第三节  家具设计中的人体工程学

     家具的主要功能是实用,因此,无论是人体家具还是贮藏家具都要满足使用要求。属于人体家具的椅、床等,要让人坐着舒适,书写方便,睡得香甜,安全可靠,减少疲劳感。属于贮藏家具的柜橱、架等,要有适合贮存各种衣物的空间,并且便于人们存取。为满足上述要求,设计家具时必须以人体工程学作为指导,使家具符合人体的基本尺寸和从事各种活动需要的尺寸。

        一、工作面的高度

        工作面是指作业时手的活动面。工作面的高度是决定人I作时的身体姿势的重要因素。不正确的工作面高度将影响工人的姿势,引起身体的弯曲,以致腰酸背痛。不论是坐着工作还是站立工作,都存在着一个最佳工作面高度的问题。这里需要强调,工作面高度不等于桌面高度,因为工作物件本身是有高度的。例如,打字机的键盘高度,一般有25~50mm。工作面可以是工作台的台面,也可以是主要作业区域。工作面的高度取决于作业时手的活动面的高度。例如绣花时,绣面的高度。不考虑具体的工作人员,一概采用固定的工作面高度,这不是一项好的设计。

         1．肘部高度

       最佳的工作面高度是在人的肘下50mm。这个数值是根据生产效率和工作人员的生理情况两方面因索确定的。很早就有人在研究后指出,T作面在肘下25~76mm是合适的。随后许多研究都证明了这点。众多研究得到的重要结论是工作面高度应由人体肘部高度来确定,而不是由地面以上的高度来确定。由于不同人的肘部高度是不一样的,所以使用一个固定的数字来设计T作面高度显然是不合理的。

       工作面的最佳高度略低于人的肘部。虽然不同的研究者提出了不同的肘下距离,但是一致的看法是工作面在人的肘下。人的肘部高度是人体高度的63%。

        2．能量消耗

       有人对烫衣板高度与工作人员生理方面的关系做了试验研究。试验中使用了人的能量消耗(kW)、心跳次数、呼吸次数等指标。多数参加试验者选择烫衣板距肘下150m为宜。如果把烫衣板置于距肘下250mm,出现了受试验者呼吸情况稍有变化的现象。其他一些人的类似试验都一致指出,当搁架高度低于肘部时,随着搁架高度的下降,人的能量消耗增加较快。这是由于人体自身的重量所造成的。例如,一个58kg体重的女工,搬运0.5kg的罐头到高于肘部的搁架上,她必须举起05kg的罐头,1kg重的前臂,15kg重的上臂。为了搬动0.5kg的罐头到低于肘部的搁架上,除上述动作外,她还需要不同程度地移动身体,则能量消耗增加很快。

        3.作业技能

        作业面的高度影响人的作业技能。一般认为,于在身前作业,肘部自然放下,手臂内收呈直角时,作业速度最快,即这个作业面高度最有利于技能作业。但另一个对食品包装的研究的结果与以上观点稍有不同(图1-4-45)。由图可见,当手臂在身体两侧,外展角度为8°~23°,前臂内收平放在工作台上时,食品包装的作业效能最高,即包装速度快,质量好,而且人体消耗的能量也随之减少。如果座椅太低,上臂外展角度达45°时,肩承受了身体的平衡重量,将导致肌肉疲劳,所以作业效能下降,人体能耗增加。

         从适应性而言,可调工作台是理想的人体工程学的设计。在轻负荷作业条件下,不同身高的人应采用的调节高度如图1-4-46所示。工作面的高度设计按基本作业姿势可分为三类站立作业;坐姿作业;交替式作业。

 
图1-4-45

 
图1-4-46

        4.站立作业

        站立工作时,工作面的高度决定了人的作业姿势。工作面过高,人不得不抬肩作业,可引起肩背、颈部等部位疼痛性肌肉痉挛。工作面太低,迫使人弯腰弯背,引起腰痛。站立作业的最佳T作面高度为肘高以下5~10cm。男性的平均肘高约为105cm,女性约为98cm。因此,按人体尺寸考虑,男性的最佳作业面高度为95-100cm,女性的最佳作业面高度为88~93cm。

        作业性质也可影响作业面高度的设计。对于精密作业(例如绘图),作业面应上升到肘高以上5~10cm,以适应眼睛的观察距离。同时,给肘关节部位一定的支承以减轻背部肌肉的静态负荷。

        对于工作台,如果台面还要放置工具、材料等,台面高度应降到肘高以下10~15cma。

        若作业体力强度高,例如需要借助身体的重量(如木工),作业面应降到肘高以下15~40cm。对于不同的作业性质,设计者必须具体分析其特点,以确定最佳作业面高度(图1-4-47)。

 
图14-47

         5．坐姿作业

        对于一般的坐姿作业,作业面的高度仍在肘高(坐姿)以下5~10cm比较合适。同样,在精密作业时,作业面的高度必须增加,这是由丁精密作业要求手眼之间的精密配合。在精密作业中,视觉距离决定了人的作业姿势。

        随着中文计算机的发展,打字工作越来越多。打字时的作业面高度取决于打字机的键盘高度和工作台高度。降低工作台的高度受到腿所必需的空间的限制,最低的工作台高度可由以下公式求得:

         LH=K+R+T

     式中LH最低工作台高度

         K——膑骨上缘高(坐姿);

         R——活动空隙,男性为5cm,女性为7cm;

         T——工作台面厚度

        办公室工作由于受到视觉距离和手的较精密工作(如书写、打字等)的要求,一般办公桌的高度都应在肘高以上。办公桌的高度是否合适,还取决于另外两个因素:面部与桌面的距离和桌下腿的活动空间。前者影响人的腰部姿势;后者决定腿是否舒服。

        一般而言,办公桌应按身材较大的人的人体尺寸设计。这是因为身材小的人可以加高椅面和使用垫脚台,而身材较大的人使用低办公桌就会导致腰腿的疲劳和不舒服。

        设计办公桌时,应保证办公人员有足够的腿的活动空间。因为,腿能适当移动或交叉对血液循环是有利的。抽屉应在办公人员两边,而不应在桌子中间,以免影响腿的活动。

         6．坐立交替式作业

         这是指工作者在作业区内,既可坐也可站,可坐立交替地工作(图1-4-48)。这种工作方式很符合生理学和矫形学(研究人体,尤其是儿童骨骼系统变形的学科)的观点。坐姿解除了站立时人的下肢的肌肉负荷,而站立时可以放松坐姿引起的肌肉紧张。坐与站各导致不同肌肉的疲劳和疼痛,所以坐立之间的交替可以解除部分肌肉的负荷,坐立交替还可使脊椎中的椎间盘获得营养。

        另外,坐立交替设计还很适合需频繁坐立的工作。例如美国UPS邮政车司机的座椅就比一般汽车司机的座椅高,它可以坐立交替,从而大大减轻了频繁坐立的劳动强度。

 
图1-4-48

         7．斜作业面

         实际工作中,头的姿势很难保持在理想的范围内,如最常见的在写字台上读写书画,头的倾角就超过了舒服的范围(即8°~22°),因此出现了桌面或者作业面倾斜的设计(图1-4-49)。特别是当水平作业面过低时,由于头的倾角不可能过多地超过30°,所以,人不得不增加躯体的弯曲程度。因此,绘图桌的设计应注意以下几条要求：

        (1)高度和倾斜度都可调

        (2)桌面前缘的高度应在65~130cm内可调;

        (3)桌面倾斜度应在0°~75°°内可调。

        对学生使用课桌时的姿势的研究已经发现,躯体倾斜(第12节胸椎与眼睛的连线同水平面之间的夹角)程度与桌面倾斜程度有关系。可见,倾斜桌面有利于保持躯体的自然姿势,避免弯曲过度。另外,肌电图和个体主观感受测量都证明了倾斜桌面的优越性。倾斜桌面还有利于视觉活动。但桌面斜了,放东西就困难,这一点设计时亦应予以考虑。

 
图1-4-49

        二、座位的设计

        不论在工作单位、在家中、在公共汽车中或任何其他地方,每人在他的一生中有很大一部分时间是花在坐的上面的,从经验可知,椅子和座位必须舒适并配合不同工作的需要,这不仅与工作效率有关,而且与人体的健康有着密切的关系。

         1.一般的座位设计原理

        当然,与座位和椅子有关的舒适程度和功能效用是由它们的设计与人体的身体结构和生物力学,关系所构成的。椅子和座位的用途不同(从看电视的躺椅至运动场的露天看台),显然要求不同的设计,并且由于人个体的差别更使这个设计问题复杂化了。但仍然有些通用的准则,可以帮助我们选择设计并满足我们预期的目标。

         在很多情况下,座椅与餐桌、书桌、柜台或各种各样的工作面有直接关系,但以下所讲的内容仅仅涉及了椅子本身。椅子设计的关键包括座高、座深、座宽和斜}度,扶手高度和间隔,椅背大小和倾斜角度。

        (1)重量分布

        各种对座位的研究得出了以下这个结论:当一个人坐在椅子内时,他身体的重量并非全部在整个臀部上,而是在两块坐骨的小范围内。当人体的重量主要是由坐骨的结节支承时,人们通常就感到最舒适。从臀部的骨结构来看,似乎很适合这个支承重量的任务。图1-4-50、图1-4-51给出了座椅所受到的压力分布。每一根线代表相等的压力分布,从坐骨结节下的最大值90gm2至最外边的10gcm2。一把好的座椅可以适应姿势的改变。软的坐垫是需要的,因为它可以增加接触表面,从而减小压力分布的不均匀性。一般坐垫高度是25mm。太软太高的坐垫造成身体不易平衡稳定,反而不好。椅子表面的材料应采用纤维材料,既可透气,又可减少身体下滑。不要采用塑料面。塑料面不透气,表面太滑,使人坐着感到不舒服。

 
图1-4-50
 
图1-4-51

        (2)座位高度

        座椅的高度是很重要的。应该根据工作面高度决定座椅高度。常常出现的错误是从地面起量座椅的高度。决定座椅高度最重要的因素是,该高度应能造成人的肘部与工作面之间有一个合适的距离是275±25mm,在这个距离内,大腿的厚度占据了一定高度(图1-4-52)。当上半身有了好的位置后,再注意到下肢。舒服的坐姿是大腿近乎水平以及两脚被地面所支持。由于考虑到工作面的需要,可能椅子高度会导致人脚达不到地面,这田时应该使用|脚垫。

        为了避免大腿下有过高的压力(一般发生在座位的前部),座位前沿的高度不应大于坐着时从地板到大腿下面的距离(脚弯处和高度)。这个尺寸的选择一般应适合所有第5百分位以上的人。然而这个值对于固定座位的高度来说,可能会使较高的人的腰背部分成凸出而不是凹进去的姿势。因此将脚后跟最好比第5百分位的值略提高3~5cm(妇女要多一些)。在实践中非常普遍地采用43cm的座位高度。能调节的座位高度(38-48cm)可以适合各种高度的人的需要。

 
图1-4-52

        (3)座位的深度和宽度

        座位的深度和宽度应取决于座位的类型(不论是多用途的椅子或是打字员用的椅子甚至躺椅等)。然而一般讲,这个规定的深度应适合小个子(为小腿提供余隙,并且减少大腿压力)。座椅的深度要恰当。如果座椅太深,坐者不能靠背。通常的深度是375400mm为宜。座位面的宽度不能小于40cm。这样一个座位宽度对于单只座位来讲,可达到预期的目的;但如果是排成一行的,或者座位是一个靠着一个的,还必须考虑肘与肘的宽度,而规定的宽度应适合大个子。即使采用第95百分位的值也会产生一定的拥挤。在任何情况下这些数字是带靠手的椅子的最小值。座椅的宽度是从宽为好。宽的座椅允许坐者姿势变化。最小的椅子宽度是400mm再加上50mm的衣服和口袋装物的距离。对于有靠手的座椅,两靠手之间的距离最小是475mm。会妨碍手臂的运动。如果需要手臂支撑,可以把手臂放在桌子上,手臂下面还可以放小的垫子。对于有靠手的座椅,靠手高度应在椅面以上200mm为宜。靠手太高是错误的设计(图1-4-53)

 
图1-4-53

       (4)身躯的稳定性

        身体的稳定性大部分是由设计决定的,设讠计应使得身体主要的重量由闱绕坐骨结节的面积来承受。对于这一点,座位的角度和靠背的角度起着重要的作用,座位靠背的曲线也有关系(图1-4-54)。然而这些方面又与座位的功能缠绕在起。例如,就办公室座位来讲,推荐的座位角度为3°,而靠背的角度(靠背和座位之间的夹角)为100°。然而,对于休息和阅读来讲,大多数人喜欢较大的角度。身体的稳定性也可以靠于来帮助,甚至将手臂先靠在桌子或工作面上,但是这些也应在能使手臂自然垂下的高度,从而使肘部能在一种自然的位置上休息(图1-4-55、图1-4-56)。

 
图1-4-54

 
图1-4-55
 
图1-4-56

        (5)按不同用途设计的座位

        因为座位的细节问题是必须由其特定的用途决定的，故我们只能选择一些实例来加以说明。

        工作椅。人工作时坐着的座椅叫工作椅。图1-4-55中,左侧的多功能工作椅具有高靠背低垫腰凸缘。人在工作时,身体前倾,凸缘支撑住腰部,而放松休息时人体后靠,靠背又保持了脊柱的自然“S”形曲线。工作椅并不一定需要靠背,工厂车间和医院的工作椅一般就没有靠背,而办公室的作椅一般需要靠背,这取决于工作性质。图1-4-52是一种典型的工作椅。

        就这两种座椅对66个办公室工作人员的征询调查表明,绝大多数人更喜欢高靠背工作椅。因此,只要工作环境和性质允许,就应使用高靠背的工作椅。设计工作椅应注意：

        1)高度可调。工作椅的髙度调节范围为38-53cm。

        2)可防止座椅滑动和翻倒。椅脚应设计5个,平分在直径为40-45cm的圆周上。

        3)给人留有足够的活动空间。需要经常站起的座椅应采用小脚轮。

        4)应保证腿的活动空间,以减轻腿的疲劳。

        5)坐面应为40~45cm宽,38-~42cm长,坐面中部稍徽下凹,前缘呈弧曲面,坐面后倾4°~6°。

        6)坐面的材料应透气而且不打滑(例如毛料),以增加坐面的舒适感

        2．坐的解剖学和生理学

        前面介绍的座位设计的一般原理主要是建立在舒适的判断基础上的。但是现实情况却是,在我们这个工业化批界中近乎一半的人口忍受着某种程度的腰背的疾苦。每年为病假工资、医药处理等耗费大量的钱。多年来对办公室、工厂等方面的椅子已做了大量研究工作,打字员的椅子似乎是这类椅子的典范。其特点是能够调节高度和靠背,并且很轻,可以移动,座位的坡度大约为向后倾斜5°,这为打字和休息提供了一个最适宜的姿势。

        为了了解坐的姿势中存在的问题,我们必须研究当一个人从站立的姿势改变为坐的姿势时,所发生的解剖学上的变化。当一个人从站立的娑势改变成坐得笔直的姿势时,大多数人想象为,是臀部关节转动了90°,然而实际上这个动作是比较复杂的,因为这个弯曲中只有60°°是来自于臀部关节的,而另外的30。是来自于腰椎曲线的变平(图1-4-57~图1-4-59)。曾有一项研究显示,人在坐下时艘椎曲线平均变平了30.5°,这样的腰椎弯曲几乎都发生第四和第五个腰椎问盘上。恰好这两个盘是发生脱盘最多之处。因此尽可能地减少这个部位的过度弯曲很重要。即使在一般放松休息的姿势时,那里也有相当的荷载。慢性的腰背痛常常就发生在下腰部范围内,并且患者的特征是,他们不能以笔直的姿势坐随便怎样长的时间。即使是一个健康的背,30°的弯曲似乎也已是背部能容忍较长时间的最大负担。

 
图1-4-57

 
图1-458
 
图1-459

       坐姿的最严重问题是对腰椎和腰部肌肉的有害影响。不正确的坐姿不但不能减轻腰的负荷,反而加重了这一负荷。60%的人都有过腰痛的体验,其中最常见的痛因就是椎间盘的问题。椎间盘由纤维环构成,由于某种原因,椎间盘也可能退化,从而丧失强度。这时椎间盘变得扁平,严重时黏液还会被挤出脊柱的机能因此受到损害,造成一些组织和神经受挤压,引起各种骨盆部位的病症以及腰部风湿甚至下肢瘫痪。不正确的作业姿势和坐姿可能加速椎间盘退化,引起上述种种病痛。

       许多人建议人应直腰坐着,以保持脊柱的自然S形。在人直腰坐着时。椎间盘内压力比弯腰坐时小,但是,在坐着时适当放松,稍微弯曲身体,可以解除背部肌肉的负荷,使整个身体感觉舒服。由肌电图可以很容易地证明这一点。如图图1-4-60所示,当直腰坐时肌电图波形变化大,而放松坐时机电图波形平稳。这说明,身体稍微前倾的放松坐姿,有利于整个身体的平衡。事实上,多数人的坐姿是放松的。细心的读者一定已经发现,肌肉和椎间盘对坐姿的要求是矛盾的。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。靠背倾角和靠背的形状都可影响椎间盘和背部肌肉。靠背倾角是指靠背与坐面的夹角。图1-4-61是不同靠背倾角下的肌电图和椎间盘内压力。图中椎间盘的内压力以靠背倾角为90°时的压力值为零点,其绝对压力为0.5MPa,所以,图中为相对压力。

 
图1-4-60

 
图1-4-61

        综合上述内容和图中的数据,可以得出以下几点结论:

        1)人的背后仰和放松时,椎间盘内压力最小。

        2)靠背倾角越大,肌肉负荷越小。

        3)5cm厚的短靠腰(靠住腰部,也叫低靠腰)与平面的靠背相比,可降低椎问盘内压力,减轻肌肉负荷。

        4)靠背最佳倾角(与水平面夹角)为120°,坐面最佳角度(与水平面夹角)为14°,靠背应为5cm厚的低靠腰。当靠背倾角超过110°后,倾斜的靠背支承着身体上部分的重量,从而减小了椎间盘内压力。

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