实木桌面防变形结构解析与设计实证

尚 斌 洪 缨

（中国矿业大学建筑与设计学院，江苏 徐州 221116）

木材是天然的高分子复合材料，其构造特征决定了木材具有干缩湿胀性[1]。同时，木材的干缩湿胀具有各向异性特征，其弦向、径向和轴向的胀缩比值大致为10∶5∶1。木材拼板制作为桌面等大尺度板面后，其干缩湿胀特性更为明显。以弦向胀缩为例，宽度600 mm的实木板可以有10～20 mm的横向变形区间[2-5]。同时，因拼板木材的正反纹理差异，其水分的解吸速率也有所不同，从而导致桌面产生局部变形[6-8]。其中，弦切板拼板的桌面变形幅度最大，通常表现为整张桌面的U形翘曲变形，其应力值最高可达10 MPa[9-10]。因此，实木桌面的横向胀缩和厚度方向的翘曲变形问题一直是困扰家具生产商和用户的难题。鉴于此，调研并分析了当前学界和家具市场两个层面的防变形方案，发现其各有优劣。本文解析了各项方案的原理、优势与不足，并在此基础上提出了一套新的解决方案，以期为实木桌面防变形的策略提供新的思路。

1 研究综述与市场调研

国内学者对实木家具板面防变形问题的研究起步于上世纪90年代，主要从木材的干缩湿胀特性和各向异性出发，以桌面、柜门、椅面等为研究对象，从拼板方法和结构设计两个角度展开研究。将板面形态大致分为木框嵌板结构和直拼结构两类。针对板面胀缩和变形问题，提出了嵌端法、装板条法、贴木条法等端部加强方法，以及穿带法、吊带法、金属条固定法、木扣固定法等背部加强方法，从不同方向对该问题提出了解决方案[11-15]。但从总量来看，目前该问题的研究文献较为稀少，研究深度仍有不足，且近年的研究进展较为缓慢，并未提出重大的方法革新。

为结合实际，作者针对当前家具市场的实木桌进行了调研分析，共采集了某平台销量靠前的385款实木桌，包括餐桌、学习桌、办公桌等类别。通过调研发现，当前市售家具实木桌面板的防变形方案主要有开槽、实木吊带、金属拉筋、板式穿带、框式穿带、斜拉固定、预嵌金属条以及多方案综合应用等形式（图1），其数量统计如表1所示。

表1 市售实木家具防变形方案统计（取样385 个）Tab.1 Statistics on anti-distortion solutions for commercially available solid wood furniture（385 cases sampled）

图1 各类实木桌面防变形方案Fig.6 Anti-distortion solutions for all types of solid wood table tops

通过分析调研数据，并对比文献资料，发现以下几个问题：

1）从数量分布可以看出，“开槽+吊带”和“实木吊带”两种方案应用最多（占比55.32%），其原因是这两种方案对工艺要求较低，且生产效率高、成本低。

2）低端家具以“无措施”“开槽”“开槽+吊带”三种方法为主；中高端硬木家具多采用“开槽”“实木吊带”“金属拉筋”等方法；少数几款中高端家具采用了“板式穿带”和“预嵌金属条”的方法。“框式穿带”结构多见于中式红木及新中式硬木家具中，但该结构应用数量较少。

3）大多数桌面案例以板式拼接，无框边结构，这与当前消费者简洁的审美取向一致。

4）文献中多次提及的“桌面嵌端”“嵌条”“贴条”的做法未在样本中发现，仅在国外有少数应用，可见国内市场对这些做法并未重视。

5）与既往文献资料提出的方案相比，出现了五个新的发展趋势：一是在桌板底面开胀缩缝（表1中“开槽”方案）的应用率很高（占比50.39%）；二是“金属拉筋”的应用愈发普遍（占比19.22%）；三是出现了“网格吊带”的应用（占比1.56%）；四是出现了在开槽、吊带的基础上使用金属斜拉固定的方案（表1“开槽+吊带+斜拉”方案）（占比1.04%）；五是方案间的综合应用呈现快速上升趋势（占比46.49%）。

2 方案解析

针对实木家具防变形的研究，大部分文献资料仅是提出解决方案，而缺乏对不同方案间的横向比较或评价，研究深度不足。在家具设计与制作中，对上述主要方案均有实践，下面将结合木材特性和实际工作经验对上述方案进行解析。

2.1 无措施

在采样产品中，有32例未对桌面变形采取预防措施。分析其原因，一是出于成本考虑（如图1a）；二是基于造型简洁考虑（如图1 b）。因此，在该类产品的售后评价中发现，若干桌面已出现变形情况。

2.2 开槽结构

采样产品中有50.39%的家具桌面采取了开槽的方案。目前，尚未在研究文献中发现对该方案的介绍及相关试验数据。笔者发现，部分采样产品中存在开槽长度不够（距离桌面端面过远）、开槽数量不足（最外侧开槽距离桌面边缘过远或开槽间距过大）、开槽深度不足（部分产品开槽深度仅有5 mm左右）等问题，严重影响了木材胀缩应力的释放效果。

2.3 实木吊带结构

实木吊带的制作工艺简单，成本低廉，因此广受家具生产商青睐[16]。共有57.92%的采样产品使用了实木吊带防变形的方案。近年来，市场上出现了网格吊带的结构形式，即在横向吊带的基础上，在桌面轴向再加入一根或多根吊带，两端与牙板接合，中部以十字搭接榫与横向吊带接合，因桌面在厚度方向的变形主要发生在桌面中部，形成U形变形，轴向吊带可在一定程度上抑制变形，并能增强结构强度。

实木吊带主要用于抵抗来自桌面的弯曲应力。在用材截面尺寸足够的情况下，其吊带自身抗弯能力较强，一般不会发生较大的弯曲现象。但因吊带多用木螺钉将木条悬挂固定于桌面背部，桌面的弯曲应力转化为对木螺钉的轴向拉力。而木螺钉的螺纹较小，其与木材纤维的接合处抗拉能力有限，很难承受高达10 MPa的桌面应力。另一方面，实木吊带的轴向胀缩远远小于桌面的弦向（径向）胀缩，所以横向吊带两端的木螺钉还会长期受到木材胀缩的剪应力影响，从而导致接合处的木纤维发生压缩变形，一段时间后，木螺钉就可能会松动，甚至在桌面拉力影响下脱出，致使吊带失效，如图2所示。

图2 实木吊带结构受力分析Fig.2 Structural force analysis of a solid wood sling

为了进一步验证木螺钉固定吊带补强方法的合理性，笔者选取了4个实木单板柜门为研究对象（因其结构与桌面近似，故可佐证结果）。柜门宽度为355 mm、高度为400 mm、厚度为20 mm，门板采用45 mm标准宽度的山毛榉直拼而成，使用一根300 mm× 40 mm× 20 mm（长×宽×厚）的山毛榉横木和三个木螺钉形成吊带结构。试验前，板面皆平整无弯。试验方法为：在空气湿度为40%的室温（20 ℃左右）条件下，使用清水雾化喷洒于柜门内面（吊带面），以刚刚形成径流后停止，柜门正面不做处理。8 h后再次喷水，反复喷洒3次。24 h后测量柜门变形现象[17]。如图3所示，结果发现，4个柜门均发生了严重的外向U形变形，板面弯曲中心矢高H测量值分别为11、12.5、14 mm和15 mm，所有横木均未发生较大变形，而螺钉与板面接合处基本脱离。可以看出，在实木吊带尺寸足够的情况下，吊带结构的弱点在于木螺钉，这与上文的理论推导结果一致。

图3 吊带板面吸水试验Fig.3 Sling panel water absorption test

从以上结果可以看出，常规实木吊带结构的耐久性有限。若要继续采用这种结构，应针对上述问题给出解决方案。为此，建议在实木吊带上开出胶囊形长孔，然后使用内牙丝配合螺杆、垫片的接合方式固定吊带（图4），借助胶囊孔的预置位移空间释放桌面横向的胀缩应力，借助内牙丝与木材更大的接合面及与螺杆更强的接合强度抑制桌面的变形。另外，吊带的截面尺寸应根据桌面的宽度和厚度的增大而适当增大。市场上将实木吊带内嵌于桌面而与板面取平的做法，因其厚度不足，强度亦有限，其抗变形能力有待验证。

2.4 金属拉筋结构

金属拉筋的作用与实木吊带类似，效果因材料及尺寸而异。与实木吊带相较，金属拉筋结构在抗弯强度上并无明显优势，但其厚度较薄，采取内嵌的方式后能与板面平齐，视觉效果更好，因而应用越来越广泛。然而，金属拉筋条的结构弱点在于其与桌面接合的方式。如上文所分析，应为金属拉筋条制作胶囊形的螺丝孔位，并采用内牙丝等更牢固的接合方式。

2.5 框式穿带结构

框式穿带结构即中式传统家具中的攒边打槽装板结构。在框架四边开槽嵌入芯板，再根据桌面长度均匀设置燕尾穿带，穿带再与大边以直榫接合，如图5所示。传统攒边打槽装板结构中的芯板通常相对较薄，变形应力值较低，加上多条穿带与边框的约束，因而能够有效抑制芯板在厚度方向上的变形。同时，木材在横向的胀缩也因大边留出的开槽余量而消解[18]。因此，框式穿带（攒边打槽装板）是约束面板变形较为科学的方案，体现了中国匠人的智慧[19-20]。

图5 框式穿带结构（攒边打槽装板结构）Fig.5 Frame threading construction

穿带的制作也有一定讲究。一般建议靠近抹头的穿带距端约170～180 mm，并根据桌面长度设置合适的穿带数量，其间距应小于400 mm[21]。板面上的燕尾开槽应一端略窄，深度要足，穿带的榫头长度不宜太短。

调研发现，采用框式穿带的结构案例相对较少（占比7.79%），这是因为框式穿带结构往往是中式传统家具或新中式风格家具才使用的结构形式。在消费者的审美认知中，家具风格往往需要与室内装修风格匹配，因当前中式装修风格占比越来越少，中式风格的家具销量也因此受到较大影响。再从其结构和造型角度来看，框式穿带结构的工序复杂，对工艺要求较高，制作工时长、成本高，对家具厂商的要求更高。另外，其攒边装板的结构较为复杂，木纹方向不一致，且桌面上需预留伸缩缝，导致整体视觉观感不统一，这与当前消费者崇尚简洁的审美取向相悖[22-23]。因此，传统框式穿带的桌面结构虽然科学合理，但在生产者和消费者层面难以获得青睐。

此外，关于有学者提出的将传统框边打槽装板改为在框边背面裁口后使用压条固定芯板的方案，认为值得商榷。原因是使用金属钉固定的压条，其提供的抗剪力难以抵抗板面的变形带来的剪应力。如图6所示，使用压条结构也会出现板面翘曲胀裂和见光现象。因此，建议将压条结构用于玻璃、多层板等较为稳定的芯板结构的固定。

2.6 板式穿带结构

板式穿带结构是从框式穿带结构转化而来的一种结构形式。不需要制作框边结构，直接在桌面底部开出燕尾形穿带槽，将穿带嵌入。穿带采用燕尾结构与桌面接合，有较大的受力面积，能够承受更强的弯曲应力，且穿带组装时不用胶，穿带槽留出的长度余量能够使桌面在横向上自由胀缩。因而板式穿带是一种强度高、效果好的科学防变形结构。从调研数据来看，采用板式穿带结构的案例并不多见（占比1.56%），主要有两个原因，一是相较于吊带和拉筋等结构，穿带对工艺水平要求高，制作工时长、效率低、成本高；二是板式桌面没有框边的遮蔽，穿带直接从桌面板侧边穿入，将会在桌面边缘留下燕尾槽口，需要补缺，视觉效果不统一（图7）。

图7 穿带装入桌面后在侧边所做的补缺Fig.7 Patching on the side after the strap has been fitted to the table

2.7 桌面嵌端结构

如图8所示，桌面嵌端结构与穿带功能近似，能够一定程度上抑制桌面的变形。此外，还能利用其横纹遮蔽桌面端部，减少水分解吸，减缓变形过程。桌面嵌端的结构形式虽在文献中多有提及，但国内市场罕有应用。除了制作工艺方面的考虑，还有三个原因，一是嵌端结构打断了桌面木纹的贯通，视觉效果不够简洁；二是若仅在两侧嵌端，对于长桌面的抗变形效果不理想；三是嵌端结构是利用木材的轴向对接桌面的弦向（径向），接合处木纹方向垂直，而木材弦向、径向、轴向的胀缩比差异巨大，嵌端木条无法在长度方向与桌面板宽度同胀同缩。桌面多次胀缩后，或可导致端面接合错位或榫接失效，嵌端木条松脱。

图8 常见桌面嵌端结构Fig.8 Common desktop embedded end structures

2.8 其他结构形态

除以上介绍的单一结构方案之外，当前市售产品对综合补强方案的应用愈加普遍，如“开槽+吊带”“开槽+拉筋”“开槽+穿带”“开槽+吊带+斜拉”等。这些方案充分利用了各种单一结构的优势，形成多样统一的结构，其补强效果也更加显著。

值得一提的是“预嵌金属条”的结构形式（图1r）。将金属条嵌入桌面内部，增强抗变形能力的同时还能保证桌面外观的简洁，除了对打孔工艺要求较高，无明显缺点，是一种值得推广的结构方式。

此外，西方实木家具常用开放式木扣或金属角码的方式将桌面与牙板和牙板间横木相接合。如图9所示，木扣槽口和金属角码均留有桌面的变形余量，然后使用螺钉将其与桌面接合。这种方案的优势在于接合位置灵活，留足桌面横向胀缩的余地，缺点依然是木螺钉与桌面的接合强度不足，耐久性不强。

图9 木扣接合Fig.9 Wooden button joint

通过以上分析可以看出，各方案在成本和结构方面各有利弊，若仅从防变形角度比较，传统的攒边装板穿带做法是最科学的方案。但从产品销量可以明显看出，当代消费者的审美更倾向于单一大板形态，攒边装板结构复杂、成本高、视觉观感不统一的劣势阻碍了这种传统方案的流行[24]。基于当下考虑，更需要既能解决桌面变形问题，又能采用大板直拼的结构方案。

3 设计实证

综合上述分析，实木桌面的变形发生在两个向度，一个是平面向度中木材横向的胀缩，另一个是垂直向度因木材正反纹理水分解吸速率不一致引起的厚度上的变形。其中，横向的胀缩宜疏不宜抗，厚度方向的变形宜抗不宜疏。解决了这两个问题，就可以在很大程度上避免桌面的变形问题。为此，设计了一种将桌面与腿牙接合的新型结构，如图10所示。其做法如下：

图10 结构设计示意图Fig.10 Structural design diagram

1）整体使用板式穿带做法。根据桌面长度，每隔300～400 mm设置一个穿带，穿带出直榫与前后牙板接合。

2）将与桌面纹理垂直的侧牙板改为燕尾穿带形态，两端出燕尾榫头与桌腿接合。

3）制作时，将桌面分两次拼板。第一次拼板将桌面分为两块，单独拼接，并为其接合部位铣槽或打榫，预留拼接结构。

4）从两块板面的中部向侧边方向根据设计开出数道燕尾槽，但不打通，两段槽长要大于燕尾穿带长度，预留桌面胀缩空间。

5）制作燕尾穿带（包括两根侧牙板）。

6）将穿带从中部分别穿入两块板面，将两块板面对接处上胶组装为一个完整桌面，其中穿带不上胶。

7）安装前后牙板，组合成由桌面、穿带、牙板构成的一体式部件。

8）若需整装运输，则直接将腿架上胶装入；若需扁平化运输，可在用户端将腿架垂直敲入牙板上的燕尾结构即可。

此设计和制作方案解决了以下4个问题：

1）对横向胀缩的消解。不上胶的穿带以及穿带槽预留的长度，可以任由桌面在横向自由胀缩，从而解决了桌面横向的胀缩问题。

2）对桌面厚度方向变形的抑制。除了桌面底部中间采用较为科学的穿带结构之外，还将两侧的牙板改为穿带形态，相当于增加了两条穿带，将防变形结构延伸至桌面端部，在更大程度上抑制桌面的变形。

3）优化桌面边缘视觉效果。通过两次拼板，从中部开槽装入穿带的方法，避免了从一侧嵌入穿带所带来的补缺问题，成品桌面边缘的视觉效果简洁统一。

4）实现产品的扁平化运输。如图11所示，桌面、穿带和牙板为一体式平面结构，下部的腿架和连接枨也可平放，以方便打包运输（两组腿架的连接枨可做成燕尾搭接榫活拆结构，进一步增强整体抗扭能力）[25-28]。到用户端时，将腿架插入牙板上的燕尾榫即可实现组装。牙板与腿架通过双燕尾接合，可实现较好的侧向抗拉效果[29]。若使用软木材料制作该产品，还可在两个牙板的内角制作塞角补强结构，塞角再与腿架通过内牙丝搭配螺杆接合，进一步增强整体的抗扭抗拉效果[30-31]。

图11 扁平化运输方案Fig.11 Flat transport solutions

为验证该设计方案的结构强度，制作了尺寸为1 600 mm×800 mm×740 mm（长×宽×高）的白蜡木餐桌（图12a）和2 000 mm×1 000 mm×720 mm（长×宽×高）的金丝胡桃木办公桌（图12b）。至写稿时间，分别经历了20个月和14个月的实际使用，使用率较高（平均每天2 h以上）。两款桌子都经历了冬季室内地暖和夏季季风潮湿的多重复杂小气候环境。经实际测量发现，两例桌面均未发生明显变形现象（桌板最大变形量≤1 mm），证明其具有较好的稳定性，设计较为合理。

图12 笔者制作的两款桌子Fig.12 Two tables made by the author

4 结论

受木材干缩湿胀和各向异性特征的影响，实木桌面的变形问题较为突出。为此需要做好两个工作，一是在桌面的横向尺度上给予胀缩自由；二是在其厚度方向上给予约束，避免发生变形而影响使用。设计方案体现了顺应和抑制这两个设计理念，经实际验证效果较好。但也存在两次拼板带来的工时成本较高，桌板组合结构与腿部结构的接合工艺难度较大等问题，还需在实际生产中进一步优化。