王 麗，祝 苗，駱 琦，2，王 涵

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，浙江杭州 311300；2.浙江省輕工業(yè)品質(zhì)量檢驗研究院，浙江杭州 310018）

隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，人為產(chǎn)生的溫室氣體的排放正在對自然系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生巨大沖擊，引發(fā)的自然災(zāi)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(yè)產(chǎn)品向低碳減排轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為控制環(huán)境惡化，實現(xiàn)經(jīng)濟低碳發(fā)展的必由之路。家具產(chǎn)業(yè)是我國工業(yè)的重要組成部分，其生產(chǎn)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(chǎn)品生命周期的起點，設(shè)計階段對家具產(chǎn)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(zhuǎn)變要求設(shè)計師以低碳思維指導(dǎo)家具設(shè)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(zhì)家具碳減排設(shè)計策略研究，有助于設(shè)計師在家具設(shè)計時系統(tǒng)、創(chuàng)新的運用低碳設(shè)計方法，最大程度提升設(shè)計的低碳性，從源頭改善家具產(chǎn)業(yè)高碳排放問題，為我國家具低碳設(shè)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(yīng)用于各大領(lǐng)域，用于表達事物從“出生”到“滅亡”的整個過程，在設(shè)計領(lǐng)域以設(shè)計研發(fā)為起點、以控制各個階段產(chǎn)品碳排放為目標指導(dǎo)產(chǎn)品進行周期性設(shè)計。作為設(shè)計決策的重要思想和工具，其基于環(huán)境資源、消費心理、戰(zhàn)略成本等多角度進行綜合分析，系統(tǒng)直觀的展示產(chǎn)品的整個生命進程。

全生命周期設(shè)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(shè)計師真正站在全局角度尋找優(yōu)化資源利用的思路與方法，針對產(chǎn)品不同階段的特點采取相應(yīng)設(shè)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(huán)境造成不良影響的因素，并在后續(xù)設(shè)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(chǎn)品需求的實現(xiàn)。

2 木質(zhì)家具碳減排研究

2.1 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計研究現(xiàn)狀

綜合分析近年我國不同類型的家具產(chǎn)品產(chǎn)量，木質(zhì)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(chǎn)量決定了木質(zhì)家具產(chǎn)業(yè)較高的碳排放強度以及較大的碳減排空間。因此，大量業(yè)內(nèi)學(xué)者試圖立足于設(shè)計的角度探索解決問題的有效策略。

現(xiàn)階段，木質(zhì)家具碳減排設(shè)計方法主要可以歸結(jié)為三類：一是選取較為低碳的材料進行設(shè)計，林立平指出原材料消耗在木質(zhì)家具碳排放中占最大份額，根據(jù)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(shè)計的用料有助于減少其碳排放[5]。二是家具結(jié)構(gòu)再設(shè)計，即通過設(shè)計手段減少或循環(huán)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(gòu)表達來提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可重用性達到節(jié)能減排的效果，并構(gòu)建了面向低碳設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)品早期設(shè)計階段的可拆卸性設(shè)計決策提供幫助，以降低設(shè)計方案對環(huán)境的影響[7]。三是采用減量化設(shè)計方法，戴向東等從材料、生產(chǎn)工藝及包裝等三個方面進行木質(zhì)家具減量化設(shè)計研究并提出了具體的優(yōu)化設(shè)計方法，以期通過減少資源消耗達到節(jié)能減排的目的[8]。對于木質(zhì)家具設(shè)計而言，只考慮某一方向進行碳減排設(shè)計的方式較為單一，無法保證家具碳減排設(shè)計的整體性和系統(tǒng)性，而家具產(chǎn)品設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需要基于全局考慮產(chǎn)品的每一個生命階段，同時還需保證各階段與設(shè)計需求（如功能、結(jié)構(gòu)、成本等）的一致性。鑒于木質(zhì)家具生命周期較復(fù)雜，設(shè)計師應(yīng)基于全生命周期理論分析木質(zhì)家具碳排放特征，以準確識別家具設(shè)計中碳減排的關(guān)鍵因素，并依此制定后續(xù)設(shè)計策略。

2.2 木質(zhì)家具碳減排影響因素分析

木質(zhì)家具全生命周期作為一個完整的系統(tǒng)，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(zhì)家具設(shè)計中需要考慮的碳足跡關(guān)鍵點，即是該家具的碳減排設(shè)計突破點，本文從設(shè)計的角度出發(fā)，基于木質(zhì)家具全生命周期將其碳排放的產(chǎn)生分為五個策略階段：材料選擇、生產(chǎn)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(zhì)家具生命周期不同階段的碳足跡以及關(guān)系示意圖。

圖1 木質(zhì)家具全生命周期系統(tǒng)示意圖

2.2.1 材料選擇

材料選擇是木質(zhì)家具碳排放的基礎(chǔ)階段，決定著碳排放的下限。木質(zhì)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(chǎn)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(xù)加工步驟較多，且易產(chǎn)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(yīng)用靈活，加工工序較少[9]，并且利用了大量回收木材，間接產(chǎn)生了固碳作用[10]，一定程度上能夠控制碳排放。

2.2.2 生產(chǎn)加工

生產(chǎn)加工是木質(zhì)家具碳排放產(chǎn)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(chǎn)工序[11]，需要使用的生產(chǎn)設(shè)備及工藝都對木質(zhì)家具碳排放有著至關(guān)重要的影響。工藝的耗能直接影響碳足跡，工藝設(shè)備對能源如電能、水能、熱能的消耗都是碳排放產(chǎn)生的主要原因，采用低耗能工藝及環(huán)保工藝可有效實現(xiàn)減排[12]。工序的復(fù)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(zhì)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(zhì)家具結(jié)構(gòu)影響碳排放，這由運輸過程中包裝及擺放方式?jīng)Q定；其三，包裝材料用量影響碳足跡，為保證在儲運木質(zhì)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(zhì)包裝盒等碳排放較高的包裝材料，因此優(yōu)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(huán)節(jié)是連接生產(chǎn)者與使用者的關(guān)鍵節(jié)點，涉及的碳排放活動除去基礎(chǔ)銷售，還包括產(chǎn)品的分揀，上架，維護、售賣等，銷售效率即庫存數(shù)量決定著銷售維護環(huán)節(jié)所消耗的電能與維護成本，是銷售維護環(huán)節(jié)碳足跡的主要影響因素，此環(huán)節(jié)受產(chǎn)品外觀及理念設(shè)計影響較大。

2.2.5 使用回收

使用過程受木質(zhì)家具自身材料及結(jié)構(gòu)影響較大，相同使用方式與強度之下，家具結(jié)構(gòu)、強度、拆裝難度決定了其使用壽命即報廢率，其中可拆卸結(jié)構(gòu)家具以其更新便利性有助于控制碳排放?；厥者^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(zhì)家具減排設(shè)計的重要組成部分。

3 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中的沖突分析與解決

木質(zhì)家具全生命周期中涉及多種復(fù)雜影響因素，這就要求設(shè)計師進一步明確木質(zhì)家具碳減排設(shè)計的本質(zhì)：即對碳排放影響因素的優(yōu)化、取舍，并在保證或提高家具性能的情況下控制其對環(huán)境的影響，例如當(dāng)改變某個原材料、部件以減少產(chǎn)品碳排放時，必定會影響到與之相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品性能，如穩(wěn)定性、耐用性等，若此影響為負面則會出現(xiàn)沖突。因此在木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中必需發(fā)現(xiàn)和解決沖突。由發(fā)明家阿奇舒勒創(chuàng)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(yù)測指導(dǎo)設(shè)計師在探索中掌握產(chǎn)品創(chuàng)新規(guī)律。目前廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域（圖2）。本文擬應(yīng)用TRIZ模型將木質(zhì)家具設(shè)計中出現(xiàn)的矛盾基于39個工程參數(shù)進行重新描述，分析得出相應(yīng)的技術(shù)矛盾，并通過建立矛盾矩陣，由沖突雙方確定相應(yīng)的可用發(fā)明原理用于后續(xù)設(shè)計[14-16]。

圖2 TRIZ解決問題示意圖

3.1 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中的沖突分析

通過對木質(zhì)家具碳排放特征及影響因素進行篩選與歸類處理，從設(shè)計方面減少木質(zhì)家具碳排放主要可以通過材料、結(jié)構(gòu)、外觀三方面的改進設(shè)計來實現(xiàn)（圖3），該優(yōu)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(wěn)定性方面的沖突。木質(zhì)家具碳減排設(shè)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(yōu)先輕量原材料等設(shè)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(chǎn)生相應(yīng)變化，或影響產(chǎn)品正常使用；若設(shè)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(shè)計易導(dǎo)致穩(wěn)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(shè)計目的相悖。

（2）碳減排與結(jié)構(gòu)方面的沖突。為了有利于木質(zhì)家具的拆解運輸，回收拆分以減少碳排放，大量設(shè)計師致力于木質(zhì)家具結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，但當(dāng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時易導(dǎo)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(dāng)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)易導(dǎo)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(chǎn)過程中需要花費更多的時間，從而降低生產(chǎn)效率，不利于節(jié)能減排。

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

3.2 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中的沖突解決

3.2.1 TRIZ沖突矩陣構(gòu)建

針對木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中存在的3對主要沖突，為獲取相關(guān)技術(shù)矛盾，需將相關(guān)產(chǎn)品特性向TRIZ問題轉(zhuǎn)化。首先將設(shè)計過程中涉及的沖突轉(zhuǎn)化為39個工程參數(shù)標準描述。碳減排、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、外觀分別對應(yīng)：No.23、24能量和物質(zhì)損失、No.36裝置的復(fù)雜性、No.13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及No.12形狀。基于標準的工程參數(shù)描述可將木質(zhì)家具碳減排設(shè)計中的矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ沖突矩陣，矩陣中行所描述的是工程參數(shù)為沖突中改善的一方，列代表工程參數(shù)中惡化的一方，表1為木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣簡圖。

表1 木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣簡圖

3.2.2 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計沖突解決

利用矩陣所得發(fā)明原理并結(jié)合專業(yè)知識與設(shè)計經(jīng)驗，對所得各個發(fā)明原理進行分析篩選后優(yōu)選出發(fā)明原理如表1所示，解決碳減排與穩(wěn)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(jié)構(gòu)的矛盾可用原理為預(yù)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(zhì)量、合并、參數(shù)變化。木質(zhì)家具碳減排面臨的三個設(shè)計改進方向已初步確定，在此結(jié)合篩選設(shè)計原理為木質(zhì)家具碳減排設(shè)計提出相應(yīng)解決方案如下：（1）將木質(zhì)家具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分離出來，在保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固的基礎(chǔ)上針對其他部分進行輕量化設(shè)計以及減少連接件設(shè)計等，以減少木質(zhì)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(fā)揮木質(zhì)家具各部分的作用。（3）預(yù)先對需拆卸結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使其處于易操作位置，減少木質(zhì)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(chǎn)效率。（4）充分調(diào)研用戶需求，明確木質(zhì)家具目標消費群體需求，通過外觀和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計提高消費者購買欲望。

4 木質(zhì)家具碳減排設(shè)計

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

4.1 材料選擇階段的碳減排設(shè)計

對木材的合理利用是木質(zhì)家具碳減排設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，本款木質(zhì)家具設(shè)計基于TRIZ的分離原理依據(jù)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(zhì)人造板，節(jié)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(chǎn)加工階段的碳減排設(shè)計

在家具生產(chǎn)時，往往因家具結(jié)構(gòu)尺寸的差異性而使生產(chǎn)工藝及工序相對復(fù)雜，本設(shè)計結(jié)合國家標準與產(chǎn)品功能進行設(shè)計，大范圍使用標準幾何形及零部件，并結(jié)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(chǎn)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(shè)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(zhì)刨花板的結(jié)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(zhì)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(shè)計

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

4.5 使用回收階段的碳減排設(shè)計

為在使用階段提高產(chǎn)品的使用率并使資源利用最大化，本款家具實現(xiàn)了座椅、置物架以及書桌三種功能的轉(zhuǎn)換（圖6），且在此過程中不需要額外拆卸，優(yōu)化用戶使用體驗；淺綠色以及原木色的結(jié)合從心理上向用戶傳達節(jié)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(xiàn)家具結(jié)構(gòu)的再加固，從而延長木質(zhì)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(zhì)家具功能轉(zhuǎn)換圖

5 結(jié)語

本文基于全生命周期理論，對木質(zhì)家具碳減排設(shè)計進行探討，將木質(zhì)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(zhì)家具碳減排設(shè)計中存在的沖突并轉(zhuǎn)化為39個標準工程參數(shù)描述，通過構(gòu)建木質(zhì)家具碳減排沖突矩陣提出了對應(yīng)解決方法。以一款功能家具設(shè)計為例，驗證了基于全生命周期理論能夠更全面更系統(tǒng)地進行木質(zhì)家具碳減排設(shè)計，一定程度上為木質(zhì)家具碳減排設(shè)計實踐提供了借鑒與參考。