万 千，金思雨，费本华，张亚池，宋莎莎

(1.北京林业大学，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083； 2.国际竹藤中心，北京 100102)

基于薄竹缠绕技术的竹家具创新设计研究

万 千1，金思雨1，费本华2，张亚池1，宋莎莎1

(1.北京林业大学，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083； 2.国际竹藤中心，北京 100102)

通过对原竹家具、集成材家具和重组竹家具几类已有不同竹家具的比较研究，总结归纳出现有竹家具具有竹材利用率低、加工方式不灵活和家具造型缺乏创新性等缺点。为了满足竹家具市场更新型的设计方案，更高效地生产加工和更环保的材料利用，引进薄竹缠绕技术工艺作为新型的竹质家具的技术支撑，提出基于薄竹缠绕技术的竹家具创新设计途径。分别从薄竹缠绕家具的造型、装饰和结构3个方面对薄竹缠绕家具设计的优势进行分析，表明薄竹缠绕工艺适用于非线性的曲面家具设计中，能使竹质家具造型进一步趋近符合国际化的市场，并且有效避开原有竹制家具在生产中的材性单一，以及接合缺陷，令竹质家具得到进一步完善和发展，具有更广阔的市场前景。

竹家具；薄竹缠绕技术；家具设计；创新设计

竹子作为一种物美价廉的可再生资源，被广泛地应用于建筑、家具、灯具、工艺品等的生产制造当中。竹在中国传统文化中蕴含着特殊的意义，我国自古就有“宁可食无肉，不可居无竹”的说法，可见竹子及其工艺制品在中国传统文化中占有极其重要的地位。随着经济的发展，当今消费者环保意识也随之增强，人们愈发倾向于选择一种更加绿色健康的生活方式，而竹家具制品因其环保、绿色和高性价比的特点，逐渐进入市场并且受到大众消费者的追捧和喜爱。同时我国作为典型的竹资源丰富而木材资源相对匮乏的国家[1]，大力发展竹家具产业有助于缓解环境压力以及木材资源紧张的产业局势[2]。

1 竹家具发展现状

我国竹林面积、竹林蓄积量和竹产量均居世界第一，相对于木材来说，竹材的生长周期短，具有非常明显的资源优势[3]。近20年来，随着对竹资源的开发利用，从最初始的原竹加工到较新型的薄竹板加工，对竹材的加工技术手段向着精细加工和深度加工的方向发展[4]。就竹家具产品而言，目前市面上的竹制家具根据竹质材料的不同，可以大致分为原竹家具、竹集成材家具和重组竹家具[5]。

1.1 原竹家具

原竹家具主要采用包榫接合、榫接合、连接丝(绳)接合等方式，将原竹构件接合在一起，辅以原竹加工而成的竹片或竹篾，用以制造相对传统款式的桌、椅、凳、屏风等家具(图1)[6]。原竹家具所使用的竹材加工技术最大程度地保留了竹子的自然纹样风貌，充分利用了竹材优良韧性、弹性和弯曲性能，塑造出一种自然古朴的田园风格。由于竹材的各向异性较大，而原竹家具的基材没有经过改性处理，导致传统原竹家具的制造难度较大，在使用时也常常因为干缩湿胀的问题导致接合部位的开裂和松动。同时，由于原竹家具的连接结构的不可拆卸性，也导致家具的包装和运输成本较高，阻碍其进入国际市场。

近年来，新式的原竹家具在传统原竹家具的基础上，综合利用金属、木材、皮革等材料，并在连接处使用五金件进行固定接合，在保留的原竹自然淳朴的风格同时，提高了生产效率，改良了资源利用，进一步实现原竹产品在工业生产中的标准化与模块化。

1.2 竹集成材家具

竹集成材是将竹材加工为具有一定标准规格的竹片，然后经过干燥、防腐、涂胶等工序将竹片组胚胶合成方材[7]。处理后的竹方材具有变形小、幅面大、耐磨损等特点，用其加工制造而成的家具经久耐用，表面纹理通直、清晰和美观(图2)。由于竹集成材一般为尺寸标准的方材，其家具的加工制造类似实木家具的制造过程，家具的零部件可以采用榫卯接合或五金件接合的方式进行组装[6]。区别于实木家具的框架结构，竹集成材优良的力学性能使得其在家具的大幅面结构中可以直接使用整块的竹板构成，更类似于板式家具的组装结构(图2)。因竹集成材的密度较高[8]，其家具零部件的加工制造主要由机器完成，在其表面进行精细雕刻时，容易出现断面崩茬的现象。

图1 原竹家具Fig.1 Natural bamboo furniture

图2 集成竹家具Fig.2 Glue-laminated bamboo furniture

1.3 重组竹家具

通过机械设备将竹材辗搓为纵向交错连接而横向不断裂的竹束，然后经过干燥、涂胶、组胚、热压等程序制成一种高强度、大规格和拥有天然竹材纹理的人造板则被称为重组竹[9]。重组竹具有密度大、弹性模量高、抗压抗拉强度强、甲醛释放量低的特点，是一种性质十分优良的材料。同竹集成材家具的连接方式类似，重组竹家具既可采用传统的榫卯接合也可以利用五金件连接，在此之外，重组竹还具有优良的胶合性能，可以采用胶合的方式进行组装。重组竹具有良好的力学加工性能，质感优异，颜色类似花梨木和酸枝，被认为是制造新中式家具的上等材料[10]。

综上所述，目前市面上的竹家具主要分为以原竹进行加工的原竹家具，以及将竹材加工为竹方材后再进行制造的集成竹材家具和重组竹家具。相较而言，原竹家具对竹材的利用较为原始，在力学性能和材料的利用率上较低，且形式较为固定，难以满足现代消费的个性化需求，而集成竹材家具和重组竹家具虽然拥有优良的力学性能，但仍是类似木质家具的制造方式进行加工，没用很好地利用竹材自身独特的材料学性能，缺乏创新性。

2 一种新型的竹材加工技术——薄竹缠绕技术

薄竹缠绕技术是一种通过对集成竹材、层积竹材、竹纤维板或重组竹材等竹材半成品的刨切加工获得薄竹片，然后将薄竹片作为一种增强材料使用低成本的氨基树脂进行胶合连接，采用往复式机械缠绕工艺制成所需要的曲体制品的技术[11]。作为一种竹材再加工的新型技术，薄竹缠绕技术可以用来加工制造非线性的产品，具有加工方式灵活，生产过程全自动化、原竹利用率高、薄竹材料来源广泛等特点。

2.1 薄竹缠绕技术工艺

竹材作为一种性质优良的生物质材料，具有极其优良的物理性能。相对于木材而言，竹材的弹性高、韧性强，其顺纹抗压强度为木材的1.2～2倍，而顺纹抗拉强度为木材的2～25倍[12]。薄竹缠绕技术正是利用了竹材的特点来加工制造出性能优异的竹制品。

首先是薄竹条的制备，将通过胶合、层积、重组等改性方式获得竹方材，进过软化刨切为厚度在0.15～1.5 mm之间薄竹片或厚度为0.15～0.5 mm之间的微薄竹片，然后根据具体的需要将竹片接长加工为所需的薄竹条[13]。薄竹条制备完成后，利用氨基树脂作为胶黏剂，将薄竹条通过机械设备缠绕产品模型之上，等待胶黏剂固化后，再将产品进行脱模处理，经过检验最终获得所需的产品，其操作具体流程如下图3所示。

图3 薄竹缠绕技术工艺流程图Fig.3 The process flow diagram of sliced bamboo winding technology

在挑选所要进行刨切加工的竹材时，应当避免选择带青、带黄、彩色差异大、带有生长缺陷以及幼龄竹的竹片，以防刨切的薄竹片颜色不一，提高竹片的成品率。软化处理以及刨切加工作为薄竹片制备过程中最重要也是最具技术含量的环节，良好的竹方材软化工艺可以在去除竹材中的糖类、脂肪和蛋白质等影响材质的有机物的同时，减少进行刨切时的切削阻力，从而进一步提高刨切的质量[14]。得到的薄竹片宽度和厚度的公差要求控制在±0.1 mm以内，且刨削面要平整、光滑、波纹小，因此对竹材处理后的温度、刀具切削角度和竹材的表面粗糙度都特别的要规定[15-16]。在进行薄竹缠绕的过程中，竹条的缠绕密度、编织圈数、缠绕顺序、施胶量等的不同都会对最终产品的质量产生较大的影响，应当根据具体产品的要求合理选择。

2.2 薄竹缠绕技术工艺的应用现状

目前市面上对薄竹片的应用同对薄木材料的应用类似，主要是将薄竹片胶贴在人造板的表面制成装饰竹贴面板来使用，将薄竹条作为增强材料的薄竹缠绕技术尚属于一种新型的技术，应用途径较少，其中以一种薄竹缠绕复合管的产品较为成熟。

这种复合管沿管径方向主要分为内衬层、增强层和外防护层3层。其中内衬层为用树脂及毡制作而成的内衬，起到防水作用。将薄竹片用衬布粘接、缝合或编织为一整条连续的带状竹条，施胶后将竹条通过机械往复式的缠绕在内衬层上，由环向层和螺旋层经过固化共同构成复合管的增强层，最后在增强层外喷涂防腐材料作为外防护层。这种采用竹缠绕技术制造而成的竹复合管成本低于绝大多数管材，使用寿命长、强度高、变形率低，是一种十分理想的工程用材。

3 薄竹缠绕技术在竹家具设计中的应用分析

对于市场而言，在消费者追求个性化、差异化的今天，竹制品逐步向着更加多元化的方向发展(图4)。竹缠绕复合材料具有低碳性、抗震性、保温性、可持续性、低成本等特点，将薄竹缠绕技术应用在家具设计上可以为竹家具的创新设计提供更加广阔的发展空间，创造出一种全新竹家具生产工艺。由于目前尚没有将竹缠绕技术应用在竹家具设计上的先例，本文仅从薄竹缠绕家具的造型、装饰和结构3个方面对薄竹缠绕家具设计的优势进行分析。

图4 多元化的竹制产品Fig.4 Diversified bamboo-made products

3.1 薄竹缠绕家具的造型设计分析

原竹家具由于直接利用原竹进行接合制造家具，在家具的造型设计上受到竹材本身自然形态的限制，而集成竹材家具和重组竹家具的加工方式与木家具基本一致，在加工非线性制品时会产生边角材料的剩余，对原材料的浪费较大，并且存在加工灵活度较低和产品同质化的不足。

家具作为一类与人生活息息相关的日常用品，在使用过程中同人体进行接触，因此家具产品在造型尺寸的设计上应当适应人体的生理曲线，满足人体工程学的相关要求[17]。薄竹缠绕技术可以在曲线表面进行缠绕编织，其独特的产品制造技术非常适合非线性曲面产品的制造生产，能有效的解决家具制造中的实际问题。同时它以一种类似增材制造的技术来编织产品，能够极大地提高原材料的利用率。研究表明，竹材加工为薄竹片进行生产可使竹材的利用率达47.38%～71.44%，将传统的竹材利用率提高1倍左右[18]。另一方面，相较于传统的家具框架式的支撑方式，直接利用材料进行变形弯曲来进行结构支撑，能使家具在造型上体现出一种灵活、通透和富有律动的美感(图5)。

图5 采用材料变形弯曲作为支撑结构的家具Fig.5 Furniture using bending materials as their structural support

薄竹缠绕技术也为家具造型的参数化设计提供新的途径。作为一种进行非线性设计的方法，利用参数化设计的产品在造型上体现出动态性、自组织性和不规则性等，因其夸张和性感的曲线逐渐受到消费者的喜爱和国内外设计界的广泛重视[19]，近年来应用参数化设计的案例越来越多(图6)。传统的竹家具若应用参数化设计，需要在产品的内部构建结构框架，然后在框架的基础上或软包或编织形成最终的家具产品，而利用薄竹缠绕技术，可以在做好的产品模型上直接进行产品的制造，使产品一次性成型，极大的减少的制造的工序，降低机械磨损，从而提高了生产效率，使参数化家具设计的批量化生产成为可能。

图6 参数化设计产品案例Fig.6 Examples of products using parametric design

3.2 薄竹缠绕家具的装饰设计分析

竹材天然具有通直、古朴的纹理，给人以整洁、干净、自然的感受，深受消费者的喜爱，由竹材加工而成的薄竹板常作为装饰贴面材料，有效地改善了板材的外观质量[20]。但直接利用竹材的纹理作为产品的外观装饰，缺乏像木材一样拥有充满变化的山峰状纹理，容易给人较为单调的视觉感受。竹编工艺的出现则有效地改善了竹材制品的表面装饰，丰富多样的编织手法赋予了竹制品表面更加多样化的纹理。竹编技艺在我国具有悠久的历史，匠人通过精湛的编织手法，将竹片、竹丝编织为多样几何连续性的编织图案，常常用在竹灯、竹篮、竹框等产品上，使竹制品得到了多样化的发展[21]。竹编工艺在家具产品上的应用上，较少单独作为支撑结构，而是作为支撑架构的装饰面，起到美化产品外观，增强产品舒适度的作用(图7)。

图7 竹编家具Fig.7 Bamboo weaving furniture

利用薄竹缠绕技术进行竹家具产品的生产制造，可以模仿竹编织技法，丰富竹家具产品的表面装饰，同时因为薄竹缠绕技术将薄竹条直接作为一种增强材料来使用，不需要额外的架构支撑，能进一步提升产品外观的整体性。传统的竹编技艺大多以手工加工而成，对竹编匠人的技能熟练度要求较高，而薄竹缠绕技术可以使用机器一次性直接加工成型，在节省人力成本的同时，也能降低因人为失误而引起的产品残次率。现有竹编家具由于加工方式的限制，要求使用的竹条、竹篾有较高的拉伸强度，方便进行编制和最后的固定成型。然而在竹缠绕技术中，由于竹条可作为一种装饰材料被胶黏在内衬上，内衬层增强了整体架构的稳定性，可以将竹条做的更加纤薄来进行编织缠绕，降低了材料厚度也提高了竹家具曲线表面的平整度。另一方面，由于内衬层的存在，也使得竹编形式不必拘泥于规矩的几何形式来满足结构稳定性的需求，可以更加自由的进行编织，创造出更多的纹理图案(图8)。最开始的竹制品大多使用竹质材料本色，随着人们对产品个性化、色彩美观度要求的提高，需要进一步改善竹材的视觉特性和表面性能，提高竹产品的产品附加值。为此，可以使用染色、漂白、高温处理、修饰填补手段等对薄竹和成型的薄竹缠绕家具进行表面加工处理，使家具拥有更加多样化的表面装饰表现形式。

图8 具有非几何图案的竹编制品Fig.8 Bamboo plaited articles with non-geometric patterns

3.3 薄竹缠绕家具的结构设计分析

现有竹家具，不论是原竹家具，还是将竹材进行改性处理后的竹板材家具，或多或少的都需要对竹材进行开榫，或是直接连接，或是辅助竹条、五金件等进行连接。由于竹材是一种具有各向异性的天然材料，对榫头、榫眼的加工尺寸、加工精度、榫连接部位等都有一定的要求，在进行连接部位加工时如果没有满足具体的加工标准，或是因竹材本身含水率的变化，会使家具成品在使用过程中出现连接部位开裂，结构不稳的现象。

使用薄竹缠绕技术制造竹家具产品则避免了开榫的步骤，取而代之的是直接在产品模型上进行缠绕编织制造，从而避免了家具连接处不牢固而产生的家具损坏。再者，集成竹材和重组竹的密度较大，制造而成家具质量大，搬运移动不便，而薄竹缠绕家具可制造为具有中空结构的家具，大大减轻了家具的重量。同时，将设计好的家具进行部件的拆解，将各个部件利用薄竹缠绕技术加工完成后，部件间可利用五金件进行接合，进一步方便家具的拆卸和组装，减少储存运输的成本，也可以利用这种方法将简单的曲面形态进行组合拼装，创造出拥有复杂多变造型曲线的家具形态。随着技术的发展，加工复杂造型机械缠绕工艺的不断改进也能为竹缠绕家具的结构在未来加工创造更多的可能性。

4 小结

目前，将薄竹缠绕技术应用在家具制造上，仍存在一些实际操作上问题，如表面处理、结构稳定性等的测定，这些问题都需要在实际的生产过程通过实践去不断发现和解决。但不可否认的是，薄竹缠绕技术的出现增加了竹材的利用途径，为竹家具的创新设计提供了一种新的思路，开阔了进行竹家具设计的视野。薄竹缠绕家具目前仅停留在理论阶段，尚没有实际的产品可供参考，应多从已有的竹制产品中汲取设计灵感，对薄竹缠绕家具的技术进行突破和创新，方能从理论到实践，使薄竹缠绕家具满足现代人的生活需求。

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Innovative Design of Bamboo Furniture based on the Sliced Bamboo Winding Technology

WAN Qian1,JIN Si-yu1,FEI Ben-hua2,ZHANG Ya-chi1,SONG Sha-sha1

(1.Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.International Center for Bamboo and Rattan,Beijing 100102,China)

Through the comparative study of bamboo furniture which are made of several types of bamboo materials,such as original bamboo,glued laminated bamboo and reconstituted bamboo the disadvantages of the existing bamboo furniture,including low material utilization,inflexible processing mode,lack of innovation and so on,were summarized.In order to meet the changing needs of the bamboo furniture market with new designs,more efficient production and processing methods and more environmentally friendly materials are urgently needed .Therefore,the Sliced Bamboo Winding Technology and Processing Technology,a new type of bamboo furniture manufacturing technology,was introduced.From the aspects of shape,decoration and structure,the advantages of this technology in the bamboo furniture design were analyzed.The results showed that the Sliced Bamboo Winding Technology and Processing Technology was suitable for the nonlinear furniture design，it can promote the bamboo furniture modeling closer to international market，and effectively prevent the occurrence of single material and bond defect of bamboo furniture，finally let the bamboo furniture get further improvement and development,bring a broader market prospect.

Bamboo furniture; Sliced bamboo winding technology; Furniture design; Innovation design

2017-01-27

北京市教育委员会共建项目专项资助(无编号)；国家重点研发计划课题(2016YFD0600905)

万千，博士研究生，从事家具设计与制造、工业设计等研究。通信作者：宋莎莎，博士，讲师，从事家居与人因工程、木质环境学、木结构建筑等研究。E-mail：songrui_1688@126.com