王海順

（無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宜興 214200）

0 引言

在我國(guó)，有一定人群因患病導(dǎo)致機(jī)能衰退行為受限，對(duì)他們來(lái)說(shuō)蹲起如廁變成了一件艱難的事情。同時(shí)，蹲起動(dòng)作在一定程度上也會(huì)加重他們的身體負(fù)擔(dān)，給家人帶來(lái)護(hù)理的壓力。為了使這類(lèi)人群可以再次輕松如廁，坐便椅在一定程度上給這部分人群提供了便利，但當(dāng)前在坐便椅設(shè)計(jì)上仍存在不少的問(wèn)題。因此，優(yōu)化坐便椅設(shè)計(jì)對(duì)減輕家庭負(fù)擔(dān)，提高病患生活質(zhì)量都具有一定意義?！八吩啤弊阋问腔诂F(xiàn)狀完成的關(guān)于空間尺度的無(wú)障礙設(shè)計(jì)，筆者根據(jù)功能性與形態(tài)美的主旨，結(jié)合3D 打印技術(shù)，整合多學(xué)科知識(shí)，對(duì)坐便椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 坐便椅現(xiàn)存問(wèn)題

在材質(zhì)方面，我國(guó)市面上的坐便椅大多數(shù)是采用鋁合金、木質(zhì)以及不銹鋼作椅身結(jié)構(gòu)，整體雖然輕便易拿取，卻不穩(wěn)固，安全系數(shù)相對(duì)較低。鋁合金和不銹鋼的坐便椅坐面常采用聚乙烯材料，即塑料制成，短期低溫環(huán)境下使用尚可，對(duì)于長(zhǎng)久使用者而言，它容易老化變形甚至出現(xiàn)開(kāi)裂。其次，鋁合金、不銹鋼材質(zhì)的坐便椅，椅身相對(duì)較涼，不適合在寒冷的冬季使用。相對(duì)于金屬材質(zhì)的坐便椅，木質(zhì)坐便椅，坐面和椅身通常為一種材質(zhì)，在冬季使用尚可。但它不具有便桶，通常是放置于衛(wèi)生間蹲便器上方，臨時(shí)移動(dòng)性較差，只能在特定位置使用。

在尺寸和便桶方面，現(xiàn)有坐便椅缺乏對(duì)人體工程學(xué)的考量，沒(méi)有統(tǒng)一的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。就椅面高度來(lái)看，椅面過(guò)高，患者往往排便時(shí)不夠通暢，無(wú)法達(dá)到如廁效果，同時(shí)會(huì)使使用者缺乏安全感。椅面過(guò)低，對(duì)患者而言排便相對(duì)通暢，但由于其本身身體狀況，起身會(huì)更加費(fèi)勁，需要他人幫助。就便孔尺寸來(lái)看，現(xiàn)有較大尺寸通常為寬23 cm，長(zhǎng)26 cm，相對(duì)符合女性使用者的要求，對(duì)肥胖患者和部分男性患者來(lái)說(shuō)則感到尺寸不夠，導(dǎo)致排泄物外露，一方面加重護(hù)理者工作量，另一方面也給病患帶來(lái)一定心理負(fù)擔(dān)。便桶問(wèn)題主要體現(xiàn)在拿取方式及清潔方面。當(dāng)前市面上的坐便椅拿取方式有兩種：其一，從椅面下方滑槽抽出，其缺點(diǎn)是手在握住便桶邊緣時(shí)，容易觸碰便桶內(nèi)壁，沾碰排泄物，同時(shí)便桶中的尿液容易傾灑；其二，掀開(kāi)坐面拿出，其缺點(diǎn)是椅面較重，容易手滑，導(dǎo)致排泄物濺出?？梢?jiàn)，兩者都會(huì)加重清潔壓力。

在靠背和折疊方面，病患因病癥帶來(lái)的疼痛，常以佝僂狀姿態(tài)使用坐便椅，市面上坐便椅靠背堅(jiān)硬，未考慮人體工程學(xué)，弧度不合理，使病患在使用過(guò)程中感到脊椎不適。現(xiàn)在很多坐便椅帶有折疊功能，但這一功能常在頻繁使用下出現(xiàn)折疊卡頓等問(wèn)題，使得使用者對(duì)其質(zhì)量及安全系數(shù)產(chǎn)生質(zhì)疑，并且在折疊的過(guò)程中被夾傷的情況也時(shí)常發(fā)生（圖1）。

圖1 坐便椅現(xiàn)狀

在穩(wěn)定性方面，通過(guò)走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)諸多使用者表示在使用坐便椅的過(guò)程中通常會(huì)十分小心，其一是由于他們自身身體狀況，其二是由于坐便椅結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，缺少承重的支撐物件，腿部容易搖晃，坐面輕薄易碎，坐面和椅身連接不牢固，結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單容易搖晃等?？梢?jiàn)，當(dāng)前坐便椅穩(wěn)定性是使用者較為關(guān)心的問(wèn)題。

在可循環(huán)使用方面，市面上現(xiàn)有坐便椅往往功能單一，僅提供給有需求的人使用。對(duì)于孕婦和術(shù)后患者等短期需要坐便椅的使用者來(lái)說(shuō)，當(dāng)他們結(jié)束生育或恢復(fù)健康后，坐便椅往往成了無(wú)用之物，無(wú)處安放，最終流向廢材市場(chǎng)，造成大量浪費(fèi)。因此，豐富坐便椅的功能性，增添智能化設(shè)計(jì)，讓坐便椅失去坐便功能后依然可以不被淘汰也顯得尤為必要。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 安全性

坐便椅的使用人群多為老年人、偏癱患者、術(shù)后患者、孕婦等，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)安全性是選擇坐便椅的首要條件。首先，他們反應(yīng)遲緩，行動(dòng)不便，不能像健康青年人那樣靈活應(yīng)對(duì)各種突發(fā)的碰撞、跌倒等危險(xiǎn)情況。一旦發(fā)生這些意外，對(duì)本已欠佳的身體狀況無(wú)疑雪上加霜，造成嚴(yán)重后果。其次，由于他們現(xiàn)階段身體狀況，導(dǎo)致他們心理發(fā)生一定變化，自身對(duì)安全感的需求變強(qiáng)，做任何行為活動(dòng)都更加小心。因此，坐便椅設(shè)計(jì)必然要以安全性為第一準(zhǔn)則。坐便椅最能體現(xiàn)安全性的地方則是椅身，椅身承載著主要重力，要保證椅身穩(wěn)固牢靠，避免晃動(dòng)、傾斜，這就需要對(duì)材質(zhì)和制作工藝方面進(jìn)行全方位把控。當(dāng)然，除此之外，坐面、便盆、合蓋等小部件的設(shè)計(jì)也應(yīng)秉承安全牢固的要求，使用者不能像正常人一樣很好地使身體緩慢落座，此時(shí)坐面要在瞬間承受使用者體重的壓力，長(zhǎng)久下來(lái)，坐面容易斷裂，所以坐面材質(zhì)的選擇也需深思熟慮。便盆、合蓋與坐面、椅身的銜接如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)擠壓皮膚狀況，造成淤青。

2.2 舒適性

使用坐便椅的人群由于身體狀況，往往排便時(shí)間偏長(zhǎng)，所以坐便椅設(shè)計(jì)一定要考慮舒適性原則。舒適性主要體現(xiàn)在直接與使用者接觸的坐面、靠背和扶手上?？剂孔媸孢m度離不開(kāi)坐面的軟硬，當(dāng)然并不是坐面越軟越好，通常情況下落座凹陷約一厘米最適。坐面偏軟，則會(huì)影響脊柱正常的弧度，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使背部肌肉緊張，引起腰痛、乏累。坐面偏硬，會(huì)使坐骨關(guān)節(jié)及下方皮膚組織疼痛。從心理角度出發(fā)，由于使用者身體原因，行動(dòng)缺乏靈活，時(shí)常會(huì)急躁敏感、郁郁寡歡，這就需要坐便椅的外觀設(shè)計(jì)能帶給使用者舒適感。因此設(shè)計(jì)時(shí)要減少生硬、突兀和尖銳的造型感，這種形態(tài)會(huì)強(qiáng)化使用者負(fù)面情緒，應(yīng)多以柔和、流暢的形態(tài)出現(xiàn)，營(yíng)造舒適氛圍，舒緩使用者心態(tài)。在顏色選取上，也應(yīng)避免一些容易引起焦躁的色彩，選取溫馨的色彩，讓整個(gè)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足使用者心理需求。

2.3 有效性

目前市面上坐便椅的有效性?xún)H體現(xiàn)在排便有效方面，基本無(wú)額外附加功能。與這一有效性最直接的關(guān)聯(lián)便是便孔尺寸問(wèn)題以及便盆和便孔的銜接問(wèn)題。便孔尺寸是使用感的最直接體驗(yàn)，便孔太大容易縮小臀部與便盆的使用間距，并且卡住臀部，影響舒適度。便孔太小，排泄物則無(wú)法完全進(jìn)入便桶，影響使用者心態(tài)，加大清潔難度。便孔和便桶的尺寸應(yīng)銜接合理，便于抽取，避免不必要的外濺。

3 3D 復(fù)合打印技術(shù)概述

3.1 FDM

FDM 屬于3D 打印技術(shù)的一種，即熔融沉積成型。FDM 設(shè)備打印頭內(nèi)的電阻式加熱器將絲狀熱熔材料加熱融化成半流體狀態(tài)，通過(guò)打印頭擠壓出來(lái)，擠壓出來(lái)的材料在打印頭和打印平臺(tái)的移動(dòng)下，凝固在指定層面，并與上一層材料熔接，層層堆積，但隨著堆積層面的不斷累加，每個(gè)層面的輕微變化，伴隨高度的增長(zhǎng)，會(huì)使整體發(fā)生較大形態(tài)變化，導(dǎo)致下層輪廓不足以給當(dāng)前打印層充分支撐力，這時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)一些輔助支撐結(jié)構(gòu)，確保三維構(gòu)建的完成。

FDM 適用于大尺度的模型打印。它的優(yōu)點(diǎn)包含材料性能，線材是FDM 打印的根本，線材的開(kāi)拓是FDM 技術(shù)不斷進(jìn)步的保障，常見(jiàn)的有PLA、ABS、尼龍、PPSF 等，其強(qiáng)度和性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)普通注塑產(chǎn)品。FDM 后期處理比較簡(jiǎn)單，只需要在打印完成后將支撐剝離即可。FDM 工藝在3D 打印技術(shù)中的地位至關(guān)重要，F(xiàn)DM 設(shè)備體積偏小，打印過(guò)程不包含激光，線材來(lái)源較為廣泛，打印成本相對(duì)較低，因而受到諸多青睞?，F(xiàn)今，F(xiàn)DM 發(fā)展領(lǐng)域不斷延伸，在醫(yī)療、復(fù)合材料模具制作都有了一定積累。

從坐便椅設(shè)計(jì)的安全性角度出發(fā)，好的椅身材料必然是其穩(wěn)固性的基本保障，市面上的坐便椅椅身結(jié)構(gòu)都是通過(guò)零件的銜接構(gòu)成，當(dāng)一個(gè)部位發(fā)生問(wèn)題必然會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)塌陷。如果病患、老年人、孕婦等使用者在使用時(shí)發(fā)生安全問(wèn)題，其后果將不堪設(shè)想。因此，基于當(dāng)下FDM 打印技術(shù)的成熟，不僅在材質(zhì)牢固性上性能突出，其一體成型、無(wú)需零件、無(wú)需組裝的優(yōu)勢(shì)更適合于坐便椅椅身的設(shè)計(jì)和制作（圖2）。

圖2 3D 打印工藝

3.2 SLA

SLA 全稱(chēng)立體光固化成型，屬于3D 打印方式的一種。它的成型方式是液態(tài)光敏樹(shù)脂通過(guò)一定強(qiáng)度和波長(zhǎng)的紫外線照射發(fā)生聚合反應(yīng)，逐漸固化生成三維實(shí)體。在加工過(guò)程中，設(shè)備中的可升降工作平臺(tái)處于液態(tài)樹(shù)脂以下，正好一個(gè)截面層的厚度，再在偏轉(zhuǎn)振鏡作用下，按照機(jī)器指令對(duì)截面輪廓信息掃描，掃描處快速固化，完成一層截面加工。接著工作臺(tái)再次下降一層截面厚度，再次掃描固化并與前一層固化部分牢固粘連，層層疊加反復(fù)，直至完成。

SLA 打印時(shí)要注意模型放置位置，復(fù)雜特征面朝上。如果打印尺度較大，可以采用分段的方式進(jìn)行打印，打印完成進(jìn)行拼裝或者用AB 膠進(jìn)行粘連。同時(shí)，有些情況下為了減輕模型重量常采用抽殼壁厚的原則，對(duì)于大面積模型抽殼后，一般會(huì)添加強(qiáng)筋以避免模型形變。SLA 打印表面細(xì)致、平滑與傳統(tǒng)注塑成型的模型外觀效果幾乎無(wú)差，這主要源于它最低可以實(shí)現(xiàn)25 μm 的分辨率。

從外觀造型看，當(dāng)前市面上的坐便椅千篇一律，毫無(wú)美感可言。設(shè)計(jì)鬼才菲利普斯塔克曾說(shuō)“設(shè)計(jì)良好的物品，就是那些我們看到它和使用它的時(shí)候會(huì)發(fā)出微笑的產(chǎn)品?！比欢?dāng)前坐便椅的設(shè)計(jì)總給人一種病人專(zhuān)用的心理暗示，可見(jiàn)坐便椅外觀設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀急需改變。因此可以適當(dāng)加入具有美感的紋樣或者流線造型等，運(yùn)用SLA 對(duì)于復(fù)雜造型打印，體現(xiàn)坐便椅形態(tài)美。

3.3 SLS

SLS 即激光燒結(jié)成型法，亦屬于3D 打印一種。不同于SLA，它用的是紅外激光束，材料使用上也由液態(tài)光敏樹(shù)脂變成了塑料、金屬、蠟等粉末。進(jìn)行打印時(shí)，粉末顆粒放置在設(shè)備供粉倉(cāng)，供粉倉(cāng)升降平臺(tái)上升，鋪粉滾筒將高于打印平臺(tái)的粉末推壓在打印平板上，形成一層薄薄的平面粉層。接著沿切片二維CAD的路徑在粉層上進(jìn)行掃描，在激光高溫下被掃描的粉層進(jìn)行燒結(jié)，形成實(shí)體薄片。一層燒結(jié)結(jié)束后，打印平臺(tái)根據(jù)切片厚度進(jìn)行下降，鋪粉滾筒再次將粉末推平，繼續(xù)新一層的燒結(jié)，層與層之間在此時(shí)也燒結(jié)為一體。接下來(lái)，以同樣的方式，反復(fù)燒結(jié)，直到全部完成。

SLS 有著不同于其他3D 打印工藝的優(yōu)勢(shì)。它擁有廣泛的成型材料，如金屬、高分子、石膏、尼龍、陶瓷等。它在打印時(shí)無(wú)需使用支撐結(jié)構(gòu)，它可以打印空心結(jié)構(gòu)、鏤空造型等一系列復(fù)雜形態(tài)，制作強(qiáng)度極高。對(duì)于粉末材料利用率上，未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，避免浪費(fèi)。

由于使用者在每次使用坐便椅時(shí)都會(huì)親密接觸靠背和坐墊，所以舒適度是靠背和坐墊設(shè)計(jì)的首要準(zhǔn)則。對(duì)于偏癱患者來(lái)說(shuō)，必然會(huì)長(zhǎng)時(shí)間使用坐便椅。以木質(zhì)坐便椅為例，靠背和坐面都為木板結(jié)構(gòu)，硬度較大，沒(méi)有絲毫彈性和透氣性，長(zhǎng)時(shí)間使用，會(huì)使使用者感到渾身酸痛，粘連皮膚。對(duì)于以上思考，結(jié)合SLS 打印優(yōu)勢(shì)，可以運(yùn)用SLS 打印TPU 材料，形成擁有一定軟度的靠背和坐墊，增加舒適度。同時(shí)，靠背和坐墊也可增加鏤空，減少使用者在夏季使用時(shí)肌膚的黏悶感。

4 坐便椅設(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 靈感來(lái)源

從坐便椅的名稱(chēng)朔云可知，在對(duì)坐便椅形態(tài)優(yōu)化時(shí)將“云”這種自然元素作為坐便椅造型的靈感起源。通過(guò)對(duì)云這一有機(jī)形態(tài)的模擬、提取、演變，將坐便椅椅身造型和內(nèi)部紋樣形態(tài)相互融合，使得坐便椅外觀被賦予親切感、柔美感，這一外觀對(duì)本身具有抗拒心理的使用者而言變得易于接受。另外，身體的不適會(huì)讓使用者或心情煩悶或愁容滿(mǎn)面，云這一自然形態(tài)，廣闊無(wú)垠，往往也能帶給人風(fēng)淡云輕的心理反饋（圖3）。

圖3 靈感來(lái)源

4.2 坐便椅形態(tài)

從形態(tài)的提取演化便可知朔云坐便椅的整體設(shè)計(jì)以流線造型為主，并結(jié)合參數(shù)化，由3D 復(fù)合打印而成。同時(shí)，坐便椅主要由三個(gè)部分組成，分別為椅身、側(cè)邊可抽拉花紋抽屜和靠背坐面（圖4）。椅身弧度圓滑，貼合使用者蹲坐時(shí)背部和上肢輪廓，側(cè)面為兩個(gè)不規(guī)則圓形鏤空，前側(cè)鏤空?qǐng)A形偏扁，為放置便桶處，后側(cè)鏤空?qǐng)A形窄長(zhǎng)，增加儲(chǔ)物功能，可放置廁紙。從頂部看，坐面留有便孔，與側(cè)面圓孔造型相互呼應(yīng)。椅身采用FDM 一體化打印成型，結(jié)構(gòu)十分牢固，完全摒棄常規(guī)坐便椅椅身拼接的設(shè)計(jì)手法，讓使用者在安全性方面沒(méi)有任何顧慮。除此之外，F(xiàn)DM 在對(duì)椅身打印時(shí)，是由一層層線形進(jìn)行疊加，繼而形成連續(xù)的紋理，無(wú)論從視覺(jué)上還是觸覺(jué)上都豐富了椅身的層次感（圖5）。

圖4 組成分析

圖5 形態(tài)展示

側(cè)面的可抽拉花紋造型是通過(guò)對(duì)“云”的線性提取變形而成，豐富的線性變化和鏤空造型極具美感，將視覺(jué)感受復(fù)雜化，呈現(xiàn)出一種不定性的空間形態(tài)。同時(shí)此處設(shè)計(jì)不僅僅只有裝飾功能，實(shí)用性更為顯著。通過(guò)多變的鏤空可以伸手將其輕易拉開(kāi)，一處用于便桶的拿取，一處用于廁紙或其他物品的放置?？紤]到為避免資源浪費(fèi)，對(duì)于短期使用人群，在他們?nèi)?，無(wú)需坐便功能時(shí)，可將前側(cè)抽拉花紋抽屜內(nèi)的便桶撤出，同樣用于儲(chǔ)物。此時(shí)坐便椅就變成了可儲(chǔ)放物品的家具，其美觀造型也會(huì)為室內(nèi)軟裝添彩。由于鏤空花紋造型復(fù)雜，對(duì)工藝要求較高，此處運(yùn)用SLA 立體光固化進(jìn)行打印，最終側(cè)邊花紋組件達(dá)到了紋路清晰，表面光滑細(xì)致，空間感強(qiáng)的效果。

靠背和坐面形態(tài)順應(yīng)椅身整體流線走向，弧度圓滑，且都運(yùn)用參數(shù)化做鏤空漸變?cè)煨?。靠背的漸變從中心略大的四邊形鏤空往四周以圓形鏤空逐漸遞減。坐面包含環(huán)形坐墊圈和坐墊，環(huán)形坐墊圈由五個(gè)端部向內(nèi)做橢圓狀鏤空漸變，坐面鏤空造型則是由四周向中心消失。當(dāng)環(huán)形坐墊圈和坐墊合并時(shí)，雙層不同漸變帶來(lái)虛實(shí)鑲嵌的效果。這些多變的鏤空極大豐富了坐便椅的造型效果，在功能上給使用者長(zhǎng)時(shí)間接觸坐便椅的皮膚帶來(lái)透氣感。對(duì)于靠背和坐面的打印采用制作強(qiáng)度較高的SLS 工藝，一是由于靠背和坐面造型多變，二是其具有一定的傾斜角度和不平整性（圖6）。

圖6 紋樣、鏤空細(xì)節(jié)展示

4.3 材質(zhì)和顏色

在材質(zhì)選擇方面，坐便椅椅身是通過(guò)FDM 以復(fù)合樹(shù)脂為材料打印形成。復(fù)合樹(shù)脂具有加熱軟化，冷卻硬化的特性。復(fù)合樹(shù)脂可塑性強(qiáng)、環(huán)保、可回收使用、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)，因而非常適于坐便椅椅身結(jié)構(gòu)的打印。側(cè)面鏤空花紋是以樹(shù)脂為材料通過(guò)SLA打印成型。該材料耐儲(chǔ)存、通用性強(qiáng)、便于儲(chǔ)存。該材料在打印時(shí)，固化速度快，打印出的物體具有防水、耐高溫和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)表面質(zhì)量和模型精度高，還可通過(guò)噴漆工藝上色，符合側(cè)面鏤空花紋打印要求。靠背坐面則是選擇尼龍為材料的SLS 打印完成。尼龍?jiān)诟稍锏蜏丨h(huán)境下?lián)碛休^好的電絕緣性，其力學(xué)性能優(yōu)良，在耐磨性、壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等方面都有一定優(yōu)勢(shì)。尼龍的化學(xué)性能穩(wěn)定，不會(huì)與油脂、鹽、酸、堿等產(chǎn)生反應(yīng)。所以非常適用于打印靠背坐面這種容易受到污損的部件（圖7）。

圖7 打印材質(zhì)

在坐便椅顏色選取上，對(duì)于使用坐便椅的年輕人而言，他們因身體狀況在使用坐便椅時(shí)容易急躁，所以應(yīng)當(dāng)減少艷麗、跳躍顏色的使用，采用低飽和、高級(jí)灰等色彩進(jìn)行搭配，舒緩其情緒。對(duì)于使用坐便椅的老年人而言，隨著年齡的增加，他們的視覺(jué)神經(jīng)退化，看東西模糊，對(duì)顏色不夠敏感，往往喜歡相對(duì)鮮艷的顏色。因此朔云坐便椅針對(duì)年輕使用者以淺灰藍(lán)為椅身主色調(diào)，側(cè)邊抽拉花紋選取較淺同色系，靠背和坐面為白色進(jìn)行色彩搭配。針對(duì)老年使用者，椅身選取黑色，側(cè)邊抽拉花紋運(yùn)用紅色，靠背和坐面同樣為白色進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足不同年齡段受眾的需求（圖8）。

圖8 配色展示

5 結(jié)語(yǔ)

朔云坐便椅設(shè)計(jì)旨在對(duì)當(dāng)前坐便椅現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，完善坐便椅的結(jié)構(gòu)與功能，豐富坐便椅造型的多元化。巧妙利用3D 復(fù)合打印的工藝特點(diǎn)完成表皮紋理和鏤空，增加動(dòng)勢(shì)感，結(jié)合3D 打印材料的廣泛性能滿(mǎn)足坐便椅穩(wěn)固性要求。強(qiáng)化坐便椅設(shè)計(jì)效果，滿(mǎn)足不同人群需求，對(duì)促進(jìn)坐便椅功能美、形式美具有一定意義。