竹集成材用于榫卯家具的CMF评价及力学强度分析*

杨越淳 任 毅 张继娟 张仲凤

（中南林业科技大学；国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心；湖南省绿色家居工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

我国竹资源丰富，竹材繁茂易生，具有采伐周期短、再生能力强等优势[1]，符合可持续发展理念。竹材的抗拉强度、抗弯强度、弹性模量等强于一般针叶木材，能够与硬阔叶木材相媲美[2-3]。随着竹材加工技术不断进步，竹制材料缓解了木材资源供给压力，在建筑、家具、产品等领域广泛应用，其中较为突出的是竹集成材。竹集成材是具有中国色彩的复合材料，同时，竹集成材可实现在家具榫卯结构中的应用。因此，本研究以竹集成材为载体，对榫卯家具进行现代化转译。引入CMF设计理念，将竹集成材色彩、材料和表面处理加工工艺作为评价内容，测试竹集成材T型榫接合试件的抗弯强度，从用户感知觉、设计美学、力学强度三方面评价竹集成材作为榫卯家具用材的适用性，并提出符合现代生产、审美及情感需求的竹集成材榫卯家具设计策略。

1 CMF设计方法

CMF是色彩（Colour）、材料（Material）和表面处理加工工艺（Finish）的缩写[4]。在精神需求大于物质需求的大背景下，CMF设计方法从色彩、材料和表面处理方法三方面，以目标用户的视觉、触觉等感官体验为参考，通过显性物理元素的选择来满足用户的感性需求[5-7]。将产品的色彩、材料、表面处理加工工艺相互影响所呈现出的情感信息表达在具体的物体上（如图1），以达到美学与功能的最佳平衡。在竹集成材作为榫卯家具用材的评价中，以CMF设计方法为理论依据，将色彩、材料和表面处理加工工艺三方面特性作为评价标准，通过感知觉体验来检验竹集成材用于榫卯家具是否契合用户审美及情感需求。

图1 CMF在产品设计中的应用Fig.1 Application of CMF in product design

2 竹集成材用于榫卯家具的CMF评价

2.1 竹集成材色彩特性

竹集成材有本色和碳化色两种常见的颜色，经过去黄、去青处理，保留竹材原本的天然色彩，制成本色竹集成材。经过高温、高压饱和蒸汽处理，使得竹材碳化，得到相对沉稳的棕色，即碳化竹集成材[8-9]。以孟塞尔色彩系统中的明度（Value）、色相（Hue）、彩度（Chroma）三个指标来表述竹集成材色彩特性，通过测试得到，本色竹集成材的明度主要分布于7.04～7.12，色相主要分布于6.18～7.02，彩度主要分布于5.24～5.28[10]。数据表明，本色竹集成材属于黄色色相，明度较高，而彩度相对较低。碳化竹集成材的明度主要分布在5.03～5.23，色相主要分布在3.57～3.84，彩度主要分布在8.08～8.35[10]。碳化竹集成材属于黄色偏红色色相，明度中等，彩度稍高。从色彩心理学角度分析，本色竹集成材较为明亮的黄白色，传达出明快、温暖、舒畅、希望的色彩情绪；碳化竹集成材的棕黄色，体现了沉稳、素雅、庄重的色彩情绪[11-12]。榫卯家具多是内含中华文化符号的中式家具，竹集成材所表达的色彩情绪关键词与中式家具风格相匹配。碳化竹集成材色彩沉稳、深沉，用于制造榫卯家具，能够作为仿珍贵硬木家具用材，减少对于珍贵硬木的消耗。

2.2 竹集成材材料特性

竹集成材借鉴了木集成材的制造工艺，以竹为原料，经过防腐、干燥、施胶等一系列的机械和化学加工，在一定的温度和压力下，借助胶黏剂或竹材自身的结合力的作用，胶合成板材和型材[13]。竹集成材经过加工，一定程度上补足了竹材易蛀易腐的短处，并保留竹材强度高、韧性好、湿胀干缩形变小、尺寸稳定、耐磨损等优势[14]，目前已广泛应用在建筑、家具、产品等领域。在对竹集成材的语意感性评价中，用户对于竹集成材的视觉和心理感受均偏向于褒义词性，以“舒适、文明、优雅、环保”为主[15]，能够满足用户对于家具用材自然环保的情感需求。作为榫卯家具用材，竹集成材具备了类似珍贵硬木的材质特性，满足用户情感需求，适合作为榫卯家具用材。

2.3 竹集成材表面处理、加工工艺

竹集成材组坯方式不同，所得到的纹理图样也不同。常见的有竹集成材本色平压、侧压排列，碳化平压、侧压排列、棋盘格排列、斑马纹排列几种方式[16]（表1）。竹集成材平压板表面竹节错落有致，纹理通直，在对竹家具表面纹样的眼动实验中，竹节纹理的保留在用户对于竹家具表面纹理的喜爱程度中排名第二[17]，符合人们对于“竹”这个文化意向素雅、自然的情感需求。竹集成材侧压板表面纹理致密流畅，统一性好，符合现代家具的简洁风格。棋盘格和斑马纹的排列是将本色竹片与碳化竹片交错、规则地排列后再胶合，达到活泼、灵动的风格效果。

表1 竹集成材常见的纹理类型Tab.1 Common texture types of laminated bamboo

竹集成材适合大规模生产加工，利用率可达78%～83%，而实木利用率不到60%[18]。竹集成材并没有改变竹材原有结构，仍属于天然基材，质地坚硬，且抗拉、抗压强度还优于材料本身，可进行雕刻、铣型、钻孔等加工[19]，相比较竹材本身更不易出现毛刺，便于加工。竹集成材易加工，表面纹理符合现代榫卯家具典雅、质朴的风格，同时能够通过染色、涂饰、覆面等方式满足用户个性化需求，提高竹材利用率。

3 竹集成材T型榫接合力学强度测试

竹集成材与木材在物理特征上相似，但相较于木材，竹集成材具有干缩湿胀形变小、耐磨损、耐腐、封闭性好等优势[20]。由于竹集成材特殊的物理力学性能，在制作家具榫接合构件时，不应该照搬原有的实木榫卯的要求，应提出适合竹集成材材料特性的榫卯配合要求。将竹集成材应用于家具中，特别是椅子，其强度及耐久性主要体现在家具腿、扶手等部位上[21]，即家具T型构件。在对竹集成材用于榫卯家具的力学性能评价中，以T型榫接合节点为试验对象，以榫头厚度和榫头长度为变量，通过测试9组不同榫头尺寸配合的竹集成材T型榫接合试件的抗弯强度，来探究竹集成材家具榫卯节点力学抗弯强度及榫卯尺寸影响规律。

3.1 试验材料及设备

试验用材为福建南平生产的竹集成材方材，尺寸为200 mm×40 mm×40 mm （长×宽×厚），密度为0.75 g/cm³，含水率为8%～10%。QDYX-MJ6128精密推台锯，MZ1610方凿榫槽机，配备8、12、16 mm的方孔钻；MWW-100A万能力学试验机；夹具、游标卡尺、直尺等。

3.2 力学强度测试

测试竹集成材榫接合尺寸对家具节点力学强度的影响，试件为家具腿、扶手等部位常出现的方榫接合的T型构件，如图2 所示。其中，a为榫头厚度，b为榫头宽度，l为榫头长度。

图2 竹集成材T型榫接合构件Fig.2 Laminated bamboo tenon joint T-shaped member

试验设置榫头厚度a和榫头长度l为变量，榫头宽度b为定量与试件整体宽度相同，为40 mm。榫眼尺寸与榫头一致，过盈配合量为0。将榫头厚度a设置为8、12、16 mm，榫头长度l设置为20、25、30 mm，试件榫卯尺寸配合方式分为9 组。为保证试验结果的有效性，试件加工精度控制在0.1 mm内。T型榫接合试件施加乳白胶组装，涂胶量为150 g/m2。测试前，将组装好的试件放在温度为（20±2）℃，相对湿度为55%的环境中静置72 h。

测试竹集成材T型榫接合试件抗弯强度的加载示意图如图3 所示，在距榫卯接合节点120 mm处施加力，加载速度为10 mm/min。分别对不同尺寸配合的竹集成材T型试件进行测试，每组尺寸配合重复3 次试验，记录T型试件的抗弯强度最大载荷以及试件的位移-载荷数据及节点的应变数据。

图3 试件抗弯强度测试加载示意图Fig.3 Schematic diagram of test specimen bending strength test loading

3.3 力学强度分析

以破坏弯矩作为衡量力学强度的指标，破坏弯矩越高则表示该榫头榫眼接合节点的抗弯强度越大。破坏弯矩计算公式[22-24]为：

式中：M为破坏弯矩，N·m；P为最大抗弯载荷，N；L为施力点至接合节点的距离，m。

表2 9 组尺寸配合的抗弯测试结果Tab.2 Bending test results of 9 groups of size fits

在试验过程中，T型榫接合试件受到向下加载的力，随着施加力的增大，榫头试件的位移不断增加，榫头榫眼的挤压也不断增大，直至试件破坏，得到最大抗弯载荷，并计算得到破坏弯矩。根据表3 中的试验数据，9 组竹集成材T型榫接合试件的破坏弯矩对比如图4 所示。从整体来看，由图4（a）可知，竹集成材T型榫接合试件的破坏弯矩随着榫头厚度和榫头长度的增加，也呈阶梯状增大。其中，榫头厚度为8 mm、榫头长度为20 mm时，破坏弯矩最小，为40.36 N·m；榫头厚度为16 mm、榫头长度为30 mm时，破坏弯矩最大，为153.32 N·m。

图4 榫头厚度和榫头长度对试件破坏弯矩的影响Fig.4 Influence of tenon width and tenon length on failure moment of specimen

由图4（b）可知，榫头厚度相同时，试件的破坏弯矩随着榫头长度的增加而增大，榫头长度为30 mm时增幅明显；榫头长度相同时，试件的破坏弯矩随着榫头厚度的增加而增大。榫头厚度为8 mm时，榫头长度为20、25 mm试件破坏弯矩增大不明显，增幅为14.07%，但榫头长度增加至30 mm时，试件的破坏弯矩增大明显，较榫头长度25 mm增幅为67.07%。榫头厚度为12、16 mm时，榫头厚度增加破坏弯矩的增大相对均匀，平均增幅分别为44.80%和53.31%。可见，榫头长度增加竹集成材T型榫接合试件破坏弯矩的增幅随着榫头厚度的增加而增大。

4 竹集成材榫卯家具设计探索

4.1 竹集成材用于榫卯家具适用性评价

对竹集成材用于榫卯家具的适用性评价，从竹集成材本身出发，通过用户感知觉、设计美学、力学强度三方面进行。以CMF作为评价标准，在色彩特性方面，竹集成材所表达的色彩情绪关键词与中式榫卯家具风格相匹配。碳化竹集成材色彩沉稳、深沉，用于制造榫卯家具，能作为仿珍贵硬木家具用材，减少对于珍贵硬木的消耗。在材料特性方面，竹集成材具备了类似珍贵硬木的材质特性，能满足用户对于家具用材自然环保的情感需求。在表面处理、加工工艺方面，竹集成材易加工，表面纹理符合现代榫卯家具典雅、质朴的风格，同时能够通过染色、涂饰、覆面等方式满足用户个性化需求。榫卯结构的应用，是对传统家具结构的一种传承与创新，竹集成材T型榫接合试件抗弯强度随着榫头厚度和榫头长度的增加而增大，竹集成材榫接合力学强度能够满足榫卯家具需求。

4.2 竹集成材榫卯家具设计策略

固有观念中的榫卯家具，样式传统、体量大、装饰繁多，与现代审美及生活需求相差甚远。在对竹集成材榫卯家具的设计中，以现代创新设计形式演绎传统榫卯元素，避免我国传统审美与现代审美及中式家具使用功能与现代生活需求脱节[25]。基于竹集成材的材料特性，提出符合现代生产、审美及情感需求的竹集成材榫卯家具设计策略，为榫卯家具的现代化转译设计及实现“以竹代木”，缓解资源压力提供思路。

4.2.1 竹集成材榫卯家具线形设计

竹集成材纹理通直，密度大、强度高，在保证家具稳定性的前提下，能够以纤细的线条形式来进行竹集成材榫卯家具设计，即线形设计。通过竹集成材榫卯家具的线形设计，减小了家具零部件的体积，减弱了榫卯家具厚重的体量感，减少了家具用材量，用户视觉感受通透、轻巧，简单的造型与现代装饰风格相衬。通过线的排列、组合、聚集等设计手段，能够以简单的线条形式，传达出最深沉的中华文化内涵。

4.2.2 竹集成材榫卯减量化设计

我国传统榫卯结构在与现代家具结合时，常出现结构过于复杂、不适合大批量生产、加工成本高等问题[26]。对竹集成材榫卯家具进行减量化设计，一方面基于竹集成材较强的力学特性，能够实现减少用料的同时不影响家具的力学强度，减少原材料和能源的投入。另一方面，一部分传统榫卯结构装饰性大于功能性，其复杂而不便于加工的榫卯结构不一定能够得到力学强度的有效分布。针对这一部分复杂的传统榫卯结构进行简化改进，在保证家具结构力学强度的前提下，舍去不必要的复杂结构，缩小榫卯尺度，减少加工工序，实现最大化的材料有效利用。

4.2.3 竹集成材可拆装榫卯设计

在传统家具中，有许多巧妙的可拆装榫卯结构，如内部勾挂结构、外嵌榫卯结构、自身搭嵌牵制榫卯结构等形式[27-28]。以燕尾榫、走马销、栓、鲁班锁为例，运用拆装、拼接的形式进行家具零部件之间的组合固定，结构巧妙且稳固。现代竹集成材家具的可拆装榫卯设计应结合现代审美及用户需求，考虑榫卯拆装结构的可操作性，强调可拆装榫卯家具功能、结构和形式的完整性。灵活方便的可拆装的榫卯形式的应用，一方面是对传统榫卯智慧传承，另一方面能够便于更换家具易损零件，且极大地减少了竹集成材家具的包装和运输成本。

5 结语

竹集成材的应用在很大程度上缓解了木材资源压力，但在竹集成材榫卯家具的设计制造中，完全沿用木榫卯家具的方法不可行。因此，参考竹集成材的美学特征及特殊性能，提出竹集成材榫卯家具的设计策略是发展的必然道路。经过CMF分析评价及力学试验验证，竹集成材在用户感知觉、设计美学、力学强度三方面，均符合用户对于榫卯家具的心理需求及功能需求。在家具产业的绿色发展方面，提出“线形设计、减量化设计、可拆装设计”的竹集成材榫卯家具设计策略，完全契合绿色可持续发展的时代主题，为“以竹代木”、资源合理利用提供了思路。在文化传承方面，将我国榫卯智慧与现代设计理念相结合，实现榫卯家具的现代化转译设计。