數字建造技術下榫卯家具創作課程的探索與研究

韋紫怡 武漢傳媒學院

榫卯結構是我國傳統建筑的主要連接方式，也是支撐家具的經典拼接結構，更是我國匠人的智慧結晶。在新時代大力弘揚工匠精神和文化自信的背景下，很多學者都在研究傳統榫卯藝術的傳承，但對于高校的實踐教學來說，傳統龐大的榫卯工藝知識體系并不能僅僅通過寥寥幾個學時讓學生吸收，然而通過與數字技術相結合，可以改變這一現狀。

一、榫卯技藝與數字榫卯的概述

榫卯，從詞源解讀，榫是指凸出的榫頭，卯是指切掉的榫槽或榫口，兩者可相互結合為一個整體，它隱喻了陰和陽這一樸素的東方藝術學原理。將榫卯結構的傳承與數字技術相融合，可通過現代技術CNC 數控雕刻機根據設定的程序來自動完成雕刻工作，結合榫卯的拼合方式完成家具的制作。數字榫卯是構想實現一種在線切割服務，在電腦上操作設計，實現三軸CNC 數字加工后通過板材榫卯結構式拼裝，在數字制造中突破空間的限制。數字榫卯讓藝術品制作像打印照片一樣便捷，像打印一樣使用數字處理機遠程輸出，本地制造。隨著數字技術的發展和繁榮，信息和資源更加開放，基于對傳統文化、傳統技藝和當代建筑等多樣性知識的共同興趣，進行了理論和實踐相結合的“知行合一”課程研學。

二、高等院校開展數字榫卯實踐創作課程的意義

傳統木構建筑營造技藝是人類對天然木材進行充分認知且長期習得所形成，具有悠久的歷史和高超的技術。從可拆裝的角度，結合現代的材料、結構和技術，將傳統榫卯結構進行優化與創新，提出榫卯結構家具現代化設計的方法，使其重新回歸到家具產品中。通過對榫卯結構及數控切割技術的學習，可增強學生對前沿技術的了解，也能提高學生的設計能力和動手能力。將傳統榫卯工藝與CNC 數字雕刻技術相結合，完成榫卯結構數字化家具設計與制作，具體包含“榫卯工藝了解、CNC 機床操作、方案設計與論證、家具生產”四個板塊。從木材的材性出發，對不同文化背景下的榫卯類型進行廣泛的比較和深入的解讀，直觀地揭示了這個獨特領域的學理知識。通過對從力學分析到復雜造型的建造的深入介紹，拓展了對傳統木構的空間和造型的認知。從數字技術的科普到CNC 數控加工工藝的學習，初步了解數控雕刻的設計流程及特點。以此為出發點，通過由小到大之不同尺度、由易到難之結構知識的學習，落實在榫卯家具的制造上，完成構思、設計、繪圖和實操等完整教學過程。通過校企合作，將傳統榫卯構建基本結構原理及數控切割手法傳授給學生，在不同教學環境和審美認知下進行交流、碰撞，產生一定的影響。對榫卯知識點及CNC 數控技術的操作進行研究教學，分析挖掘其結構的巧妙性、藝術性，通過單一的板材和榫卯結構將其組裝成一個具有穩固結構的座椅。通過實物建構的設計形式，應用真實材料1 ∶1 搭建真實尺寸空間體的體驗式學習及實踐活動，在此教學環節中學生可以從課程中領悟到工匠的創造思維和一絲不茍的精神，并根據對環境設計專業的空間要求、對材料及造型邏輯的掌握來解釋自己的方案，致力于將作品與人文藝術聯系在一起。這一實踐培養了學生對環境、材質紋理、空間尺度等設計影響因素的把控能力，了解體驗了設計前沿技術，為校企合作的實訓項目奠定了基礎。

三、數字榫卯家具設計的實訓策略

設計流程為從設計方案到CAD 圖紙，再到CNC數字加工、雕刻，CNC 加工和數字制作的作品被稱為數字榫卯產品。通過加工板材的方式來制作產品，最終完成榫卯結構式拼接。在選材時了解材料的科學性能，在取材時體會數學的縝密，在制作時鍛煉動手能力與空間想象能力，最后完成制作時培養綜合能力。

在前期設計階段要充分了解榫卯的拼合方式，才能在產品的三視圖中有意識地進行榫頭及榫口的準確設置。用數控技術加工后的產品安裝有2 種構成方式、5 種接合方式。構成方式一為“三明治式”，可理解為三片式結構，是用左右兩邊的木板夾擊中間的一塊木板形成家具產品的穩固結構；其二為“十字交叉式”，是木板之間預留空隙，將木板間互相形成豎向穿插后立坐于地面，將平行于地面的座椅座面固定其上方形成穩定結構。這其中的拼接結構就運用了我國傳統榫卯拼接結構，采取了其中幾種較為經典且易操作的方法。按照基本結構體中的構件連接方式進行榫卯節點的類型學分析，這使得復雜的榫卯節點變得相對容易理解。一類主要是做面與面的接合，也可以是兩條邊的拼合，還可以是面與邊的交接；另一類是作為“點”的結構方法，對基于榫卯節點的圖解進行研學練習，了解多種類型的榫卯拼接結構（見圖1）。在椅子產品中常用的榫卯形式有燕尾榫、十字榫、半榫、穿榫等，其中燕尾榫和十字榫因與板材契合度高使用較多。

圖1 榫卯接合形式種類

通過使用給定的材料及技術方法，在開源設計的前提下制作一把椅子。學生通過學習繪制實際家具生產中不可缺少的三面圖和全尺寸圖，可以迅速捕捉到傳統榫卯技藝與數字技術相結合的奧秘。位于車間的匠人對板材加工及計算機的數據操作可直觀呈現雕刻技術的精細化處理，學生參與部分樣品家具的榫卯拆解和組合，動手參與的過程更能夠深刻體會隱藏在結構體內部的節點，可以激發學生對傳統榫卯結構的喜愛，從而轉化為動力，能動性地去研究其拼合結構。

產品的制作可歸納為四個環節：制作三視圖、設計榫卯接合部分、榫孔部分進行0.2～0.4 mm 的放量、在機器打孔位置預留轉彎圓孔。數字榫卯可加工制作很多形狀的板材，目前的加工機器可進行垂直切割，需提前計算耗材。由于實物板材的膨脹程度不一，在板材受到限制的情況下，需要提前測試好與計算機方案的尺寸誤差值，以在進行設計及生產時，盡量節省材料，讓設計變得更經濟環保。

四、數字榫卯家具設計的教學實例

榫卯結構是古典家具的靈魂。一套家具雖然不使用一顆釘子，但可以使用數百年甚至數千年。榫卯不僅是匠心的體現，更是中華傳統文化的瑰寶。“綜合創作2”集中實踐課程是以木構為主題、人機工程學為設計基礎、數控加工技藝制作為手段、榫卯節點為核心結構的綜合性聯合教學。在教學內容分配過程中，減少理論知識點的講解，以體驗式教學環節為主，通過工作坊的調研參觀及企業導師的實操講授，身臨其境地體驗設計流程。

課程教學內容劃分為三個階段，以層次遞進式推動教學進展。

（一）“理解與挖掘”

在此課程階段中分別設置榫卯解讀、工坊參觀、測繪實錄的環節，輔助學生理解知識點，以多款數字榫卯產品實物為對象，經歷場景體驗、實物拆解及拼裝、理解與歸納等一系列從實物體驗到主觀認知的過程。

（二）“反思與構思”

分別設置案例檢索、設計構思、結構探究的環節，以優秀的榫卯座椅家具為對象，在開源網站里查閱CNC 數字家具的拼裝結構及板材的制作細節圖紙，通過線上智能共創與線下智能制造結合的數字線下工坊的形式，在全網進行案例的收集和整理工作，針對大范圍樣本案例的設計進行分析以及對設計方法、路徑進行歸納與反思。以第一階段的榫卯知識點和數控雕刻技術為設計基礎，完成知識了解到具體應用方法的銜接。

（三）“創新與建構”

分別設置模型驗證、實物搭建、表達呈現的環節，課程作品設計方案預先使用CAD、SU 等電腦制圖軟件完成后，再通過1 ∶10 的小模型來驗證座椅設計的穩固性和設計語言呈現。通過多次嘗試及細節調整，在最大限度減少耗材的情況下確保座椅結構的完整性，結合驗證模型及對應的CNC 雕刻圖紙文件、方案中座椅的比例尺度，完成方案呈現。

經過課堂教學、實地考察、現場交流、合作設計等教學環節，完成了學校與企業的聯合實踐教學。在本次教學實驗中有意地開闊師生視野，使他們走出院校，吸納學習新型建造技術，讓環境設計實踐教學作品更加精細化。和優秀企業聯合教學的形式，初衷是希望看到某種劇烈的相互激發，以產生更加獨特的設計成果。學生在實際搭建的過程中能夠收獲到團體分工合作完成任務的喜悅，靈活運用板材及操作工具完成家具拼裝，并在搭建過程中用視頻完整記錄拼接的過程，組內分工明確且合理，搭建成品結構穩固、尺寸適宜、造型美觀。舉辦“椅子計劃——數字榫卯技術應用下的家具設計展覽”（見圖2），有資質的建筑師及設計師參與到課程中，對方案進行指導點評。在課程展覽中被設計師選中的優秀椅子，其作者可與企業簽署協議，成為簽約設計師，作品上架于數字商店中進行售賣。通過這種方式鼓勵學生進行藝術創作，不僅可以提高學生的藝術修養，還可以促進學生的自我表達和成長，學生在課程學習中也有了深刻的感想，真切體會到實踐課程的意義。

圖2 座椅家具實踐成果

五、結束語

傳統木構技藝需要匠心巧思和親力親為，該特點成為此次教學研究的基石。該課題的核心價值主要在于以木建構這一具體可設計和制作并討論的對象，進行空間、功能、人體尺度、材料、技術、制作、結構等多維度的建造問題的深度學習，借助數字榫卯形式使家具得以順利呈現，其過程充滿了挑戰和趣味。教學過程除了設計草圖這樣最基本的操作之外，1 ∶10 的構思模型，1 ∶1 的實物展示，學生動手操作所觸發的身體與材料之間的互動關系、材料連接時的不同節點設計與榫卯加工制作之間的關系，這些拓展了環境設計專業學習的常規方式，必然會引發教師和學生對空間設計基本問題的新思考。