基于薄竹缠绕工艺的参数化坐具设计研究

刘玲玲 马 彪 李鹏辉 刘楚蓉 付焕娜

（桂林理工大学艺术学院，广西 桂林 541000）

我国竹类资源丰富，大约占世界竹林总面积的20%。与木材相比，竹材的性能良好，且绿色环保，具有明显的资源优势[1]。因此，竹家具在家具市场上占据一定地位。例如，由原竹加工而成的原竹家具；将竹材二次加工后，制造而成的竹集成材家具、竹重组材家具、竹层集材家具、竹材弯曲胶合家具等。相较而言，原竹家具对竹材的利用较为传统，材料利用率较低，力学性能不够优异，且形式单一，难以满足现代消费者的个性化需求[2]。竹材二次加工后再制造而成的竹家具虽然拥有优良的力学性能，但其生产方式基本沿用木质家具的生产工艺，没有很好地根据竹材的自身特性进行创新型设计制造，因而无法凸显其优势[3]。鉴于此，本文引入薄竹缠绕工艺，并将其与参数化设计结合，在充分利用竹材性能和利用率的基础上，实现竹家具的个性化定制与批量化生产，以期推动竹家具产业的发展。

1 薄竹缠绕工艺概述

1.1 薄竹缠绕工艺

与木材相比，竹材具有优良的物理性能，如收缩量小，割裂性、弹性和韧性高，隔音防潮效果好等[4]。薄竹缠绕技术正是利用竹材上述这些优点进行加工的一种方式。薄竹缠绕技术将刨切得到的薄竹片或其它竹单元，通过竹单元之间的相互作用或者使用胶黏剂进行胶合连接，在特定模具上进行有规律的往复式机械缠绕，经固化脱模后获得制品[5]。具体工艺流程如图1所示。薄竹缠绕技术不光可以加工形状规整的线性产品，也可以加工非线性的产品，具有加工方式灵活、原竹利用率高、生产过程全自动化等特点[6]。薄竹缠绕技术可分为无胶竹缠绕技术与胶合竹缠绕技术。无胶竹缠绕是指在没有胶黏剂的作用下，利用竹单元之间相互作用或借助外力作用，实现竹单元缠绕并成型的技术。胶合竹缠绕是指在施加胶黏剂的条件下，实现竹材单元的缠绕并胶合成型[7]。

图1 薄竹缠绕技术工艺流程图Fig.1 Process flow chart of thin bamboo winding technology

1.2 薄竹缠绕工艺应用现状

薄竹缠绕技术多用于生产圆形竹产品，如竹缠绕吸管、管道等[8]。竹缠绕复合管具有成本低，承压能力强、保温性能突出、抗震抗沉降能力强、变形率低等优势[9-11]，多用于管道埋于地下，其沿管径方向由内到外主要分为内衬层、增强层和外防护层共3 层[12]。其中，内衬层由防腐性能优异、符合食品安全的树脂与竹纤维无纺布组成，具有防水作用；增强层由竹篾与水性树脂组成；外防护层则为具有防水、防腐及抗老化性的树脂。竹缠绕复合管的加工工艺大致可以分为内衬层的制备、带状薄竹片预处理、增强层的制备和外防护层的制备。

此外，还可以利用薄竹缠绕技术制造非圆形轮廓的异型产品[13]。以竹缠绕房屋为例，以每间房屋为单位，对整间房屋进行整体缠绕成型、装修和运输，最后在施工现场进行组装放置，建造速度极快。竹缠绕整体组合式房屋可有效减少建筑装修垃圾，且绿色环保，污染少，使用年限可达到70 年，具有优异的保温、隔音、阻燃等性能[14]。在家居产品领域，薄竹缠绕技术多用于装饰或一些非几何图案产品的制作[15]。与竹编工艺类似，竹缠绕工艺可以模仿竹编技法，用于丰富产品的表面装饰效果。

1.3 薄竹缠绕工艺在竹家具中的应用

竹缠绕家具在质量和制造工艺上具有较大的灵活性。在质量上，竹材本身就是一种性能优良的材料，质轻、抗拉、抗压和抗弯强度高[16]，结合薄竹缠绕工艺，更能充分发挥出竹材的优势，如此制成的竹家具不但比木家具轻巧，且性能更优。在结构设计上，一方面可以采用整体缠绕成型工艺，通过竹单元之间的相互作用进行缠绕；另一方面，也可以先将局部部件缠绕成型，再组装成整体。在造型设计上，薄竹缠绕技术可以在曲线表面直接缠绕编织，非常适合非线性家具的生产制造，并且在一定程度上弥补了传统竹材加工原材料浪费大、加工灵活度低、产品同质化等缺点。利用薄竹缠绕技术可以将竹材作为一种装饰，将纤细的竹条参照编织的方式缠绕于家具表面，用于丰富其表面装饰。此外，还可以将竹材作为一种承重结构，用以维持家具的稳定性，成型后无需额外的架构支撑，增强了家具的整体性[17]。目前，我国在批量化竹家具生产设计领域还处于空缺阶段。鉴于此，本研究在造型分析时引入参数化设计，利用薄竹缠绕技术，结合参数化设计，可在产品模型上直接进行缠绕，使产品固化后一次成型，极大减少了参数化家具的制造工序，从而降低了人力物力的消耗，提高了生产效率，有望用于批量化生产。

2 参数化设计研究现状

2.1 参数化设计概念

参数化设计是一种将设计要素看成参数，并以某种逻辑关系将其组织到一起，借助计算机编程和软件形成参数模型的设计方法[18]，其本质是将编程思维引入到设计中，构建一个由参数约束控制、由算法逻辑生成的数字模型。参数化设计因其具有逻辑精准性、同步可视性、可调节性、推导性等特点，被广泛用于建筑外观设计、家具设计、工业产品设计、艺术品设计等领域。随着互联网技术的发展，在AI人工智能等技术的支撑下，参数化设计也在不断的与新技术、新材料、新工艺相结合，满足消费者日益增长的个性化需求。

2.2 参数化设计在家具设计中的研究现状

在参数化设计的发展历程中，很多设计师在参数化思维的指导下完成了作品设计，如扎哈·哈迪德[19]基于“游牧”等思想设计了一系列参数化家具。张周捷创立了国内首个数字化家具品牌“EndlessForm”。相较于传统设计方法，将参数化技术应用于家具设计中具有明显的优势。首先是信息可视化，设计师可以更直观高效地理解并分析用户信息，并将其与机器有效结合，实现信息的可视化。其次是方案可优化，参数化技术使设计师可以通过调整设计因素所对应的参数来改变设计方案，从而快速得到最优方案。宋杰等[20]将参数化设计与3D打印技术相结合，探索了将其应用于个人家具定制领域的可行性。李维立[21]以吧台桌设计为例，基于参数化与三维图形静力学进行家具结构找形设计，简化了设计过程，丰富了数字时代设计的多样性，为家具的结构设计提供新思路。李帆[22]通过构建的分形理论的产品形态参数化设计模型，实现产品形态的族群化，同时结合感性优选方法，创造了感性与理性相结合的产品形态设计方式。可见，越来越多的学者将参数化设计应用于家具设计中，而将其与薄竹缠绕技术结合的研究鲜有报道。因此，本文将薄竹缠绕技术与参数化相结合，尝试一种新的竹家具设计生产方式，并考察其可行性。

3 薄竹缠绕技术参数化家具设计思路

竹家具设计需要结合现代市场和用户需求。将竹材、设计方法和加工工艺有机结合，用于制造可量产的竹家具，这是现代家具设计的理念和探索方向。薄竹缠绕技术可将竹材进行有规律的缠绕，而缠绕顺序及方式需采用参数化程序进行控制。参数化造型结构设计的原理的是空间几何，通过特定规则构建坐标点集，对由坐标点构成的函数图形进行控制，两者存在一定的关联性。因此，本研究提出可以运用薄竹缠绕技术，通过参数化编程和交互APP建设，研发基于薄竹缠绕技术的竹家具智慧开发公共设计平台，以满足个性化的定制需求，让设计师与用户共同参与产品设计，并通过互联网+等实现产品的数字化智造。薄竹缠绕竹家具的设计思路如图2 所示。下面将结合“ENTANGLED BAMBOO”座椅的设计实践过程进行详细阐述。

图2 产品开发设计思路Fig.2 Product development and design ideas

4 薄竹缠绕技术参数化家具设计实践

Grasshopper是一款基于Rhino环境运行的参数化插件，可通过参数调整实时看到模型形态的变化[23]。本次设计实践主要包括参数化实践、薄竹缠绕工艺成型、模块化实践、个性化实践，设计流程如图3所示。

图3 基于薄竹缠绕工艺的参数化坐具设计流程Fig.3 Parametric seat design process based on thin bamboo winding process

4.1 参数化实践

“ENTANGLED BAMBOO”座椅设计在参数化建模软件中要有清晰的逻辑思路。首先，根据人体工程学创建家具的初始外观造型M1，使用Volume运算器找到模型的几何中心点iO。之后，使用PopGeo运算器在模型表面随机生成若干点i1、i2……in，随机点的数量初步控制在20个。使用Line运算器将几何中心点iO与模型表面的每个点i1、i2……i20分别连接成直线LO1、LO2……LO20，并使用Pl运算器过直线LO1、LO2……LO20生成平面P1、P2……P20，每一个平面与模型M1表面相交，在Sec运算器下在模型表面产生20条相互交错的曲线C1、C2……C20，这些曲线即为后期薄竹缠绕的路径。创建薄竹条截面S1或其它竹单元截面S2、S3……为初始形状，使用Swp1运算器，沿着曲线C1、C2……C20，以初始形状截面S1、S2……扫掠构建生成薄竹缠绕模型M2，至此便完成基于参数化的薄竹缠绕家具模型。由于Grasshopper参数化设计软件的动态可视性，模型会根据参数的变化实时改变，大大提高了工作效率。设计师只需调整设计参数，即可得到最佳造型方案。在“ENTANGLED BAMBOO”座椅设计过程中，随机点的位置和数量主要决定产品造型。经过反复调整，最终的模型方案如图4所示。将模型数据输入到云数据库中，在生产家具时，薄竹缠绕设备在调用模型数据后，在现有模具表面依据参数化数据缠绕好竹单元，固化成型后脱模，随后对各家具部件进行组装，其生产流程如图5所示。

图4 造型生成图Fig.4 Styling generation diagram

图5 “ENTANGLED BAMBOO”生产过程图Fig.5 “ENTANGLED BAMBOO” production process diagram

4.2 模块化实践

模块化设计最初广泛应用于重工业的机械设备设计中，例如发动机、涡轮机、大型机床等。随着模块化设计的不断发展，近几年在家具设计领域中的应用也越来越广泛[24]。模块化家具设计以家具基本使用功能的合理分析为基础，对家具系列化功能模块作出系统的合理划分，并将划分好的功能区进行归纳简化，之后对每个模块进行设计，最后选择相同或不同模块任意组合，满足用户不同需求。模块化设计过程主要分为用户需求分析、产品功能分析、模块划分与模块设计4个阶段。模块化家具在追求实现家具多样化功能的基础上，还需满足各模块加工、运输和组装的可能性。通过分析，最终确认“ENTANGLED BAMBOO”座椅分为3个模块，分别为坐垫、薄竹缠绕部分以及底座。这3个模块分别可以替换重组，满足用户不同需求。坐垫和底座主要为颜色模块化，薄竹缠绕部分模块化设计主要涉及选择竹缠绕单元和缠绕方式。目前，竹缠绕基本单元大致包括竹纤维、竹篾、竹条、竹丝、刨切薄竹等。缠绕方式又可分为有规律和无规律的往复式缠绕。具体方案如图6所示。

图6 模块化设计方案Fig.6 Modular design scheme

4.3 个性化实践

协同设计（co-design），在广义上是一个将不同想法、角色和团队成员聚集在一起的过程；在狭义上是协同设计作为一种设计方法，鼓励用户参与到设计过程中来，与设计师一同完成产品或服务的设计[25]。随着时代的进步，现在用户的消费不仅仅满足于直接购买产品，而是希望参与到产品的设计过程中，满足个性化需求。设计模式正在从封闭式创新走向开放式创新[26]。鉴于此，本研究设计了一个APP，用户可以在手机端界面自由选择需要定制产品的颜色、材质、薄竹缠绕方式等，交互界面如图7所示。APP界面实时呈现产品的最终效果，并且可以呈现产品的三维模型数据，让用户更加直观地看到自己的设计作品。在确认设计方案后，产品开始按照用户选择的样式进行加工、组装、包装和配送，最终送到用户手中。这种协同设计的方式，吸引用户参与进来，增加了趣味性，同时也提高了产品销量。

图7 APP交互界面Fig.7 APP interactive interface

5 结语

目前，薄竹缠绕技术总体处于初始发展阶段。将参数化设计引入薄竹缠绕技术，通过参数化程序控制竹单元进行有规律的缠绕，充分利用竹材的纵向拉伸性和弯曲可塑性，满足了用户多样化和个性化的需求。参数化提升了薄竹缠绕技术的机械化水平，使其应用领域更宽，产品种类更丰富，提升了薄竹缠绕技术产品的经济效益和市场竞争能力。

本文通过“ENTANGLED BAMBOO”座椅的设计实践证明，在家居产品设计与生产中，薄竹缠绕技术与参数化设计相结合的方式具有较高可行性，是技术手段与设计思维的双重创新，代表着对传统材料和现代工艺的创新探索，对可持续发展和资源节约的关注，以及对个性化定制的追求。这种结合不仅推动了家居产品设计领域的发展和进步，也为资源可持续利用做出积极贡献。