数字技术在京作家具创新发展中的应用研究

■邢万里，王 頔，刘菲菲

(北京城市学院艺术设计学部，北京 101300）

京作家具作为我国古典家具的代表，于明代中后期兴起、清代康乾年间达高峰，至今已有三百余年的历史。作为明清两代的宫廷家具，京作家具汇集各地匠人技艺、融合各类家具风格，形成独一无二的艺术特色。2008年6月，“京作硬木家具制作工艺”入选第一批国家级非物质文化遗产项目名录，此后京作家具常作为北京文化和中国传统文化的代表赠送国际友人。因此，对京作家具进行创新发展兼具文化与经济上的双重意义。

伴随着数字技术（D i g i t a l Technology）快速发展，运用数字技术创新发展文化遗产已经成为全球化的发展趋势，在我国古典家具研究领域中数字技术的重要性和优越性也日益凸显。运用数据采集、模型构建等技术手段对古典家具进行保护、修复、存档和开发，可以有效弥补传统研究方法效率不足、数据失真等问题[1]。因此，将数字技术引入京作家具的研究，制定成熟、完善、可复制的研究路径，可为京作家具的发展带来新的契机、为建设北京“四个中心”功能做贡献，并为相关传统家具制造企业提供更多的发展思路。

1 数字技术概述

在古典家具研究领域中的“数字技术”主要指通过特定设备将研究目标的物质信息量化成数据信息，通过二进制代码导入电脑后构建三维模型并以此为基础进行创新设计和加工生产的技术手段[2]。对京作家具的研究在不同阶段应用到不同的数字技术，以信息数据库、虚拟现实、通信协议、三维可视化为主的支撑技术革新了过往手工测绘时期的研究思路、方法和流程，推动了京作家具与现代教学、陈列展览、室内设计等领域的深度融合。

1.1 数字技术在京作家具创新发展中的应用优势

家具是人与空间发生联系的媒介，也是一个民族物质文化和精神文化的重要载体。京作家具典雅秀丽、结构巧妙，各零部件间的连接方式多采用榫卯结构，扣合严密、间不容发，不仅在工艺中包含着力学、数学美，也在神韵中蕴含着美学和哲学美。过往的研究方法主要以实物测绘与史料整理为主，对京作家具进行断代研究，梳理总结不同时期装饰、造型、技术的特征和整体的演变规律。以往的研究工作对京作家具的保护和传承起到了重要作用，但囿于研究方法的局限性，存档记录、更新设计、研发生产等后期创新工作难有突破[3]。将数字技术引入京作家具的研究，可以将以往过度依赖个人经验的研究工作进行逐层分解，加强设计研发、生产制造、展陈保护等各个环节的分工协作，以此提升数据传递的速度、减少各单位在信息流转过程中的重复工作，用科学的流程与方法提升京作家具的研究效率。

1.2 数字技术在京作家具创新发展中的应用现状

数字技术作为前沿的技术手段在我国京作家具的创新发展中已有一定应用基础，北京林业大学、中南林业科技大学、内蒙古农业大学等院校的多位学者和北京市龙顺成中式家具有限公司、中国工艺美术集团有限公司等多个单位都将数字技术引入到研究工作中，弥补了我国京作家具数字化研发的空白[4]。但需要重视的是，当前不少研究机构和高校针对数字技术的应用仍然处于起步阶段，意识到数字技术是发展趋势、引进研究设备和软件产品，但并没有对研究理念进行深入理解，仅停留在利用数字软件绘制家具产品生产图纸的阶段，与真正意义上的运用数字技术开展研究工作还存在较大的差距。同时，值得注意的是，京作家具研究领域中数字技术的应用多依靠海外成熟的设备和软件，国内相关设备与知识产权较少，尤其在构建家具产品数字化体系、研发数字化建模软件等方面我国自主研发能力亟需提升。

2 数字技术在京作家具创新发展中的研究路径

在京作家具创新发展研究中数字技术应用的重点在于依托数字平台储存家具三维数值、为后期的研究、保护、修复、3D打印等工作提供信息支撑和数据保障。在此过程中，数字技术的应用根据研究过程中的先后顺序可分为“数据处理与模型构建、数据库建立、数字化研发、数字化制造”四个步骤。其中最关键的“数据处理与模型构建”阶段主要有三个较为成熟的技术方案可供选择。

2.1 数据处理与模型构建

数据处理与模型构建是利用数字技术创新发展京作家具的第一步。将研究目标的尺度、结构、材质、工艺、年代等信息进行记录，通过计算机辅助设计(Computer Aided Design)构建数字化模型是本阶段的工作核心。在此阶段，BIM（Building Information Modeling）技术构建模型快捷，在信息采集、数据保存等方面具有优势；参数化技术构建模型延展性强，在设计创新、后期改造等方面具有优势；数字样机技术构建模型更具实用性，在数字化制造、信息追踪等方面具有优势[5]。

2.1.1 基于BIM技术的研究路线

通过激光扫描对研究目标的数据信息进行获取和记录，利用软件构建三维模型并完成模型可视化是BIM技术的主要路线（图1）。

■图1 BIM技术研究路线

京作家具的数据信息采集主要采用三维激光扫描技术，采集过程简洁、数据信息精准，具有高精度、高效率、高密度数据获取的优势。其具体操作流程为通过手持三维激光扫描仪将激光打在家具表面，然后通过接收家具表面所反射的光线获取三维数据信息。在此过程中激光反射的每一个数据（点）都包含有X、Y、Z坐标数值和R、G、B色彩数值，这些数据（点）在计算机软件中集合起来形成的“点云”(Point Cloud)能够实时构建出目标的形态、重现家具的完整原形及矢量化的数据结构。

在数据信息采集完成后进行模型构建的过程可分为三个部分：数据预处理、建模、模型可视化。①数据预处理：将手持三维扫描仪采集到的“点云”数据在点云处理软件（常用TerraSolid）中进行处理和优化，如平滑、缩减、滤波、配准、分割、融合，减小模型的复杂性并提升软件的运行速度；②建模：以参考文件的方式将预处理后的点云数据导入BIM建模软件（常用Revit），通过“捕捉”功能将数据点构成线、面、体，以此构建出家具的三维模型；③模型可视化：在建模软件中使用着色、附着材质、添加灯光、调整摄像机等功能对三维模型进行最终渲染，完成可视化处理。以此构建出的京作家具三维模型包含了家具形、纹、色、材等全部信息，可以进行精准的储存、研究和传递。

依托BIM技术可以对京作家具进行多种信息集成化研究，并打通创新工作中的诸多复杂环节，实现跨部门、跨专业的数据沟通，为京作家具数字化研究、管理、保护和制作提供高效且稳定的技术支持[6]。

2.1.2 基于参数化技术的研究路线

将构成和影响京作家具的多个要素编写为参数（Parameter），运用算法（Algorithm）在参数化软件中生成三维模型并完成模型可视化是参数化技术的主要路线（图2）。

■图2 参数化技术研究路线

在参数化技术的应用中“参数”和“算法”是两个最基础的概念，参数作为“变化量”影响最终的设计结果，而算法是指一系列按顺序组织在一起的运算法则。参数化技术的核心思想是将构建家具模型所需的全部要素都设定为函数的变量，通过改变参数来生成模型和设计方案[7]。通俗的理解，家具研究领域中的参数化技术即“利用编程的手法构建家具模型”。

参数化软件种类繁多，主要有Rhino、Maya、3Dmax等建模软件和Grasshopper、Rhino script等计算机程序和脚本语言编辑工具。其中，在Rhino软件中运用Grasshopper编程插件生成三维模型是家具研究领域最常运用的技术手段。京作家具三维模型的生成过程即引入目标对象的相关要素进行限定，如家具尺寸、材料、色泽、纹理和矮老、霸王枨、罗锅枨等结构的曲线弧度，在参数充足的情况下通过Grasshopper插件运行“Voronoi算法”生成家具模型，之后，在Rhino软件中进行最终渲染即可完成模型可视化处理。

“Voronoi算法”和“吸引子算法”是生成家具三维模型的常用算法，但其功能远大于此[8]。研究人员可以通过添加时间、日照、风压、湿度、温度等限定要素推算研究目标在今后一段时间内的状态变化，并以此为依据对家具进行针对性的修补与保护。此外，通过添加新型材料、用户需求等限定因素还可以生成新的家具形态，反推创新京作家具的多种可能性。

2.1.3 基于数字样机技术的研究路线

通过分析总结研究目标的结构（如门板、横隔板、装饰线等）和各部件的连接方式（如直角榫、双头榫等），使用Topsolid等数字样机软件构建模型是数字样机技术的主要路线（图3）。

■图3 数字样机技术研究路线

数字样机简称DMU（Digital Mock-Up），DMU是对机械产品整机或具有独立功能子系统的数字化描述。数字样机技术以DFX/CAX技术为基础，并融合三维图形技术、仿真技术和虚拟现实技术为一体，在早期阶段该技术主要用于大型工业设备零部件几何干涉检查、运动件分析校核等工作，伴随着技术的升级和发展，数字样机的功能逐渐拓展至运动分析、性能仿真、制造模拟、维修规划等多个方面。近些年已有部分学者将数字样机技术引入古典家具的研究之中，并取得了初步成果[9]。

适用于家具建模的数字样机软件以Topsolid、Solid Works和UG最为常用，其中Topsolid软件内配置了非几何属性编辑模块“Wood”，为构建家具三维模型提供了极大的便利。“Wood”模块不仅可以快捷设置木料的种类、色泽、纹理等属性，还可以选择榫头榫眼、封边贴皮、凸榫、半边槽等木艺结构，根据此功能构建京作家具模型可以在形体、物料、工艺等多个方面实现对研究目标的精准再现。

使用Topsolid软件对京作家具数字样机进行开发前需要对研究目标进行结构分析。以庋具为例，首先应分析目标的结构和各结构间的连接方式，之后在Topsolid中对家具外框进行定位并对外框的尺寸进行限定，最后使用“约束块”（快速生成家具零部件、设置零部件相关性的命令）功能在外框中快速搭建家具的顶底板、背板、横竖隔板等部件完成模型的初步构建。此时，柜体内部已经建立了可参考的坐标点或面，使用“驱动块”（被定义了各项参数、可以实现调用组件时自动匹配的命令）功能便可以直接从数据库中调入自动匹配的榫卯结构、装饰线条等内部组件，完成数字样机的深化建模。

依托数字样机技术构建的京作家具数字模型具有同真实物体一致的几何外观、物理特性及功能特性，同时，该技术还支持一键生成家具BOM（bill of material暨物料清单），研究人员根据BOM文件可以精准追踪研究目标每个零部件的“质量信息”，为后期维修、制造和问题追溯等工作提供极大便利。

2.2 数据库建立

建立京作家具三维数据库是一个较为复杂的过程，当前的主要方法是在完成“数据处理与模型构建”后，根据研究目标设定数据库的基本框架和关系结构，并依托Revit软件平台的API（Application Programming Interface暨应用程序编程接口）接口进行数据库开发。使用此类技术手段既可以在前期利用Revit软件强大的三维建模功能调整数字模型的细节，又可以将京作家具的三维模型进行快捷上传、在Revit平台的云端进行共享。根植于Revit软件平台的三维数据库不仅可以随时随地通过输入关键词，如规格、形式、结构、尺寸、图案等，来获取检索目标的资料信息，并且可以确保每位研究人员随时获取此个和此类京作家具的三维模型、榫卯结构、历史信息、技术特征、价值走向等数字信息。此外，有特定需求的用户群体，如高校、科研院所、企业单位、独立设计师，还可以导出京作家具原始模型、在原有的三维模型上进行更新设计与研发。

因此，建立京作家具的三维数据库在促进京作家具创新发展的同时，也能够为设计研发人员提供便利，带动产、学、研协同创新。

2.3 数字化研发

京作家具数字化研发的重点在于利用新手法、新观念进行符合家具产品发展规律的创新，因此，数字化研发不只是利用计算机技术来开发家具形态，还要建立一套科学严谨的研发路径，规避过往优化装饰纹样、改变家具材料的古典家具改良研究法。首先，应该进行完善的前期调研，在问卷中划分详细的目标用户群体，并针对每个目标群体的生活需求、经济需求、家庭需求、精神需求等情况进行数据整理；之后，从三维数据库中提取京作家具的三维模型，导入Rhino、3DMAx、Pro/Engineer等设计软件之中；第三步，根据前期调研的结果将用户的需求处理成多个参数变量，在保留京作家具神韵、意味的同时根据参数变量进行产品的设计研发，使新型京作家具满足不同现代家庭的生活需求；最后，依托数字样机技术进行产品使用分析和模拟制造，通过推导出的实验结果调整家具细部结构、木料用材和造型弧度，直至形成最具实用性的研究成果。在家具研发的过程中，研究人员可以将三维模型保存为STL或OBJ格式、借助3D打印机制造微型家具模型来推敲设计方案，节省传统家具打样环节的成本和时间。

数字化研发是创新发展京作家具的关键环节，只有探索出一条成熟的，兼具传承、创新、应用、推广作用的研发路径，才能为京作家具带来新的发展契机。

2.4 数字化制造

数字化制造是提升京作家具生产效率、加强市场竞争力的关键环节。在实际的生产制造过程中，“数控加工”和“数字化排产”是最为重要的两种数字技术。

“数控加工”技术是指利用计算机数字化控制（Computerized Numerical Control）机床进行生产加工的技术手段。该技术可选择的软件种类较多，利用UG软件的技术路线相对最为成熟和普及。首先，将前期研发出的京作家具三维模型导入UG之中，运用“加工模块”生成刀具轨迹，并根据生产经验判断该轨迹的合理性；之后，检查各个加工过程、步骤的设计是否合理，在确认无误后使用软件中的“后处理”功能生成NC（Numerical Control暨数字控制）加工程序；最后，将软件生成的NC代码导入数控机床完成家具生产。

“数字化排产”技术指运用计算机软件综合订单、员工数量、机床数量、原料库存等数据生成生产计划的技术手段。合理运用数字排产可以帮助工厂实现更精准、更高效、更均衡的排产目标，确保企业面对市场的反应更快，能够高效应对插单、改单、订单逾期、人员变动及设备意外故障等问题。MES(Manufacturing Execution System)系统是当前较为成熟的数字化排产软件之一，该系统可以帮助车间执行层进行高效的信息管理，其中包含生产调度管理、人力资源管理、采购管理、生产过程控制、上层数据集成分解等多个功能模块，作为智能、全面的制造协同管理平台可以基本满足排产计划的一切需求。

依托数字化制造革新京作家具的生产方法和家具企业的管理模式不仅可以提升家具的产量，还可以为企业创造更多的经济效益。伴随着我国家具产业整体向智能化、科技化、定制化等方向发展，利用数字技术提升京作家具生产制造的信息化水平，是京做家具发展的重要方向[10]。

3 结语

当前，我国多数家具企业对京作家具的创新与发展仍处于匠人匠心、师傅带徒弟的模式，对数字技术的应用仅限于电脑绘图、数控加工等环节，工作效率不足、更新迭代缓慢等问题致使京作家具产业难以跟上家具行业现代化、数字化的发展潮流。将数字技术引入京作家具创新发展的研究之中，不仅能够为京作家具的发展带来新的契机、为建设北京“四个中心”功能做贡献，还可以为相关传统家具制造企业提供更多的发展思路。因此，如何合理利用数字技术对于京作家具进行创新发展是一项跨学科、多领域的研究问题。本文综合当前家具研究领域中数字技术的应用优势和现状，梳理出“数据处理与模型构建”“数据库建立”“数字化研发”“数字化制造”四步走的策略，以期作为一条步骤清晰、技术成熟的研究路径，为京作家具的创新发展注入新血脉、带来新契机。