“雙碳”戰略背景下的家具減量化設計技術研究

■詹秀麗 ，戴向東 ，吳義強,2,3，陶 濤,2,3，呂 宙 ，黃艷麗 ，陳星艷,2,3，歐陽周洲

(1.中南林業科技大學，湖南長沙 410004；2.農林生物質綠色加工技術國家地方聯合工程研究中心，湖南長沙 410004；3.木竹資源高效利用省部共建協同創新中心，湖南長沙 410004）

2020年9月22日，中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣示：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。中國正在為實現這一目標而付諸行動，中國從此進入雙碳時代。據估算陸地生態系統中總“碳庫”的56%被森林所貯存，故其面積的變化直接影響到陸地生態系統的碳源碳匯作用[1]，而木材本身及木制品具有“低碳”價值和重要的儲碳與減緩氣候變化的作用，木材工業也具有碳匯產業特征[2]。提高木材利用率、減少木材消耗，實現家具工業的減量化，成為實現碳中和目標的重要一環。

2022年6月，由國務院印發的《工業能效提升行動計劃》指出：“積極推進用能高效化、低碳化、綠色化。推進重點領域能效提升綠色升級，支持制造企業加強綠色設計，支持大型企業全面推行綠色制造”[3]。作為傳統制造業的典型代表，高能耗的家具制造企業推進“雙碳行動”已不是一道“加分題”，而是一道“必答題”。現階段，我國家具（家居）產業正由傳統制造業向具有大規模、大批量、定制化、數字化、智能化的方向轉型升級，低碳、綠色、可持續化是現代木材工業生產體系的發展方向[4]。

1 “雙碳”戰略背景下的家具減量化設計理念

1.1 “1+1+N”政策體系與家具減量化原則

關于減量化，在碳達峰碳中和的“1+1+N”政策體系指出：“發展循環經濟，提高資源利用效率并推動綠色低碳技術創新。”同時，《“十四五”循環經濟發展規劃》提出：要遵循“減量化、再利用、資源化”的“3R”原則，最大限度地利用進入系統的物質和能量，以低消耗、低排放、高效率為基本特征[5]。在《循環經濟促進法》中也提到：“發展循環經濟應當在技術可行、經濟合理和有利于節約資源、保護環境的前提下，按照減量化優先的原則實施。”

在“雙碳”戰略背景下，家具減量化是指：在保證安全性、人機關系協調和滿足所需功能性的前提下，體現在產品生產過程中的能源及資源消耗的降低、減少流通中的成本損耗及消費中的污染[6]，實現以環境資源為核心的家具產品綠色設計，發揮木質資源固碳作用的同時，實踐家具產品從設計到生產、使用、回收全流程的低碳化。因此，對家具進行“減量化”設計，絲毫沒有偷工減料之意，而是在不改變家具總體造型、使用功能、安全性的前提下，通過優化設計，使用智能優化開料、大規模定制訂單組批等技術，結合智能生產和智慧管理系統，實現材料、人工消耗的降低，并有效控制進入家具生命周期各環節的物質流和能量流，綜合考慮碳排放問題，進而達到低碳綠色制造、降低產品成本、提高市場競爭力的目的[7]。

1.2 家具設計階段減量化中的減碳體現

隨著低碳設計理念和“雙碳”戰略的實施，消費者更傾向和購買綠色度更高的低碳產品[8]。以“雙碳”為目標的家具產品低碳化轉型，需把環境性能優化作為產品設計的目標和出發點，力求在設計環節就考慮到使產品對環境產生的負面效應降到最低。盡管家具產品在設計階段的支出一般僅占總成本的5%，但其對環境保護的貢獻率可達80%～90%。

從設計源頭開始控制和規劃家具全生命周期的碳排放，充分考慮家具產品的功能、質量、研發周期及成本的同時，優化產品各設計因素，對包括家具的選材、生產制造、包裝與倉儲、物流與運輸、安裝、回收再利用等環節進行系統化的減量設計[9]。使其本身及未來各環節對環境的總體影響更小、資源利用率更高、功能價值更佳[10]，實現從家具設計的源頭對木材資源的節約、對能源節制，以提高家具整體綠色化程度。

2 家具材料的減量化設計

原材料的采集與制備是家具生產的第一步，不同的材料特性可能會在家具產品加工過程中帶來復雜的工藝瓶頸和不必要的能源浪費；而在家具報廢環節，若前期未針對廢棄家具本身的材料制定回收計劃，或采用本身就難降解、難重新利用的材料，勢必增加家具生產的總碳排放。

有關研究表明，家具生產過程中“材料制備”環節是碳排放主要來源之一。如人造板生產過程中，約有70%能耗發生在干燥和熱壓工序[11]；另一項對不同生產工藝下的木基材料研究中，測量以木質板材為主要制造用材的家具產品（包含多種家具類型）生命周期的等效CO2排放清單數據后，指出：需在生產環節減少、回收內部產生的廢物并優化使用的材料數量和種類以盡量減少對環境的影響[12]；而關于強化木地板產品全生命周期碳排放的研究也指出，在其生產的原輔材料使用階段的碳排放約占總生產的50%[13]。可見，對家具材料進行減量化是實現“雙碳”目標下的家具低碳綠色設計的基礎環節也是重要途徑之一。

2.1 低碳人造板材

材料選用的低碳性，在很大程度上決定了產品最終的低碳程度，也是實現材料減量化的重要途徑。相對水泥、鋼鐵行業而言，從生物固碳、減少溫室效應方面考慮，木質材料是更為清潔且綠色的材料。木質林產品固碳和替代效應是通過代替傳統能源密集型材料并以減少CO2的排放量來實現的。一項以芬蘭木質家具行業溫室氣體排放的主要因素研究中指出，材料對產品的溫室氣體排放有著重大影響[14]。

板式家具使用板材為主材，一般以木材剩余物、小徑材等作為主要原材料，故與實木家具相比能有效減少優質木材的使用[15]。而從“雙碳”角度綜合比較，板式家具的生產總碳排放相比實木家具的生產更具減量優勢。一項研究比較和測定了三聚氰胺板、木皮板、拼板和嵌條板等四種材料制造家具的綜合原材料碳排放和生產電力碳排放總量后得出：人造板類家具碳足跡更小，是實木類家具的55%～82%[16]。

2.2 材料的高效化利用

2.2.1 綜合規劃材料利用

提高木材利用率，要從開采原木階段就充分挖掘其每項可利用價值。樹皮、樹枝等可制作碎料板材、刨花板，主料部分則可制造各種板材；回收報廢木質家具，也要充分考慮其回收的價值，通過改造、再加工使其達到一定程度上的循環使用，對于不能直接利用的零件可以經過改造、分離再提煉，重新形成原材料。

2.2.2 材料加工性能

相比板式家具，木材的機械加工性能是影響實木家具的生產中木材利用率和生產工藝的重要因素，選擇加工性能良好性的木材材種，能有效減少加工工時、木工機械耗損及簡化涂飾環節，對實木家具生產減量化有直接的影響。當然，除了木材本身具有較好的加工性能外，還需要進一步提升加工設備性能、提高木材加工機械水平，這不僅是對材料節約利用、減少后期生產環節加工投入，也可提升木材制品成品的品質、延長家具使用壽命，是實現木材高效化利用，達到減碳的有效途徑。

2.2.3 減少材料種類

2021年，我國定制家具行業規模突破4000億元，其中板式家具達到了80%～90%[17]。在定制生產過程中，企業為了滿足不同消費者的需求，其所用板材種類也會增多，如板材基材的種類和飾面種類。但是，繁雜的材料種類會造成拼單困難，導致材料利用率降低。因此，在滿足消費者需求的前提下，家具企業可以控制并減少板材基材與飾面的規格、種類或將其限制在一定范圍內，以實現家具板材庫存和品類的減量化。

2.2.4 優化開料與揉單生產

除少數頭部定制家具企業的板材利用率能夠達到80%～90%外，我國多數家具企業以工人的經驗為主，其板材利用率只有60%～70%，普遍存在開料與制造為“非標準化、單件化”及材料浪費大、出錯率高等問題[18]。

優化開料。在個性化定制時代，客戶需求的多樣性使得訂單內容變得繁多且復雜，進而導致排樣、開料難度加大，開料方案的好壞直接影響到板材出材率，進而影響整體材料利用率。隨著智能算法在家具行業尤其是排板階段的深入研究與推廣應用，板材的利用率也不斷提升。如Buehlmann提出基于成組技術優化的裁板方法[19]、還有學者在基于蟻群算法[20]、灰狼算法[21]的板材排料優化方法及與訂單組批和排樣的協同優化等方面的研究[22]，都在提升材料利用率，推進開料減量化。

揉單生產。揉單生產是將多個訂單混合在一起進行排單生產的模式，企業系統后臺會分析并統計每個訂單，將不同訂單中相同的零部件組批，統一安排生產任務。揉單生產帶來的減量化優勢主要體現在提高材料利用率上，有研究在測試了在訂單數一定的情況下，揉單生產比訂單式生產（即“一單一生產”模式）的板材平均利用率會有大幅提升[23]。

現階段，一些頭部的家具企業，如索菲亞、尚品宅配，通過使用先進的開料軟件融合拆單、拼單的生產方式來優化板材開料，并結合企業生產實際不斷改進相應軟件的算法，在理論上實現了訂單量足夠大的情況下，將板材利用率提升到95%以上，大幅提高板材利用率，實現材料的減量化，大大減少這部分材料浪費而產生的額外碳排放，也是實現“雙碳”目標的有效途徑之一。

2.3 材料的高值化利用

材料減量化的內涵不僅僅在于節約“優材”，更在于充分利用“次材”和邊材、回收利用“棄材”，即對材料進行“高值化”利用。

2.3.1 劣材優用

實木拼接。實木家具的范圍不單指基材采用實木鋸材等天然木材，還包括實木板材，其主要有指接材、集成材、細木工板等。鑒于木材資源數量的有限性，實施“小材大用”“劣材優用”，如使用指接材、集成材，可實現優質木材的減量化和生產工藝簡化，提高生產效益。

2.3.2 邊角料有效利用

木質邊角料是家具企業產生的主要固體廢棄物之一，分布在家具生產各工段。因其種類多、尺寸不一、難分類、精細處理方式復雜等因素影響，常規的處置方式較為粗放，且存在大材小用現象。應根據邊角料特點，在設計階段對其用途進行預判，盡可能使得邊角料的形狀大小能接近二次加工產品的形狀，以有效提高其利用率。如大型余料重新入余料庫存區以制作家具零部件、鋸材實木裝飾用品；中型余料或制成木條、木方用于生產空心板或根據木材邊角料的特殊處理方式由第三方回收企業的進行回收再利用等；而對于一些小料，其作為柴薪利用過于低值化，但用作復合材料的生產原料的制備工藝相對復雜又可能會增加生產成本，則可以考慮將這類尺寸的木材加工剩余物應用于人造板或紙漿生產中[24]。

2.3.3 貼面裝飾

使用貼面材料對家具表面進行處理是一種快速又易加工的方式。對于珍貴的樹種來說，其紋理美麗、加工性能好，可以考慮通過旋切、刨切、粘貼等工藝制造出相應的薄木材，覆貼在一般木材表面，這一方面可以節省珍貴木材，另一方面在不影響實木家具表面效果的同時使用輕質材或集成材做基層材料，減輕了家具的重量，降低了成本，節約了珍貴木材資源，使更多人能享受到優質木材的天然美。

可以選擇木質類的貼面材料，如天然薄木、人造薄木、集成薄木、單板等，使用這些貼面材料能使家具表面保留是木材的優良觸感和特性，具有天然的木紋和自然的色調。實際上，在木家具的生產中往往是幾種處理方式結合使用，如貼薄木后再進行涂飾，這樣的處理能得到更好的家具外觀質量和裝飾效果。從減量化角度來看，它提高了優質木材的使用，可快速、大面積地完成家具表面處理，改善家具表面質量，為后面的工序提供了良好的基礎，減少了處理環節的碳排放。

2.3.4 速生材改性利用

速生材改性技術是改善木材天然材質缺陷、提高木材使用性能和產品附加值的主要手段。質輕木材的特點一般為“速生”，如常見的有楊木、松木、泡桐木、杉木等。以楊木為例，它是我國重要的速生人工林樹種，但因其材質疏松、輕軟、易變形且裝飾性能差，一般難以直接應用于家具這類有高附加值的產品中。

不過近年來對這類速生材的改性技術研究不斷推進，有效提高了材料的使用性能，已經可以部分替代常用闊葉材的使用，主干的木質部分可以被用來制造家具，而其他的邊角余料也可以被作為各種人造板材的原料。

2.3.5 生物質材料制板

中國是農業大國，每年產生大量農作物加工剩余物（秸稈、玉米桿、甘蔗渣等）。然而，針對農作物秸稈的處理方式多為就地掩埋或集中焚燒，對環境造成嚴重污染。秸稈材料化利用是實現農作物剩余物高值化利用的重要途徑，其中，開展以秸稈、蔗渣等為剩余物主要原料代替木材制備秸稈基人造板的研究對實現秸稈代木、廢物高值化利用具有重要意義。中南林業科技大學的相關團隊研究開發了秸稈人造板、甘蔗渣輕質無膠板和阻燃無膠高密度板等，已在建筑、室內、家具等領域得到應用。農作物秸稈剩余物在木質人造板領域的廣泛研究與應用，不僅在某種程度上緩解了木材資源短缺的問題，并有效拓寬了農作物加工剩余物材料化的使用途徑，同時也是家具工業生產中減碳的思路。

2.3.6 廢棄板材回收利用

我國人造板產量保持在每年3億立方米左右，但約有10%的人造板及其相關制品會在數年后被廢棄，因此我國每年就會產生約3000萬立方米的廢棄人造板[25-26]。相較于把這些廢棄人造板再生產制成傳統的木基人造板材，把其作為填充、增強的原料，使用到復合板材的生產中，其再制品的性能會更優越且碳排放也更低[27]。

2.4 輕質材料應用

在不影響家具整體安全性和使用性的前提下，使用輕質材料不僅可以節約材料并且在家具運輸環節節約大量物流消耗的能耗，減少碳排放。

2.4.1 輕質天然材料

在合理使用常規木材的同時，在家具中全部或局部使用輕質材料替代重質木材和一些珍貴木材，可實現材料減量化和家具的輕量化。還有一些輕質的生物質材料也可使用在家具生產中，如使用藤、麻、竹條等生物輕質材料，由其編制的網狀結構擁有比使用輕質木材還輕巧的形態，同時也是一種裝飾的手段。可以在家具面板等非承重處使用，以代替原本需大面積使用木材的部分，以減少木材資源消耗、減輕產品重量，同時實現了家具的減量化與輕量化目標。

2.4.2 輕質人造板

制板技術的提升使得膠合板、空心板材的界限逐漸淡化，輕質木質材料（輕質刨花板的密度約為500kg/m3，輕質纖維板的密度一般等于或低于450 kg/m3）取代原先密度較大的人造板（傳統刨花板大多在620 kg/m3～720 kg/m3之間，纖維板大多為650 kg/m3左右）作為家具的非受力部件應用于家具之中，可以節約木材資源，且還能降低加工能耗和運輸成本。如Hao等研制的空心板在保證強度的同時可減少自重[28]，使得板式家具的主要材料從傳統人造板向輕質高強人造板轉變，為減量化和輕量化設計提供了應用基礎。

3 家具回收與利用的減量化

當前，隨著電商行業膨脹式發展以及板式家具的大量普及化，家具產品更新換代頻繁，木質家具由高端保值產品逐漸成為低價易耗品，并由此產生了不少廢棄木質家具。這些廢棄家具的材料種類繁多，需根據不同的材料進行分離和收集。雖然我國先后頒布并實施了《廢棄木質材料回收利用管理規范》等一系列國家標準，以引導、規范和推進廢棄木質材料資源的高效再利用，但從實際看來，現階段對廢棄家具制品在內的木材循環利用依舊較少。在目前的“雙碳”目標背景下，需要意識到處理這部分“廢棄資源”會產生大量碳排放，需要在家具的前期設計環節就綜合考慮到這一部分資源的可回收和可再利用性，對廢舊木材的回收并資源化利用提前預判并規劃[29]。

現階段，我國廢舊木家具回收與利用主要有：通過木材回收站或與環衛系統合作，將回收的廢舊木料，按照市場需求加工成木料、木塑產品或者作為人造板生產的原料。從家具的回收與利用的減量化角度來看，家具生產制造過程中膠黏劑、油漆、表面涂飾等的應用，若要將木材處理還原到木材原始材料狀態，需進行一系列繁瑣的拆分處理、化學處理，所以回收的廢舊家具較為理想的處理方式還是以直接地修復與翻新后，重新加以使用。

盡管對廢棄木家具回收利用環節的減碳需求較大，但是目前基于廢棄木家具或木材回收的實踐案例調研和理論研究都比較少，到底是由生產制造的主體即家具制造企業主導的回收模式、還是由家具零售企業主導還是要由家具制造企業將廢棄木家具回收外包給專業第三方回收企業或是基于供應鏈動態聯盟戰略聯盟企業式的回收模式[30]，在家具回收與再利用階段的全路徑碳綜合效益最佳、最終的碳排最小，尚值得深入研究。現階段，雖然已經有學者從木質家具的再制造設計、木材回收的逆向物流模型著手，并以最大化供應鏈的利潤和所有參與者雙贏為目標對廢棄木材的回收利用及如何提高整個回收鏈上的效率等展開了研究[31]，但對于如此大體量的廢舊家具淘汰規模而言，還是遠遠不夠的，且需要從設計源頭就進行規劃與預測，而非在最終環節進行“彌補”。

此外，通過提高家具產品耐用性、推遲其老化期，有效減少家具產品的廢棄和處理量；或通過對家具進行可持續性升級、增強可維修性，進一步研究和提升家具設計環節中對于家具零部件的模塊化、標準化、通用化等應用的方法，從而降低制造新家具和處理回收廢舊家具所產生的碳排放。

4 家具減量化設計評價體系構建

在碳達峰碳中和“1+1+N”政策體系指出：“加快完善節能提效體制機制，健全完善工業節能標準體系”。《“十四五”循環經濟發展規劃》中也明確提出：“要加快完善重點產品綠色設計評價技術規范，鼓勵行業協會發布產品綠色設計指南，推廣綠色設計案例。”因此，建立切實有效的與家具綠色低碳發展直接相關并貼合目前“雙碳”戰略背景下的的家具減量化設計評價體系，對延伸和拓展家具綠色化內涵提供可靠的評價方式與優化路徑具有一定的理論和實踐意義。

信息技術不斷發展和“雙碳”目標背景下對循環經濟、綠色設計等各項要求，對于促進可持續發展目標的指導性作用尚停留在定性的理論層面，同時通過對綠色家具產業發展的研究表明，中國家具行業實施綠色制造的關鍵是系統性地提高綠色技術[32]，而作為可實踐的具體指標及相關評價方法的定量研究值得深入挖掘。

4.1 家具的評價方法

對于家具的審美感受的不同、主觀認識上的差異和涉及到人類多種情感、感官因素以及評價者自身及社會因素等的影響，對家具產品的評價一直是個難題[33]，若刻板地按照量化的評價指標體系去套用，很難得到滿意的結果，并會出現許多不確定評價因素。且人們的主觀認識會隨著內外環境的變化而不斷發生變化，哪怕是行業內的不同專家，對各評價因素、指標、指標間的因果關系和互相間影響的權重等關鍵問題的看法也是不同的。如綠色家具就是一個相對的概念，其綠色度具有相對性，評價體系具有層次性，評價指標具有不完全性和模糊性評價標準的不完善。

對于不確定性問題的研究，20世紀60年代，美國學者扎德（L·A·Zadeh）創立了模糊集合（Fuzzy Sets）理論，為解決此類模糊、不確定性問題提供了新的工具[34]。此外，灰色關聯理論、人工神經網絡評價法等也在家具評價中展開了應用。而基于生命周期的評價方法在產品綠色設計的評價中，尤其近年來在碳排放量計算模型時也多有提及，產品的生態性、綠色性以及面向環境性都要在產品的整個生命周期中體現出來[35]。

4.2 基于“雙碳”目標的家具減量化設計評價體系

目前，綠色低碳制造標準化體系工作經歷了從單一維度到多維度、定性與定量逐步融合的發展過程，推動了包含綠色低碳、綠色企業、綠色園區、綠色供應鏈從設計規劃到評價服務等重點領域標準制修訂[36]。我國國家標準GB/T 35607-2017《綠色家具產品評價》對綠色家具產品進行了明確定義。同樣，對基于基于“雙碳”目標下的“家具減量化設計評價”也應該盡快出臺相應的標準，才能從根本上規范和量化家具行業減碳減排的目標。

研究綠色設計、綠色家具的相關內涵，結合循環經濟、“雙碳”理念，對目前“雙碳”目標下的家具減量化概念進一步拓展和延伸，針對家具的綠色化、低碳化、減量化等科學的評價方法在產品設計領域進行理論的探索，為實現“雙碳”目標下的家具綠色化提供一個理論方面的拓展。

構建和完善基于碳中和碳達峰目標特征下的家具綠色化設計評價體系的理論基礎，研究在綠色減碳范疇下的家具工業綠色化的具體定義、內涵和定量評價的實現方式，以獲得基于“雙碳”理念下的綠色家具多目標優化問題的解決范式。但如前文所述，對家具產品的評價和認識必定會出現模糊不清、難以定量的情況，對于家具綠色、低碳、減量化評價的定義與評價也具有這樣的不確定性，需要有一套科學合理的方法來解決其中的不確定性問題，以定性和定量結合的評價方式建立起評價系統。

因此，這里我們可以考慮參照關于國際國內關于綠色發展指標體系來構建減量化設計評價體系。國內外關于綠色經濟評價指標體系的研究非常多，近年來備受眾多國際組織的重視，包括由世界環境和發展委員會（WCED）構建的“城市綠色發展評價指標體系”、由聯合國環境規劃署（UNEP）構造的“綠色經濟衡量框架”[37]；還有，國內相關部門與研究也積極跟進綠色發展指標體系研究，如由國家發展改革委、環境保護部等同制定了《綠色發展指標體系》，以及國內外一些學者也嘗試進行了與綠色發展相關指標的構建。可以看出，對于同一領域的問題，不同機構或研究團體會有不同的評價和構建方法，從這些構建的方法和指標中，也給予進一步完善適合“雙碳”目標下的家具的綠色低碳評價構建評價指標和體系以借鑒和參考。

5 結語

自提出“雙碳”戰略目標以來，我國家具制造業向著節能減碳目標轉型，本文從家具減量化設計角度梳理了“雙碳”戰略目標下家具實現綠色優化的原則，并從家具設計的材料減量化和回收利用減量化角度闡述了家具減碳的途徑。可以看到，“雙碳”重大戰略的決策大力推動經濟結構、能源結構、產業結構轉型升級的同時，也將有力推動中國家具制造業向著基于節能、降耗、減排的智能制造轉型升級。而家具的綠色設計及延伸的家具減量化設計，將從設計理念的源頭指導家具全生命周期中對于減碳減排理念的落實，隨著大規模定制家具制造模式和信息化管理技術的發展，以數字化設計為開端，也引導家具產品從源頭來設計制造環節的“減碳”目標。但也要看到，對于廢舊家具的回收與再利用環節如何實現減量化處理及廢舊家具產生的碳排放量的綜合核算，還有待更加深入與細致的研究。此外，重視并加快構建基于“雙碳”目標背景下的家具減量化設計評價體系，能從根本上推進家具行業實現碳中和和碳達峰目標。