辦公椅的雙靠背形態設計研究

■楊麗帆，申黎明，談立山，汪 洋

(1.2.南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇南京 210037；3.4.浙江安吉縣質量技術監督檢測中心，浙江安吉 31330

辦公椅作為室內坐姿工作時最常用的家具之一，隨著經濟與科技的不斷發展，其品類更加多樣化，功能性更加完善，逐步地滿足人們對于座椅舒適性的更高要求。關于辦公椅舒適性的研究在國內外也越發的深入與廣泛，辦公椅椅背是影響辦公椅舒適度的重要部分，舒適合理的靠背形態設計不僅能減少人體不正確的坐姿，緩解人體腰、背、頸部的肌肉疲勞，而且能夠有效地提高人們工作、學習的效率。因此，辦公椅椅背舒適性的研究與評價在實際應用與研發設計中都顯得尤為重要。本文針對市場上出現的雙靠背辦公椅的椅背進行具體研究，探討靠背形態設計與人坐姿舒適性的影響關系，為辦公椅的靠背形態設計提供參考依據與設計建議。

1 雙背椅椅背形態與舒適性

雙靠背辦公椅簡稱雙背椅，是一款根據人體工程學原理來設計的辦公椅，該類型的座椅以中間線為對稱軸，左右各設置一個椅背，采取兩側環腰懷抱設計，能夠有效地分散體壓，減小脊椎所受壓迫。雙靠背的設計能夠更大程度化上地使人體背部與座椅相貼合，增加兩者之間的接觸面積，同時左右靠背間的空隙可以恰好將脊椎空出，避免了椅背因與脊椎直接接觸而對其產生壓力，從而影響脊椎的正常彎曲弧度[1-3]。總的來說，雙靠背實現了將腰部與脊椎部位的壓力轉移至左右背闊肌的目的，在為背部提供足夠承托作用的同時又不會對脊柱產生壓迫，極大地提高了座椅的舒適性。文章通過對雙背椅相關資料的收集和查閱，對雙靠背辦公椅形態設計要素進行了研究與分析，主要包含椅背正面形態、椅背側面輪廓形態和椅背俯視輪廓形態[4]。

根據雙背辦公椅的基本信息，可以得到，目前雙背辦公椅常用的靠背覆面材料主要有布面和皮面，其中布面材料集中于網布和棉布等材料，由于網布具有較好的透氣性和可塑性，能夠滿足靠背形態的多樣性以及技術上的較高要求，所以得到更為廣泛地使用[5]。其次用得較多的則是皮質材質，雖然皮質材料相較于網布材料更便于清潔，但由于皮質材料易劃損，人造皮透氣性較差，真皮價格昂貴，因此其使用率相較于網布略低。除覆面材料外，海綿和塑料框架是組成靠背結構的重要材料。雙背椅的腰墊和頭枕可以根據需求進行不同的搭配，腰墊形態貼合人體腰部曲線，從很大程度上能夠提高人體腰部的舒適性，頭枕則為人體頭部及頸椎提供承托性[6]。

2 雙靠背形面分析

形面分析的目的是便于分析形面關鍵尺寸與壓力分布指標和舒適度評價之間的關系[7]。本文將雙背辦公椅的靠背形態作為主要研究對象，考慮到其形態的復雜性與規律的不明確性，筆者采用觀察法與測量法從三個角度上對雙靠背形態進行了分解與測量，得到了雙靠背的正面形態、側面輪廓形態、俯視輪廓形態三個視角上的界面曲線形態。通過使用直尺、細線等工具對靠背的部分關鍵尺寸進行實地測量和記錄，同時使用相機拍攝靠背的界面形態圖片，利用CAD對三個視角上的形態示意圖進行繪制。

2.1 雙靠背正面形態

從正面看雙靠背辦公椅的椅背呈中部略凹，兩邊略凸的曲面形態，雙靠背主視圖示意圖如圖1所示。這種曲面形態使人坐在上面有一種被包裹的感覺，讓背部與椅背表面充分接觸，增大了腰背與椅背的接觸面積。在承受同等重量的情況下，這樣的曲面形態有利于減小背部壓力。合理的靠背尺寸設計能夠提高人體的坐姿舒適性，通過研究對靠背尺寸的測量，結果顯示，雙背椅靠背寬度大致在420～480mm之間，靠背長度在400～460mm之間，兩靠背間距在30mm左右，單個靠背寬度在200～230mm之間[8]。

■圖1 雙靠背主視圖參數示意圖

2.2 側面輪廓形態分析

雙背椅的椅背側面輪廓形狀符合人體脊柱彎曲形態，近似為S形，考慮的因素也較多，包括腰部側視弧線、背部側視弧線、腰部突出點高度、腰部側視凸出量等。為了能夠較為清晰明確地表示出雙靠背辦公椅的靠背形態與關鍵尺寸，筆者將靠背的側面輪廓形態近似為上下兩段圓弧相切形成的曲線，如圖2所示。由于腰部曲線相較于背部曲線更為明顯，是靠背形態最為主要的特征，因此本文重點研究腰部側面輪廓形態對人體舒適性的影響，將腰部突出點高度及腰部側視凸出量作為主要研究內容[9]。

■圖2 雙靠背側面輪廓形態參數示意圖

2.3 俯視輪廓形態分析

雙背椅的椅背俯視輪廓形狀較為復雜，包含背部和腰部的輪廓形態，由于腰部輪廓形態在整個椅背設計中是最為明顯的設計特征，因此文章主要針對腰部俯視輪廓形態進行了分析研究，主要包括以下兩個設計要素：外邊緣圍合弧度及腰部橫向內凹的深度，為了便于確定和描述雙背椅靠背的形狀及尺寸，將其俯視輪廓形態以如下示意圖3來進行表示，將椅背中部近似為平直形態，重點研究外邊緣圍合弧度和腰部橫向內凹深度對人體舒適性的影響[10]。

■圖3 雙靠背俯視輪廓形態參數示意圖

3 實驗研究

由于文章篇幅所限，本文主要針對上述研究內容之一的腰部側視凸出量進行實驗研究及分析，目的是探討腰部側視凸出量與靠背舒適度之間的影響關系。

3.1 實驗方法

主要采用體壓分布測量法和舒適度主觀評價法。依據實驗測試數據在實驗座椅上模擬出不同形態特征的靠背模型，調整座椅基本尺寸。在實驗過程中記錄被試者在靜態坐姿下對人體各部位舒適度的評分，并運用美國的Tactilus4.0人體壓力分布測量系統采集各項體壓分布指標。最后利用EXCEL將主客觀實驗數據進行綜合分析和處理，討論靜態坐姿下靠背的腰部側視凸出量與舒適度之間的關系，從而為雙靠背形態的舒適性設計提供參考。

3.2 實驗設計

將背部側視弧度近似為平直形態，對雙靠背腰部側視凸出量進行分析和歸納，將腰部側視弧度半徑設置為R=170mm，腰部凸出點高度為160mm的定量，比較腰部側視凸出量分別為：20mm、40mm、60mm、80mm時對人體坐舒適性的影響，如圖4所示。實驗座椅模型幾何尺寸參數一致，分別為座高430mm、靠背距座面高480mm、靠背長445mm、靠背寬430mm、靠背間距30mm。

■圖4 腰部側視凸出量參數示意圖

3.3 實驗對象

本實驗選擇不同性別的正常體型的13位受試者，其中男生7人，女生6人，受試者均無腰椎性疾病，身體健康。體型判斷標準依據目前國際上常用于衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一項標準，即身體質量BMI(Body Mass Index)指數。其中，BMI<18.5為偏瘦體型，18.5≦BMI≦23.9為正常體型，BMI≧23.9為偏胖體型。

3.4 數據分析

3.4.1 腰部側視凸出量對壓力分布指標的影響

座椅舒適性的影響可以通過壓力分布的變化來體現。對體壓分布測量的結果進行統計分析，以腰部側視凸出量為橫坐標，各體壓分布指標均值為縱坐標繪制折線圖，得到腰部側視凸出量變化與體壓分布指標的關系，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著腰部側視凸出量的增加，靠背的最大壓力和平均壓力都呈現增大趨勢，且在腰部側視凸出量20mm處，平均壓力和最大壓力都取得最小值，結合體壓分布圖像圖6可知，腰部側視凸出量為20mm時，受試者腰部懸空，未能與靠背充分接觸，腰部支撐力不足，導致靠背與肩胛骨下端接觸的部位出現最大壓強，腰背部整體接觸面積也最小，此時靠背對腰部的承托力最弱，舒適感較低。當凸出量為40mm時，受試者腰背部較于20mm時明顯得到了有效支撐，接觸面積取得最大值，結合體壓分布圖像分析，此時的人體腰背部受力均勻，靠背對人體背部承托作用較強，舒適度有所提高。當側視凸出量為60～80mm時，最大壓力和平均壓力均呈現上升趨勢，接觸面積則隨著側視凸出量的增加而減小，表明當腰部側視凸出量過大時，會造成人體腰背部局部壓力過大，壓力分布不合理，舒適感降低。

■圖5 腰部側視凸出量與各體壓分布指標關系圖

■圖6 靠背壓力分布

3.4.2 腰部側視凸出量對主觀舒適度

指標的影響統計計算得出腰部及其靠背整體舒適度評分均值，如圖7所示。從圖中可以看出，隨著腰部側視凸出量的增加，腰部舒適感和腰部貼合感都呈現先增大后減小的趨勢，且均在凸出量為20mm時取得最小值，在40mm時取得最大值，同時，兩者之間存在明顯的變化，說明20mm的側視凸出量相較于40mm的來說，與人體腰部吻合度較差，不足以給腰部提供足夠的支撐，此時的側視凸出量關系為20mm<80mm<60mm<40mm。就腰部受力感而言，腰部側視凸出量的關系是20mm<80mm<40mm<60mm，凸出量為40和60mm時，腰部受力感較強，靠背對腰部的承托作用較好。靠背整體舒適度評價從高到低的側視凸出量關系為20mm<80mm<60mm<40mm，其中側視凸出量為20mm的整體舒適度評價較差，此時的靠背形態趨近于平直狀態，無法和人體腰背部充分接觸，而40mm時的側視凸出量更吻合于人體腰部曲線。

■圖7 主觀舒適度評價圖

4 結語

本文通過對雙背椅的實地測量與調研，采用示意圖的形式對雙背椅的靠背形態進行了較為具體分析研究，歸納提煉出四個影響靠背形態設計的主要因素，分別是側面輪廓形態中的腰部突出點高度和腰部側視凸出量以及俯視輪廓形態中的外邊緣圍合弧度和腰部橫向內凹深度。同時文章通過具體實驗，研究了腰部側視凸出量對體壓分布和主觀舒適度評價的影響，研究表明，體壓分布測試結果與主觀評價結果相一致，當側視凸出量為40mm時，椅背的整體舒適度最好。