基于全生命周期的木质家具碳减排设计研究

王 丽，祝 苗，骆 琦，2，王 涵

(1.浙江农林大学艺术设计学院，浙江杭州 311300；2.浙江省轻工业品质量检验研究院，浙江杭州 310018）

随着工业社会的不断发展，人为产生的温室气体的排放正在对自然系统和社会经济系统产生巨大冲击，引发的自然灾害、极端温度将更加频繁达到人类健康的临界耐受阈值[1]，减少碳排放、推动工业产品向低碳减排转型已经成为控制环境恶化，实现经济低碳发展的必由之路。家具产业是我国工业的重要组成部分，其生产过程中涉及多种资源能源消耗以及二氧化碳排放，作为家具产品生命周期的起点，设计阶段对家具产品70%以上的制造、使用、运输、回收再利用和废弃处理等性能起决定性作用[2]。观念的转变要求设计师以低碳思维指导家具设计，从成本及工艺的源头减少家具制造过程中的碳排放[3]。进行基于全生命周期的木质家具碳减排设计策略研究，有助于设计师在家具设计时系统、创新的运用低碳设计方法，最大程度提升设计的低碳性，从源头改善家具产业高碳排放问题，为我国家具低碳设计提供思路和参考。

1 全生命周期理论研究

全生命周期理论被广泛应用于各大领域，用于表达事物从“出生”到“灭亡”的整个过程，在设计领域以设计研发为起点、以控制各个阶段产品碳排放为目标指导产品进行周期性设计。作为设计决策的重要思想和工具，其基于环境资源、消费心理、战略成本等多角度进行综合分析，系统直观的展示产品的整个生命进程。

全生命周期设计立足于“过程”层面，以减少碳排放为目标进行全面思考，使设计师真正站在全局角度寻找优化资源利用的思路与方法，针对产品不同阶段的特点采取相应设计策略，从宏观角度解决家具制造过程中的微观问题[4]，探寻任何有可能对环境造成不良影响的因素，并在后续设计策略制定及实施过程中尽量减少甚至消除其影响，目的是以最少的碳排放完成产品需求的实现。

2 木质家具碳减排研究

2.1 木质家具碳减排设计研究现状

综合分析近年我国不同类型的家具产品产量，木质家具以其较好的固碳能力及健康舒适的使用价值名列前茅，较大的产量决定了木质家具产业较高的碳排放强度以及较大的碳减排空间。因此，大量业内学者试图立足于设计的角度探索解决问题的有效策略。

现阶段，木质家具碳减排设计方法主要可以归结为三类：一是选取较为低碳的材料进行设计，林立平指出原材料消耗在木质家具碳排放中占最大份额，根据木基材料固碳能力的差异选择固碳能力较高的原材料作为家具设计的用料有助于减少其碳排放[5]。二是家具结构再设计，即通过设计手段减少或循环使用高排放材料，如胶水、五金连接件等，或提高家具可拆卸性能延长家具寿命以减少碳排放。孙良峰曾通过模块细分及重构表达来提高产品结构的可重用性达到节能减排的效果，并构建了面向低碳设计的产品结构多层集成模型[6]，哈里瓦g 艾迪尼（Harivaedhini）等提出一种集成框架为产品早期设计阶段的可拆卸性设计决策提供帮助，以降低设计方案对环境的影响[7]。三是采用减量化设计方法，戴向东等从材料、生产工艺及包装等三个方面进行木质家具减量化设计研究并提出了具体的优化设计方法，以期通过减少资源消耗达到节能减排的目的[8]。对于木质家具设计而言，只考虑某一方向进行碳减排设计的方式较为单一，无法保证家具碳减排设计的整体性和系统性，而家具产品设计是一个系统工程，需要基于全局考虑产品的每一个生命阶段，同时还需保证各阶段与设计需求（如功能、结构、成本等）的一致性。鉴于木质家具生命周期较复杂，设计师应基于全生命周期理论分析木质家具碳排放特征，以准确识别家具设计中碳减排的关键因素，并依此制定后续设计策略。

2.2 木质家具碳减排影响因素分析

木质家具全生命周期作为一个完整的系统，其生命周期每个阶段中影响碳排放的因素都可以作为木质家具设计中需要考虑的碳足迹关键点，即是该家具的碳减排设计突破点，本文从设计的角度出发，基于木质家具全生命周期将其碳排放的产生分为五个策略阶段：材料选择、生产加工、包装运输、销售维护、使用回收进行分析，提取要素。见图1表达了木质家具生命周期不同阶段的碳足迹以及关系示意图。

图1 木质家具全生命周期系统示意图

2.2.1 材料选择

材料选择是木质家具碳排放的基础阶段，决定着碳排放的下限。木质家具在用材上分为实木板和人造板，其中人造板主要包括纤维板、刨花板、胶合板等，由于其生产工艺不同其碳排放情况存在显著差异。实木板的碳排放特点为自身单位碳排放相对较低，但其后续加工步骤较多，且易产生不必要的原材料消耗；人造板相对而言自身碳排放较高，但其应用灵活，加工工序较少[9]，并且利用了大量回收木材，间接产生了固碳作用[10]，一定程度上能够控制碳排放。

2.2.2 生产加工

生产加工是木质家具碳排放产生的主要阶段，涉及开料、刨切、铣型钻孔、上漆、装配等多道生产工序[11]，需要使用的生产设备及工艺都对木质家具碳排放有着至关重要的影响。工艺的耗能直接影响碳足迹，工艺设备对能源如电能、水能、热能的消耗都是碳排放产生的主要原因，采用低耗能工艺及环保工艺可有效实现减排[12]。工序的复杂度影响碳排放，对原材料加工、上漆、装配（连接件使用、连接胶使用）等工序的安排直接影响碳足迹。

2.2.3 包装运输

包装运输涉及到包装材料使用、在库管理、运输能源等碳排放。首先，木质家具自身重量决定其储运难度以及运输能源消耗量，家具重量与运输碳排放成正比；其次，木质家具结构影响碳排放，这由运输过程中包装及摆放方式决定；其三，包装材料用量影响碳足迹，为保证在储运木质家具过程中的安全，一般会大量使用塑料胶布、塑料填充气泡、纸质包装盒等碳排放较高的包装材料，因此优化包装材料是减少碳排放的有效途径之一。

2.2.4 销售维护

销售维护环节是连接生产者与使用者的关键节点，涉及的碳排放活动除去基础销售，还包括产品的分拣，上架，维护、售卖等，销售效率即库存数量决定着销售维护环节所消耗的电能与维护成本，是销售维护环节碳足迹的主要影响因素，此环节受产品外观及理念设计影响较大。

2.2.5 使用回收

使用过程受木质家具自身材料及结构影响较大，相同使用方式与强度之下，家具结构、强度、拆装难度决定了其使用寿命即报废率，其中可拆卸结构家具以其更新便利性有助于控制碳排放。回收过程分为回收销毁、降级利用[13]与直接利用三种方式，降级利用与直接利用能有效减少资源消耗以及碳排放，是木质家具减排设计的重要组成部分。

3 木质家具碳减排设计中的冲突分析与解决

木质家具全生命周期中涉及多种复杂影响因素，这就要求设计师进一步明确木质家具碳减排设计的本质：即对碳排放影响因素的优化、取舍，并在保证或提高家具性能的情况下控制其对环境的影响，例如当改变某个原材料、部件以减少产品碳排放时，必定会影响到与之相关联的产品性能，如稳定性、耐用性等，若此影响为负面则会出现冲突。因此在木质家具碳减排设计中必需发现和解决冲突。由发明家阿奇舒勒创立TRIZ 理论是一种为解决问题建立的通用模型，能够通过对未来趋势进行预测指导设计师在探索中掌握产品创新规律。目前广泛应用于产品创新设计领域（图2）。本文拟应用TRIZ模型将木质家具设计中出现的矛盾基于39个工程参数进行重新描述，分析得出相应的技术矛盾，并通过建立矛盾矩阵，由冲突双方确定相应的可用发明原理用于后续设计[14-16]。

图2 TRIZ解决问题示意图

3.1 木质家具碳减排设计中的冲突分析

通过对木质家具碳排放特征及影响因素进行筛选与归类处理，从设计方面减少木质家具碳排放主要可以通过材料、结构、外观三方面的改进设计来实现（图3），该优化过程面临如下三种冲突。

图3 冲突分析流程图

（1）碳减排与稳定性方面的冲突。木质家具碳减排设计中，为减少原材料自身以及储运过程中的能源消耗，通常会采取减少原材料使用、减少连接件使用、优先轻量原材料等设计方法，然而若材料使用过少或过于轻便，则强度及支撑力会产生相应变化，或影响产品正常使用；若设计中大量减少连接件、胶黏剂的使用，虽一定程度上控制了碳排放但不合理的设计易导致稳定性降低，从而使消耗率上升即碳排放增加，并且易造成安全隐患，与设计目的相悖。

（2）碳减排与结构方面的冲突。为了有利于木质家具的拆解运输，回收拆分以减少碳排放，大量设计师致力于木质家具结构上的创新，但当结构过于复杂时易导致如下问题：其一，用户组装与维护难度提升，虽便于部分零件更换或者减轻运输空间压力，但操作不当引起不必要的损耗的概率随之提高；其二，消费者购买欲望降低，过于复杂的结构易导致消费者认为其使用难度较高，难以提高消费者的消费欲望，将增加库存成本；其三，加工难度增大，复杂的结构虽然减少了材料消耗，但是对加工精度要求较高，引起工序的增加，生产过程中需要花费更多的时间，从而降低生产效率，不利于节能减排。

（3）碳减排与外观方面的冲突。在外观与结构上，为减少木质家具碳排放，极简设计大量出现，然而过于简化或忽视外观设计或引起消费者购买欲望减弱，降低产品竞争力，从而导致销量减少，同时外观设计也是对产品的一种保护设计，适当的装饰可减少木质家具主体框架储运及使用过程中的磨损，有助于木质材料的回收再利用，而过于简化外观设计易增加产品消耗率，更易引起碳排放增加。

3.2 木质家具碳减排设计中的冲突解决

3.2.1 TRIZ冲突矩阵构建

针对木质家具碳减排设计中存在的3对主要冲突，为获取相关技术矛盾，需将相关产品特性向TRIZ问题转化。首先将设计过程中涉及的冲突转化为39个工程参数标准描述。碳减排、结构、稳定性、外观分别对应：No.23、24能量和物质损失、No.36装置的复杂性、No.13结构的稳定性以及No.12形状。基于标准的工程参数描述可将木质家具碳减排设计中的矛盾转化为TRIZ冲突矩阵，矩阵中行所描述的是工程参数为冲突中改善的一方，列代表工程参数中恶化的一方，表1为木质家具碳减排冲突矩阵简图。

表1 木质家具碳减排冲突矩阵简图

3.2.2 木质家具碳减排设计冲突解决

利用矩阵所得发明原理并结合专业知识与设计经验，对所得各个发明原理进行分析筛选后优选出发明原理如表1所示，解决碳减排与稳定性的矛盾可用原理为分离原理、多用性原理，解决碳减排与结构的矛盾可用原理为预操作原理、套装、反馈，解决碳减排与外观的矛盾可用原理为局部质量、合并、参数变化。木质家具碳减排面临的三个设计改进方向已初步确定，在此结合筛选设计原理为木质家具碳减排设计提出相应解决方案如下：（1）将木质家具的关键结构分离出来，在保证关键结构稳定牢固的基础上针对其他部分进行轻量化设计以及减少连接件设计等，以减少木质家具碳排放；（2）使一个家具能同时满足多种家具功能，虽然单一家具耗材增加，但是合理搭配的多功能家具能够同时满足用户多项需求，最大限度地发挥木质家具各部分的作用。（3）预先对需拆卸结构进行设计，使其处于易操作位置，减少木质家具组装和使用过程中需用户组装及维护的难度，提高使用和生产效率。（4）充分调研用户需求，明确木质家具目标消费群体需求，通过外观和结构创新设计提高消费者购买欲望。

4 木质家具碳减排设计

基于对木质家具全生命周期系统的碳足迹分析以及通过TRIZ理论得出的碳减排设计冲突解决方案，本文以一款家用木质功能桌椅为例，探讨碳减排设计在木质家具中的实践运用。

4.1 材料选择阶段的碳减排设计

对木材的合理利用是木质家具碳减排设计的重要环节之一，本款木质家具设计基于TRIZ的分离原理依据各部分所承载的功能以及板材特性选用了实木与人造板作为主要材料，骨架承重部分采用实木板，非承重部分采用轻质人造板，节省实木材料的同时一定程度上减轻了家具重量，减少了家具储运过程中的碳排放（图4）。

图4 家具拆分示意图

4.2 生产加工阶段的碳减排设计

在家具生产时，往往因家具结构尺寸的差异性而使生产工艺及工序相对复杂，本设计结合国家标准与产品功能进行设计，大范围使用标准几何形及零部件，并结合TRIZ与操作原理，将安装拆卸位置于易操作位置，很大程度上降低了生产加工过程中的操作难度，减少木材消耗以及能源消耗，可有效降低碳排放。

4.3 包装运输阶段的碳减排设计

基于本家具易拆装的特点，包装运输时可将家具拆卸为多块板材并进行叠放（图5），有效提高了空间利用率，除此之外，实木与轻质刨花板的结合使其相对重量较轻，能够提高运输效率，减少碳排放。包装上采用质量较轻、强度较高且耗材少的蜂窝纸箱，并使用板材开料后的剩余边角料进行填充，保护支撑家具的同时对废料的二次利用是碳减排的重要方式之一。

图5 包装叠放示意图

4.4 销售维护阶段的碳减排设计

随着低碳消费理念逐渐走进人群，广大消费者对于产品的环保性、低碳认证、材质亲和力等更为重视，本设计基于TRIZ多用性原理对家具进行多功能设计，在不过多增加材料消耗以及工艺难度的基础上丰富了产品的功能，一物多用的设计提高了产品吸引力，简洁明了的造型符合当前低碳简约的审美风向，提高销售效率。

4.5 使用回收阶段的碳减排设计

为在使用阶段提高产品的使用率并使资源利用最大化，本款家具实现了座椅、置物架以及书桌三种功能的转换（图6），且在此过程中不需要额外拆卸，优化用户使用体验；浅绿色以及原木色的结合从心理上向用户传达节能减排的理念[17]。此外，大范围使用标准件以及易于拆装的特点使用户能较为方便地更换损坏部件，实现家具结构的再加固，从而延长木质家具的生命周期，并避免了拆卸时材料和零部件的损伤，提高回收再利用价值，以减少其碳排放[18]。

图6 木质家具功能转换图

5 结语

本文基于全生命周期理论，对木质家具碳减排设计进行探讨，将木质家具全生命周期进行阶段划分，梳理各阶段碳足迹特点，分析解决了木质家具碳减排设计中存在的冲突并转化为39个标准工程参数描述，通过构建木质家具碳减排冲突矩阵提出了对应解决方法。以一款功能家具设计为例，验证了基于全生命周期理论能够更全面更系统地进行木质家具碳减排设计，一定程度上为木质家具碳减排设计实践提供了借鉴与参考。