装饰杂志,《装饰》杂志社, 立足当代 关注本土 www.izhsh.com.cn

一把椅子,一段设计研究路——石振宇的创新路径

  • Update:2012-05-26
  • 田君,清华大学美术学院
  • 来源: 《装饰》杂志2012年第4期

二、转折再出发
        第一款椅子是以Donati 机芯为基础改造后进行的设计,在没有完成同步倾仰分析时已经设计完成,当时对椅子的规范和标准并不明确。成品出来以后,石振宇发现根本无法达到想象的效果,Donati 机芯决定了同步倾仰的所有参数,与A-ONE 确定的椅子同步倾仰参数有分歧。石振宇认为椅子底盘总承工作原理不变,改变其结构方式只是改良型设计,不是真正的具有突破性的设计,因此必须推翻此方案。一年研究所耗的100 多万元就这样因为他对理想的坚持付之东流,但是今天Suit 的成功证明这一切都是值得的。
        要设计一把好椅子,必须要把舒适与健康作为主要诉求,但舒适是无法界定的,为此石振宇曾专门到协和医院,询问医生关于舒适的概念,医生说脊椎保持自然状态便是舒适。但什么是自然呢?每个个体都存在差异,又如何寻求一个统一的标准呢?通过研究他们发现,大多数家具是把舒适作为诉求的第一位,而健康是摆在第二位的,只有办公椅、床必须把健康作为诉求的第一位,而舒适的诉求退居其后,那是因为办公椅对白领来说,有三分之一的时
间是在这把椅子上度过的,健康自然是设计师的责任,所以设计师对健康的研究也是对人权的一种关怀和维护。床更是如此,人的一生三分之一是在上面度过的。而其它家具应用时间并不长久,况且人可以不断地变换姿势(其实这就是舒适)。健康的概念是要使腰椎与骨盆保持平直。
        这一标准确立以后,A-ONE 进一步进行了人与椅子活动关系研究。人体倾仰的活动方式是以踝骨为固定点的膝骨、股骨和肩胛骨的联动活动,石振宇以1:5 的比例描绘出踝骨、膝骨、股骨、肩胛骨的联动形式。以此得出,人体在倾仰活动中椅面、座垫及靠背调整的基本尺寸范围和移动方式。A-ONE 用一年多的时间画出一张图,这张关于同步倾仰的图按照1:5的比例,用手绘方式描绘了人体处于坐姿状态下倾仰的角度,并详细标注了应为办公椅设计目标的参数:人形采用德国人机标准DIN95%,人体高度187 厘米,座面距地480 毫米,扶手高度距椅面260 毫米,为适应DIN5% 人群使用,座面距地应不少于100 毫米,调整量380-480毫米,扶手距离椅面不少于70 毫米,调整量190-260 毫米。靠背留有70 毫米以上的下调量。人体倾仰活动时,椅面后移55 毫米,椅面后倾6 度,椅背后倾30 度,椅面椅背展开114 度,按人体中心线合算,应为118 度。在各种坐姿下脊椎和骨盆保持一致的时候,才能提供一种舒适健康的状态。现在这些对同步倾仰的表述都在Suit 上得到了实现。(图38)

37. 人体坐姿活动与椅子活动范围及方式的研究图纸


38. 同步倾仰活动方式研究


39. 椅子核心机构工作原理研究图纸,研发具有自主知识产权的机芯底盘


40. 脊椎与椅子关系研究


        图38 上标示出95% 的标准身高187 厘米的人与5% 身高157 厘米的人之间在同一立轴上的活动状况,确保椅子的调整范围适合大部分人群。石振宇按照这一标准第二次再做,发现这张图还有问题,这个过程很漫长。新的问题异常尖锐,因为按照这一标准,目前国际上所使用的厂制机芯并不符合他们的设计要求。于是,A-ONE 开始了更为艰苦的对机芯的开发。石振宇认识到机芯不开发,就没办法达到分析图的要求,完成自己的想法。他又花费了四五个月时间研究出自己的弹性机芯,重新建立理想规范。在这一过程中,石振宇发现我们研究了很多年的人机工学,只是研究人机工学的尺度,但是并没有找到人机工学的实质,那就是人机工学的应用研究。我们注意到的只是扶手应该有多高这样的数据,之前的一年中根本没有注意到人机工学连贯活动的适应性,例如对坐下时先后的状态,压力弹性由曲线到平直的过程等缺乏分析。A-ONE 后来在清华大学结构力学系做了玻纤弹片的试验,测出了这一曲线,然后调整这两个曲线使之吻合,这时研究才开始进入正轨。
        中国本土家具的现状在椅子设计上有突出的反映。长期以来的贴牌生产和来料加工,使得中国的大批家具厂家处于制造技术尚可但核心技术缺乏,没有自己的品牌及设计力量的尴尬处境。这也是中国制造更多地停留在“造”的水平,缺乏“制”的能力,更缺乏创意和设计的根本原因。而一旦因人力资源的丰富造成的低廉劳动力优势被后起的其他发展中国家取代的时候,制造大国以劳动力资源取胜的现状就不可避免地陷入巨大的危机。因此,自主品
牌、自主知识产权产品的设计研发不仅对于单一生产厂家来说是谋求发展的根本,对于整个“中国制造”向“中国创造”转变的意义也是不言而喻的。
        推翻了一年多研究而成的椅子,走完全自主创新的路,是对自己的否定和调整,这条路无疑意味着更艰巨的挑战。石振宇和他的团队认识到,只有自主研发能够满足自己需要的机芯,才能真正达到同步倾仰的要求,并从根本上实现“做原创中国设计”的愿望。
        为达到同步倾仰的效果,必须从机芯上进行改革。石振宇通过研究发现,现有的椅子多为直线型运动方式,在落座和起身的瞬间对人体的冲击力很大。在不遗余力的研究中,A-ONE通过“非线性运动方式”找到了创新设计的突破口,“双弹力多支点可移动”玻纤结构成为最大闪光点。因为这一结构,人在坐下时,压力是慢慢加到椅子上的,体重达到一定的程度,压力达到平行,这是曲线形到达极致以后形成的线性压力。石振宇倾注了大量心力去研究力曲线的不同以及采用什么样的材料才能获得正常的参数。后来,他使用的依靠玻纤材料做弹片的机芯获得了专利,其工作原理非常复杂。这种机芯支点采用玻纤材料,通过支点与支点之间的平行移动来加强压力曲线的符合性,但是生产难度非常大。
        石振宇把Suit 的工作原理形象地比喻成“背心”,即希望椅子达到人们穿着背心那样的感觉,既体贴地保护了身体,又不妨碍正常的活动。通过细致深入的分析,发现现有的椅子一般能够支撑的仅仅是坐姿的基本状态,而在现实生活中,人的身体只有不断处于动态的姿势中,才能使各部分器官得到充分的舒展和活动,从而保证一种自然的状态。现有产品大多数只能满足在正襟危坐的姿态下对肩、背、臀、腿部的支撑。也就是说,座椅作为人们每天使用最多的家具之一,对身体的保护作用非常有限,甚至从某种程度上说,是非常有害的。石振宇通过研究发现,对大多数人来说,设计一款既能适合不同身高体重的人的支撑需要,又能符合同步倾仰需要的椅子,是在现有条件下,最有可能实现的创新,而这一创新的意义显然把椅子的使用推向了创造真正舒适健康的生活方式的高度。
        为解决这一问题,A-ONE 先从怎样设计底盘达到同步倾仰开始改造。所谓同步倾仰,是以踝骨为固定点的膝骨、股骨和肩胛骨的联动方式。第一次设计的椅子没有原创机芯,只能用意大利Donati 机芯改造,没有从原理上进行突破。进行到这一阶段,精益求精的石振宇发现,现有的机芯不符合对同步倾仰的描述,从此开始了对自主机芯的研发。
        A-ONE 开始人机实验和玻纤测试,请清华结构力学系帮忙进行数据分析,研究玻纤的弹性,靠背压力实验,然后开始进入研究人的阶段。A-ONE 进入完全自主研发的玻纤的改造,研究出第二把椅子。同步倾仰模型、打样板、推敲模型……头绪繁多的工作进行得有条不紊,人的行为研究与产品研究分别进行,真正的设计“输出”进入流程。
        进入设计研究阶段,人机的研究是贯穿始终的。这一阶段A-ONE 开始与协和医院一起,进行切片扫描,了解什么是健康舒适的坐姿。进行人与椅子的活动关系研究、同步倾仰研究。从此开始走向突破阶段,即“双弹力多支点可移动”的工作原理研究,目的是达到“椅背的非线性运动方式”——坐下压力和起身的回弹都是缓慢进行的,打破了以往下坐和起身时椅子突然倾倒和弹起的应激状态。底盘的这种“非线性运动方式”是最大突破。在材料的选择上,A-ONE 放弃常用的气弹簧,采用玻纤。玻纤最早被Herman Miller 采用,但它是单片的,而我们应用的是双弹簧。A-ONE 的创新点主要集中在自己知识产权的同步倾仰与玻纤双弹力的支撑结构。Herman Miller 有三个型号椅子,根据人的不同体重选择不同的型号,A-ONE一把椅子适用于各种体重的人群,显然调节范围和适用性更大。
        石振宇在高端办公椅产品中使用了自主研发的具有自主知识产权的机芯底盘。这种“双弹力多支点可移动”的同步倾仰结构使得“非
线性”的运动方式得以实现,在材料的选择上,突破了传统座椅常用的弹簧、气弹簧,而选择玻纤为核心材料。玻纤材料的优越性表现在:比钢材弹性记忆力小,抗疲劳,滋润性好,弹性系数比较稳定,耐候性好,没有热胀冷缩,材料污染性小,节约资源,环保,玻纤片有利于“非线性”目标的实现。这样人就座前,玻纤弹片已经赋予椅子一定的压力,使人就座时不会感到猛烈下沉。用石振宇的话说,就是达到“稳定中的舒适感”。
        此后,A-ONE 又通过人机实验,确定了座面纵向各部位受力的分布,通过研究确立了靠背的形状和支撑位置,当靠背支撑点在距离臀部上方 18 厘米左右时,骨盆承受压力最小。A-ONE 与北京轻强多功能飞行器复合材料应用技术研究所共同实验玻璃纤维材料,与清华大学航空航天力学系做玻纤抗疲劳以及性能实验,与北京理工大学结构力学系做核心机构原理实验:测试玻纤滑动支点的曲线形态、滑动范围等通过受压力实验核心部分工作原理与结构方式的实验研究,验证其原理、结构方式及工艺的可行性。
        玻纤实验(核心机构原理实验)的目的在于:测试并确定玻纤的厚度、宽度以及片数;测试并确定滑动支点的滑动范围;测试并确定滑动支点的曲线形态。这是三个主要的“变量”,也正是这三个变量决定了不同体重的人,在倾仰活动时候的感受舒适性。这三者之间的关系是相互影响的,最终的目的是实现不同体重的人的舒适。玻纤的厚度、宽度与片数确定后,主要依靠调整支点的位置来实现不同体重的人体支撑。这属于“主动调节”,即不同体重的人,在使用椅子之前应先调整好位置(通过丝杠调节)。支点的曲线形态,则主要是为了使得玻纤弹性的变化呈现“非线性”特征,也就是人刚靠上去的时候,玻纤比较软,而越往后靠越硬。石振宇介绍,实验中总共有三个变量:玻纤截面积与片数、支点位置、支点曲线形态。因此,总的原则是一个变量接一个变量的实验,然后再双变量实验,看二者的关系,最后是三个变量的综合测试;人体体重取值范围为45 公斤-150 公斤(背部压点公斤数为5-20 公斤,系数为0.135)。因此,被试人需要三个,分别是轻(45 公斤)、中(90 公斤)、重(150 公斤),重体重者可以采用加沙袋的形式。先测试厚度
为5 毫米的玻纤,支点选取50 毫米,看玻纤形变范围,以及被试的倾仰感受(是否太软或太硬)。然后测试厚度为3 毫米的玻纤;可采用多片组合的形式;调整支点,再次测试厚度5 毫米的玻纤,向前调节、向后调节,根据不同体重人寻找合适位置;同样方法测试厚度3 毫米玻纤;改变支点曲线形态,观察形变,对比感受,3 毫米与5 毫米多次反复实验。石振宇在玻纤弹性实验中发现,当玻纤形变为50 毫米的时候,达到最大仰角(127 度),因此,使得玻纤最大变形不超过50 毫米为基本边界条件。在此基础上,依靠调整支点来实现对于不同体重人体的支撑。支点越靠前,则越适用于小体重人群。
        办公椅的设计是一项难度非常大的设计活动,材料、功能、人机等等很多内容都是与形态紧密相连的,必须有机地结合。在以上大量艰苦反复的实验分析完成以后,终于进入设计“输出”阶段。一期方案模型推敲和样板试制以后,进行了第二次方案改进,又找到新的问题:后背工艺复杂、椅背随动性不好、椅背的延展设计差,加头靠、腰托的问题等。后期用模型制作推敲设计形态,使产品外形更加美观。在高端办公椅设计第三次修改后进行的后背与人体的随动性分析中,A-ONE 采用了悬浮式座面设计,增加椅子的舒适性,椅背随动性及延展性设计较好。Suit 椅腿的部分采用软性材料,避免了对静脉的压迫。简化椅面前后移动结构,使适应人群范围广泛。
        石振宇对核心技术及特点的总结是:同步倾仰功能为臀部、膝盖、踝骨、肩胛骨提供很好的支撑。独特的悬浮式座面设计,可根据需要自动调节前后,增加其舒适性与自由度。靠背、座垫采用富有弹性的绷网技术,均匀分配压力,具有良好的透气性。具有独立自主知识产权的原创性核心机构原理设计以及新颖的结构方式设计,采用玻纤材料。由此延伸出的采用低端机芯的中端款办公椅在同步倾仰实验中也达到了理想的状态。石振宇“要让每一个坐在椅子里的人,不管坐多长时间,都不会感到疲劳”的设计初衷基本实现。

1 2 3 4 5