木工搭接:半搭接、强度与适用场合

搭接是把两根构件叠起来,而不是端面对顶。半搭接就是各去掉一半厚度,装好之后总厚度还是原来的厚度。原理就这么简单,而它管用的原因正是支配全部木工接合的那一条:叠合面是顺纹对顺纹,这是胶粘得最牢的界面。

对比很鲜明。美国林产品实验室的《木材手册》给平对接的数字只有木材顺纹抗拉强度的约 25%,却说做得好的端面斜接、指接或搭接可达无疵木材抗拉强度的 90%,而且表现得很接近无疵木材。搭接站在这个对比中好的那一半,而且不需要什么放样功夫。

• 十字搭接——两根构件在各自长度中部交叉,各开半深的缺口。用于桌子横撑、搁板格架和各种格栅。
• 端部搭接——两个端头叠合成一个平角,常见于简单框架和工作台底座。
• 丁字搭接——一根的端头搭进另一根的中部,框架和梯子构造的主力。
• 斜角半搭接——端部搭接但正面露出一条 45 度线,所以正面看是斜接,背后其实是搭接。
• 燕尾搭接——端部搭接的肩部做成斜角,于是还能抗拔,借用了燕尾的机械互锁。
• 搭接接长——两根构件沿长度方向叠合成一根更长的,手册提醒叠合长度相对截面必须足够长。

夹榫是它的近亲:一份关于古埃及木工的综述把它描述为与榫卯相似,区别是榫眼和榫头开到榫头构件的全宽,并记录了包括佩特里博物馆藏托勒密时期直角尺在内的实例。

起作用的是两个尺寸:去掉多少料,以及叠合有多长。

半搭接的深度通常就是精确的一半,因为要的就是平齐的结果。两半用同一套设置、从同一个基准面加工,这样深度误差会互相抵消而不是叠加。如果两根构件厚度不同,就从每根上去掉相同的量,而不是各去一半,接受一个台阶。

强度藏在长度里。手册对端接头的规则是:要接近无疵实木的抗拉强度,胶合面积至少应为构件横截面积的十倍,因为木材抗拉强度大约是抗剪强度的十倍。短搭接就是等着发生剪切破坏。承受真实荷载的接长搭接,叠合要做长;荷载显著时再加螺栓或拼接板,不要只信胶。

搭接是少数几种机器做法和手工做法殊途同归的接头之一。

在台锯或铣床台上,先用边角料试切定深度,并把两块试件装起来检查——如果高出或凹下,调一次,然后整批都不再动这个设置。先用一刀干净的横切定出肩线,再用多次走刀清掉废料。铣床台上用直刀配靠尺,分两三刀去料,不要一刀吃深。

手工做法是:两条肩线都锯到划线位置,凿掉或锯掉废料,最后用底槽刨修平搭接面——它以板面为基准,能给出任何凿削技巧都比不上的平行底面。

两个贴合面都上胶,夹持方向横跨接头而不是沿接头。由于贴合面是顺纹对顺纹,夹得好的搭接不需要任何紧固件;螺钉或木钉存在的意义是装配方便,以及为将来可能的拆卸留余地。

去掉一半厚度就是去掉一半截面,而构件抗弯最弱的位置恰恰就在搭接处。横撑中部的十字搭接通常没问题,因为那里主要是沿长度方向的拉压。但如果丁字搭接正好要在接头处承受弯矩,那就不行了,更好的答案是能保留更多横档截面的榫卯。

第二个代价是外观:多数搭接形式会在外侧面露出端面。斜角半搭接就是专门为此而生的;燕尾搭接既解决外观,又加上了机械互锁。

第三个代价是手册加在这一整族上的那条:木材横纹胀缩远大于顺纹,端面接侧面的接头在含水率变化时会产生很大内应力,使用中应防止含水率变化。

维基百科给出的主要别名是"叠接"(overlap joint),这一族还有好几个名字:

• 半搭接或对半接(halving joint)——两根构件都去料,接好后厚度等于较厚的那根。
• 全搭接——不去料,接头厚度是两根之和。
• 端部搭接、拉搭接或角搭接——两个端头相接,通常在矩形框的转角。
• 半搭接接长(half lap splice)——两根构件成一直线的端部搭接,是把短料接长时替代斜接(scarf)的办法。
• 丁字搭接或中部搭接——一根构件在接头处终止的十字搭接。
• 燕尾搭接与斜角半搭接——斜肩和正面斜接的变体。

外墙板边缘相互叠压的企口搭接(shiplap)是相关但不同的接头。

2x4 的干材实际尺寸是 1-1/2×3-1/2 英寸(美国农业部《木材手册》表 6-6),所以要按实物划线,不要按标称尺寸。

• 先定方向。 平放交叉时,每根在 3-1/2 英寸宽的缺口里去掉 3/4 英寸深。立放交叉时,每根在 1-1/2 英寸宽的缺口里去掉 1-3/4 英寸深。
• 划肩线:把配合的那根横放在上面,用划线刀或铅笔沿两边划线,再用角尺把线绕一圈。
• 定深度:两根都从同一个基准面量,正好一半。School of Woodwork 的两条规则:肩深不得超过厚度的一半;搭接面的长度不应超过木料的宽度。
• 下锯:先把两条肩线锯到深度,再清废料。台锯、带锯、手锯都可以(School of Woodwork);用圆锯或手锯时,在两条肩线之间多锯几道,再用凿子把废料敲掉。
• 修平搭接面:用凿子或槽底刨修平,上胶前先试配。

户外用 2x4 时,适合防腐木的五金件见露台用防腐木。

School of Woodwork 说搭接"并不特别结实",因为它靠的是搭接面顺纹胶合的面积;而维基百科引用 Wood Magazine 的测试说,胶合的顺纹搭接抗剪能力位列最强接头之一,甚至超过榫卯。两者说的是不同的受力:

• 胶合面上的剪力——强,因为是顺纹对顺纹胶合。
• 摇晃(变形)——只有肩部在抵抗,所以维基百科建议加木销或机械紧固件,防止构件扭转。
• 接头处受弯——每根构件在那里只剩一半厚度。
• 斜角半搭接——维基百科说它是最弱的变体,因为斜角减少了胶合面积。

所以 School of Woodwork 列的都是轻载用途——格栅、日本组子(kumiko)、盒内隔板、不重的门框和玻璃窗棂;维基百科另外列了柜体框架、临时框架和部分木构架。