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人体生理机能与家具设计的关系

在家具设计中对人体生理机能的研究是促使家具设计更具科学性的重要手段。根据人体活动及相关的姿态,人们设计生产了相应的家具,我们将其分类为坐卧性家具、凭依性家具及贮藏性家具。

(一)坐卧性家具

按照人们日常生活的行为,人体动作姿态可以归纳为从立姿到卧姿的不同势态,其中坐与卧是人们日常生活中占有的最多动作姿态,如工作、学习、用餐、休息等都是在坐卧状态下进行的,因此坐卧性家具与人体生理机能关系的研究就显得特别重要。坐卧性家具的基本功能是满足人们坐得舒服、睡得安宁、减少疲劳和提高工作效率。这四个基本功能要求中,最关键的是减少疲劳,如果在家具设计中,通过对人体的尺度、骨骼和肌肉关系的研究,使设计的家具在支承人体动作时,将人体的疲劳度降到最低状态,也就能得到最舒服的最安宁的感觉,同时也可保持最高的工作效率。

然而形成疲劳的原因是一个很复杂的问题,但主要是来自肌肉和韧带的收缩运动。肌肉和韧带处于长时间的收缩状态时,人体就需要给这部分肌肉持续供给养料,如供养不足,人体的部分机体就会感到疲劳。因此在设计坐卧性家具时,就必须考虑人体生理特点,使骨骼、肌肉结构保持合理状态,血液循环与神经组织不过分受压,尽量设法减少和消除产生疲劳的各种条件。

1、坐具的基本尺度与要求

坐高:坐高是指坐具的坐面与地面的垂直距离,椅子的坐高由于椅坐面常向后倾斜,通常以前坐面高作为椅子的坐高。

坐高是影响坐姿舒适程度的重要因素之一,坐面高度不合理会导致不正确的坐姿,并且坐的时间稍久,就会使人体腰部产生疲劳感。我们通过对人体坐在不同高度的凳子上,其腰椎活动度的测定,可以看出凳高为400mm 时,腰椎的活动度最高,即疲劳感最强,其它高度的凳子,其人体腰椎的活动度下降,随之舒适度增大,这就意味着(凳子在没有靠背的情况下)凳子看起来坐高适中的(400mm 高)而腰部活动最强。在实际生活中出现的人们喜欢坐矮板凳从事活动的道理就在于此,人们在酒巴间坐高凳活动的道理也相同。

对于有靠背的坐椅,其坐高就不宜过高,也不宜过低,它与人体在坐面上的体压分布有关。坐高不同的椅面,其体压分布也不同,所以坐高是影响坐姿舒适的重要因素。坐椅面是人体坐姿时承受臀部和大腿的主要承受面,通过测试,不同高度的坐椅面的体压分布。坐面过高,两足不能落地,使大腿前半部近膝窝处软组织受压,久坐时,血液循环不畅,肌腱就会发胀而麻木;如果椅坐面过低,则大腿碰不到椅面,体压过于集中在坐骨节点上,时间久了会产生疼痛感;另外坐面过低,人体形成前屈姿态,从而增大了背部肌肉的活动强度,而且重心过低,使人起立时感到困难。因此设计时必须寻求合理的坐高与体压分布。根据坐椅面体压分布情况来分析,椅坐高应略小于坐者小腿脚窝到地面的垂直距离,即坐高等于小腿轻微受压,小腿有一定的活动余地。但理想的设计与实际使用有一定差异,一张坐椅可能为男女高矮不等的人所使用,因此只能取用平均适中的数据来确定较优的合适坐高。

坐深:主要是指坐面的前沿至后沿的距离。坐深的深度对人体坐姿的舒适影响也很大。如坐面过深,超过大腿水平长度,人体挨上靠背将有很大的倾斜度,而腰部缺乏支撑点而悬空,加剧了腰部的肌肉活动强度而致使疲劳产生;同时坐面过深,使膝窝处产生麻木的反应,并且也难以走立。

因此坐椅设计中,坐面深度要适中,通常坐深应小于人坐姿时大腿的水平长度,使坐面前沿离开小腿有一定的距离,保证小腿一定的活动自由。根据人体尺度,我国人体坐姿的大腿水平长度平均:男性为445mm,女性为425mm,然后保证坐面前沿离开膝窝一定的距离约60mm,这样,一般情况下坐深尺寸在380-420mm 之间。对于普通工作椅来说,由于工作人体腰椎与骨盘之间成垂直状态,所以其坐深可以浅一点。而作为休息的靠椅,因其腰椎与骨盘的状态呈倾斜钝角状,故休息椅的坐深可设计得略为深一些。

坐宽:椅子坐面的宽度根据人的坐姿及动作,往往呈前宽后窄的形状坐面的前沿宽度称坐前宽,后沿宽度称坐后宽。坐椅的宽度应使臀部得到全部支承并有适当的活动余地,便于人体坐姿的变换和高度一般坐宽不小于380mm,对于有扶手的靠椅来说,要考虑人体手臂的扶靠,以扶手的内宽来作为坐宽的尺寸,按人体平均肩宽尺寸加一适当的余量,一般不小于460mm,但也不宜过宽以自然垂臂的舒适姿态肩宽为准。

坐面倾斜度:从人体坐姿及其动作的关系分析,人在休息时,人的坐姿是向后倾靠,使腰椎有所承托。因此一般的坐面大部分设计成向后倾斜,其人斜角度为3 ~5 ,相对的椅背也向后倾斜。而一般的工作椅则不希望坐面有向后的倾斜度,因为人体工作时,其腰椎及骨盘处于垂直状态,甚至还有前倾的要求,如果使用有向后倾斜面的坐椅,反而增加了人体力图保持重心向前时肌肉和韧带收缩的力度,极易引起疲劳。因此一般工作椅的坐面以水平为好,甚至可考虑椅面向前倾斜的设计,如通常使用的绘图凳面是身前倾斜的。近年来由奥地利罗利希特产品研制中心设计的工作凳具有根据人体动作可任意转动方向与倾角的特性。凳子底部为一充满砂子的橡袋,凳子可在任一角度得到限定。另由挪威设计师设计的工作“平衡”椅,也是根据人体工作姿态的平衡原理设计而成,坐面作小角度的向前倾斜,并在膝前设置膝靠垫,把人的重量分布于骨支撑点和膝支撑点上,使人体自然向前倾斜,使背部、腹部、臀部的肌肉全部放松,便于集中精力,提高工作效率。

椅靠背:前面坐凳高度测试曾提到人坐于半高的凳上(400-450mm),腰部肌肉的活动强度最大,最易疲劳,而这一坐高正是我们坐具设计中用得最普遍的,因此要改变腰部疲劳的状况,就必须设置靠背来弥补这一缺陷。椅靠背的作用就是使躯干得到充分的支承,特别是人体腰椎(活动强度最大部分)获得舒适的支承面,因此椅靠背的形状基本上与人体坐姿时的脊椎形状相吻,靠背的高度一般上沿不宜高于肩胛骨。对于专供操作的工作用椅,椅靠背要低,一般支持位置在上腰凹部第二腰椎处。这样人体上肢前后左右可以较自由地活动,同时又便于腰关节的自由转动。

扶手高度:休息椅和部分工作椅需要设有扶手,其作用是减轻两臂的疲劳。扶手的高度应与人体坐骨结节点到上臂自然下垂的肘下端的垂直距离相近。扶手过高时两臂不能自然下垂,过低则两肘不能自然落靠,此两种情况都易使上臂引起疲劳,根据人体尺度,扶手上表面坐面的至坐面的垂直距离为200-250mm,同时扶手前端略为升高,随着坐面倾角与基本靠背斜度的变化,扶手倾斜度一般为±10 ~20 ,而扶手在水平方向的左右偏角在±10 ,一般与坐面的形状吻合。

坐面形状及其垫性:坐面形状一般来就期望与人坐姿时大腿及臀部与坐面承压时形成的状态吻合。坐面形状影响到从姿时的体压分布, 所示两种形状的坐面形成不同的体压分布。所示的体压分布较为合理,压力集中于坐骨支承点部分,大腿只受轻微的压力。尽管坐面外形看起来 舒服,但坐上去后,体压分布显得承受面大,而且大腿的软组织部分要承受较大的压力,反而坐感不舒服。

2、卧具的基本尺度与要求

床是供人睡眠休息的主要卧具,也是与人体接触时间最长的家具。床的基本要求是使人躺在床上能舒适地尽快入睡,并且要睡好,以达到消除一天的疲劳、恢复体力和补充工作精力的目的。因此床的设计必须考虑到床与人体生理机能的关系。

(1)卧姿时的人体结构特征:从人体骨骼肌肉结构来看,人在仰卧时,不同于人体直立时的骨骼肌肉结构。人直立时,背部和臀部凸出于腰椎有40-60mm,呈S 形。而仰卧时,这部分差距减少至20-30mm,腰椎接近于伸直状态。人体起立时各部分重量在重力方向相互叠加,垂直向下,但当人躺下时,人体各部分重量相互平等垂直向下,并且由于各体块的重量不同,其各部位的下沉量也不同,因此床的设计好坏以能否消除人的疲劳的关键,即床的合理尺度及床的软硬度能否适应支承人体卧姿,使人体处于最佳的休息状态。与坐椅一样,人体在卧姿时的体压情况是决定体感舒适的主要原因之一。

人体在两全柔软程度不同的床一的体压分布情况,图中为人体睡在弹性软硬的床面上所形成的体压分布。人体感觉迟钝的部分承受压力较大,而在人体感觉敏锐处承受的压力较小,这种体分布是比较合理的。下图是人体睡在过于柔软的床面上所形成的体压分布图。由于床垫过软,使背部和臀部下沉,腰部突起,身体呈W 型,形成骨骼结构的不自然状态,肌肉和韧带处于紧张的收缩状态,人体感觉敏感的与不敏感的部位均受到同样的压力,时间稍长就会产生不舒适感,需要通过不断的翻身来调整人体敏感部分的受压善,使人不能熟睡,也就影响了正常的休息。

因此为了使体压得到合理分布,必须精心设计好的床软硬度。现代家具中使用的床垫是解决体压分布合理的较理想用具。它由不同材料搭配的三层结构组成,上层与人体接触部分采用柔软材料;中层则采用较硬的材料;下层是承受压力的支承部分,用具有弹性的钢丝弹簧构成。这种软中有硬的三层结构做法,有助于人体保持自然的良好的仰卧姿态,从而得到舒适的休息。

(2)卧姿人体尺度:人在睡眠时,并不是一直处于一种静止状态,而是经常辗转反侧,人的睡眠质量除了与床垫的软硬有关外,还与床的大小尺寸有关。

床宽:床的宽窄直接影响人睡眠的翻身活动。日本学者做的试验表明,睡窄床比睡阔床的翻身次数少。当宽为500mm 的床时,人睡眠翻身次数要减少30%,这是由于担心翻身掉下来的心理影响,自然也就不能熟睡。一般我们以仰卧姿势为1000mm。但试验表明,床宽自700mm 至1300mm 变化时,作为单人床使用,睡眠情况都很好。因此我们可以根据居室的实际情况,单人床的最小宽度为700mm。

床长:床的长度指两床关板内侧或床架内的距离。为了能适应大部分人的身长需要,床的长度应以较高的人体作为标准进行设计,床的长度可按下列公式计算:

L=H(平均身高)1.05+A(头前余量)+B(脚后余量)

国家标准GB3328-82 规定,成人用床床面净长一律为1920mm,对于宾馆的公用床,一般脚部不设床架,便于特高人体的客人需要,可以加接脚凳。

床高:床高即床面距地高度。一般与椅坐的高度取得一致,使床同时具有坐卧功能。另外还要考虑到人的穿衣、穿鞋等动作。一般床高在400-500mm 之间。双层床的层间净高必须保证下铺使用者在就寝和起床时有足够的动作空间,但又不能过高,过高会造成上下的不便

及上层空间的不足。按国家标准GB3328-82 规定,双层床的底床铺面离地面高度不大于420mm,层间净高不小于950mm。

(二)凭倚性家具

凭倚性家具是人们工作和生活所必需的辅助性家具。如就餐用的餐桌、看书写字用的写字桌、学生上课用的课桌、制图桌等;另有为站立活动而设置的售货柜台、账台、谟台和各种操作台等。这类家具的基本功能是适应在坐、立状态下,进行各种活动时提供相应的辅助条件,并兼作放置或贮存物品之用,因此这类家具与人体动作产生直接的尺度关系。

1、坐式用桌的基本要求的尺度

高度:桌子的高度与人体动作时肌体的形状及疲劳有密切的关系。经实验测试,过高的桌子容易造成脊柱的侧弯和眼睛的近视,从而降低工作效率,另外桌子过高还会引起耸肩,肘低于桌面等不正确姿势而引起肌肉紧张,产生疲劳;桌子过低也会使人体脊椎弯曲扩大,造成驼背、腹部受压,妨碍呼吸运动和血液循环等弊病,背肌的紧张收缩,也易引起疲劳。因此正确的桌高应该与椅坐高保持一定的尺度配合关系。设计桌高的合理方法是应先有椅坐高,然后再加按人体坐高比例尺寸确定的桌面与椅面的高度差,即:桌高=坐高+桌椅高差(坐姿态时上身高的1/3)根据人体不同使用情况,椅坐面与桌面的高差值可有适当的变化。如在桌面上书写时,高差=1/3 坐姿上身高减20-30mm,学校中的课桌与椅面的高差=1/3 坐姿上身高减10mm。桌椅面的高差是根据人体测量而确定的。由于人种高度的不同,该值也就不一,因此欧美等国的标准与我国的标准不同。1979 年国际标准(ISO)规定桌椅面的高差值为300mm,而我国确定值为292mm(按我国男子平均身高计算)。由于桌子定型化的生产,很难定人使用,目前还没有看到男人使用的桌子和女人使用的桌子,因此这一矛盾可用升降椅面高度来弥补。我国国家标准GB3326-82 规定桌面高度为H=700-760mm,级差 △△S=20mm。即桌面高可分别为700mm、720mm、740mm、760mm 等规格。我们在实际应用时,可根据不同的使用特点酌情增减。如设计中餐用桌时,考虑到中餐进餐的方式,餐桌可略高一点;若设计西餐桌,同样考虑西餐的进餐方式,使用刀叉的方便,将餐桌高度略降低一些。桌面尺寸:桌面的宽度和深度应以人坐姿时手可达的水平工作范围(图3-67),以及桌面可能置放物品的类型依据。如果是多功能的或工作时需配备其他物品、书籍时,还要在桌面上增添附加装置,对于阅览桌、课桌类的桌面,最好有约15 的倾斜,能使人获得舒适的视域和保持人体正确的姿势,但在倾斜的桌面上除了书籍、薄本外,其它物品就不易陈放。

 

国家标准GB3226-82规定:

双柜写字台宽为:1200-1400mm;深为:600-750mm;

单柜写字台宽为:900-1200mm;深为:510-600mm;

宽度级差为100mm;深度级差为50mm;一般批量生产的单件产品均按标准选定尺寸,但对组合柜中的写字台和特殊用途的台面尺寸,不受此限制。餐桌与会议桌的桌面尺寸以人均占周边长为准进行设计,一般人均占桌周边长为550-580mm,较舒适的长度为600-750mm。

桌面下的净空尺寸:为保证坐姿时下肢能在桌下设置与活动,桌面下的净空高度应高于双腿交叉叠起进的膝高,并使膝上部留有一定的活动余地(图 3-69)。如有抽屉的桌子,抽屉不能做得太厚,桌面至抽屉底的距离不应超过桌椅高差的1/2 即120-150mm,也就是说桌

子抽屉下沿距椅坐面至少应有172-150mm 的净空,国家标准GB3326-82 规定,桌子空间净高大于580mm,净宽大于520m

 

2、立式用桌(台)的基本要求与尺度

立式用桌主要指售货柜台、营业柜台、讲台、服务台及各种工作台等。站立时使用的台桌高度是根据人体站立姿势的屈臂自然垂下的肘高来确定的。按我国人体的平均身高,站立用台桌高度以910-965mm 为宜。若需要用力工作的操作台,其桌面可以稍降低20-50mm,甚至更低一些。

立式用桌的桌面尺寸主要由所城的表面尺寸和表面放置物品状况及室内空间和布置形式而定,没有统一的规定,视不同的使用功能作专门设计。立式用桌的桌台下部不需留出容膝空间,因此桌台的下部通常可作贮藏柜用,但立式桌台的底部需要设置容足空间,以利于人体靠紧台桌的动作之需。这个容足空间是内凹的,高度为80mm,深度在50-100mm。

 

(三)贮存性家具

贮存性家具是收藏、整理日常生活中的器物、衣物、消费品、书籍等的家具。根据存放物品的不同,可分为柜类和架类两种不同贮存方式。柜类贮存方式主要有大衣柜、小衣柜、壁柜、被褥柜、书柜、床头柜、陈列柜、酒柜等;而架类贮存方式主要有书架、食品架、陈列架、衣帽架等。贮存类家具的功能设计必须考虑人与物两方面的关系;一方面要求贮存空间划分合理,方便人们存取,有利于减少人体疲劳;另一方面又要求家具贮存方式合理,贮存数量充分,满足存放条件。

1、贮存性家具与人体尺度的关系

为了正确确定柜、架、搁板的高度及理分配空间,首先必须了解人体所能及的动作范围,以我国成年妇女为例,其动作活动范围如图3-72 所示。

图中:A 是站立时上臂伸出的取物高度,以1900mm 为界线,再高就要站在凳子上存取物品,是经常存取和偶然存取的分界线。

B 是站立时伸臂存取物品较舒适的高度,1750-1800mm 可以作为经常伸臂使用的挂棒或搁板的高度。

C 是视平线高度,1500mm 是存取物品最舒适的区域。

D 是站立取物比较舒适的范围,600-1200mm 高度,但已受视线影响及需局部弯腰存取物品。

E 是下蹲伸手存取物品的高度,650mm 可作经常存取物品的下限高度。

F、G 是有炊事案桌的情况下存取物品的使用尺度,存贮柜高度尺寸要相应降低200mm根据上述动作分析,家庭橱柜应适应女性使用要求。我国的国家标准规定柜高限度在1850mm,在1850mm 以下的范围内,根据人体动作行为和使用的舒适性及方便性,再可划分为二个区域,第一区域为以人肩为轴,上肢半径活动的范围,高度定在650-1850mm,是存取物品最方便、使用频率最多的区域,也是人的视线最易看到的视域。第二区域为从地面至人站立时手臂下垂指尖的垂直距离,即650mm 以下的区域,该区域存贮不便,人必须蹲下操作,一般存放较重而不常用的物品。若需扩大贮存空间,节约占地面积,则可设置第三区域,即橱柜的上空1850mm 上的区域。一般可叠放柜架,存放较轻的过季性物品(如棉絮等)。

在上述贮存区域内根据人体动作范围及贮存物品的种类可以设置搁板、抽屉、挂衣棍等。在设置搁板时,搁板的深度和间距除考虑物品存放方式及物体的尺寸外,还需考虑人的视线,搁板间距越大,人的视域越好,但空间浪费较多,所以设计时要统筹安排。

至于橱、柜、架等贮存性家具的深度和宽度,是由存放物的种类、数量、存放方式以及室内空间的布局等因此来确定,在一定程度上还取决于板材尺寸的合理裁割及家具设计系列的模数化。

 

2、贮存性家具与贮存物的关系

贮存性家具除了考虑与人体尺度的关系外,还必须研究存放物品的类别与方式,这对确定贮存性家具的尺寸和形式起重要作用。一个家庭中的生活用品是极其丰富多彩的,从衣服鞋帽到床上用品,从主副食品到烹饪器具、各类器皿,从书报期刊到文化娱乐用品,以及其它日杂用品,这么多的生活用品,尺寸不一,形体各异,要力求做到有条不紊,分门别类地存放,促成生活安排的条理化,从而达到优化室内环境的作用。电视机、组合音响、家用电器等也已成为家庭必备的用具设备,它们的陈放和贮存性家具也有密切的关系,一些大型的电气设备如洗衣机、电冰箱等是独立落地放置的,但在布局上尽量与橱柜等家具组合设置,使室内空间取得整齐划一的效果。

针对这么多的物品种类和不同尺寸,贮存家具不可能制作得如此琐碎,只能分门别类地合理确定设计的尺度范围。根据我国国家标准GB3327-82 对柜类家具的某些尺寸作如下限定。

 

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