榫卯接头:强度、类型与放样

榫卯把横档接到立柱上:在横档端头切出榫头,在立柱面上开出配套的榫眼。它之所以是框架接头的默认选项,是因为它正面解决了纹理问题——不是拿横档的端面去粘立柱的面,而是让榫颊的顺纹面贴上榫眼壁的顺纹面,这才是木工胶真正粘得住的界面。

《木材手册》把榫卯与圆榫、企口一起列为牢固的端面对侧面连接,原因正在于此;手册也给出了背后的原则:把接头设计成互锁面,使侧面纹与侧面纹胶合,并增大接合面积以提供更多胶线传递荷载。

公开试验把这句话拉回现实。Woodgears 的 Matthias Wandel 把横档夹进立柱,在距柱 20 厘米处加载直到破坏。横档 6 x 1.7 厘米,立柱 3.5 x 3.5 厘米,榫头厚 10 毫米、深 27 毫米、宽 55 毫米,用黄色木工胶装配。

云杉上榫卯在 170、175、140、180、185、190 磅时破坏,平均 172 磅;圆榫在 120、140、145 磅时破坏,平均 135 磅。槭木上同样的榫卯达到 300 和 270 磅,圆榫 230 和 245 磅。所以榫卯确实赢,但只赢约 25%,远没有它名声暗示的那么多。事后把构件劈开可以看到立柱的纤维粘在榫头上,说明破坏的是木头而不是胶。

另一条发现在工房里更有用:榫头从锤紧到松几个丝,只要接头里处处有胶,强度上测不出差别。

埃及木匠在第一王朝就有了这种接头,并且已经分化出多种形式。一份关于其技术的综述把主要形式区分开。

• 闷榫——榫眼不穿透,榫头短于构件厚度,外面什么都看不见。用于凳子和简单框架,有时从面上打一根木钉穿进榫颊固定。
• 透榫——榫头完全穿过对面构件,在另一侧露出。早在古王国时期就用于床架;综述引用了萨卡拉出土的一件床架,编号 480。
• 带活榫的锁榫(木钉榫)——在两块板的边上各开一个榫眼,插入一根独立的矩形活榫,再从榫眼壁和活榫上的孔打入木钉锁住。大量用于造船、雕像和棺木。
• 夹榫(桥式接头)——综述描述它与榫卯相似,区别在于榫眼和榫头开到榫头构件的全宽。

现代的活榫接合就是第三种形式的同一个思路:一根独立的榫插进两个榫眼。

先定比例。榫头厚度取横档厚度的三分之一左右是常见起点,这样榫眼壁不至于崩,榫头也不至于断。深度比多数新手想的更要紧——上面试验中的榫头插进 35 毫米立柱 27 毫米深;而宽度出力最多,因为胶合面积直接随宽度增长。

再说顺序。先开榫眼再配榫头,因为榫眼难调整,榫头好修削。两个构件的所有尺寸都从正面基准量起,这样误差都落到里侧。榫肩要方正、全接触;真正阻止横档转动的是榫肩,不是榫颊。

榫眼和榫头两边都要上胶。《木材手册》指出端面的孔隙度比径面或弦面高出许多倍,胶液渗透过度会在胶线里留下空隙,所以在这里只单面薄薄抹一道是省错了地方。

当速度比最后那 25% 的强度更重要、而且你有能精确定位的夹具时,用圆榫;公开数据里两者的差距真实存在,但不大。门框骨架、夹具和工房家具用斜孔螺钉,但要接受同一批试验的结论:螺钉接头在最终破坏之前会先严重变形。如果两根构件可以叠搭而不是端面顶面,就用搭接,因为那样整个连接都变成了顺纹对顺纹。

另外记住手册对这一整族的提醒:木材横纹胀缩远大于顺纹,所以端面接侧面的接头在含水率变化时会产生很大内应力,使用中应当防止含水率变化。一把常年紧挨暖气片的椅子,是在跟自己的接头较劲。