坐姿与人体工学椅设计的工程学探讨

如何解决保持健康的坐姿问题一直是一个极富挑战性的设计课题。长期以来,在漫长的历史进程中，保持正确的坐姿一直没有得到根本的突破和解决，不同的造型、不同的椅子支撑着人们的各种坐姿，一张好的椅子甚至还包括着对不良坐姿的强制矫正体形的功能。

就人体工学椅设计而言,包含两大设计工作,其一为座椅本身的物理结构设计;其二为符合使用者的人体生物力学要求的设计。前者属于家具工程的工作,后者则为工业设计或人体工程学所要探讨的领域。

坐姿理论的探讨

坐姿是一种人体的自然姿势。它有很多的优点,可免除肌力疲劳,减少人体的耗能,比立姿更有利于血液的循环,也有助于操作者采取更为稳定的姿势,以进行各种精巧精细动作的任务,而且它也是操作足踏式控制装置的较佳姿势。虽然如此,坐姿在某些方面也有其缺点存在,其中最重要的是它限制了人体的活动性,尤其是在需要用手或手臂进行较大的出力或从事具有旋转动作时,坐姿较立姿不方便。此外,长期的坐姿对人体健康也有许多的不利,脊柱的不正常弯曲、人体主要支撑面上的压力等将产生不舒适感。 

当人坐在座椅上时,支撑人体处于固定形势的主要结构是脊柱、骨盆和腿足等。从座椅的设计观点而言,腰椎和骶椎两部位最为重要,承受着坐姿时人体的大部分体重负荷。故良好的坐姿,其必要条件是能产生最适当的压力分布于各脊椎骨之间的椎间盘上,以及最适当、最均匀的静负荷量于所附着的肌肉组织上。当以X光照片研究人体处于各种不同姿势下(包括立姿、躺姿、坐姿等34种)腰椎所产生的曲线变化,结果发现,当人体舒适地侧躺着,大腿与小腿适度地弯曲时,脊柱即维持其自然的形势,此时背部肌肉群即可处于其最佳的轻松状态。

同时,人坐在椅子上,并非都是静止不动的,而是不断地在作调整姿势的细微动作,以消除脊柱部位的不正常压力,这种特征称为坐姿行为。同时脊柱并非是唯一的重要结构,腿和骨盆同样非常重要,因为这两个部位在稳定人体的功能上,可被看作是简易的机械杠杆支撑系统。人体大部分的重量是由座垫上的两点来承担,这种系统在力学上很不稳定。需增加腿与足所提供的杠杆作用,才能使这种系统趋于稳定。

因此一方面坐在椅子上的人体需要经常改变坐姿以消除不当的压力分布,另一方面则需维持并积极寻求身体的稳定。如此,坐姿行为将具有无活动力和有活动力两者相互循环的特征,以显示其改变寻求稳定性和变动性的现象。因此,一张有效率且舒适的椅子必需使坐在其上的人体取得稳定性和可变性。

工学座椅设计的基本原则

综合以上各方面的探讨,我们大致可得出座椅设计的基本原则:

(1)座椅的型式和尺度与坐的目的或动机有关;

(2)座椅的尺度必须与相对的人体测量值配合;

(3)座椅的设计必须能提供坐在其上的人体有足够的支撑与稳定作用;

(4)座椅的设计必须能使坐在其上的人体改变其姿势;

(5)靠背,特别是在腰部的支撑,可降低脊柱所产生的紧张压力;

(6)座垫必须有充分的衬垫和适当的硬度,使之有助于将人体重量的压力分布于坐骨结节附近。

从坐的动机出发,可将座椅简单分成三种:休息用椅,工作用椅,多用途椅。以下列举一些座椅各部位的设计原则。

座高

休息用椅38~45cm;工作用椅35~50cm正确的座高应使就坐者大腿保持水平,小腿垂直,双腿平放在地面上。休息用椅、工作用椅、多用途椅三者的座高值,其设计原则互不相同,主要原因在于其使用的功能互有差异。就工作用椅而言,人体通常须以较直立式姿势且双腿平放于地面的姿势就坐,其座高宜比休息用椅稍高,且座高宜设定为可调整式的,以适应多数人使用。

座宽

38~48cm座宽的设定必需适合于身材高大的人,也因为其相对应的人体测量值是臀宽。而此种人体尺寸值受性别的差异影响很大,故座宽宜采用较高百分位数的女性测量值为设计根据。

座深

休息用椅42~45cm;工作用椅30~40cm正确的坐姿才能使坐在其上的人体容易地寻求到合适的腰椎支撑。就工作用椅而言,它的使用者群体遍布很广,故其座深宁可取身材较矮小的人体测量值作为设计依据,因为就身材高大的人,其唯一的不利因素只是在于其双膝略微露出座面前端而已,只要所设定的座高十分正确,使双腿能平放在地面上,就不致于在大腿底部引起压力疲劳。

座面角度

休息用椅15~20°;工作用椅小于5°座垫向后倾有两种作用,首先由于重心力,躯干会向靠背后移,使背部有所支撑,降低背部肌肉的静态肌力。其次在长期的坐姿下,座垫向后倾以防止臀部逐渐滑出座面。对坐于各种不同靠背角度的座椅的人体,采用肌电图(EMG)测量其背部肌肉所引发的活动力,其结果显示出具有与正中垂直线成20°的靠背倾斜线,即可获得良好的背部支撑。就座椅功能和坐的动机而言,休息用椅后倾的座垫面有助于维持最佳的松弛状态。而工作用椅后倾的座垫面,是保证其容易接近于前方工作区的姿势。

靠背宽度与高度

高46~61cm;宽35~48cm座椅的设计必须提供正确的腰部曲度,使脊柱处于自然均衡状态。人体上半身的支撑及所处的坐姿都是由腰椎的变化曲度所造成的,为了合理而舒适的坐姿,腰椎支撑非常重要。为了配合坐姿时人体向后突出的骶骨和臀部柔软部位,同时又要使腰部能坚实地配合在靠背上,在座垫正上方处的靠背必须有一开口区域或向后倾斜退缩,其高度空间至少12.5~20cm。

靠背角度

103°~112°与座垫角度一样,靠背与座垫之间的角度也具有两种目的,防止坐姿的人体向前滑动和引导腰弯部位(包括骶椎)依靠在靠背上。从人体脊柱的形状而言,115°较为适当,它能产生接近自然的腰部形状。Jones以一种能调高度的汽车用椅,让坐者以许多不同的坐姿来研究姿势与舒适的关系。研究结果为最佳的靠背角度是108°。Grand-jean针对用于各种不同场合的休闲用椅讨论其最佳靠背角度的设定,建议阅读时最佳的角度是101°~104°,而纯为放松身心的休闲椅其最佳角度是105°~108°。

扶手高

座面上方21~22cm一般座椅设计常需考虑设有扶手。扶手的主要功能在于使手臂有所依靠,使人体得以处于较稳定的状态,也可作为改变坐姿和从椅子上站起等动作的支柱,在某些依靠手指运作灵敏性的控制操作中,它也是常被用作稳定装置的代用品。扶手不可设定得太高,太高的扶手将使肩膀高耸而成圆状,使肩部与颈部的肌肉拉伸,产生僵硬痛苦,而太低的扶手则使手肘支撑不良,导致弯腰或使躯干斜向一侧。

椅垫

椅垫具有两种重要功能,首先它有助于将坐骨结节和臀部上的人体重量所产生的压力予以分散。若此种压力无法排除则会引起不舒适甚至疲劳等。其次它能使身体采取一种稳定的姿势,将身体凹陷入椅垫并支撑它。Branton以观察方式研究两种不同形式的火车座椅上的乘客,通过分析比较乘客坐在椅子上所产生的局促扭动的动作量,以及能维持稳定姿势不动的时间长短等,发现坐在较坚实椅垫上的乘客,其各方面结果均比坐于柔软椅垫上者为佳。

各种座椅的设计范例

座椅设计的重点在于适合于大多数人的体型,使它保持在最舒适、最有效的坐姿状态,并避免不必要的负荷。但座椅造形样式非常繁杂,其设计特性互有不同,这里列举数种座椅设计范例,应用上述座椅设计的一般原则,说明各种座椅的特点。

办公椅

Grandjean曾对办公室里的文书操作员所用的座椅进行研究,他们利用一种自己设计的特定座椅机(seating machine),让受测者坐在上面,依其人体所需求的舒适条件调整座椅的各部位尺度,直到最满意程度为止,最后记载其最终的数据,经过分析研究判断后得出如图1所示的舒适的座椅原型。

多用途椅

Grandjean等的研究,是以25位男性和25位女性为样本,使其坐在12种不同设计的多用途椅后,要求受测者检验这些椅子对其本身人体上11个部位所产生的压力状况,评价其舒适程度,另外每一位受测者以配对比较法,将每张椅子与其它椅子进行对比,评价其总体舒适度。研究结果,选出了两张公认最好的座椅原型,如图2所示。其中所列的各部位尺寸值,就是分析所有相关资料后所得出的结果,数据中包括了整个座面上的2~4cm泡棉垫。

休息与阅读椅

用于休息和阅读的座椅,其特性应与那些用于活动力较多的座椅不同。Grandjean等进行了一项研究,他们利用一种可调整式的座椅机,让受测者依其所需的舒服感作各种座椅尺寸的调整,座椅机最后可调整到任何期望的形态,结果发现大多数的受测者都对表1所示各种角度和尺寸值的座椅较为感到满意。这两种座椅的外形轮廓如图3所示,虚线表示扶手及可能的完整外形,座椅的表面包括有6cm厚的椅垫,两种座椅都提供有完整的靠背支撑,尤其是脊柱下方(腰弯部位)的凸出部位是其设计特点。

结语

座椅设计是一项涉及多学科的极富挑战性的设计课题,其考虑的因素必需是多方面的,尤其它涉及极其复杂的人体,其中包含了人的形态尺寸、生理心理现象以及运动机能等,更使设计师难以创造出完美的椅子。然而在众多问题的探讨中,无疑人体工程学原则是座椅设计的关键要素。

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