輕質(zhì)蜂窩形仿生材料在家具設(shè)計中的應用與發(fā)展研究

■王 強，王 寧，王鈴偉，吳新鳳

(中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410004）

近年來，蜂窩形仿生材料作為一種新型輕質(zhì)環(huán)保材料，逐漸受到人們的青睞，其在家具設(shè)計、生產(chǎn)及包裝中的應用越來越廣泛。目前在家具中應用的蜂窩形仿生材料主要包括木質(zhì)蜂窩板、蜂窩紙板和蜂窩紙材料。木質(zhì)蜂窩板是由上下兩塊木質(zhì)人造板中間夾一個紙質(zhì)中空蜂窩六邊形填料，經(jīng)過膠合加壓固定而成的一種新型輕質(zhì)板材，結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。其根據(jù)芯層四周有無木質(zhì)邊框，可以分為有框木質(zhì)蜂窩板和無框木質(zhì)蜂窩板，若表板為紙質(zhì)材料，則稱為蜂窩紙板。

蜂窩形仿生材料的芯層蜂窩通常采用牛皮紙排列組合而成，可回收利用，并且芯層材料是整體結(jié)構(gòu)的主體部分，能夠大大減少木質(zhì)材料用量，有助于森林資源保護，具有輕質(zhì)、高強、成本低等優(yōu)點。另一方面，蜂窩結(jié)構(gòu)具有隔熱、吸音、保溫、減震等功能，可根據(jù)需求進行尺寸、飾面、蜂窩芯子和表板材料的選擇。因為其獨特的優(yōu)勢，逐漸成為設(shè)計師開發(fā)產(chǎn)品爭先使用的材料[3]。

1 木質(zhì)蜂窩板家具

木質(zhì)蜂窩板可設(shè)計成厚型板件，能夠提升家具產(chǎn)品的體量感、厚重感、檔次感。應用于家具生產(chǎn)的木質(zhì)蜂窩板多數(shù)是有框蜂窩板，其常見的應用形式有兩種：與金屬材料結(jié)合、與其他木質(zhì)板件結(jié)合。

1.1 與金屬材料結(jié)合

應用形式：木質(zhì)蜂窩板具有表面平整，不易變形的特點。目前，市場上木質(zhì)蜂窩板材料常作為頂?shù)装濉⒐耖T、側(cè)板等零部件選材應用于板式家具中。現(xiàn)在，板式家具設(shè)計的流行趨勢之一便是板材與金屬材料相結(jié)合，即木質(zhì)蜂窩板面板、側(cè)板等與金屬支架、腿架等部位組合，設(shè)計出造型簡潔、結(jié)構(gòu)合理、符合現(xiàn)代大眾審美的板式家具（圖2-圖3）。

接合方式：在蜂窩板與金屬材料的接合方式上，多采用家具五金配件接合，主要可分為固裝式連接和拆裝式連接兩種。

固裝式連接包括內(nèi)六角木螺釘接合、自攻螺絲接合等。內(nèi)六角木螺釘接合強度高，安裝方便，不影響造型美觀，但由于木材本身的纖維結(jié)構(gòu)，用木螺釘結(jié)合時不能多次拆裝，會破壞木材組織，影響連接強度，所以通常作為固裝式連接件使用（圖4）。比如用于會議桌、條桌等家具，金屬部位預先鉆通孔，木質(zhì)蜂窩板框架部位預先鉆定位孔，然后按照孔位使用內(nèi)六角木螺釘將它們進行接合，其中有框蜂窩板木質(zhì)框架的尺寸、位置和數(shù)量可根據(jù)支撐強度和連接位置的需要進行定制。結(jié)構(gòu)如圖5-圖7所示。

拆裝式連接主要是指螺栓螺母連接，一般要加防松裝置，如彈簧墊片。螺栓螺母連接較好的強度和緊密性，便于拆卸和安裝，節(jié)約運輸成本，但其裸露在家具表面會對美觀造成一定影響，常用于條桌、條幾等家具。木質(zhì)蜂窩板預先鉆孔，根據(jù)產(chǎn)品尺寸確定孔位數(shù)量，一般為2-3個。然后使用螺釘螺栓將其與金屬支架緊密連接，結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。

1.2 與其它板材結(jié)合

應用形式：在板式家具設(shè)計中，木質(zhì)蜂窩板常作為面板、柜門、側(cè)板等部件，與纖維板、膠合板、刨花板、細木工板等材料組合使用，可制成各種輕質(zhì)板式家具。其中以宜家家居為代表，其衣柜、櫥柜、儲物柜、學生書桌等家具大量使用蜂窩板材料，并輔以纖維板、膠合板等，甚至部分家具全部使用木質(zhì)蜂窩板材料制作而成（圖10-圖12）。從圖片中可以看出，宜家家居部分家具的側(cè)板、頂?shù)装宕罅渴褂梅涓C板材料，蜂窩板厚度一般為40mm，使家具具有厚重感，同時又不失現(xiàn)代家具造型簡潔的特點，并且符合家具輕質(zhì)化發(fā)展趨勢，所以，蜂窩板材料用于家具行業(yè)具有十分廣闊的前景。

圖1 木質(zhì)有框蜂窩板結(jié)構(gòu)組成

圖2 會議桌

圖3 會議桌連接件

圖4 內(nèi)六角木螺釘

圖6 固裝式連接方式二

圖7 固裝式連接方式三

圖8 螺栓螺母連接

圖9 條桌

圖10 宜家吊柜

圖11 宜家各種蜂窩板件

圖12 宜家兒童書桌

圖13 小型儲物柜

圖14 小型儲物柜側(cè)板

圖15 小型儲物柜頂?shù)装?/p>

圖16 小型儲物柜層板

接合方式：同樣分為拆裝式接合和固裝式接合兩種。每種接合方式可單獨使用，也可聯(lián)合使用。

拆裝式接合使用靈活，便于安裝和拆卸。以小型儲物柜為例，側(cè)板與頂?shù)装濉影暹B接通常采用三合一連接件和圓棒榫結(jié)合使用的連接方式，三合一連接件起固定作用，圓棒榫起定位作用。如圖13-圖16所示，按照32mm系統(tǒng)要求，在木質(zhì)框架部位鉆孔，孔位根據(jù)板件尺寸變化。

固裝式接合同樣包括內(nèi)六角木螺釘接合，結(jié)構(gòu)如圖17所示一些柜類家具，如儲物柜、擱物架，常將兩種結(jié)合方式聯(lián)合使用，比如側(cè)板與頂?shù)装迨褂脙?nèi)六角木螺釘連接，側(cè)板與層板、頂?shù)装迮c隔板使用三合一連接件與圓棒榫組合連接，結(jié)構(gòu)如圖18所示。

同有框蜂窩板相比，無框蜂窩板加工工藝簡單，而且可以按照家具零部件的尺寸規(guī)格進行制作和裁截。但由于連接件安裝復雜、連接強度不及實心板件，封邊技術(shù)不夠成熟，自身強度較低等限制因素，因而使用較少。隨著“全屋定制”浪潮的興起，越來越多的消費者根據(jù)自己的喜好選擇定制家具[4-5]。木質(zhì)蜂窩板與人造板材組合使用，應用于定制衣柜、書柜等家具，有很大的應用和探索空間。

2 蜂窩紙家具

隨著輕質(zhì)化家具成為設(shè)計潮流，人們對于空間利用的重視度和便攜家具需求度越來越高，人們渴望一種輕質(zhì)、便攜、節(jié)省空間的家具出現(xiàn)。蜂窩紙具有輕質(zhì)、可折疊壓縮、強度高等特性，完美地迎合了人們的需要，于是人們開始探索如何把蜂窩紙用于家具設(shè)計[6]。其中的代表企業(yè)為十八紙創(chuàng)意文化有限公司，簡稱“十八紙”，其產(chǎn)品采用高纖維的進口原漿紙進行生產(chǎn)再造，使紙張具有防水防潮功能的同時，增強自身的韌性，并充分利用蜂窩六邊形承重性能好的優(yōu)勢[7]。產(chǎn)品如圖19-圖23所示。

應用形式：從圖片中可以看出十八紙家具充分利用蜂窩紙可折疊壓縮的特性，坐凳以圓柱形結(jié)構(gòu)為主，配合坐墊使用，蜂窩紙收縮后為圓角矩形方體，體積較小，可隨身攜帶；床類家具采用木質(zhì)床頭床尾與蜂窩紙相結(jié)合方式，以蜂窩紙為主要承重結(jié)構(gòu)，木質(zhì)床頭床尾防止床墊滑落，使床類家具具有輕質(zhì)、節(jié)省空間、造型簡潔的特性，可以有效解決小戶型空間不夠用的難題。同時，十八紙家具注重結(jié)合中國傳統(tǒng)文化（圖22-圖23），通過對傳統(tǒng)元素的使用和創(chuàng)新，展示出中國家具設(shè)計特有的魅力[8-10]。

接合方式：主要分為活動接合和膠合兩種。活動接合指不固定在一起，使用時接合，閑置時可以隨時分開，具有較高的靈活性，比如坐凳，其蜂窩紙支架和坐墊就可以自由分合。蜂窩紙和木材材料的固定接合采用膠黏劑接合，比如折疊床中蜂窩紙和木材的膠合連接。

此類家具受到青年消費者的喜愛，但由于傳統(tǒng)觀念、價格等因素，在國外銷量比國內(nèi)要高。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平和文化素質(zhì)的提高，此類家具有著廣闊的市場和光明的前景。

3 蜂窩紙板家具

蜂窩紙板輕質(zhì)高強，現(xiàn)在主要用于制作包裝箱。蜂窩紙板箱的重量僅為相同規(guī)格的瓦楞紙箱包裝箱的2/3，約為相同規(guī)格實木箱重量的1/3[11-13]。現(xiàn)在蜂窩紙板在家具生產(chǎn)中應用較少，筆者查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有不少設(shè)計師探索蜂窩紙板家具在趣味兒童家具和簡易家具中的應用（圖24-圖25）。

圖中所示蜂窩紙板家具充分利用了蜂窩紙板易加工的優(yōu)點，針對其不易折彎的特性，折彎部位可采用“V型槽”或“U型槽”的加工方法解決。將大塊面積的蜂窩紙板作為家具零部件，輔以支撐結(jié)構(gòu)，合理的分散作用力，通過卡槽插接（圖25）和折疊的結(jié)合方式、紙棱角度的變化，可以組合成不同的造型，且在制作過程中不使用膠粘劑連接，并且蜂窩紙板具有可回收再利用的特點，發(fā)展蜂窩紙板家具，有利于減少森林砍伐和可持續(xù)發(fā)展。

圖17 固裝式接合

圖18 小型擱物架

圖19 十八紙坐凳

圖20 十八紙大型座椅

圖21 十八紙折疊床

圖22 十八紙風琴燈系列之一

圖23 十八紙風琴燈系列之二

圖24 蜂窩紙板方桌

圖25 卡槽結(jié)構(gòu)之一示意圖

圖26 蜂窩紙圓幾

4 設(shè)計探索

純紙家具設(shè)計一直是設(shè)計師不斷探索的方向，雖然瓦楞紙家具已取得一定進展，但是由于瓦楞紙密封性差、易受潮等缺陷，導致人們接受度低。再者由于紙不能像木材、金屬那樣易于加工成彎曲的造型，紙自身的力學承載性能、安全性相對較差，使得純紙家具的研究進展相對較慢[14-15]。基于蜂窩形仿生材料輕質(zhì)、強質(zhì)比高、綠色環(huán)保、節(jié)省材料、成本低、造型時尚等優(yōu)勢，可將蜂窩紙板與蜂窩紙結(jié)合用于家具設(shè)計，例如小型圓幾、角幾，設(shè)計圖如圖26所示。

此方案的設(shè)計思路為：采用變化與統(tǒng)一的形式美法則，統(tǒng)一圓形元素，直線型面板與曲線型支撐部分變化交融。將增強型蜂窩紙板作為面板，經(jīng)過防水防潮、表面裝飾處理，承載物品擺放[16-17]。蜂窩紙造型富于變化，色彩及圖案可定制，用于支撐結(jié)構(gòu)，可設(shè)計出曲線優(yōu)美的形態(tài)。二者的接合方式可以選擇膠合或活動接合，這樣便可以設(shè)計出輕質(zhì)、造型優(yōu)美、綠色環(huán)保、節(jié)省空間的紙家具[18]。其中面板力學承載性能增強方法為：蜂窩紙板的表板采用厚度2-3mm的卡紙，可進行貼面處理，中間采用蜂窩邊長較小的，比如6-8mm的蜂窩紙芯。

5 結(jié)語

輕質(zhì)蜂窩形仿生材料應用于家具設(shè)計與生產(chǎn)，拓寬了家具設(shè)計的空間和材料的選擇性。木質(zhì)蜂窩板、蜂窩紙、蜂窩紙板相互組合使用在家具設(shè)計中有很大的探索空間。蜂窩紙造型多樣、色彩豐富，可以接合多種材料組合使用，賦予設(shè)計師很大的靈活性。蜂窩紙板受限于自身側(cè)面的抗破壞性較低，易破損的缺點，在包裝紙箱中應用較多，但用于特定趣味家具、配飾家具，采用卡槽等接合方式，便可以發(fā)揮其輕質(zhì)高強的優(yōu)勢，有很大的應用前景。蜂窩形仿生材料用于家具制造符合國家生態(tài)文明建設(shè)的需要，是節(jié)材代木、發(fā)展輕質(zhì)化家具的不可或缺的選擇。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強和思想觀念的更新，蜂窩形仿生材料將會更多地運用家具生產(chǎn)和包裝中，從而有效地促進環(huán)境保護和家具輕質(zhì)化發(fā)展。