第三節  家具設計中的人體工程學

     家具的主要功能是實用,因此,無論是人體家具還是貯藏家具都要滿足使用要求。屬于人體家具的椅、床等,要讓人坐著舒適,書寫方便,睡得香甜,安全可靠,減少疲勞感。屬于貯藏家具的柜櫥、架等,要有適合貯存各種衣物的空間,并且便于人們存取。為滿足上述要求,設計家具時必須以人體工程學作為指導,使家具符合人體的基本尺寸和從事各種活動需要的尺寸。

        一、工作面的高度

        工作面是指作業時手的活動面。工作面的高度是決定人I作時的身體姿勢的重要因素。不正確的工作面高度將影響工人的姿勢,引起身體的彎曲,以致腰酸背痛。不論是坐著工作還是站立工作,都存在著一個最佳工作面高度的問題。這里需要強調,工作面高度不等于桌面高度,因為工作物件本身是有高度的。例如,打字機的鍵盤高度,一般有25~50mm。工作面可以是工作臺的臺面,也可以是主要作業區域。工作面的高度取決于作業時手的活動面的高度。例如繡花時,繡面的高度。不考慮具體的工作人員,一概采用固定的工作面高度,這不是一項好的設計。

         1．肘部高度

       最佳的工作面高度是在人的肘下50mm。這個數值是根據生產效率和工作人員的生理情況兩方面因索確定的。很早就有人在研究后指出,T作面在肘下25~76mm是合適的。隨后許多研究都證明了這點。眾多研究得到的重要結論是工作面高度應由人體肘部高度來確定,而不是由地面以上的高度來確定。由于不同人的肘部高度是不一樣的,所以使用一個固定的數字來設計T作面高度顯然是不合理的。

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

        2．能量消耗

       有人對燙衣板高度與工作人員生理方面的關系做了試驗研究。試驗中使用了人的能量消耗(kW)、心跳次數、呼吸次數等指標。多數參加試驗者選擇燙衣板距肘下150m為宜。如果把燙衣板置于距肘下250mm,出現了受試驗者呼吸情況稍有變化的現象。其他一些人的類似試驗都一致指出,當擱架高度低于肘部時,隨著擱架高度的下降,人的能量消耗增加較快。這是由于人體自身的重量所造成的。例如,一個58kg體重的女工,搬運0.5kg的罐頭到高于肘部的擱架上,她必須舉起05kg的罐頭,1kg重的前臂,15kg重的上臂。為了搬動0.5kg的罐頭到低于肘部的擱架上,除上述動作外,她還需要不同程度地移動身體,則能量消耗增加很快。

        3.作業技能

        作業面的高度影響人的作業技能。一般認為,于在身前作業,肘部自然放下,手臂內收呈直角時,作業速度最快,即這個作業面高度最有利于技能作業。但另一個對食品包裝的研究的結果與以上觀點稍有不同(圖1-4-45)。由圖可見,當手臂在身體兩側,外展角度為8°~23°,前臂內收平放在工作臺上時,食品包裝的作業效能最高,即包裝速度快,質量好,而且人體消耗的能量也隨之減少。如果座椅太低,上臂外展角度達45°時,肩承受了身體的平衡重量,將導致肌肉疲勞,所以作業效能下降,人體能耗增加。

         從適應性而言,可調工作臺是理想的人體工程學的設計。在輕負荷作業條件下,不同身高的人應采用的調節高度如圖1-4-46所示。工作面的高度設計按基本作業姿勢可分為三類站立作業;坐姿作業;交替式作業。

 
圖1-4-45

 
圖1-4-46

        4.站立作業

        站立工作時,工作面的高度決定了人的作業姿勢。工作面過高,人不得不抬肩作業,可引起肩背、頸部等部位疼痛性肌肉痙攣。工作面太低,迫使人彎腰彎背,引起腰痛。站立作業的最佳T作面高度為肘高以下5~10cm。男性的平均肘高約為105cm,女性約為98cm。因此,按人體尺寸考慮,男性的最佳作業面高度為95-100cm,女性的最佳作業面高度為88~93cm。

        作業性質也可影響作業面高度的設計。對于精密作業(例如繪圖),作業面應上升到肘高以上5~10cm,以適應眼睛的觀察距離。同時,給肘關節部位一定的支承以減輕背部肌肉的靜態負荷。

        對于工作臺,如果臺面還要放置工具、材料等,臺面高度應降到肘高以下10~15cma。

        若作業體力強度高,例如需要借助身體的重量(如木工),作業面應降到肘高以下15~40cm。對于不同的作業性質,設計者必須具體分析其特點,以確定最佳作業面高度(圖1-4-47)。

 
圖14-47

         5．坐姿作業

        對于一般的坐姿作業,作業面的高度仍在肘高(坐姿)以下5~10cm比較合適。同樣,在精密作業時,作業面的高度必須增加,這是由丁精密作業要求手眼之間的精密配合。在精密作業中,視覺距離決定了人的作業姿勢。

        隨著中文計算機的發展,打字工作越來越多。打字時的作業面高度取決于打字機的鍵盤高度和工作臺高度。降低工作臺的高度受到腿所必需的空間的限制,最低的工作臺高度可由以下公式求得:

         LH=K+R+T

     式中LH最低工作臺高度

         K——臏骨上緣高(坐姿);

         R——活動空隙,男性為5cm,女性為7cm;

         T——工作臺面厚度

        辦公室工作由于受到視覺距離和手的較精密工作(如書寫、打字等)的要求,一般辦公桌的高度都應在肘高以上。辦公桌的高度是否合適,還取決于另外兩個因素:面部與桌面的距離和桌下腿的活動空間。前者影響人的腰部姿勢;后者決定腿是否舒服。

        一般而言,辦公桌應按身材較大的人的人體尺寸設計。這是因為身材小的人可以加高椅面和使用墊腳臺,而身材較大的人使用低辦公桌就會導致腰腿的疲勞和不舒服。

        設計辦公桌時,應保證辦公人員有足夠的腿的活動空間。因為,腿能適當移動或交叉對血液循環是有利的。抽屜應在辦公人員兩邊,而不應在桌子中間,以免影響腿的活動。

         6．坐立交替式作業

         這是指工作者在作業區內,既可坐也可站,可坐立交替地工作(圖1-4-48)。這種工作方式很符合生理學和矯形學(研究人體,尤其是兒童骨骼系統變形的學科)的觀點。坐姿解除了站立時人的下肢的肌肉負荷,而站立時可以放松坐姿引起的肌肉緊張。坐與站各導致不同肌肉的疲勞和疼痛,所以坐立之間的交替可以解除部分肌肉的負荷,坐立交替還可使脊椎中的椎間盤獲得營養。

        另外,坐立交替設計還很適合需頻繁坐立的工作。例如美國UPS郵政車司機的座椅就比一般汽車司機的座椅高,它可以坐立交替,從而大大減輕了頻繁坐立的勞動強度。

 
圖1-4-48

         7．斜作業面

         實際工作中,頭的姿勢很難保持在理想的范圍內,如最常見的在寫字臺上讀寫書畫,頭的傾角就超過了舒服的范圍(即8°~22°),因此出現了桌面或者作業面傾斜的設計(圖1-4-49)。特別是當水平作業面過低時,由于頭的傾角不可能過多地超過30°,所以,人不得不增加軀體的彎曲程度。因此,繪圖桌的設計應注意以下幾條要求：

        (1)高度和傾斜度都可調

        (2)桌面前緣的高度應在65~130cm內可調;

        (3)桌面傾斜度應在0°~75°°內可調。

        對學生使用課桌時的姿勢的研究已經發現,軀體傾斜(第12節胸椎與眼睛的連線同水平面之間的夾角)程度與桌面傾斜程度有關系。可見,傾斜桌面有利于保持軀體的自然姿勢,避免彎曲過度。另外,肌電圖和個體主觀感受測量都證明了傾斜桌面的優越性。傾斜桌面還有利于視覺活動。但桌面斜了,放東西就困難,這一點設計時亦應予以考慮。

 
圖1-4-49

        二、座位的設計

        不論在工作單位、在家中、在公共汽車中或任何其他地方,每人在他的一生中有很大一部分時間是花在坐的上面的,從經驗可知,椅子和座位必須舒適并配合不同工作的需要,這不僅與工作效率有關,而且與人體的健康有著密切的關系。

         1.一般的座位設計原理

        當然,與座位和椅子有關的舒適程度和功能效用是由它們的設計與人體的身體結構和生物力學,關系所構成的。椅子和座位的用途不同(從看電視的躺椅至運動場的露天看臺),顯然要求不同的設計,并且由于人個體的差別更使這個設計問題復雜化了。但仍然有些通用的準則,可以幫助我們選擇設計并滿足我們預期的目標。

         在很多情況下,座椅與餐桌、書桌、柜臺或各種各樣的工作面有直接關系,但以下所講的內容僅僅涉及了椅子本身。椅子設計的關鍵包括座高、座深、座寬和斜}度,扶手高度和間隔,椅背大小和傾斜角度。

        (1)重量分布

        各種對座位的研究得出了以下這個結論:當一個人坐在椅子內時,他身體的重量并非全部在整個臀部上,而是在兩塊坐骨的小范圍內。當人體的重量主要是由坐骨的結節支承時,人們通常就感到最舒適。從臀部的骨結構來看,似乎很適合這個支承重量的任務。圖1-4-50、圖1-4-51給出了座椅所受到的壓力分布。每一根線代表相等的壓力分布,從坐骨結節下的最大值90gm2至最外邊的10gcm2。一把好的座椅可以適應姿勢的改變。軟的坐墊是需要的,因為它可以增加接觸表面,從而減小壓力分布的不均勻性。一般坐墊高度是25mm。太軟太高的坐墊造成身體不易平衡穩定,反而不好。椅子表面的材料應采用纖維材料,既可透氣,又可減少身體下滑。不要采用塑料面。塑料面不透氣,表面太滑,使人坐著感到不舒服。

 
圖1-4-50
 
圖1-4-51

        (2)座位高度

        座椅的高度是很重要的。應該根據工作面高度決定座椅高度。常常出現的錯誤是從地面起量座椅的高度。決定座椅高度最重要的因素是,該高度應能造成人的肘部與工作面之間有一個合適的距離是275±25mm,在這個距離內,大腿的厚度占據了一定高度(圖1-4-52)。當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兩腳被地面所支持。由于考慮到工作面的需要,可能椅子高度會導致人腳達不到地面,這田時應該使用|腳墊。

        為了避免大腿下有過高的壓力(一般發生在座位的前部),座位前沿的高度不應大于坐著時從地板到大腿下面的距離(腳彎處和高度)。這個尺寸的選擇一般應適合所有第5百分位以上的人。然而這個值對于固定座位的高度來說,可能會使較高的人的腰背部分成凸出而不是凹進去的姿勢。因此將腳后跟最好比第5百分位的值略提高3~5cm(婦女要多一些)。在實踐中非常普遍地采用43cm的座位高度。能調節的座位高度(38-48cm)可以適合各種高度的人的需要。

 
圖1-4-52

        (3)座位的深度和寬度

        座位的深度和寬度應取決于座位的類型(不論是多用途的椅子或是打字員用的椅子甚至躺椅等)。然而一般講,這個規定的深度應適合小個子(為小腿提供余隙,并且減少大腿壓力)。座椅的深度要恰當。如果座椅太深,坐者不能靠背。通常的深度是375400mm為宜。座位面的寬度不能小于40cm。這樣一個座位寬度對于單只座位來講,可達到預期的目的;但如果是排成一行的,或者座位是一個靠著一個的,還必須考慮肘與肘的寬度,而規定的寬度應適合大個子。即使采用第95百分位的值也會產生一定的擁擠。在任何情況下這些數字是帶靠手的椅子的最小值。座椅的寬度是從寬為好。寬的座椅允許坐者姿勢變化。最小的椅子寬度是400mm再加上50mm的衣服和口袋裝物的距離。對于有靠手的座椅,兩靠手之間的距離最小是475mm。會妨礙手臂的運動。如果需要手臂支撐,可以把手臂放在桌子上,手臂下面還可以放小的墊子。對于有靠手的座椅,靠手高度應在椅面以上200mm為宜。靠手太高是錯誤的設計(圖1-4-53)

 
圖1-4-53

       (4)身軀的穩定性

        身體的穩定性大部分是由設計決定的,設讠計應使得身體主要的重量由闈繞坐骨結節的面積來承受。對于這一點,座位的角度和靠背的角度起著重要的作用,座位靠背的曲線也有關系(圖1-4-54)。然而這些方面又與座位的功能纏繞在起。例如,就辦公室座位來講,推薦的座位角度為3°,而靠背的角度(靠背和座位之間的夾角)為100°。然而,對于休息和閱讀來講,大多數人喜歡較大的角度。身體的穩定性也可以靠于來幫助,甚至將手臂先靠在桌子或工作面上,但是這些也應在能使手臂自然垂下的高度,從而使肘部能在一種自然的位置上休息(圖1-4-55、圖1-4-56)。

 
圖1-4-54

 
圖1-4-55
 
圖1-4-56

        (5)按不同用途設計的座位

        因為座位的細節問題是必須由其特定的用途決定的，故我們只能選擇一些實例來加以說明。

        工作椅。人工作時坐著的座椅叫工作椅。圖1-4-55中,左側的多功能工作椅具有高靠背低墊腰凸緣。人在工作時,身體前傾,凸緣支撐住腰部,而放松休息時人體后靠,靠背又保持了脊柱的自然“S”形曲線。工作椅并不一定需要靠背,工廠車間和醫院的工作椅一般就沒有靠背,而辦公室的作椅一般需要靠背,這取決于工作性質。圖1-4-52是一種典型的工作椅。

        就這兩種座椅對66個辦公室工作人員的征詢調查表明,絕大多數人更喜歡高靠背工作椅。因此,只要工作環境和性質允許,就應使用高靠背的工作椅。設計工作椅應注意：

        1)高度可調。工作椅的髙度調節范圍為38-53cm。

        2)可防止座椅滑動和翻倒。椅腳應設計5個,平分在直徑為40-45cm的圓周上。

        3)給人留有足夠的活動空間。需要經常站起的座椅應采用小腳輪。

        4)應保證腿的活動空間,以減輕腿的疲勞。

        5)坐面應為40~45cm寬,38-~42cm長,坐面中部稍徽下凹,前緣呈弧曲面,坐面后傾4°~6°。

        6)坐面的材料應透氣而且不打滑(例如毛料),以增加坐面的舒適感

        2．坐的解剖學和生理學

        前面介紹的座位設計的一般原理主要是建立在舒適的判斷基礎上的。但是現實情況卻是,在我們這個工業化批界中近乎一半的人口忍受著某種程度的腰背的疾苦。每年為病假工資、醫藥處理等耗費大量的錢。多年來對辦公室、工廠等方面的椅子已做了大量研究工作,打字員的椅子似乎是這類椅子的典范。其特點是能夠調節高度和靠背,并且很輕,可以移動,座位的坡度大約為向后傾斜5°,這為打字和休息提供了一個最適宜的姿勢。

        為了了解坐的姿勢中存在的問題,我們必須研究當一個人從站立的姿勢改變為坐的姿勢時,所發生的解剖學上的變化。當一個人從站立的娑勢改變成坐得筆直的姿勢時,大多數人想象為,是臀部關節轉動了90°,然而實際上這個動作是比較復雜的,因為這個彎曲中只有60°°是來自于臀部關節的,而另外的30。是來自于腰椎曲線的變平(圖1-4-57~圖1-4-59)。曾有一項研究顯示,人在坐下時艘椎曲線平均變平了30.5°,這樣的腰椎彎曲幾乎都發生第四和第五個腰椎問盤上。恰好這兩個盤是發生脫盤最多之處。因此盡可能地減少這個部位的過度彎曲很重要。即使在一般放松休息的姿勢時,那里也有相當的荷載。慢性的腰背痛常常就發生在下腰部范圍內,并且患者的特征是,他們不能以筆直的姿勢坐隨便怎樣長的時間。即使是一個健康的背,30°的彎曲似乎也已是背部能容忍較長時間的最大負擔。

 
圖1-4-57

 
圖1-458
 
圖1-459

       坐姿的最嚴重問題是對腰椎和腰部肌肉的有害影響。不正確的坐姿不但不能減輕腰的負荷,反而加重了這一負荷。60%的人都有過腰痛的體驗,其中最常見的痛因就是椎間盤的問題。椎間盤由纖維環構成,由于某種原因,椎間盤也可能退化,從而喪失強度。這時椎間盤變得扁平,嚴重時黏液還會被擠出脊柱的機能因此受到損害,造成一些組織和神經受擠壓,引起各種骨盆部位的病癥以及腰部風濕甚至下肢癱瘓。不正確的作業姿勢和坐姿可能加速椎間盤退化,引起上述種種病痛。

       許多人建議人應直腰坐著,以保持脊柱的自然S形。在人直腰坐著時。椎間盤內壓力比彎腰坐時小,但是,在坐著時適當放松,稍微彎曲身體,可以解除背部肌肉的負荷,使整個身體感覺舒服。由肌電圖可以很容易地證明這一點。如圖圖1-4-60所示,當直腰坐時肌電圖波形變化大,而放松坐時機電圖波形平穩。這說明,身體稍微前傾的放松坐姿,有利于整個身體的平衡。事實上,多數人的坐姿是放松的。細心的讀者一定已經發現,肌肉和椎間盤對坐姿的要求是矛盾的。直腰坐有利于降低椎間盤內壓力,但肌肉負荷增大;彎腰坐有利于肌肉放松卻增加了椎間盤的內壓力。靠背傾角和靠背的形狀都可影響椎間盤和背部肌肉。靠背傾角是指靠背與坐面的夾角。圖1-4-61是不同靠背傾角下的肌電圖和椎間盤內壓力。圖中椎間盤的內壓力以靠背傾角為90°時的壓力值為零點,其絕對壓力為0.5MPa,所以,圖中為相對壓力。

 
圖1-4-60

 
圖1-4-61

        綜合上述內容和圖中的數據,可以得出以下幾點結論:

        1)人的背后仰和放松時,椎間盤內壓力最小。

        2)靠背傾角越大,肌肉負荷越小。

        3)5cm厚的短靠腰(靠住腰部,也叫低靠腰)與平面的靠背相比,可降低椎問盤內壓力,減輕肌肉負荷。

        4)靠背最佳傾角(與水平面夾角)為120°,坐面最佳角度(與水平面夾角)為14°,靠背應為5cm厚的低靠腰。當靠背傾角超過110°后,傾斜的靠背支承著身體上部分的重量,從而減小了椎間盤內壓力。

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