家用馬桶的創新設計及仿真分析

李斌 趙楊 蘭爽

摘要：對家用馬桶進行了創新性設計，旨在實現經濟、環保、安全、舒適等目標。基于綠色環保理念，對馬桶的沖水系統進行了改良，將馬桶和盥洗盆設計成一體，實現了廢水的二次利用，有效節約了水資源。基于人因工程的思想，考慮人體坐姿生理特點，對馬桶的尺寸進行了宜人性設計，并利用人因工效分析軟件jack7.0進行了虛擬仿真，分析結果表明馬桶尺寸設計合理，避免了使用者由于靜力負荷導致的腿部不適的問題。

Abstract： Innovative design of household toilet designed to achieve economic， environmental protection， safety， comfort and other goals. Based on the concept of green environmental protection， the flush system of the toilet is improved， the toilet and the lavatory basin are designed into one body， the secondary utilization of wastewater is realized， and the water resources are saved effectively. Based on the idea of human factor engineering and taking into account the physiological characteristics of human sitting posture， the size of toilet is designed according to human nature， and the virtual simulation is carried out by using human factor ergonomics analysis software jack7.0. The results show that the design of toilet size is reasonable. The problem of leg discomfort caused by static load is avoided.

關鍵詞：馬桶;環保;人因工程;宜人性;虛擬仿真

Key words： toilet;environmental protection;human factors engineering;human nature;virtual simulation

中圖分類號：TS914.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0161-02

0? 引言

普通家庭住宅衛浴間的面積通常不大，但卻集中了洗衣、洗漱、如廁等眾多功能，在有限的空間內需要放置多種衛浴產品，而馬桶就是利用率很高的必備設施。隨著人們生活質量的提高以及現代文明生活理念的普及，普通家用馬桶的功能逐漸不能滿足人們的需求，且在使用過程中存在諸多問題。例如兒童、老年人和殘疾人等行動能力較弱的群體如廁后起身時容易摔倒、人長時間使用馬桶后腿部會產生酸麻感、無法做到真正意義上的節約水資源、衛浴空間狹小。

因此，本文基于綠色環保的理念和人因工程的思想對家用馬桶進行了創新性設計，力爭做到經濟、環保、安全、舒適。

1? 設計思路

首先，基于綠色環保設計理念進行沖水系統設計，使馬桶具備儲存和利用廢水的能力。其次，基于人因工程思想對馬桶的尺寸及輔助設施進行宜人性設計。最后，借助數字仿真軟件jack構建人體模型，進行虛擬仿真分析，檢驗設計效果。

2? 馬桶的總體結構及工作原理

如圖1所示，將盥洗盆和馬桶設計成一個整體，馬桶的側面與盥洗盆相連。盥洗盆下面是水箱，由自來水和生活廢水兩個水箱組成。盥洗盆產生的生活廢水可順流到水箱中，暫時儲存起來。使用者可以自由選擇使用自來水或生活廢水沖馬桶。現在市面上的馬桶一般每一次沖水最多會用掉6L水，如果將盥洗盆中用掉的水進行二次利用，那將大大減少家庭總體的用水量。節水方法有兩種，一種是節水用水量，一種是通過廢水再利用達到節水。節水馬桶與普通馬桶功能一樣，必須兼具省水、維持洗凈功能及輸送排泄物的功能，目前市場上打著節水口號的產品不在少數，但真正能做到這一點的商家卻很少。將馬桶和盥洗盆結合在一起，既實現了對從盥洗盆中流出的廢水的二次利用，節約了自來水資源，又減少了馬桶占用的空間，使衛浴間布局更加緊湊[1]。

此外，馬桶和盥洗盆之間的條形連接部位也可以為使用者起身時提供支撐。例如，當老人如廁之后，可以扶著盥洗臺站起來，在一定程度上可以防止由于地滑、頭暈、腿麻導致的老人摔倒。

整體尺寸：底部長度715mm，底部寬度350mm，外觀高度800mm，外圍寬500mm，連接部位寬100mm。開關高630mm。其中，馬桶高度（除馬桶蓋）400mm，坑距300mm。

3? 設計難點及解決措施

3.1 尺寸的宜人性設計問題。

人們如廁時間略長后，往往腿部會產生酸麻感，這是人體大腿處的下肢主動脈受壓迫導致的[2-4]。所以在設計馬桶尺寸時，高度是關鍵數據，如何確定馬桶的適用群體范圍就成為了一個難點。

解決措施：查閱人體測量學相關文獻和標準，例如GB5703-85《人體測量方法》、GB/T5703-1999《用于技術設計的人體測量基礎項目》、GB10000-88《中國成年人人體尺寸》，采用“最小尺寸原則”，即選取第5百分位數對應的“小腿+足高”這一測項值作為基礎數據，并借助數字仿真工具jack7.0建立數字人體模型，導入UG軟件繪制成的馬桶三維立體模型，進行虛擬仿真分析，以檢驗設計效果[5-6]。

立姿分析時選用了jack7.0的“Ovako Working Posture Analysis”模塊（簡稱OWAS），如圖2所示。“OWAS”模塊可以評價基于背部、手臂和腿負載要求的姿勢的不適度[7]。坐姿分析時選用了“Lower Back Analysis”模塊和“OWAS”模塊，如圖3所示。“Lower Back Analysis”能夠幫助我們判斷馬桶的高度是否會令人體下背部不適。

分析結果表明，馬桶的尺寸設計完全符合人因工程要求。

3.2 廢水二次利用引發的問題

盥洗盆與馬桶的排水管道可能存在堵塞問題，以及廢水箱需要定期清洗。

解決措施：盥洗盆里的廢水存在或多或少的可溶或不可溶雜質，在盥洗盆排水孔處設計一個可拆卸過濾盒，倒扣圓臺結構，安裝時與盥洗盆排水孔密切貼合。該過濾盒兩面網狀結構，中間有一部分空間用來儲存少量不溶性雜質，這樣可以起到過濾雜質和順利排水的作用。

3.3 多通道儲水引發的問題

水箱的容積是一定的，若廢水箱積水過多會導致盥洗盆廢水不能順利排放，甚至存在廢水回流現象。

解決措施：在廢水箱側壁開一個放水口，連接主排水管道，該放水口具備基本過濾功能，多余廢水便可順利排出。

4? 結語

本文的設計相較于傳統馬桶的創新點在于：基于人因工程的宜人性設計理念，對馬桶進行符合人體生理特性的尺寸及輔助設施設計;基于綠色環保設計理念，對馬桶水箱的內部結構進行優化，使馬桶具備利用二次廢水資源的功能，有效節約水資源;盥洗盆與水箱的結合設計，使衛浴設施布局更加緊湊，有效解決了衛浴間空間狹小的問題。可以為使用者創建一個更健康、更舒適、更安全的如廁環境，提高人們的生活質量，具有一定的經濟效益和社會價值。

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