劉玲玲 馬 彪 李鵬輝 劉楚蓉 付煥娜

（桂林理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541000）

我國(guó)竹類(lèi)資源豐富，大約占世界竹林總面積的20%。與木材相比，竹材的性能良好，且綠色環(huán)保，具有明顯的資源優(yōu)勢(shì)[1]。因此，竹家具在家具市場(chǎng)上占據(jù)一定地位。例如，由原竹加工而成的原竹家具；將竹材二次加工后，制造而成的竹集成材家具、竹重組材家具、竹層集材家具、竹材彎曲膠合家具等。相較而言，原竹家具對(duì)竹材的利用較為傳統(tǒng)，材料利用率較低，力學(xué)性能不夠優(yōu)異，且形式單一，難以滿足現(xiàn)代消費(fèi)者的個(gè)性化需求[2]。竹材二次加工后再制造而成的竹家具雖然擁有優(yōu)良的力學(xué)性能，但其生產(chǎn)方式基本沿用木質(zhì)家具的生產(chǎn)工藝，沒(méi)有很好地根據(jù)竹材的自身特性進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計(jì)制造，因而無(wú)法凸顯其優(yōu)勢(shì)[3]。鑒于此，本文引入薄竹纏繞工藝，并將其與參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)合，在充分利用竹材性能和利用率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)竹家具的個(gè)性化定制與批量化生產(chǎn)，以期推動(dòng)竹家具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 薄竹纏繞工藝概述

1.1 薄竹纏繞工藝

與木材相比，竹材具有優(yōu)良的物理性能，如收縮量小，割裂性、彈性和韌性高，隔音防潮效果好等[4]。薄竹纏繞技術(shù)正是利用竹材上述這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行加工的一種方式。薄竹纏繞技術(shù)將刨切得到的薄竹片或其它竹單元，通過(guò)竹單元之間的相互作用或者使用膠黏劑進(jìn)行膠合連接，在特定模具上進(jìn)行有規(guī)律的往復(fù)式機(jī)械纏繞，經(jīng)固化脫模后獲得制品[5]。具體工藝流程如圖1所示。薄竹纏繞技術(shù)不光可以加工形狀規(guī)整的線性產(chǎn)品，也可以加工非線性的產(chǎn)品，具有加工方式靈活、原竹利用率高、生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)化等特點(diǎn)[6]。薄竹纏繞技術(shù)可分為無(wú)膠竹纏繞技術(shù)與膠合竹纏繞技術(shù)。無(wú)膠竹纏繞是指在沒(méi)有膠黏劑的作用下，利用竹單元之間相互作用或借助外力作用，實(shí)現(xiàn)竹單元纏繞并成型的技術(shù)。膠合竹纏繞是指在施加膠黏劑的條件下，實(shí)現(xiàn)竹材單元的纏繞并膠合成型[7]。

圖1 薄竹纏繞技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of thin bamboo winding technology

1.2 薄竹纏繞工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

薄竹纏繞技術(shù)多用于生產(chǎn)圓形竹產(chǎn)品，如竹纏繞吸管、管道等[8]。竹纏繞復(fù)合管具有成本低，承壓能力強(qiáng)、保溫性能突出、抗震抗沉降能力強(qiáng)、變形率低等優(yōu)勢(shì)[9-11]，多用于管道埋于地下，其沿管徑方向由內(nèi)到外主要分為內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外防護(hù)層共3 層[12]。其中，內(nèi)襯層由防腐性能優(yōu)異、符合食品安全的樹(shù)脂與竹纖維無(wú)紡布組成，具有防水作用；增強(qiáng)層由竹篾與水性樹(shù)脂組成；外防護(hù)層則為具有防水、防腐及抗老化性的樹(shù)脂。竹纏繞復(fù)合管的加工工藝大致可以分為內(nèi)襯層的制備、帶狀薄竹片預(yù)處理、增強(qiáng)層的制備和外防護(hù)層的制備。

此外，還可以利用薄竹纏繞技術(shù)制造非圓形輪廓的異型產(chǎn)品[13]。以竹纏繞房屋為例，以每間房屋為單位，對(duì)整間房屋進(jìn)行整體纏繞成型、裝修和運(yùn)輸，最后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝放置，建造速度極快。竹纏繞整體組合式房屋可有效減少建筑裝修垃圾，且綠色環(huán)保，污染少，使用年限可達(dá)到70 年，具有優(yōu)異的保溫、隔音、阻燃等性能[14]。在家居產(chǎn)品領(lǐng)域，薄竹纏繞技術(shù)多用于裝飾或一些非幾何圖案產(chǎn)品的制作[15]。與竹編工藝類(lèi)似，竹纏繞工藝可以模仿竹編技法，用于豐富產(chǎn)品的表面裝飾效果。

1.3 薄竹纏繞工藝在竹家具中的應(yīng)用

竹纏繞家具在質(zhì)量和制造工藝上具有較大的靈活性。在質(zhì)量上，竹材本身就是一種性能優(yōu)良的材料，質(zhì)輕、抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度高[16]，結(jié)合薄竹纏繞工藝，更能充分發(fā)揮出竹材的優(yōu)勢(shì)，如此制成的竹家具不但比木家具輕巧，且性能更優(yōu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，一方面可以采用整體纏繞成型工藝，通過(guò)竹單元之間的相互作用進(jìn)行纏繞；另一方面，也可以先將局部部件纏繞成型，再組裝成整體。在造型設(shè)計(jì)上，薄竹纏繞技術(shù)可以在曲線表面直接纏繞編織，非常適合非線性家具的生產(chǎn)制造，并且在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)竹材加工原材料浪費(fèi)大、加工靈活度低、產(chǎn)品同質(zhì)化等缺點(diǎn)。利用薄竹纏繞技術(shù)可以將竹材作為一種裝飾，將纖細(xì)的竹條參照編織的方式纏繞于家具表面，用于豐富其表面裝飾。此外，還可以將竹材作為一種承重結(jié)構(gòu)，用以維持家具的穩(wěn)定性，成型后無(wú)需額外的架構(gòu)支撐，增強(qiáng)了家具的整體性[17]。目前，我國(guó)在批量化竹家具生產(chǎn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還處于空缺階段。鑒于此，本研究在造型分析時(shí)引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)，利用薄竹纏繞技術(shù)，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)，可在產(chǎn)品模型上直接進(jìn)行纏繞，使產(chǎn)品固化后一次成型，極大減少了參數(shù)化家具的制造工序，從而降低了人力物力的消耗，提高了生產(chǎn)效率，有望用于批量化生產(chǎn)。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概念

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種將設(shè)計(jì)要素看成參數(shù)，并以某種邏輯關(guān)系將其組織到一起，借助計(jì)算機(jī)編程和軟件形成參數(shù)模型的設(shè)計(jì)方法[18]，其本質(zhì)是將編程思維引入到設(shè)計(jì)中，構(gòu)建一個(gè)由參數(shù)約束控制、由算法邏輯生成的數(shù)字模型。參數(shù)化設(shè)計(jì)因其具有邏輯精準(zhǔn)性、同步可視性、可調(diào)節(jié)性、推導(dǎo)性等特點(diǎn)，被廣泛用于建筑外觀設(shè)計(jì)、家具設(shè)計(jì)、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、藝術(shù)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在AI人工智能等技術(shù)的支撐下，參數(shù)化設(shè)計(jì)也在不斷的與新技術(shù)、新材料、新工藝相結(jié)合，滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的個(gè)性化需求。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)在家具設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀

在參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程中，很多設(shè)計(jì)師在參數(shù)化思維的指導(dǎo)下完成了作品設(shè)計(jì)，如扎哈·哈迪德[19]基于“游牧”等思想設(shè)計(jì)了一系列參數(shù)化家具。張周捷創(chuàng)立了國(guó)內(nèi)首個(gè)數(shù)字化家具品牌“EndlessForm”。相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，將參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于家具設(shè)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先是信息可視化，設(shè)計(jì)師可以更直觀高效地理解并分析用戶(hù)信息，并將其與機(jī)器有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息的可視化。其次是方案可優(yōu)化，參數(shù)化技術(shù)使設(shè)計(jì)師可以通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)因素所對(duì)應(yīng)的參數(shù)來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)方案，從而快速得到最優(yōu)方案。宋杰等[20]將參數(shù)化設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，探索了將其應(yīng)用于個(gè)人家具定制領(lǐng)域的可行性。李維立[21]以吧臺(tái)桌設(shè)計(jì)為例，基于參數(shù)化與三維圖形靜力學(xué)進(jìn)行家具結(jié)構(gòu)找形設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，豐富了數(shù)字時(shí)代設(shè)計(jì)的多樣性，為家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。李帆[22]通過(guò)構(gòu)建的分形理論的產(chǎn)品形態(tài)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)的族群化，同時(shí)結(jié)合感性?xún)?yōu)選方法，創(chuàng)造了感性與理性相結(jié)合的產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)方式?？梢?jiàn)，越來(lái)越多的學(xué)者將參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于家具設(shè)計(jì)中，而將其與薄竹纏繞技術(shù)結(jié)合的研究鮮有報(bào)道。因此，本文將薄竹纏繞技術(shù)與參數(shù)化相結(jié)合，嘗試一種新的竹家具設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式，并考察其可行性。

3 薄竹纏繞技術(shù)參數(shù)化家具設(shè)計(jì)思路

竹家具設(shè)計(jì)需要結(jié)合現(xiàn)代市場(chǎng)和用戶(hù)需求。將竹材、設(shè)計(jì)方法和加工工藝有機(jī)結(jié)合，用于制造可量產(chǎn)的竹家具，這是現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)的理念和探索方向。薄竹纏繞技術(shù)可將竹材進(jìn)行有規(guī)律的纏繞，而纏繞順序及方式需采用參數(shù)化程序進(jìn)行控制。參數(shù)化造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理的是空間幾何，通過(guò)特定規(guī)則構(gòu)建坐標(biāo)點(diǎn)集，對(duì)由坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成的函數(shù)圖形進(jìn)行控制，兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性。因此，本研究提出可以運(yùn)用薄竹纏繞技術(shù)，通過(guò)參數(shù)化編程和交互APP建設(shè)，研發(fā)基于薄竹纏繞技術(shù)的竹家具智慧開(kāi)發(fā)公共設(shè)計(jì)平臺(tái)，以滿足個(gè)性化的定制需求，讓設(shè)計(jì)師與用戶(hù)共同參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化智造。薄竹纏繞竹家具的設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。下面將結(jié)合“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖2 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路Fig.2 Product development and design ideas

4 薄竹纏繞技術(shù)參數(shù)化家具設(shè)計(jì)實(shí)踐

Grasshopper是一款基于Rhino環(huán)境運(yùn)行的參數(shù)化插件，可通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)時(shí)看到模型形態(tài)的變化[23]。本次設(shè)計(jì)實(shí)踐主要包括參數(shù)化實(shí)踐、薄竹纏繞工藝成型、模塊化實(shí)踐、個(gè)性化實(shí)踐，設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 基于薄竹纏繞工藝的參數(shù)化坐具設(shè)計(jì)流程Fig.3 Parametric seat design process based on thin bamboo winding process

4.1 參數(shù)化實(shí)踐

“ENTANGLED BAMBOO”座椅設(shè)計(jì)在參數(shù)化建模軟件中要有清晰的邏輯思路。首先，根據(jù)人體工程學(xué)創(chuàng)建家具的初始外觀造型M1，使用Volume運(yùn)算器找到模型的幾何中心點(diǎn)iO。之后，使用PopGeo運(yùn)算器在模型表面隨機(jī)生成若干點(diǎn)i1、i2……in，隨機(jī)點(diǎn)的數(shù)量初步控制在20個(gè)。使用Line運(yùn)算器將幾何中心點(diǎn)iO與模型表面的每個(gè)點(diǎn)i1、i2……i20分別連接成直線LO1、LO2……LO20，并使用Pl運(yùn)算器過(guò)直線LO1、LO2……LO20生成平面P1、P2……P20，每一個(gè)平面與模型M1表面相交，在Sec運(yùn)算器下在模型表面產(chǎn)生20條相互交錯(cuò)的曲線C1、C2……C20，這些曲線即為后期薄竹纏繞的路徑。創(chuàng)建薄竹條截面S1或其它竹單元截面S2、S3……為初始形狀，使用Swp1運(yùn)算器，沿著曲線C1、C2……C20，以初始形狀截面S1、S2……掃掠構(gòu)建生成薄竹纏繞模型M2，至此便完成基于參數(shù)化的薄竹纏繞家具模型。由于Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的動(dòng)態(tài)可視性，模型會(huì)根據(jù)參數(shù)的變化實(shí)時(shí)改變，大大提高了工作效率。設(shè)計(jì)師只需調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，即可得到最佳造型方案。在“ENTANGLED BAMBOO”座椅設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨機(jī)點(diǎn)的位置和數(shù)量主要決定產(chǎn)品造型。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，最終的模型方案如圖4所示。將模型數(shù)據(jù)輸入到云數(shù)據(jù)庫(kù)中，在生產(chǎn)家具時(shí)，薄竹纏繞設(shè)備在調(diào)用模型數(shù)據(jù)后，在現(xiàn)有模具表面依據(jù)參數(shù)化數(shù)據(jù)纏繞好竹單元，固化成型后脫模，隨后對(duì)各家具部件進(jìn)行組裝，其生產(chǎn)流程如圖5所示。

圖4 造型生成圖Fig.4 Styling generation diagram

圖5 “ENTANGLED BAMBOO”生產(chǎn)過(guò)程圖Fig.5 “ENTANGLED BAMBOO” production process diagram

4.2 模塊化實(shí)踐

模塊化設(shè)計(jì)最初廣泛應(yīng)用于重工業(yè)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、大型機(jī)床等。隨著模塊化設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，近幾年在家具設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[24]。模塊化家具設(shè)計(jì)以家具基本使用功能的合理分析為基礎(chǔ)，對(duì)家具系列化功能模塊作出系統(tǒng)的合理劃分，并將劃分好的功能區(qū)進(jìn)行歸納簡(jiǎn)化，之后對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后選擇相同或不同模塊任意組合，滿足用戶(hù)不同需求。模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為用戶(hù)需求分析、產(chǎn)品功能分析、模塊劃分與模塊設(shè)計(jì)4個(gè)階段。模塊化家具在追求實(shí)現(xiàn)家具多樣化功能的基礎(chǔ)上，還需滿足各模塊加工、運(yùn)輸和組裝的可能性。通過(guò)分析，最終確認(rèn)“ENTANGLED BAMBOO”座椅分為3個(gè)模塊，分別為坐墊、薄竹纏繞部分以及底座。這3個(gè)模塊分別可以替換重組，滿足用戶(hù)不同需求。坐墊和底座主要為顏色模塊化，薄竹纏繞部分模塊化設(shè)計(jì)主要涉及選擇竹纏繞單元和纏繞方式。目前，竹纏繞基本單元大致包括竹纖維、竹篾、竹條、竹絲、刨切薄竹等。纏繞方式又可分為有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的往復(fù)式纏繞。具體方案如圖6所示。

圖6 模塊化設(shè)計(jì)方案Fig.6 Modular design scheme

4.3 個(gè)性化實(shí)踐

協(xié)同設(shè)計(jì)（co-design），在廣義上是一個(gè)將不同想法、角色和團(tuán)隊(duì)成員聚集在一起的過(guò)程；在狹義上是協(xié)同設(shè)計(jì)作為一種設(shè)計(jì)方法，鼓勵(lì)用戶(hù)參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)，與設(shè)計(jì)師一同完成產(chǎn)品或服務(wù)的設(shè)計(jì)[25]。隨著時(shí)代的進(jìn)步，現(xiàn)在用戶(hù)的消費(fèi)不僅僅滿足于直接購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品，而是希望參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，滿足個(gè)性化需求。設(shè)計(jì)模式正在從封閉式創(chuàng)新走向開(kāi)放式創(chuàng)新[26]。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)APP，用戶(hù)可以在手機(jī)端界面自由選擇需要定制產(chǎn)品的顏色、材質(zhì)、薄竹纏繞方式等，交互界面如圖7所示。APP界面實(shí)時(shí)呈現(xiàn)產(chǎn)品的最終效果，并且可以呈現(xiàn)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，讓用戶(hù)更加直觀地看到自己的設(shè)計(jì)作品。在確認(rèn)設(shè)計(jì)方案后，產(chǎn)品開(kāi)始按照用戶(hù)選擇的樣式進(jìn)行加工、組裝、包裝和配送，最終送到用戶(hù)手中。這種協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，吸引用戶(hù)參與進(jìn)來(lái)，增加了趣味性，同時(shí)也提高了產(chǎn)品銷(xiāo)量。

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

5 結(jié)語(yǔ)

目前，薄竹纏繞技術(shù)總體處于初始發(fā)展階段。將參數(shù)化設(shè)計(jì)引入薄竹纏繞技術(shù)，通過(guò)參數(shù)化程序控制竹單元進(jìn)行有規(guī)律的纏繞，充分利用竹材的縱向拉伸性和彎曲可塑性，滿足了用戶(hù)多樣化和個(gè)性化的需求。參數(shù)化提升了薄竹纏繞技術(shù)的機(jī)械化水平，使其應(yīng)用領(lǐng)域更寬，產(chǎn)品種類(lèi)更豐富，提升了薄竹纏繞技術(shù)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

本文通過(guò)“ENTANGLED BAMBOO”座椅的設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，在家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，薄竹纏繞技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式具有較高可行性，是技術(shù)手段與設(shè)計(jì)思維的雙重創(chuàng)新，代表著對(duì)傳統(tǒng)材料和現(xiàn)代工藝的創(chuàng)新探索，對(duì)可持續(xù)發(fā)展和資源節(jié)約的關(guān)注，以及對(duì)個(gè)性化定制的追求。這種結(jié)合不僅推動(dòng)了家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步，也為資源可持續(xù)利用做出積極貢獻(xiàn)。