基于人机工程学的健康办公椅设计研究

摘要 从产品的人性化设计角度出发，运用人机工程学知识，采用测量法、模型法来分析人在久坐状态下与办公座椅的各个部件的协调关系。研究如何在新产品开发设计中正确运用人机工程学理论以保证设计适应度的相关技术问题，并对适合“椅族”——坐人群使用的健康办公座椅的人性化设计内容、方法和性能评价进行研究和总结。

关键词：以人为本　人机工程学　健康办公椅

引言

进入信息时代，越来越多的人被长时间固定在电脑桌前，每天数小时乃至十几小时伏案工作、学习、娱乐已成为生活常态。随着“以人为本”思想的深入，这类人群的健康问题越来越被大众所重视。近年蓬勃发展的人机工程学(或人因工程学、人类工效学、人体工学等)是研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适目的的一门科学。

一、座椅的人机工程学分析

(一)坐椅的历史和文化

人类在椅子发明之前是席地而坐(蹲、跪、卧或者“随遇而安”一一石头、木桩、兽皮等等。研究表明，人类开始使用座椅(坐具)主要是权力和地位的象征，坐的功能是次要的。纵观中国从席地而坐的坐具到垂足而坐的椅子这漫长的历程，除了明式椅有朴素的人机工学观念，其余基本上是近乎垂直的靠背，坐上去并不舒服。形成中国椅子独特风格的原因就是受到传统中国文化的影响：儒家礼仪文化要求人们“正襟危坐”，以符合儒家“身直心正”的逻辑要求；法家为了维护统治的需要更进一步的将儒家的礼仪规范强化为必须遵守的等级关系，强化了椅子作为身份、地位的象征；道家文化塑造了中国椅子的内在气质，形态或优雅或稳重端庄，追求自然本色的纹理装饰，体现“天人合一”的思想。随着生产力的发展和生产关系的变化，人与椅子的关系也在发生着变化，但是坐椅的地位象征意义至今仍然存在。

(二)椅子与人体健康

时至今日，人们认识到坐着工作不仅可以减轻劳动强度，提高工作效率，而且与人的健康有着密切的关系。

1.人体坐姿生理特性分析

当人由站立变为坐姿时，身体的弯曲有60％是来自髋关节的旋转，另外的30％是来自腰椎曲线的变平。人在直腰坐着时，躯干和大腿成直角，由于保持了脊柱的自然S形，椎间盘内压力比弯腰时小。但是，长时间的坐着人会自然放松身体，髋关节部位形成弯曲，此时大腿的前部和后部肌肉都是处于放松状态，可以解除背部肌肉的负荷，使整个身体感觉舒服。

矫形学家测量了人在不同姿势和坐姿下椎间盘的内部压力变化，结果发现，人体姿势是决定椎间盘内压力的主要因素，椎间盘内压力过高是损坏椎间盘的直接原因。直腰坐有利于降低椎间盘内压力，但肌肉负荷增大；弯腰坐有利于肌肉放松，却增加了椎间盘的内压力。研究发现，如果脊椎长期得不到应有的支持，则腰部会因为弓弯而造成椎骨、椎间盘、肌腱的负荷，进而导致慢性肌肉疲劳而产生酸痛；若是椎间盘压力过大易导致椎间盘突出；若是压迫到神经，则容易产生现象。同时，呼吸系统、消化系统以及眼睛视力等也会因为坐姿而相应发生改变乃至病变。

2.工作生活环境分析

《2009年中国城市健康状况大调查》和《中国城市“白领精英”人群健康白皮书》研究显示，中国企业白领人员86％年龄在22-45岁之间，但眼部炎症及视力下降占80％，颈腰椎异常30％，泌尿系异常23.5％，亚健康比例高达76％。有58％的白领“每日久坐办公5—8小时”，更有25％的人“每日久坐办公8—12小时”，成为名副其实的“椅族”。

随着以人为本观念和员工自我保护意识的增强，国内各公司对于与员工健康相关的办公环境、软硬件设施问题逐步重视。目前，各公司关注的角度往往集中在环境设计的风格形式、空气质量、灯光照明、取暖制冷甚至是提供休闲娱乐区域等方面；而相关质监部门对于办公环境、办公家具的检验检测往往集中在对家具的强度、稳定性、甲醛释放量、重金属含量、软硬质覆面的理化性能等方面；对于办公专用椅子的人机工程学设计，我国还没有统一、科学、硬性的检测标准。

不可否认，作为一把性能优良的办公椅，在满足椅子基本功能一一坐的前提下，保护人的健康应该是首要考虑因素。被媒体誉为“用中国设计叩响世界之门”的清华大学副教授石振宇呼吁道：“员工每天大约60％的时间是在办公椅上度过的，椅子承担着保护员工健康的问题，所以健康概念必须提到日程上来。在欧美一些大公司招聘人的时候，有些会写明员工所用座椅的牌子、型号等，每把椅子都经过了科学健康证明，这表现出他们对员工的健康是非常负责任的”。

(三)办公椅的人-机－环境系统分析

办公椅通常是由座椅骨架、弹性材料、固定部件、蒙皮(护面)、附件(调节、移动部件)等构成。基于人机工程学理论来设计一把在办公室内长时间使用的椅子，要考虑座椅给使用者带来的便捷和舒适感、降低久坐产生的疲劳度、提高工作效率、材料是否节能环保等因素。这些都关系到用户的生理感受、心理体验、健康安全并影响其对产品的评价和购买欲望。进行椅子设计，需要综合运用到测量学、生理学、心理学、力学、材料学、美学、机械工程乃至市场营销学等相关学科知识，从而使产品设计真正体现出对人、对自然环境的尊重和关心，是人与产品、环境完美和谐的结合。

二，办公椅的人机工程学设计

办公座椅的舒适性通常包括：弹性舒适度、坐姿舒适度、移动便捷性、操作舒适性等。弹性舒适度一般不能只靠尺寸参数来保证。坐姿舒适性、移动便捷性、操作舒适性可以通过座椅的结构和尺寸参数、坐姿人体尺寸的测量值得到相应程度的保证。

(二)舒适坐姿与椅子尺度

合理的椅子设计可以使不同体型的人在多种姿态下都能获得合理的支撑，尽可能保持脊椎的自然弯曲，从而减轻对背部肌肉和腰椎的压力，这样人久坐才不会感到过于疲劳。头和脖子不能过于前倾以免造成颈椎变形；腰部要有合理承托，减缓腰腹压力等等。椅子座面控制合理高度可以使人脚瞪地站起用力最方便。座椅的高度测量时常常出现的错误是从地面起量座椅的高度。其实，决定座椅高度最重要的因素是需要考虑人的肘部在工作台面上摆放位置和角度。所以应该根据工作面高度决定座椅高度。

椅子扶手要有合理高度以便手肘轻靠，同时令手腕感觉运动更舒适。侯建军、申利明认为作业时保持手臂的水平或向下是办公桌面设计的最佳原则。同时通过VDT实验操作，王生、李莉等发现前臂与水平面成0。角时，肌电积分值最小，此时肌肉负荷最小。身体的稳定性也可以通过手、来帮助实现，如果需要手臂支撑，可以把手臂放在桌子上。对于有靠手的座椅，靠手高度自椅面以上200mm止下为宜，应该是能使手臂自然地垂下的高度，靠手太高是错误的设计。

这些问题的解决都和人体尺寸密切相关。尽管不同人体的形体尺寸差异较大，但人体坐姿关节角度舒适区域大致相同，这是我们进行产品设计时需要着重参考的。经过测算，人体的坐姿状态可由一组坐姿关节角度进行表征，坐姿关节角度的舒适范围。

从下半身来分析，舒服的坐姿是大腿保持接近水平以及两脚被地面所支持。为了避免大腿前部膝胭位置有过高的压力，座位前沿到地面或脚踏的高度不应大于脚底到膝胭位置的距离。由于考虑到工作面高度的需要，可能椅子高度造成有的人脚达不到地面，这时应该使用脚垫等支撑物。当然，带有转轴可调节高度的椅子是最理想的选择。工作椅的转轴可使椅子通过转动来适应人的身高差异、姿势改变或移动。转椅也增加了坐者能伸手达到的范围，使坐者轻松接近或者离开工作对象，而不需要前后移动椅子。带有滚轮也是大部分工作椅的人性化设计内容之一。

石振宇设计的这把健康办公椅在结构上考虑到要让椅族在坐姿关节角度的舒适范围内能够轻松随意活动。在椅子靠背靠近腰部的位置稍微前凸，从而方便支撑腰椎以保持腰背曲线，减轻腰部、腹部肌肉的负担；靠背上部靠近颈部的位置向后倾斜，方便支持颈椎以降低头部供血系统的负担；椅面尽量保持大腿与手臂平行的姿势，膝盖、手肘和臀部尽量达到直角。

(二)座椅体压分布

人体重力作用在椅垫和靠背上的压力分布称为体压分布当一个人坐在椅子上，他身体的重量并非全部在整个臀部上，而是集中在两块坐骨的小范围。优良的设计应使身体主要重量由围绕着坐骨结节的面积来承受。具有弹性的座面可以增加人与椅子的接触表面，从而减小压力分布的不均匀性。但是椅子的弹性承托有一个度的把握问题，太软的座面容易造成身体不易平衡和稳定。要尽可能做到不同体重的人坐下去时都有一种椅面在缓慢变形中带来的稳定的舒适感觉。

座椅各靠面的角度也明显影响压力分布数据。通过对相关实验结果的分析得出：靠背倾角对于靠背接触面积的影响最为显著，对靠背平均压力的影响、对座面的最大压力、平均压力梯度的影响最大；座面高度是影响座面接触面积的主要因素，对座面的最大压力梯度、平均压力影响最大；座面倾角对于靠背最大压力值的影响最大。从方差分析结果得到：座高数值对座面的压力分布数据有显著影响，座面倾角和靠背倾角的改变显著影响靠背的压力分布数据。

合理的座椅座高应为膝胭高度值，座面倾角0。靠背倾角20。在不能改变座椅座面的弹性、材质以及座面形状的情况下，可以通过改变座椅的座高、座面倾角以及靠背倾角来实现人在座椅上体压分布数据的改变，从而得到较为舒适的座椅。不同的体压分布指标具有不同的物理意义，在使用时应根据座椅的功能要求加以选择。

(三)同步倾仰

理想的椅子靠背应该在水平和垂直两个方向均可调节。好的设计是，座椅的靠背具有弹簧作用，可以随人体背部的移进移出而相应移动。有的座椅靠背能支持人的肩部，具有较高的高度和呈凹面形状，可以给整个背部较大面积的支撑。椅面跟椅背的弹性称为同步倾仰。现在普通办公椅的弹性主要依靠气弹簧，气弹簧会使人坐上去感觉过硬。石振宇这款椅子所采用的弹性支撑结构是一种新型玻纤材料，这种材料比钢材弹性记忆力小，基本不存在疲劳问题。另外，滋润性好，弹性系数比较稳定，耐受性也比较好，没有热胀冷缩。其粗糙温和的表面既可透气，又可减少身体下滑。其材料污染性也比较小，资源节约，成本也适合。

(四)影响办公椅性能的材料因素

座椅和身体的紧贴部位的闷热现象也是影响座椅舒适度的因素。尤其是在夏季，虽然大部分办公场所有空调等降温措施，但是这个问题仍然存在。座椅的蒙皮材质除了满足一定的弹性需求和质感表现外，对消除闷热有主要的功能，为此要求座椅的蒙皮面料具有吸湿性和热量的调节。塑料类椅面不透气，表面太滑，使人坐着感到不舒服。从相关参数中得知，毛织物不仅具有良好的吸湿性、隔热性，而且还有迅速的水分扩散性。因此选择毛织物面料蒙皮最适宜解决闷热的问题。同样，坐垫材料的选择也要满足透气和散热的性能，一般普遍采用聚氨酯泡沫，这是因为它容易从表面迅速散发水蒸气和透气好。如果坐垫材料单纯追求透气性好，就是用天然纤维和化纤交织的弹性材料聚氨酯纤维，后者具有纤维状的壁面，也具有流畅的通气环境，性能优于聚氨泡沫。

结论

座椅设计要从人体工程学方面进行的研究和改进，石振宇在其设计过程中采用的分析方法和研究手段给我们提供了科学的设计范例。遵循以人为本的设计原则，遵循科学的设计研究方法，是保证办公椅具有良好弹性舒适度、坐姿舒适度、移动便捷性、操作舒适性等的必要手段。随着以人为本观念的不断深入人心和人机工程学理论在设计研究、实践中的深入发展，必将创造出更适合于椅族使用的健康座椅，使人机系统的综合效率达到最佳水平。