基于全生命周期的木質家具碳減排設計研究

王 麗，祝 苗，駱 琦，2，王 涵

(1.浙江農林大學藝術設計學院，浙江杭州 311300；2.浙江省輕工業品質量檢驗研究院，浙江杭州 310018）

隨著工業社會的不斷發展，人為產生的溫室氣體的排放正在對自然系統和社會經濟系統產生巨大沖擊，引發的自然災害、極端溫度將更加頻繁達到人類健康的臨界耐受閾值[1]，減少碳排放、推動工業產品向低碳減排轉型已經成為控制環境惡化，實現經濟低碳發展的必由之路。家具產業是我國工業的重要組成部分，其生產過程中涉及多種資源能源消耗以及二氧化碳排放，作為家具產品生命周期的起點，設計階段對家具產品70%以上的制造、使用、運輸、回收再利用和廢棄處理等性能起決定性作用[2]。觀念的轉變要求設計師以低碳思維指導家具設計，從成本及工藝的源頭減少家具制造過程中的碳排放[3]。進行基于全生命周期的木質家具碳減排設計策略研究，有助于設計師在家具設計時系統、創新的運用低碳設計方法，最大程度提升設計的低碳性，從源頭改善家具產業高碳排放問題，為我國家具低碳設計提供思路和參考。

1 全生命周期理論研究

全生命周期理論被廣泛應用于各大領域，用于表達事物從“出生”到“滅亡”的整個過程，在設計領域以設計研發為起點、以控制各個階段產品碳排放為目標指導產品進行周期性設計。作為設計決策的重要思想和工具，其基于環境資源、消費心理、戰略成本等多角度進行綜合分析，系統直觀的展示產品的整個生命進程。

全生命周期設計立足于“過程”層面，以減少碳排放為目標進行全面思考，使設計師真正站在全局角度尋找優化資源利用的思路與方法，針對產品不同階段的特點采取相應設計策略，從宏觀角度解決家具制造過程中的微觀問題[4]，探尋任何有可能對環境造成不良影響的因素，并在后續設計策略制定及實施過程中盡量減少甚至消除其影響，目的是以最少的碳排放完成產品需求的實現。

2 木質家具碳減排研究

2.1 木質家具碳減排設計研究現狀

綜合分析近年我國不同類型的家具產品產量，木質家具以其較好的固碳能力及健康舒適的使用價值名列前茅，較大的產量決定了木質家具產業較高的碳排放強度以及較大的碳減排空間。因此，大量業內學者試圖立足于設計的角度探索解決問題的有效策略。

現階段，木質家具碳減排設計方法主要可以歸結為三類：一是選取較為低碳的材料進行設計，林立平指出原材料消耗在木質家具碳排放中占最大份額，根據木基材料固碳能力的差異選擇固碳能力較高的原材料作為家具設計的用料有助于減少其碳排放[5]。二是家具結構再設計，即通過設計手段減少或循環使用高排放材料，如膠水、五金連接件等，或提高家具可拆卸性能延長家具壽命以減少碳排放。孫良峰曾通過模塊細分及重構表達來提高產品結構的可重用性達到節能減排的效果，并構建了面向低碳設計的產品結構多層集成模型[6]，哈里瓦g 艾迪尼（Harivaedhini）等提出一種集成框架為產品早期設計階段的可拆卸性設計決策提供幫助，以降低設計方案對環境的影響[7]。三是采用減量化設計方法，戴向東等從材料、生產工藝及包裝等三個方面進行木質家具減量化設計研究并提出了具體的優化設計方法，以期通過減少資源消耗達到節能減排的目的[8]。對于木質家具設計而言，只考慮某一方向進行碳減排設計的方式較為單一，無法保證家具碳減排設計的整體性和系統性，而家具產品設計是一個系統工程，需要基于全局考慮產品的每一個生命階段，同時還需保證各階段與設計需求（如功能、結構、成本等）的一致性。鑒于木質家具生命周期較復雜，設計師應基于全生命周期理論分析木質家具碳排放特征，以準確識別家具設計中碳減排的關鍵因素，并依此制定后續設計策略。

2.2 木質家具碳減排影響因素分析

木質家具全生命周期作為一個完整的系統，其生命周期每個階段中影響碳排放的因素都可以作為木質家具設計中需要考慮的碳足跡關鍵點，即是該家具的碳減排設計突破點，本文從設計的角度出發，基于木質家具全生命周期將其碳排放的產生分為五個策略階段：材料選擇、生產加工、包裝運輸、銷售維護、使用回收進行分析，提取要素。見圖1表達了木質家具生命周期不同階段的碳足跡以及關系示意圖。

圖1 木質家具全生命周期系統示意圖

2.2.1 材料選擇

材料選擇是木質家具碳排放的基礎階段，決定著碳排放的下限。木質家具在用材上分為實木板和人造板，其中人造板主要包括纖維板、刨花板、膠合板等，由于其生產工藝不同其碳排放情況存在顯著差異。實木板的碳排放特點為自身單位碳排放相對較低，但其后續加工步驟較多，且易產生不必要的原材料消耗；人造板相對而言自身碳排放較高，但其應用靈活，加工工序較少[9]，并且利用了大量回收木材，間接產生了固碳作用[10]，一定程度上能夠控制碳排放。

2.2.2 生產加工

生產加工是木質家具碳排放產生的主要階段，涉及開料、刨切、銑型鉆孔、上漆、裝配等多道生產工序[11]，需要使用的生產設備及工藝都對木質家具碳排放有著至關重要的影響。工藝的耗能直接影響碳足跡，工藝設備對能源如電能、水能、熱能的消耗都是碳排放產生的主要原因，采用低耗能工藝及環保工藝可有效實現減排[12]。工序的復雜度影響碳排放，對原材料加工、上漆、裝配（連接件使用、連接膠使用）等工序的安排直接影響碳足跡。

2.2.3 包裝運輸

包裝運輸涉及到包裝材料使用、在庫管理、運輸能源等碳排放。首先，木質家具自身重量決定其儲運難度以及運輸能源消耗量，家具重量與運輸碳排放成正比；其次，木質家具結構影響碳排放，這由運輸過程中包裝及擺放方式決定；其三，包裝材料用量影響碳足跡，為保證在儲運木質家具過程中的安全，一般會大量使用塑料膠布、塑料填充氣泡、紙質包裝盒等碳排放較高的包裝材料，因此優化包裝材料是減少碳排放的有效途徑之一。

2.2.4 銷售維護

銷售維護環節是連接生產者與使用者的關鍵節點，涉及的碳排放活動除去基礎銷售，還包括產品的分揀，上架，維護、售賣等，銷售效率即庫存數量決定著銷售維護環節所消耗的電能與維護成本，是銷售維護環節碳足跡的主要影響因素，此環節受產品外觀及理念設計影響較大。

2.2.5 使用回收

使用過程受木質家具自身材料及結構影響較大，相同使用方式與強度之下，家具結構、強度、拆裝難度決定了其使用壽命即報廢率，其中可拆卸結構家具以其更新便利性有助于控制碳排放。回收過程分為回收銷毀、降級利用[13]與直接利用三種方式，降級利用與直接利用能有效減少資源消耗以及碳排放，是木質家具減排設計的重要組成部分。

3 木質家具碳減排設計中的沖突分析與解決

木質家具全生命周期中涉及多種復雜影響因素，這就要求設計師進一步明確木質家具碳減排設計的本質：即對碳排放影響因素的優化、取舍，并在保證或提高家具性能的情況下控制其對環境的影響，例如當改變某個原材料、部件以減少產品碳排放時，必定會影響到與之相關聯的產品性能，如穩定性、耐用性等，若此影響為負面則會出現沖突。因此在木質家具碳減排設計中必需發現和解決沖突。由發明家阿奇舒勒創立TRIZ 理論是一種為解決問題建立的通用模型，能夠通過對未來趨勢進行預測指導設計師在探索中掌握產品創新規律。目前廣泛應用于產品創新設計領域（圖2）。本文擬應用TRIZ模型將木質家具設計中出現的矛盾基于39個工程參數進行重新描述，分析得出相應的技術矛盾，并通過建立矛盾矩陣，由沖突雙方確定相應的可用發明原理用于后續設計[14-16]。

圖2 TRIZ解決問題示意圖

3.1 木質家具碳減排設計中的沖突分析

通過對木質家具碳排放特征及影響因素進行篩選與歸類處理，從設計方面減少木質家具碳排放主要可以通過材料、結構、外觀三方面的改進設計來實現（圖3），該優化過程面臨如下三種沖突。

圖3 沖突分析流程圖

（1）碳減排與穩定性方面的沖突。木質家具碳減排設計中，為減少原材料自身以及儲運過程中的能源消耗，通常會采取減少原材料使用、減少連接件使用、優先輕量原材料等設計方法，然而若材料使用過少或過于輕便，則強度及支撐力會產生相應變化，或影響產品正常使用；若設計中大量減少連接件、膠黏劑的使用，雖一定程度上控制了碳排放但不合理的設計易導致穩定性降低，從而使消耗率上升即碳排放增加，并且易造成安全隱患，與設計目的相悖。

（2）碳減排與結構方面的沖突。為了有利于木質家具的拆解運輸，回收拆分以減少碳排放，大量設計師致力于木質家具結構上的創新，但當結構過于復雜時易導致如下問題：其一，用戶組裝與維護難度提升，雖便于部分零件更換或者減輕運輸空間壓力，但操作不當引起不必要的損耗的概率隨之提高；其二，消費者購買欲望降低，過于復雜的結構易導致消費者認為其使用難度較高，難以提高消費者的消費欲望，將增加庫存成本；其三，加工難度增大，復雜的結構雖然減少了材料消耗，但是對加工精度要求較高，引起工序的增加，生產過程中需要花費更多的時間，從而降低生產效率，不利于節能減排。

（3）碳減排與外觀方面的沖突。在外觀與結構上，為減少木質家具碳排放，極簡設計大量出現，然而過于簡化或忽視外觀設計或引起消費者購買欲望減弱，降低產品競爭力，從而導致銷量減少，同時外觀設計也是對產品的一種保護設計，適當的裝飾可減少木質家具主體框架儲運及使用過程中的磨損，有助于木質材料的回收再利用，而過于簡化外觀設計易增加產品消耗率，更易引起碳排放增加。

3.2 木質家具碳減排設計中的沖突解決

3.2.1 TRIZ沖突矩陣構建

針對木質家具碳減排設計中存在的3對主要沖突，為獲取相關技術矛盾，需將相關產品特性向TRIZ問題轉化。首先將設計過程中涉及的沖突轉化為39個工程參數標準描述。碳減排、結構、穩定性、外觀分別對應：No.23、24能量和物質損失、No.36裝置的復雜性、No.13結構的穩定性以及No.12形狀。基于標準的工程參數描述可將木質家具碳減排設計中的矛盾轉化為TRIZ沖突矩陣，矩陣中行所描述的是工程參數為沖突中改善的一方，列代表工程參數中惡化的一方，表1為木質家具碳減排沖突矩陣簡圖。

表1 木質家具碳減排沖突矩陣簡圖

3.2.2 木質家具碳減排設計沖突解決

利用矩陣所得發明原理并結合專業知識與設計經驗，對所得各個發明原理進行分析篩選后優選出發明原理如表1所示，解決碳減排與穩定性的矛盾可用原理為分離原理、多用性原理，解決碳減排與結構的矛盾可用原理為預操作原理、套裝、反饋，解決碳減排與外觀的矛盾可用原理為局部質量、合并、參數變化。木質家具碳減排面臨的三個設計改進方向已初步確定，在此結合篩選設計原理為木質家具碳減排設計提出相應解決方案如下：（1）將木質家具的關鍵結構分離出來，在保證關鍵結構穩定牢固的基礎上針對其他部分進行輕量化設計以及減少連接件設計等，以減少木質家具碳排放；（2）使一個家具能同時滿足多種家具功能，雖然單一家具耗材增加，但是合理搭配的多功能家具能夠同時滿足用戶多項需求，最大限度地發揮木質家具各部分的作用。（3）預先對需拆卸結構進行設計，使其處于易操作位置，減少木質家具組裝和使用過程中需用戶組裝及維護的難度，提高使用和生產效率。（4）充分調研用戶需求，明確木質家具目標消費群體需求，通過外觀和結構創新設計提高消費者購買欲望。

4 木質家具碳減排設計

基于對木質家具全生命周期系統的碳足跡分析以及通過TRIZ理論得出的碳減排設計沖突解決方案，本文以一款家用木質功能桌椅為例，探討碳減排設計在木質家具中的實踐運用。

4.1 材料選擇階段的碳減排設計

對木材的合理利用是木質家具碳減排設計的重要環節之一，本款木質家具設計基于TRIZ的分離原理依據各部分所承載的功能以及板材特性選用了實木與人造板作為主要材料，骨架承重部分采用實木板，非承重部分采用輕質人造板，節省實木材料的同時一定程度上減輕了家具重量，減少了家具儲運過程中的碳排放（圖4）。

圖4 家具拆分示意圖

4.2 生產加工階段的碳減排設計

在家具生產時，往往因家具結構尺寸的差異性而使生產工藝及工序相對復雜，本設計結合國家標準與產品功能進行設計，大范圍使用標準幾何形及零部件，并結合TRIZ與操作原理，將安裝拆卸位置于易操作位置，很大程度上降低了生產加工過程中的操作難度，減少木材消耗以及能源消耗，可有效降低碳排放。

4.3 包裝運輸階段的碳減排設計

基于本家具易拆裝的特點，包裝運輸時可將家具拆卸為多塊板材并進行疊放（圖5），有效提高了空間利用率，除此之外，實木與輕質刨花板的結合使其相對重量較輕，能夠提高運輸效率，減少碳排放。包裝上采用質量較輕、強度較高且耗材少的蜂窩紙箱，并使用板材開料后的剩余邊角料進行填充，保護支撐家具的同時對廢料的二次利用是碳減排的重要方式之一。

圖5 包裝疊放示意圖

4.4 銷售維護階段的碳減排設計

隨著低碳消費理念逐漸走進人群，廣大消費者對于產品的環保性、低碳認證、材質親和力等更為重視，本設計基于TRIZ多用性原理對家具進行多功能設計，在不過多增加材料消耗以及工藝難度的基礎上豐富了產品的功能，一物多用的設計提高了產品吸引力，簡潔明了的造型符合當前低碳簡約的審美風向，提高銷售效率。

4.5 使用回收階段的碳減排設計

為在使用階段提高產品的使用率并使資源利用最大化，本款家具實現了座椅、置物架以及書桌三種功能的轉換（圖6），且在此過程中不需要額外拆卸，優化用戶使用體驗；淺綠色以及原木色的結合從心理上向用戶傳達節能減排的理念[17]。此外，大范圍使用標準件以及易于拆裝的特點使用戶能較為方便地更換損壞部件，實現家具結構的再加固，從而延長木質家具的生命周期，并避免了拆卸時材料和零部件的損傷，提高回收再利用價值，以減少其碳排放[18]。

圖6 木質家具功能轉換圖

5 結語

本文基于全生命周期理論，對木質家具碳減排設計進行探討，將木質家具全生命周期進行階段劃分，梳理各階段碳足跡特點，分析解決了木質家具碳減排設計中存在的沖突并轉化為39個標準工程參數描述，通過構建木質家具碳減排沖突矩陣提出了對應解決方法。以一款功能家具設計為例，驗證了基于全生命周期理論能夠更全面更系統地進行木質家具碳減排設計，一定程度上為木質家具碳減排設計實踐提供了借鑒與參考。