5 圆竹态丛生竹家具产品及结构

“捆扎”手法是赋予小径级材料以较强机械强度的一种方式，如中空的竹材经常通过“捆扎”的手法实现其在结构材方面的应用。丛生竹的径级因竹种、立地条件等的差异而不同。大、小径级竹材共混式“捆扎”，使得大径级竹之间的间隙得以填充：一来实现各元素间的紧密接触，减少元素的位移；二来减少了整体产品间的间隙，提升了产品或构件的整体强度；三是改善产品截面图案，改善视觉感受。如图5（b）所示，该产品的另一特性是极易实现产品、零部件的标准化、工业化生产。

新材料及新技术的进步，同样为圆竹接合方式的进步提供了技术支撑[16-19]。为实现圆竹接合的可拆装接合，研究人员开发了圆竹连接五金件及相关配套技术，如图5（c）所示两种典型的圆竹家具连接五金件接合类型。

圆竹与其它材料（树脂）有较强的兼容性，如图5（d）所示，短的圆竹筒与树脂或新型材料复合，截面呈现直径大小不一的圆环聚集状态。类“细胞”单元以一种自然的平面图案构成给使用者生命的使用感受。

3.2 片状竹单元家具产品设计

竹片材是竹制产品中最常用的解剖结构形态。如建筑用竹模板、竹集成材、CLT等。同样，在家具产品中，竹片材依然是在设计实践中常见的一种结构形态，并且所构成的产品形制丰富多样、造型迥异。

竹片的平排与堆积重构，是竹片材在家具产品中应用最为广泛的技法。竹片既可以做到对圆竹外观属性的部分保留，又可以去除外观属性单独表现竹材的强、韧属性。因此竹片是最能完整体现竹材特性的解剖单元结构。

如图6（a）产品所示，由竹片材的规则平排构成的幅面规格材，充分利用了竹片材在生长横向上的承载能力，实现幅面构件功能，如此种结构可应用于椅、凳坐面凳产品。这种源于“篱笆”构成的技法依然具有较为明显的标准化特性，符合批量生产需求。

图6 竹片状丛生竹家具产品设计应用

径向高强、弹性优、韧性好是竹片材的几大特征，并且在多数产品中均是对这几项性能的综合考量。如图6（b）所示，1/3或1/4圆竹直接劈裂形成的独特类“C”型截面结构，使其在横向上能够达到足够的机械强度，使构件功能得以实现。这种具有横向承载能力的“C”型构造竹片，同时发挥其优异的弹、韧性，经合理的设计重构，便可实现同一竹片在不同平面的不同功能。如沿竹片纵向的竖向承载作用，在竹凳中实现凳腿的功能，同时沿竹片横向，实现凳面的承载功能。

丛生竹竹片材在实现异形单元方面比散生竹更具有优势，这种优势源于它们更长且韧的纤维。如图6（c）所示，统一形状的竹片单元的规律、整齐排列，以同一种受力状态保障竹片单元在使用过程中受同一种外力作用。很明显该技法所得产品极易实现产品的标准化，维护简便。

3.3 竹篾家具构件或产品应用

竹篾是经纵向剖分的更薄的片材单元，其柔性、韧性俱佳，但其在横向上不具有任何强度。竹篾在我国有着源远流长的应用历史，编织技法决定竹篾材的应用，在产品中呈现和谐、自然的线条之美。

竹篾往往经过一定的编织组合成面，然后由面合围成体，典型的“竹篾簸箕”“竹篾箩筐”等。这种利用形式充分发挥了竹篾的强抗拉性能。

竹篾具有良好的上染性，在实施编织技法的同时，结合基本的色彩构成科学原理，便可制备具有特殊风格的装饰构件。这种竹篾编织成的经过简单的加工，配合以传统框式家具结构类型，制成具有显著装饰性能的家具产品构件，如图7（a）所示，竹篾编织产品首先与人造板复合，而后经过加工，制备成框架结构“芯板”。这种构件可广泛应用于家具产品中的非承载构件中，实现竹篾编织产品的装饰功能，如几、柜类家具侧面框架的芯板。

图7 竹篾材在家具构件或产品中的应用案例

竹篾较小的单元体积，在自然力学状态下便能发生弯曲，使其弯曲加工工艺变得更加容易实施。因此，错综繁复的竹篾交织形态、交织成异形多面体曲面造型构件可以不再依靠材料的铣削加工，可经过精湛的编织技法实现同样的造型。复杂的“鸟巢”状结构，由多种宽度、长度，甚至厚度规格下的竹篾经编织重构合围而成。而这种形状契合了凳的凳面构件，如图7（b）所示，配合合适的凳腿构件，便可实现功能。

由于竹篾的可编辑特征，因此竹编幅面材经树脂浸渍，随后与木材或是人造板进行多层复合，可制备具有表面特性要求的规格板材，如图7（c）所示。随后根据工业化生产，将其裁切成所需规格。这种构件可应用于 对材料表面有强度需求的家具产品构件中，充分体现竹材的高强特性，如椅、凳产品的坐面。同时竹材的强拉伸性能对复合材料进行增强，提升其承载能力，实现家具产品的“轻量化”设计理念。

3.4 竹丝态家具产品或构件设计应用

竹丝态结构单元在弯曲性能方面与竹篾材不相上下，但其在横向、纵向力学性能方面显著优于竹篾材。故竹丝经编织、排列而构成的家具产品构件及产品可以保持其特有的有机形态，并且继承了竹丝单元的横向和纵向承载力，以满足产品特殊功能。如图8（a）所示，规律的竹丝编织结构可以在横向和纵向上均保持一定的结构强度，从而实现了纯竹丝单元经排列组合从而作为结构材使用的可能性。

图8 竹丝态丛生竹家具产品设计应用

竹丝依然可作为单独的线型原材料，直接通过最简单的竖向平行，或稍加竹丝编织技法，作为传统木框架结构中的“填充”材料，最典型的应用是屏风等家具产品, 如图8（b）所示。

竹缠绕复合管道技术成为近年来竹材的一项新的应用技术。竹缠绕复合技术以竹资源为基础材料，在氨基树脂胶黏剂的作用下，运用缠绕工艺加工而成的一种新型的生物基复合材料[19-22]。丛生竹更长的纤维、更好的柔韧性能使其在实施竹缠绕技术方面蕴含了一定的技术潜力。减小家具构件截面尺寸是体现“轻量化”家具产品设计理念的最直观的表现，但构件强度会随着截面尺寸的减小而降低。因此通过技术集成与创新，在某些细小的、有强度要求的木质构件的表面实施竹缠绕技术，对原有构件进行增强，使其满足产品应用要求，其截面示意图如图9所示。同时表面的规则或不规则的竹材缠绕所形成的特殊的表面图案，对构件起到一定的表面装饰作用[23-24]。

图9 竹缠绕木构件

4 结语

丛生竹资源在我国储量丰富，并且拥有与已广泛成熟化应用的毛竹相媲美的物理力学性能，甚至在纤维素含量、柔韧性及纤维强度方面优于毛竹。故合理开发利用丛生竹材资源对于拓展我国竹资源类型，推动竹产业转型升级具有积极作用。因此，充分分析丛生竹解剖单元基本属性，包括圆竹、竹片、竹篾以及竹丝4中基本解剖单元，并有针对性的基于其解剖单元结构分析设计应用方法。同时开展家具构件或产品设计应用案例解析，为丛生竹家具构件或产品的设计应用提供借鉴。系列新技术、新方法的集成与创新，如竹展平技术、竹缠绕技术等，赋予了竹材基本解剖单元新的应用属性。