关键词:钢架结构;木塑复合材料;设计要素;设计价值

钢结构家具是指以金属钢架结构作为承力构件，并能满足人们日常生活、工作和起居等基本要求的金属器具，兴起于欧洲，以唯美的造型和简约的金属锻造构件体现出有别于实木家具的独特艺术风格。相比于所有用料都是木材的纯实木家具，钢结构家具最大的优点就是金属材料对家具结构的约束较少。生产钢架结构的钢材为工业标准型材，具有结构稳定、牢固耐用，在较恶劣的环境和气候下不易发生变形。相比于木材，钢材的可塑性更好，在大批量生产中可以通过提高家具的生产效率而降低成本［1］。近年来，以木塑复合材料为主体材料的家具蓬勃发展，并占领了部分纯实木家具的市场。生产木塑复合材料的主要原料为农业废料，按比例混合后添加聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等黏结在一起并通过注射成型、模压或挤压等工艺生产成制造家具所用的型材［2］。与纯实木家具相比木塑家具具有成本低，耐用性好，家具表面更加耐磨，在极端干燥或潮湿的环境下不容易变形等优点。钢结构木塑家具综合了钢架优异的力学性能和木塑复合材料稳定的加工性能，以价格合理、工艺精湛和坚固耐用的特点成为了家具市场的热点。

1基本理论

1.1钢架结构的功能优势

钢结构家具早期主要用于室外的公共设施或公共办公场所中，其最为突出的特点就是在较恶劣的环境下仍能保证稳定性和耐久性。随着家具产业的发展，家具产品中钢结构部分逐渐增加、金属零部件所占家具整体比例不断增大，这说明了钢结构家具已经从室外转向室内，从公共环境进入私人生活并逐渐受到人们的关注和期待。大部分学者认为，将钢架结构应用于家具构造设计中的主要优势有如下三点:1)钢架结构的家具生产和使用环保性更好，废置家具中的钢材可以通过回收处理后再生产，在降低了家具的生产成本的同时节约了大量的自然资源;2)随着自动化技术的发展，家具中的大部分金属零部件可以实现大规模批量生产，这使得钢结构家具的制造成本远远低于纯实木家具;3)纯实木家具在极端干燥的环境下容易变形，受潮后容易腐朽、霉变，而钢结构家具的结实耐用和较长久的使用时间等优点是纯实木家具无法匹敌的。上述三点原因是钢架结构的功能优势，也是钢结构家具迅速占领市场并被大众所接受的理由。除此之外，近年来发生了翻天覆地变化的居住环境和大众审美观念也是推动钢结构家具发展的重要动力。随着现代化钢结构即玻璃幕墙的公寓式建筑的出现，先进的生产工艺、创新的结构设计和简约的生活理念成为人们选择家具的主要判断依据，而这也恰巧是钢结构家具的优势所在。

1.2木塑复合材料的基本属性

由于天然木材的过度采伐和森林资源的保护不当，现有的木材资源已经无法满足人类生产生活的需要。与纯天然木质材料相比，木塑复合材料的力学性能更好，表面光洁度更高，几乎无子节、翘曲和裂纹等缺陷，耐久性好，不易被虫蛀和微生物降解，是天然木材的完美替代品;与塑料相比，木塑复合材料更能彰显木质原料的质感。1.2.1物理性能用于家具制造的纯实木材料包括栎木和松木，木塑复合材料主要有聚氯乙烯(PVC)+木质纤维(WF)、高密度聚乙烯(HDPE)+WF和聚丙烯(PP)+WF三种复合材料。这几种材料制成板材的力学性能对比如表1所示，其中栎木和松木板材含水量为12%，PVC+WF、HDPE+WF和PP+WF三种复合板材木粉加入量40%。根据表1分析可知，木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量比纯实木低，但市场上大多数的木塑家具都是由型材和钢架结构组合而成的，木塑型材基本不承受太大载荷。在实际使用过程中，以木塑复合材料作为制造家具的型材是可以满足日常生活中对于型材抗弯强度和弹性模量的要求。另外，木塑复合材料的密度远大于纯实木材料，这说明木塑复合材料的吸水能力远远小于实木材料，这使得木塑家具在潮湿环境下仍能保证稳定的形状且不会生长真菌。木塑复合材料受温度变化影响会发生缩胀变形，变形大小主要由材料混合比例(塑料基体和木质纤维增强材料的比例)和加工工艺(冷却方式、挤出速度和模压压力等)有关。发生膨胀变形的木塑复合材料型材通过退火处理可以基本恢复原有尺寸。由于木塑型材的密度大，基本不会发生收缩变形，环境变化引起的收缩变形主要是对真空板材而言的。木塑复合材料属于易燃材料，降低木塑型材的可燃性方法有两种:在配方中添加阻燃剂或采用低燃烧性的塑料作为基体。PVC是常用的低燃烧性基体之一，但PVC在高温下会分解出强酸，对使用环境造成污染。大部分的阻燃剂也都是不环保材料，在配方中添加矿物类材料实现阻燃效果会增加原材料的成本。因此，日常住宅所用的木塑家具无法在阻燃性方面有太高要求。1.2.2化学性能木塑复合材料在抗生物降解方面优势明显，无需进行抗菌或抗白蚁处理就可以加工成型材投入日常使用。Mankowski等［6］通过电子显微镜的观察发现，木塑复合材料抗生物降解的能力随着木质纤维的含量增加而减小，随矿物质含量的增多而增大，这要求设计人员根据家具的使用环境选择具有不同木质纤维含量的型材。木塑复合材料的抗氧化能力强于纯实木材料，比塑料弱。在时间使用后，塑料产品表面会发生一定程度的氧化，内部结构处于缺氧环境，几乎不发生氧化。木质纤维作为增强材料会使木塑复合材料呈现多孔机质，这使得其内部结构能渗入空气，其抗氧化性能力也就无法与塑料制品相比。在配方中添加抗氧化剂和增加材料的密度都可以提高木塑复合材料的抗氧化能力，延长木塑家具的使用寿命［7］。1.2.3加工工艺性能木塑复合材料的生产工艺分为塑料加工工艺、人造板加工工艺和无纺织工艺三种。塑料加工工艺加工的木质材料主要为木粉或较细的木质纤维，成型后的型材木粉含量可高达85%，但材料在冲击载荷下容易发生脆性断裂。挤出成型和注塑成型都属于塑料加工工艺，其中注射成型可以生产形状较复杂的产品，但无法在材料中添加较多的木粉。挤出成型的成本低、效率高、质量稳定，可用于木塑型材的大规模批量生产，在工业领域应用较广泛。人造板加工工艺是将木质纤维或木粉与基体混合制成组坯后进行热压成型，适合木质纤维含量高的木塑复合材料的制造。无纺织工艺的生产原料来源有木纤维、天然植物纤维和合成植物纤维等，该工艺是将生产原料按照要求比例混合并进行分散、均匀处理后进行冷压形成坯料，成型后的坯料多为片材或卷材。

2设计要素分析

2.1功能性分析

家具的设计制造受材料、艺术、生产力水平等多方面因素制约，是科学、人文与艺术综合运用的结合体，是不同时期大众的生活习惯、社会文明和历史文化等诸多特点的映像［8－9］。作为营造生活环境的重要工具，家具主要有物质和精神两方面功能。物质功能指家具最基本的使用功能，即满足日常生活的使用需求，也是家具的首要功能。离开了物质功能，家具就很难称为家具，更谈不上体验感受的要求了。对于有限的居住空间，家具不仅要满足实用功能，更应考虑如何增强收纳性，以实现减小占用面积、节约空间的目标。钢结构木塑家具的结构设计中，可以引入开发折叠、抽拉和移动式组合等模块化功能，通过挤出成型的型材根据客户要求切割，钢架结构设计成卡接结构或钉合结构等，以满足小户型家具用户的使用需求。精神功能是间接影响用户体验性家具的一项重要功能，即要求在家具构造设计中实现产品的“情感化”。钢结构木塑家具的市场主要面向青年、青少年群体，受教育程度较高且有较独特的审美观念。力求简洁明快的构造元素设计时，应体现积极向上的情绪力量，在心理情感上带给客户舒适感和愉悦感。

2.2结构分析

钢结构木塑家具常用的连接方式有三种，即焊接、胶接和机械连接。2.2.1焊接焊接是一种有效且迅速的金属工件间的连接方法，但焊接件的修理和拆卸比较困难，焊缝处存在应力集中，存在的残余应力会使产品发生形变。钢结构木塑家具的焊接工艺分为钢架结构的焊接和木塑型材的焊接两部分，钢架结构焊接工艺发展比较成熟，已经成为钢架结构大批量生产中稳定的连接工艺。新型振动焊接技术是用于木塑型材焊接的新型工艺。与传统焊接方法相比，不仅焊缝接口处更加稳定可靠，焊接的时间也大大缩短。2.2.2胶接胶接又被称为粘接，是黏结剂经物理或化学变化将接合处连接在一起并具有一定强度的工艺。胶接属于非破坏性连接工艺，具有工艺简单、成本低、受力分布均匀、使用寿命长、质量轻、密封性好等优点，是木塑家具中主要的连接工艺。相比于其他工艺，胶接也有明显的缺点，如被连接结构拆卸不方便、黏结剂的力学性能受环境温度的影响较大、家具表面胶水的清理工作比较麻烦等。目前，用于木塑家具中效果较好的黏结剂主要有聚氨酯、环氧树脂和J39胶粘剂。2.2.3机械连接机械连接包括螺栓连接、螺钉连接和铆接等，是利用紧固件将型材、钢架连接成复杂零部件的工艺。木塑家具的连接工艺中，机械连接的适用范围比较广泛，常用于钢架结构的连接和钢架与木塑型材的连接。机械连接也是品牌家具主要的连接工艺之一，使用螺钉、螺栓连接不仅方便家具的维修和拆装，家具的造型也更加美观。木塑型材本身具有黏弹性，使用机械连接工艺需要在板材的端部或边缘预钻孔，降低了材料的力学性能。如何提高木塑型材的机械连接工艺的强度，减少螺栓孔对型材整体结构的破坏仍需要进一步研究。

3设计价值

钢结构木塑家具既具有家具功能性要求的一般价值，又体现了有别于传统审美观念的特殊价值。对于青年消费群体来说，如何减小家具的占用空间同时不影响居家的舒适性和便捷性是购买家具中率先考虑的问题。这两个问题看似互为矛盾很难解决，但木塑家具的型材可塑性高，钢架结构便于拆装和折叠。据此，商家结合了木塑材料和钢架的优点，推出了折叠式、组合式、悬挂式和移动式家具等。生产钢结构木塑家具的木塑型材和钢材价格低廉，工艺简单，废旧家具中的钢材可以回收再利用，即保证了经济性的同时又满足了环保要求。造型简单新颖、色彩多元化和特有的文化内涵是钢结构木塑家具的特殊价值体现。住宅家具应以经济适用为主，简约而不简单是近几年家居装饰的流行元素。钢结构木塑家具设计力求美观而不繁琐，可供选择的丰富色彩给予用户独特的视觉效果，追求低碳环保的生活方式是其特有的文化内涵。

作者：王荻 单位：无锡太湖学院