李憶璐 裴卉寧 楊一鳴 孫達

（河北工業(yè)大學建筑與藝術(shù)設(shè)計學院，天津 300401）

隨著現(xiàn)代化進程加快，人們對工作環(huán)境的舒適性要求也在不斷提高。工作環(huán)境對于辦公人員的工作效率有著極其重要的影響，舒適高品質(zhì)的辦公環(huán)境有利于提高工作人員幸福感，從而激發(fā)其工作動力。研究結(jié)果表明，辦公過程中的久坐行為會引起骨骼肌肉不適或者主觀感知不適，從而引發(fā)頸椎病、腰椎間盤突出等癥[1-2]。故部分學者從人機工程學角度出發(fā)，研究用于將辦公姿勢轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N姿勢交替模式的產(chǎn)品[3]。研究[4-6]表明，坐—站工作平臺和斜靠椅等產(chǎn)品能夠有效提升辦公室工作人員的工作效率，減少因久坐行為造成的身體不適感。但是張恒山等人的研究重點多集中于座椅外觀設(shè)計、坐面材質(zhì)等問題[7]，而對于多姿態(tài)交替作業(yè)座椅的研究甚少，即對使用者在不同站姿狀態(tài)下的舒適性的研究較少。研究[5]證明，坐—站交替的工作姿勢調(diào)節(jié)可有效減緩工作者疲憊感，是未來辦公座椅的發(fā)展方向。但坐—站姿勢轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品具有較大創(chuàng)新性，缺乏相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)標準、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。因此，相關(guān)尺寸標準的優(yōu)化與舒適性的提升顯得極為重要。

前人研究發(fā)現(xiàn)，靠背傾角是影響座椅舒適性水平的重要因素之一[8]。坐姿狀態(tài)下的座椅靠背傾110°～120°能夠使背部肌肉得到放松、脊柱壓力減少[9]，但是關(guān)于站立姿態(tài)下靠背傾角范圍的相關(guān)研究較為欠缺。另一方面，不同的座椅靠背材質(zhì)導(dǎo)致人體在使用過程中的舒適性產(chǎn)生一定差異[10-11]。因此，對不同座椅靠背材質(zhì)條件下的使用者體驗進行深入探究具有其必要性[12]。裴卉寧等[13]通過體壓分布實驗對座椅舒適性進行客觀分析，研究表明體壓分布情況與座椅舒適性明顯相關(guān)。此外，人—椅界面的平均壓強、最大壓強和接觸面積等物理量作為體壓分布的舒適度評價指標[14-15]。

以站立姿態(tài)下的斜靠椅作為研究對象，結(jié)合主觀感知舒適度評價與體壓分布測量系統(tǒng)考察不同參數(shù)斜靠椅的舒適度水平，分析不同靠背傾角和靠背材質(zhì)與主客觀感知舒適之間的映射關(guān)系，為改善久坐行為下的坐具優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)和設(shè)計建議。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取市場上辦公座椅常見的高密度海綿和乳膠材質(zhì)，靠背表面覆有滌綸織物。實驗樣本詳細信息見表1。

表1 實驗樣本信息表

實驗選取正常、偏重與偏輕體型被試各20名（男女各10名），被試身體健康，無骨骼與肌肉系統(tǒng)病史，實驗前24 h無劇烈運動，情緒穩(wěn)定。被試體型判斷依據(jù)中國肥胖研究工作組相關(guān)規(guī)定進行劃分，將被試體型依據(jù)身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）劃分為偏輕（BMI＜18.5）、正常（BMI 18.5-23.9）和偏重（BMI 24-27.9）。BMI的計算公式為：BMI=m/h2（m：體重，單位：kg）；h:身高，單位：m）[13]。被試基本信息見表2。

表2 被試基本特征統(tǒng)計表

1.2 研究方法

通過主觀與客觀兩個維度對斜靠椅舒適度進行考量。利用TACTILUS（Sensor Products Inc.Madison，NJ，USA）體壓分布測量系統(tǒng)采集被試與不同靠背材質(zhì)和傾角之間的接觸體壓分布數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由32行、32列傳感器單元排列組成，測量面積為48 cm×48 cm。另一方面，借鑒前人研究[14]成果以及Borg CR-10 10分制舒適度量化表[16]等對舒適度問卷度量分值賦予的研究，將主觀舒適度從低到高依次定義為“極低舒適感”“較低舒適感”“中等舒適感”“較高舒適感”“極高舒適感”，分別對應(yīng)1到10分（圖1）。

圖1 主觀感知舒適度評價量化示意圖

1.3 實驗流程

測量不同靠背材質(zhì)、靠背傾角下體壓分布數(shù)據(jù)，記錄被試的主觀感知舒適度。測試中要求被試靠在靠背材質(zhì)和傾角參數(shù)設(shè)置完畢的實驗座椅上，兩肩下垂，處于放松狀態(tài)；兩臂向胸前靠攏，避免接觸壓力傳感器；后背放松，自然倚靠于斜靠椅靠背；完成模擬閱讀任務(wù)（圖2）。

圖2 實驗場景與被試姿勢

（1）實驗前24 h內(nèi)，被試無劇烈體育運動情況，無肌肉骨骼酸痛情況，均著薄質(zhì)單衣，衣服兜內(nèi)無異物，心態(tài)平穩(wěn)，無劇烈心情波動。實驗前測量身高、體重、坐高等人體測量尺寸，測量完畢在休息區(qū)靜坐5min，熟悉實驗流程和注意事項等信息。

（2）以靠背傾角和材質(zhì)為自變量。靠背傾角是指座椅靠背與水平坐面之間的夾角，依據(jù)Rosmalen[17]的研究成果，選取靠背傾角115°、120°和125°作為實驗中的靠背傾角參數(shù)；靠背材質(zhì)選擇海棉和乳膠。

（3）被試倚靠于接觸面為靠背材質(zhì)和傾角固定完畢的實驗座椅上，主試采集體壓分布數(shù)據(jù)并采用口語交流方式進行主觀感知舒適度量表打分工作。

（4）被試身體保持上文所述姿勢30s，完成一組測試。

（5）實驗開始和結(jié)束后，被試繼續(xù)保持要求姿勢，采用口語交流的方法進行舒適度等級評價打分。

（6）變換其他自變量參數(shù)，重復(fù)步驟（2）～步驟（4）；以此類推，被試以隨機順序完成6次實驗。

1.4 分析方法

采用SPSS（IBM SPSS Statistics，Version 24.0）統(tǒng)計學軟件對測得體壓分布參數(shù)和主觀感知舒適度評分進行分析。使用Shapiro-Wilk test，KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett's進行正態(tài)分布和球形檢驗。分析得知，實驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，具有統(tǒng)計學研究價值。對主觀感知舒適度評分問卷結(jié)果進行統(tǒng)計性分析得知，其KMO值為0.785，且Bartlett P值＜0.001，因此問卷中涉及變量間相關(guān)性強，問卷評分數(shù)據(jù)適合進行統(tǒng)計性分析；利用克隆巴赫系數(shù)（Cronbach's alpha）衡量問卷信度，其Cronbach's Alpha系數(shù)為0.854，主觀感知舒適度評分問卷結(jié)果具有高信度，可以對問卷進行統(tǒng)計性分析。

利用單因素方差分析（One way ANOVA）分析不同靠背傾角、靠背材質(zhì)與體壓分布和主觀感知舒適度之間的聯(lián)系，采用最小顯著差異法（Least Significance Difference，LSD）分析各組組間兩兩對比差異。認定P＜0.05為具有顯著差異，P＜0.01為具有極顯著差異。

2 統(tǒng)計分析

2.1 基于材質(zhì)的主觀感知舒適度水平分析

不同靠背材質(zhì)的主觀感知舒適度均值和單因素方差分析結(jié)果見表3。舒適度水平實驗前、后具有顯著差異（P＜0.001）。表4中進一步的兩組組間比較顯示，海綿與乳膠的主觀感知舒適度評組間差異性顯著（P＜0.001），即主觀感知舒適度水平順序為：乳膠＞海綿。綜上所述，考慮表面觸感以及主觀舒適度方面的表現(xiàn)，乳膠較海綿更適合作為斜靠椅靠背材質(zhì)。

表3 基于靠背材質(zhì)分組的主觀感知舒適度評分及One way ANOVA檢驗（n=60）

表4 基于靠背材質(zhì)分組的組間主觀感知舒適度比較

2.2 基于材質(zhì)的體壓分布數(shù)據(jù)分析

前人[13]研究發(fā)現(xiàn)，峰值接觸壓強與接觸壓強的差值（Difference between Peak and Contact Pressure，DPC）與人—椅交互系統(tǒng)的舒適度水平有著顯著關(guān)系；且DPC的數(shù)值越小，人—椅交互界面的體壓分布越均勻，舒適度越高。故采用DPC、接觸壓強（Contact Pressure，CP）、峰值接觸壓強（Peak Contact Pressure，PCP）和接觸面積（Contact Area，CA）4個體壓分布參數(shù)進行客觀舒適的分析。

如表5所示，兩種材質(zhì)單因素方差分析在CP（P=0.037）、CPC（P＜0.001）和DPC（P＜0.001）方面呈現(xiàn)顯著差異性。其中，乳膠材質(zhì)靠背具有較低的接觸壓強（2.65±0.87）kPa、峰值接觸壓強（17.67±9.30）kPa和DPC（15.02±9.07）kPa。另一方面，乳膠材質(zhì)DPC水平顯著低于海綿材質(zhì)（P＜0.001），表明乳膠材質(zhì)靠背與人體交互界面的體壓分布呈現(xiàn)較好的均勻程度。

表5 基于靠背材質(zhì)分組的主觀感知舒適度評分及One way ANOVA檢驗（n=60）

通過體壓分布熱點圖（圖3）可以看出，體壓整體呈左右對稱分布，實驗壓力的最大值出現(xiàn)在肩胛骨附近，由此向周圍的壓力逐漸減小，并以肩胛頂為中心呈封閉環(huán)狀分布，與理想體壓的分布一致。另一方面，接觸壓強則反映了壓力分布的集中程度，壓力分布得越集中，舒適感越差。乳膠材質(zhì)能更均勻地將壓力分布到更大的接觸面積上，如圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)所示；且較之海綿材質(zhì)[圖3(b)、圖3(d)、圖3(f)]，其具有較小的接觸壓強和較大的接觸面積，即壓力分布更均勻。

由圖3可知,乳膠材質(zhì)的壓力中心點基本位于接觸部分中心位置，即更接近壓力分布的理想狀態(tài)。此外，海綿材質(zhì)的壓力中心點產(chǎn)生了部分偏移，這表明被試背部左右壓力分布不均衡。長期的壓力分布不均衡可能會造成肌肉酸痛、脊柱側(cè)彎等不良影響[11]。

由前文分析可知，乳膠材質(zhì)靠背能夠為人體提供較為良好的舒適性：其與人體貼合度較好；被試背部能夠得到合理的支撐；靠背貼合部分壓力得以合理分散且表面張力減??；背部尤其是肩胛頂區(qū)域受到的壓力刺激作用相對較??；靠背對背部整體的壓迫程度較小。

另一方面，根據(jù)Boggs等[18]的研究成果引入座椅壓力分布指標（Seat Pressure Distribution，SPD）這一參數(shù)對不同材質(zhì)下體壓數(shù)據(jù)分布規(guī)律進行進一步探究。SPD%代表坐墊壓力分布均勻的程度，SPD%越小代表靠背整體壓力分布越均勻，對應(yīng)人體感知舒適度越高，計算式為：

式中：

pi——第i個單元上的壓力，Pa；

pm——產(chǎn)生變化的單元m上的平均壓力，Pa；

n——非0值的壓力點總數(shù)。

將壓力傳感器在不同時間記錄的各個點的壓力pi、對應(yīng)的受壓接觸面積A以及產(chǎn)生壓力變化的壓力點總數(shù)n代入上述公式，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃處理，并生成兩種不同材質(zhì)下座椅壓力分布指標（圖4）。乳膠材質(zhì)壓力分布指標遠小于海綿靠背材質(zhì)組，即乳膠材質(zhì)靠背的整體壓力分布均勻程度更高，靠背與人體接觸界面的整體壓強分布較均勻，同時，這與DPC分析結(jié)果相同，進一步證明了乳膠較之海棉材質(zhì)更適合作為斜靠椅靠背材質(zhì)。

綜上所述，與海綿靠背材質(zhì)相比，乳膠材質(zhì)具有較好的體壓分布情況，即乳膠材質(zhì)在客觀感知舒適方面具有較好的表現(xiàn)。

結(jié)合主客觀數(shù)據(jù)分析可得，在斜靠椅靠背材質(zhì)方面，與海綿材質(zhì)相比，乳膠材質(zhì)的斜靠椅靠背具有較高的主觀評價分數(shù)。推測是相較于高密度海綿來說，乳膠材質(zhì)具有較好彈性和透氣性，能夠保持使用者較長時間的主觀感知舒適度水平；此結(jié)果與壓力分布測試相吻合，乳膠材質(zhì)靠背具有較小的接觸壓強、峰值接觸壓強、峰值接觸壓強與接觸壓強的差值，同時亦具有最小的SPD值，即說明其具有較高的客觀舒適度水平。綜合主客觀數(shù)據(jù)將乳膠材質(zhì)作為斜靠椅靠背材質(zhì)的優(yōu)選方案。

2.3 基于靠背傾角的主觀感知舒適度水平分析

不同靠背傾角的主觀感知舒適度評分均值如表6所示。各組實驗前、后的主觀感知舒適度評分的組間差異性均呈現(xiàn)顯著（P＜0.05）。由實驗后的主觀感知舒適度值可看出：在不同靠背傾角下主觀舒適度體現(xiàn)為120°最高，115°次之，125°主觀感知舒適度最低。

表6 基于靠背傾角的主觀感知舒適度評分及One way ANOVA檢驗（n=60）

2.4 基于靠背傾角的體壓分布數(shù)據(jù)分析

不同靠背傾角下體壓分布數(shù)據(jù)見表7。不同靠背傾角僅在接觸壓強方面存在顯著性差異（P=0.046），其中，115°傾角的接觸壓強（2.45±0.80）kPa顯著小于120°（2.69±0.87）kPa和125°（2.82±0.91）kPa靠背傾角。此外，如圖5所示，盡管不同靠背傾角組在CA、PCP和DPC方面差異不顯著，115°靠背傾角組仍具有最大的接觸面積值(2 165.56 cm2)、最小的峰值接觸壓強值[(16.56±6.93)kPa]。這表明在115°靠背傾角條件下，斜靠椅靠背與人體接觸面積最大、接觸部分所受壓力較小、壓力分布較為平均，無壓力集中分布區(qū)域，壓力較為分散，故被試的客觀舒適度亦較高。

表7 基于靠背傾角的體壓分布參數(shù)及One way ANOVA檢驗（n=60）

圖5 基于不同靠背角度的體壓分布參數(shù)分析

綜上所述，在不同靠背傾角下的人體的主觀和客觀舒適度指標呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，均為115°靠背傾角優(yōu)于120°和125°靠背傾角。

結(jié)合主客觀數(shù)據(jù)分析可得，在斜靠椅靠背傾角方面，在主觀的舒適度評價中120°靠背傾角組獲得了更多認可，但客觀體壓分布結(jié)果顯示115°有著最大的接觸面積值、最小的峰值接觸壓強值等較好的舒適度體壓分布指標?？紤]到主觀舒適度評價受個體的狀態(tài)和感知差異等多重因素的影響，結(jié)果不夠穩(wěn)定可靠，而體壓分布實驗以客觀測試代替主觀測試評判，可有效減少主觀感知偏差[12]，即體壓分布測試結(jié)果具有較高的可信度和學術(shù)認可度。故研究認為115°靠背傾角更加適宜作為斜靠椅使用過程中的首選靠背傾斜值。

研究表明接觸面積、接觸壓強和壓力分布情況與主觀舒適性存在較好的相關(guān)性[11]。結(jié)合分析結(jié)果可知，115°靠背傾角和乳膠靠背材質(zhì)相較其他自變量具有較均勻的體壓分布情況。結(jié)合觸感、透氣性、形變保持程度等因素綜合考慮，推薦以乳膠作為斜靠椅靠背材質(zhì)，且建議多采用115°靠背傾角進行斜靠式辦公姿態(tài)的保持。

3 結(jié)論

斜靠式辦公相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)尚處于初級階段，斜靠椅的人機交互方面的研究對于改善久坐狀態(tài)和提升人體舒適性具有重要意義。研究依據(jù)不同靠背材質(zhì)和靠背傾角條件下的體壓分布情況與主觀感知舒適度水平對斜靠椅的關(guān)鍵設(shè)計因素做出討論，并運用統(tǒng)計學方法進行數(shù)據(jù)處理及相關(guān)分析，從主觀與客觀兩個方面對斜靠椅的關(guān)鍵人機因素進行了分析，為斜靠椅的舒適性優(yōu)化和制造提供了較為可靠的數(shù)據(jù)參考。

對斜靠椅的靠背材質(zhì)和靠背傾角與舒適度之間的關(guān)系進行了初步探討。由于實驗器材限制，研究僅分析得出115°靠背傾角和乳膠材質(zhì)能提升斜靠狀態(tài)下人體的舒適度水平，但實驗尚未探明根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢是否存在更為舒適的角度、繼續(xù)減小角度單位是否會出現(xiàn)舒適度水平轉(zhuǎn)折等問題。因此在今后的研究中需要針對多種材質(zhì)和細化的靠背傾角等因素展開綜合分析研究。