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材性·材形·材理

——谈谈造型设计与合理用材

清华大学美术学院工业设计系 邱松

造型设计从事的是有形之物的创造活动，而有形之物肯定就离不开材料。材料是使造型付诸实现的基本保证，离开了材料我们的设计就成了“无米之炊”。材料在造型设计中好比为载体，它既能把设计者思想闪光的地方淋漓尽致地展现出来，也能将设计者设计的敝端毫不留情地公之于众。因此如何合理地使用材料，就成为造型设计中急待解决的问题。

虽说设计思想需要借助材料来实现，然而材料的特性又时常制约着设计的实施，这一矛盾常常困扰着设计人员。那么如何才能解决这一难题呢？我本人认为唯一的途径就是要学会深入仔细地研究材料、熟悉材料和理解材料，但是这里我想强调一下，研究材料并不是要我们设计人员都成为材料专家，而是要充分了解不同材料的特性，然后能够得心应手地去使用它，从而保证设计者的设计思想得以顺利实现。换句话说：我们研究材料的目的不是为了如何生产它，而是为了如何应用它。

不同材料皆具有其不同的特性，这我们称之为材性。如：木材的韧性较好，允许少量的变形，因而采用榫卯和粘接的方式来连接比较适宜，而钢材的刚性较好，韧性却较差，因而用焊接和铆接的方式来连接比较适宜，这就是利用了材料本身的特性。倘若将这两种材料的连接方式调换一下，你就会立刻发现它们变得不合理了。八十年代初，我国建筑业开始大量使用混凝土构造。由于当时人们对该材料的材性不甚了解，结果我们常常会见到一些建筑采用混凝土去模仿木结构和瓦的效果。这显然很可笑：混凝土既达不到木结构和瓦的材性效果，同时也埋没了该材料的自身优势，这如其说是在应用材料，还不如说是在浪费材料。与之相反，座落在北京官厅水库上的“亚洲第一桥”，在设计时充分利用了混凝土抗拉和抗压的特性，成功地在两山之间架起了当时（七十年代）亚洲最大跨度的铁路桥。其实在我们周围合理、巧妙地用材料特性的例子比比皆是：如利用尼龙的抗疲劳性制作的尼龙合页、尼龙搭扣；利用塑料张力较强的特性制作的塑料充气玩具；利用碳纤维轻便、耐磨性制作的滑雪板、羽毛球拍；利用竹子的柔韧性制作的风筝、凉席；利用陶瓷的耐高温性制作的火箭推进器喷射口；利用钛金属的记忆性制作的卫星、航空器上的可折叠式天线；利用金属的延展性制作的易拉罐……，这些都无不证明了材料的材性在设计中的重要性。

在我们赖以生存的地球上充斥着包罗万象的材料，其中既有天然形成的，如木材、石材、水泥、土壤等，也有人工制造的，如塑料、橡胶、金属、玻璃等。不仅如此，随着人类科技水平的不断提高，一些高新材料（如：光导纤维、高分子合成材料，碳纳米材料等）也不断被研制、生产出来。面对这林林种种而数量庞大的“材料库”，我们要想逐一研究每一种材料显然是不可能的。因而这就需要我们必须将所有材料按其材性进行归纳和分类，以便能够系统、全面地了解材料的材性，同时还可通过对材料间的比较发现材料材性的共性或交叉点。例如：钢材、铝材、金子都具有延展性，但其程度是不一样的，金子的延展性最好，用它可以做成非常之薄的金铂，但其硬度却不够强。而相比之下钢材延展性较差，硬度却较强。铝材在三者中居中。假如分别用三种不同的材料经冲压加工成同一容器，我们就会立刻发现三者的差别所在了。因此作为设计者这时候头脑就必须十分清醒，你要搞清楚你的设计所需要的是某材料材性的那一方面，程度如何。在研究材料的材性过程中，我们不仅要注意不同类材料材性上的大的差异，同时还要注意同类材料材性上的小的差异，从而使我们的选材变得更为精确、合理，使我们所选的材料在其材性上达到极致。通过对材料材性的理解和掌握，可以使我们在造型设计中不再着眼于选择具体的材质，而是从造型设计所需要的材性出发，灵活自如地选择材料。此外，通过对材料材性的研究，不仅有利于我们理解和掌握现有材料的材性，而且也将对未来出现的新材料的理解和掌握铺垫了良好的基础。

材料不仅在材性上有很大差异，而且在其外观形态上也是千差万别，这就是接下来要谈到的材形问题。材形也就是指材料的外观形态。按照材料的形状我们可以大致把材料分为线材、面材和块材这三类。所谓线材就是长度（相对于宽度）很长，呈线状的材料。所谓面材就是厚度（相对于面积）很薄的材料，除这两者之外剩下的都可称之为块材。当然，这种划分并非十分严格。比如将线编织在一起达到一定的密度，就变成了面，那么究竟达到什么程度算是面，什么程度算是线呢？其实这个界线是十分模糊的。一定程度上它处决于我们设计人员的需要来划定，另一方面也处决于我们观察者的视觉习惯和心理感受。不同材形的材料，其给人的视觉效果和心理感受也有很大差异，因而这也需要我们去仔细地体会。用材形来将材料进行分类，还可以使材料更为直观化，更便于理解和掌握。

一般来说，线材抗拉性比较好，但抗压性却比较差，如钢丝、尼龙线等。由于线材的通透感比较强，因而用线材制作的造型往往能给人以轻快、空灵之感。被拉伸的线材还能给人以张力感或紧张感，如斜拉桥，拉满了的弓箭等等。不同线材的特性也存在很大差别，为此，我们在造型设计中要值得特别注意，在设计和制作过程中尽可能地做到扬长避短。与线材相比，块材的抗拉、抗压性能都不错。如：建筑中的结构柱、过梁、桥墩子等。块材在视觉和心理上往往给人以充实、厚重和稳定之感。但是块材耗材较多，且自重也较大，因而不宜在造型设计中大量的使用。面材是一类较为特殊的材料，这是因为它具有两重性：从侧面（截面）上来看，它的外形呈线状，因而它具有线材的部分特性和心理特征；而从正面上看它又很充实，因而又具有块材的一些特性。面材的抗拉性较好，抗压性较差，但面材经过弯曲或折叠后变成壳体或折板构造，其抗压能力则会得到大大提高，如包装用的瓦楞纸，建筑用的瓦楞板，用金属板材冲压成形的金属锅、盆等容器。

线材、面材和块材不仅在形状上有很大差异，而且在连接方式上也有很多不同。由于线材和面材的接触面积较小，因而连接方式上多采用铰节和刚节的方式而较少采用滑节方式。而块材接触面积较大，则连接方式多采用滑节、刚节而较少采用铰节。此外，三种不同材形的加工方法也有很大区别。线材和面材比较容易变形，延展性也较好，因而比较适合于采用冲压、锻造、弯折等加工手段。而块材相对来说不太容易变形，因而则多采用减法和模具成型法，来进行加工处理，如：切削、车、铣、刨、铸造、注射成型、挤压成型等。虽说同种材形而不同材质的材料都有其共性的一面，但也有其差异的一面，因而在造型设计中应兼顾两方面，不要顾此失彼。

在造型设计中要想做到充分合理地利用材料、除了需要了解材料的材性、材形之外，还得懂得材料的材理。那么何为材理呢？就是要在熟悉和理解材料的材性、材性的基础上，针对材料的共性和异性，优势和劣势进行辩证施材，因材制用，因势利导，科学而合理地使用材料。这么说也许有些抽象，下面就具体地来谈谈材料的材理。

用材准确：即选择材料时，要充分地反映出该材料材性和材形的特点，充分体现其优势，回避其劣势。例如：木材顺着纹理的方向受力效果比较好，韧性较强，而垂直于纹理的方向则受力较差，韧性也较弱，如果我们不能准确地掌握木材的这一特性，就很容易造成木材的断裂。因此我们所说的选材准确，不仅指要准确地选择材料的材性和材形，而且还要准确地选择材料的使用方式，从而使材料的材性和材形达到最佳效果，力求做到因势利导、物尽其用。

用材经济：我国虽说地大物博，但材料资源仍很匮乏，因而，作为设计人员在设计时就得学会精打细算，最大限度地去节省材料。造型设计决不是材料的堆砌，更不是用材料价值的高低来衡量造型设计的好坏，相反，我们需要运用材料材性或材形的性能价格比，来衡量我们所选用的材料是否符合经济性的原则。例如：玻璃刀上的刀刃是由金刚石制成的，如果采用天然金刚石则价格非常昂贵，而采用人造金刚石，虽硬度比天然金刚石稍逊色一些，但价格却降下来很多，那么很显然人造金刚石的性能价格比要比天然金刚石的性能价格高得多。此外，选用可回收利用性的材料也是降低材料成本的重要手段之一。例如：易拉罐使用的材料虽然成本较高，但因其便于回收利用，因而厂家还是很乐于使用它。

加工便利：使用材料必然要考虑到加工工艺。在造型设计中加工工艺经常制约着我们对材料的选择，因此我们在选择材料的同时，也应选择好它的加工工艺。一般来说，同材性或材形的材料，加工便利者从优。加工还应注意不能破坏或改变材料的材性，而应更有效地突出材性的优势。例如：塑料板材的强度不十分好，如果将其弯曲加工成夹角为直角或锐角的形状就很容易断裂，而将其加工成夹角为带弧度的直角，就不太容易发生断裂了。

加强环保：随着人们生活水平的不断提高，人们对环保意识也逐渐在增强。作为设计人员更应走在人们的前列，从一开始着手设计时，就要树立环保意识，使我们设计出的产品不会对环境造成破坏和危害。因此，我们在选择材料时，责无旁贷地要注重选择环保材料，决不要因为我们疏忽而造成类似今天的“白色垃圾”污染。环保材料的使用必将成为今后发展的趋势，如果设计人员不能清醒地正视这一点，那将会逐渐被社会所抛弃。

因此，在造型设计中，选择材料并不是孤立的，它不仅要充分发挥材料的材性和材形的优势，而且还要综合其它许多方面的因素。权衡利弊，择优使用。只有这样才能使所选的材料在造型设计中发挥重要作用，使造型得以和协、完美地实现。

（本文发表于2001年《无锡轻工大学学报》）