數字技術在京作家具創新發展中的應用研究

■邢萬里，王 頔，劉菲菲

(北京城市學院藝術設計學部，北京 101300）

京作家具作為我國古典家具的代表，于明代中后期興起、清代康乾年間達高峰，至今已有三百余年的歷史。作為明清兩代的宮廷家具，京作家具匯集各地匠人技藝、融合各類家具風格，形成獨一無二的藝術特色。2008年6月，“京作硬木家具制作工藝”入選第一批國家級非物質文化遺產項目名錄，此后京作家具常作為北京文化和中國傳統文化的代表贈送國際友人。因此，對京作家具進行創新發展兼具文化與經濟上的雙重意義。

伴隨著數字技術（D i g i t a l Technology）快速發展，運用數字技術創新發展文化遺產已經成為全球化的發展趨勢，在我國古典家具研究領域中數字技術的重要性和優越性也日益凸顯。運用數據采集、模型構建等技術手段對古典家具進行保護、修復、存檔和開發，可以有效彌補傳統研究方法效率不足、數據失真等問題[1]。因此，將數字技術引入京作家具的研究，制定成熟、完善、可復制的研究路徑，可為京作家具的發展帶來新的契機、為建設北京“四個中心”功能做貢獻，并為相關傳統家具制造企業提供更多的發展思路。

1 數字技術概述

在古典家具研究領域中的“數字技術”主要指通過特定設備將研究目標的物質信息量化成數據信息，通過二進制代碼導入電腦后構建三維模型并以此為基礎進行創新設計和加工生產的技術手段[2]。對京作家具的研究在不同階段應用到不同的數字技術，以信息數據庫、虛擬現實、通信協議、三維可視化為主的支撐技術革新了過往手工測繪時期的研究思路、方法和流程，推動了京作家具與現代教學、陳列展覽、室內設計等領域的深度融合。

1.1 數字技術在京作家具創新發展中的應用優勢

家具是人與空間發生聯系的媒介，也是一個民族物質文化和精神文化的重要載體。京作家具典雅秀麗、結構巧妙，各零部件間的連接方式多采用榫卯結構，扣合嚴密、間不容發，不僅在工藝中包含著力學、數學美，也在神韻中蘊含著美學和哲學美。過往的研究方法主要以實物測繪與史料整理為主，對京作家具進行斷代研究，梳理總結不同時期裝飾、造型、技術的特征和整體的演變規律。以往的研究工作對京作家具的保護和傳承起到了重要作用，但囿于研究方法的局限性，存檔記錄、更新設計、研發生產等后期創新工作難有突破[3]。將數字技術引入京作家具的研究，可以將以往過度依賴個人經驗的研究工作進行逐層分解，加強設計研發、生產制造、展陳保護等各個環節的分工協作，以此提升數據傳遞的速度、減少各單位在信息流轉過程中的重復工作，用科學的流程與方法提升京作家具的研究效率。

1.2 數字技術在京作家具創新發展中的應用現狀

數字技術作為前沿的技術手段在我國京作家具的創新發展中已有一定應用基礎，北京林業大學、中南林業科技大學、內蒙古農業大學等院校的多位學者和北京市龍順成中式家具有限公司、中國工藝美術集團有限公司等多個單位都將數字技術引入到研究工作中，彌補了我國京作家具數字化研發的空白[4]。但需要重視的是，當前不少研究機構和高校針對數字技術的應用仍然處于起步階段，意識到數字技術是發展趨勢、引進研究設備和軟件產品，但并沒有對研究理念進行深入理解，僅停留在利用數字軟件繪制家具產品生產圖紙的階段，與真正意義上的運用數字技術開展研究工作還存在較大的差距。同時，值得注意的是，京作家具研究領域中數字技術的應用多依靠海外成熟的設備和軟件，國內相關設備與知識產權較少，尤其在構建家具產品數字化體系、研發數字化建模軟件等方面我國自主研發能力亟需提升。

2 數字技術在京作家具創新發展中的研究路徑

在京作家具創新發展研究中數字技術應用的重點在于依托數字平臺儲存家具三維數值、為后期的研究、保護、修復、3D打印等工作提供信息支撐和數據保障。在此過程中，數字技術的應用根據研究過程中的先后順序可分為“數據處理與模型構建、數據庫建立、數字化研發、數字化制造”四個步驟。其中最關鍵的“數據處理與模型構建”階段主要有三個較為成熟的技術方案可供選擇。

2.1 數據處理與模型構建

數據處理與模型構建是利用數字技術創新發展京作家具的第一步。將研究目標的尺度、結構、材質、工藝、年代等信息進行記錄，通過計算機輔助設計(Computer Aided Design)構建數字化模型是本階段的工作核心。在此階段，BIM（Building Information Modeling）技術構建模型快捷，在信息采集、數據保存等方面具有優勢；參數化技術構建模型延展性強，在設計創新、后期改造等方面具有優勢；數字樣機技術構建模型更具實用性，在數字化制造、信息追蹤等方面具有優勢[5]。

2.1.1 基于BIM技術的研究路線

通過激光掃描對研究目標的數據信息進行獲取和記錄，利用軟件構建三維模型并完成模型可視化是BIM技術的主要路線（圖1）。

■圖1 BIM技術研究路線

京作家具的數據信息采集主要采用三維激光掃描技術，采集過程簡潔、數據信息精準，具有高精度、高效率、高密度數據獲取的優勢。其具體操作流程為通過手持三維激光掃描儀將激光打在家具表面，然后通過接收家具表面所反射的光線獲取三維數據信息。在此過程中激光反射的每一個數據（點）都包含有X、Y、Z坐標數值和R、G、B色彩數值，這些數據（點）在計算機軟件中集合起來形成的“點云”(Point Cloud)能夠實時構建出目標的形態、重現家具的完整原形及矢量化的數據結構。

在數據信息采集完成后進行模型構建的過程可分為三個部分：數據預處理、建模、模型可視化。①數據預處理：將手持三維掃描儀采集到的“點云”數據在點云處理軟件（常用TerraSolid）中進行處理和優化，如平滑、縮減、濾波、配準、分割、融合，減小模型的復雜性并提升軟件的運行速度；②建模：以參考文件的方式將預處理后的點云數據導入BIM建模軟件（常用Revit），通過“捕捉”功能將數據點構成線、面、體，以此構建出家具的三維模型；③模型可視化：在建模軟件中使用著色、附著材質、添加燈光、調整攝像機等功能對三維模型進行最終渲染，完成可視化處理。以此構建出的京作家具三維模型包含了家具形、紋、色、材等全部信息，可以進行精準的儲存、研究和傳遞。

依托BIM技術可以對京作家具進行多種信息集成化研究，并打通創新工作中的諸多復雜環節，實現跨部門、跨專業的數據溝通，為京作家具數字化研究、管理、保護和制作提供高效且穩定的技術支持[6]。

2.1.2 基于參數化技術的研究路線

將構成和影響京作家具的多個要素編寫為參數（Parameter），運用算法（Algorithm）在參數化軟件中生成三維模型并完成模型可視化是參數化技術的主要路線（圖2）。

■圖2 參數化技術研究路線

在參數化技術的應用中“參數”和“算法”是兩個最基礎的概念，參數作為“變化量”影響最終的設計結果，而算法是指一系列按順序組織在一起的運算法則。參數化技術的核心思想是將構建家具模型所需的全部要素都設定為函數的變量，通過改變參數來生成模型和設計方案[7]。通俗的理解，家具研究領域中的參數化技術即“利用編程的手法構建家具模型”。

參數化軟件種類繁多，主要有Rhino、Maya、3Dmax等建模軟件和Grasshopper、Rhino script等計算機程序和腳本語言編輯工具。其中，在Rhino軟件中運用Grasshopper編程插件生成三維模型是家具研究領域最常運用的技術手段。京作家具三維模型的生成過程即引入目標對象的相關要素進行限定，如家具尺寸、材料、色澤、紋理和矮老、霸王棖、羅鍋棖等結構的曲線弧度，在參數充足的情況下通過Grasshopper插件運行“Voronoi算法”生成家具模型，之后，在Rhino軟件中進行最終渲染即可完成模型可視化處理。

“Voronoi算法”和“吸引子算法”是生成家具三維模型的常用算法，但其功能遠大于此[8]。研究人員可以通過添加時間、日照、風壓、濕度、溫度等限定要素推算研究目標在今后一段時間內的狀態變化，并以此為依據對家具進行針對性的修補與保護。此外，通過添加新型材料、用戶需求等限定因素還可以生成新的家具形態，反推創新京作家具的多種可能性。

2.1.3 基于數字樣機技術的研究路線

通過分析總結研究目標的結構（如門板、橫隔板、裝飾線等）和各部件的連接方式（如直角榫、雙頭榫等），使用Topsolid等數字樣機軟件構建模型是數字樣機技術的主要路線（圖3）。

■圖3 數字樣機技術研究路線

數字樣機簡稱DMU（Digital Mock-Up），DMU是對機械產品整機或具有獨立功能子系統的數字化描述。數字樣機技術以DFX/CAX技術為基礎，并融合三維圖形技術、仿真技術和虛擬現實技術為一體，在早期階段該技術主要用于大型工業設備零部件幾何干涉檢查、運動件分析校核等工作，伴隨著技術的升級和發展，數字樣機的功能逐漸拓展至運動分析、性能仿真、制造模擬、維修規劃等多個方面。近些年已有部分學者將數字樣機技術引入古典家具的研究之中，并取得了初步成果[9]。

適用于家具建模的數字樣機軟件以Topsolid、Solid Works和UG最為常用，其中Topsolid軟件內配置了非幾何屬性編輯模塊“Wood”，為構建家具三維模型提供了極大的便利?！癢ood”模塊不僅可以快捷設置木料的種類、色澤、紋理等屬性，還可以選擇榫頭榫眼、封邊貼皮、凸榫、半邊槽等木藝結構，根據此功能構建京作家具模型可以在形體、物料、工藝等多個方面實現對研究目標的精準再現。

使用Topsolid軟件對京作家具數字樣機進行開發前需要對研究目標進行結構分析。以庋具為例，首先應分析目標的結構和各結構間的連接方式，之后在Topsolid中對家具外框進行定位并對外框的尺寸進行限定，最后使用“約束塊”（快速生成家具零部件、設置零部件相關性的命令）功能在外框中快速搭建家具的頂底板、背板、橫豎隔板等部件完成模型的初步構建。此時，柜體內部已經建立了可參考的坐標點或面，使用“驅動塊”（被定義了各項參數、可以實現調用組件時自動匹配的命令）功能便可以直接從數據庫中調入自動匹配的榫卯結構、裝飾線條等內部組件，完成數字樣機的深化建模。

依托數字樣機技術構建的京作家具數字模型具有同真實物體一致的幾何外觀、物理特性及功能特性，同時，該技術還支持一鍵生成家具BOM（bill of material暨物料清單），研究人員根據BOM文件可以精準追蹤研究目標每個零部件的“質量信息”，為后期維修、制造和問題追溯等工作提供極大便利。

2.2 數據庫建立

建立京作家具三維數據庫是一個較為復雜的過程，當前的主要方法是在完成“數據處理與模型構建”后，根據研究目標設定數據庫的基本框架和關系結構，并依托Revit軟件平臺的API（Application Programming Interface暨應用程序編程接口）接口進行數據庫開發。使用此類技術手段既可以在前期利用Revit軟件強大的三維建模功能調整數字模型的細節，又可以將京作家具的三維模型進行快捷上傳、在Revit平臺的云端進行共享。根植于Revit軟件平臺的三維數據庫不僅可以隨時隨地通過輸入關鍵詞，如規格、形式、結構、尺寸、圖案等，來獲取檢索目標的資料信息，并且可以確保每位研究人員隨時獲取此個和此類京作家具的三維模型、榫卯結構、歷史信息、技術特征、價值走向等數字信息。此外，有特定需求的用戶群體，如高校、科研院所、企業單位、獨立設計師，還可以導出京作家具原始模型、在原有的三維模型上進行更新設計與研發。

因此，建立京作家具的三維數據庫在促進京作家具創新發展的同時，也能夠為設計研發人員提供便利，帶動產、學、研協同創新。

2.3 數字化研發

京作家具數字化研發的重點在于利用新手法、新觀念進行符合家具產品發展規律的創新，因此，數字化研發不只是利用計算機技術來開發家具形態，還要建立一套科學嚴謹的研發路徑，規避過往優化裝飾紋樣、改變家具材料的古典家具改良研究法。首先，應該進行完善的前期調研，在問卷中劃分詳細的目標用戶群體，并針對每個目標群體的生活需求、經濟需求、家庭需求、精神需求等情況進行數據整理；之后，從三維數據庫中提取京作家具的三維模型，導入Rhino、3DMAx、Pro/Engineer等設計軟件之中；第三步，根據前期調研的結果將用戶的需求處理成多個參數變量，在保留京作家具神韻、意味的同時根據參數變量進行產品的設計研發，使新型京作家具滿足不同現代家庭的生活需求；最后，依托數字樣機技術進行產品使用分析和模擬制造，通過推導出的實驗結果調整家具細部結構、木料用材和造型弧度，直至形成最具實用性的研究成果。在家具研發的過程中，研究人員可以將三維模型保存為STL或OBJ格式、借助3D打印機制造微型家具模型來推敲設計方案，節省傳統家具打樣環節的成本和時間。

數字化研發是創新發展京作家具的關鍵環節，只有探索出一條成熟的，兼具傳承、創新、應用、推廣作用的研發路徑，才能為京作家具帶來新的發展契機。

2.4 數字化制造

數字化制造是提升京作家具生產效率、加強市場競爭力的關鍵環節。在實際的生產制造過程中，“數控加工”和“數字化排產”是最為重要的兩種數字技術。

“數控加工”技術是指利用計算機數字化控制（Computerized Numerical Control）機床進行生產加工的技術手段。該技術可選擇的軟件種類較多，利用UG軟件的技術路線相對最為成熟和普及。首先，將前期研發出的京作家具三維模型導入UG之中，運用“加工模塊”生成刀具軌跡，并根據生產經驗判斷該軌跡的合理性；之后，檢查各個加工過程、步驟的設計是否合理，在確認無誤后使用軟件中的“后處理”功能生成NC（Numerical Control暨數字控制）加工程序；最后，將軟件生成的NC代碼導入數控機床完成家具生產。

“數字化排產”技術指運用計算機軟件綜合訂單、員工數量、機床數量、原料庫存等數據生成生產計劃的技術手段。合理運用數字排產可以幫助工廠實現更精準、更高效、更均衡的排產目標，確保企業面對市場的反應更快，能夠高效應對插單、改單、訂單逾期、人員變動及設備意外故障等問題。MES(Manufacturing Execution System)系統是當前較為成熟的數字化排產軟件之一，該系統可以幫助車間執行層進行高效的信息管理，其中包含生產調度管理、人力資源管理、采購管理、生產過程控制、上層數據集成分解等多個功能模塊，作為智能、全面的制造協同管理平臺可以基本滿足排產計劃的一切需求。

依托數字化制造革新京作家具的生產方法和家具企業的管理模式不僅可以提升家具的產量，還可以為企業創造更多的經濟效益。伴隨著我國家具產業整體向智能化、科技化、定制化等方向發展，利用數字技術提升京作家具生產制造的信息化水平，是京做家具發展的重要方向[10]。

3 結語

當前，我國多數家具企業對京作家具的創新與發展仍處于匠人匠心、師傅帶徒弟的模式，對數字技術的應用僅限于電腦繪圖、數控加工等環節，工作效率不足、更新迭代緩慢等問題致使京作家具產業難以跟上家具行業現代化、數字化的發展潮流。將數字技術引入京作家具創新發展的研究之中，不僅能夠為京作家具的發展帶來新的契機、為建設北京“四個中心”功能做貢獻，還可以為相關傳統家具制造企業提供更多的發展思路。因此，如何合理利用數字技術對于京作家具進行創新發展是一項跨學科、多領域的研究問題。本文綜合當前家具研究領域中數字技術的應用優勢和現狀，梳理出“數據處理與模型構建”“數據庫建立”“數字化研發”“數字化制造”四步走的策略，以期作為一條步驟清晰、技術成熟的研究路徑，為京作家具的創新發展注入新血脈、帶來新契機。