家用马桶的创新设计及仿真分析

李斌 赵杨 兰爽

摘要：对家用马桶进行了创新性设计，旨在实现经济、环保、安全、舒适等目标。基于绿色环保理念，对马桶的冲水系统进行了改良，将马桶和盥洗盆设计成一体，实现了废水的二次利用，有效节约了水资源。基于人因工程的思想，考虑人体坐姿生理特点，对马桶的尺寸进行了宜人性设计，并利用人因工效分析软件jack7.0进行了虚拟仿真，分析结果表明马桶尺寸设计合理，避免了使用者由于静力负荷导致的腿部不适的问题。

Abstract： Innovative design of household toilet designed to achieve economic， environmental protection， safety， comfort and other goals. Based on the concept of green environmental protection， the flush system of the toilet is improved， the toilet and the lavatory basin are designed into one body， the secondary utilization of wastewater is realized， and the water resources are saved effectively. Based on the idea of human factor engineering and taking into account the physiological characteristics of human sitting posture， the size of toilet is designed according to human nature， and the virtual simulation is carried out by using human factor ergonomics analysis software jack7.0. The results show that the design of toilet size is reasonable. The problem of leg discomfort caused by static load is avoided.

關键词：马桶;环保;人因工程;宜人性;虚拟仿真

Key words： toilet;environmental protection;human factors engineering;human nature;virtual simulation

中图分类号：TS914.2                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）36-0161-02

0  引言

普通家庭住宅卫浴间的面积通常不大，但却集中了洗衣、洗漱、如厕等众多功能，在有限的空间内需要放置多种卫浴产品，而马桶就是利用率很高的必备设施。随着人们生活质量的提高以及现代文明生活理念的普及，普通家用马桶的功能逐渐不能满足人们的需求，且在使用过程中存在诸多问题。例如儿童、老年人和残疾人等行动能力较弱的群体如厕后起身时容易摔倒、人长时间使用马桶后腿部会产生酸麻感、无法做到真正意义上的节约水资源、卫浴空间狭小。

因此，本文基于绿色环保的理念和人因工程的思想对家用马桶进行了创新性设计，力争做到经济、环保、安全、舒适。

1  设计思路

首先，基于绿色环保设计理念进行冲水系统设计，使马桶具备储存和利用废水的能力。其次，基于人因工程思想对马桶的尺寸及辅助设施进行宜人性设计。最后，借助数字仿真软件jack构建人体模型，进行虚拟仿真分析，检验设计效果。

2  马桶的总体结构及工作原理

如图1所示，将盥洗盆和马桶设计成一个整体，马桶的侧面与盥洗盆相连。盥洗盆下面是水箱，由自来水和生活废水两个水箱组成。盥洗盆产生的生活废水可顺流到水箱中，暂时储存起来。使用者可以自由选择使用自来水或生活废水冲马桶。现在市面上的马桶一般每一次冲水最多会用掉6L水，如果将盥洗盆中用掉的水进行二次利用，那将大大减少家庭总体的用水量。节水方法有两种，一种是节水用水量，一种是通过废水再利用达到节水。节水马桶与普通马桶功能一样，必须兼具省水、维持洗净功能及输送排泄物的功能，目前市场上打着节水口号的产品不在少数，但真正能做到这一点的商家却很少。将马桶和盥洗盆结合在一起，既实现了对从盥洗盆中流出的废水的二次利用，节约了自来水资源，又减少了马桶占用的空间，使卫浴间布局更加紧凑[1]。

此外，马桶和盥洗盆之间的条形连接部位也可以为使用者起身时提供支撑。例如，当老人如厕之后，可以扶着盥洗台站起来，在一定程度上可以防止由于地滑、头晕、腿麻导致的老人摔倒。

整体尺寸：底部长度715mm，底部宽度350mm，外观高度800mm，外围宽500mm，连接部位宽100mm。开关高630mm。其中，马桶高度（除马桶盖）400mm，坑距300mm。

3  设计难点及解决措施

3.1 尺寸的宜人性设计问题。

人们如厕时间略长后，往往腿部会产生酸麻感，这是人体大腿处的下肢主动脉受压迫导致的[2-4]。所以在设计马桶尺寸时，高度是关键数据，如何确定马桶的适用群体范围就成为了一个难点。

解决措施：查阅人体测量学相关文献和标准，例如GB5703-85《人体测量方法》、GB/T5703-1999《用于技术设计的人体测量基础项目》、GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，采用“最小尺寸原则”，即选取第5百分位数对应的“小腿+足高”這一测项值作为基础数据，并借助数字仿真工具jack7.0建立数字人体模型，导入UG软件绘制成的马桶三维立体模型，进行虚拟仿真分析，以检验设计效果[5-6]。

立姿分析时选用了jack7.0的“Ovako Working Posture Analysis”模块（简称OWAS），如图2所示。“OWAS”模块可以评价基于背部、手臂和腿负载要求的姿势的不适度[7]。坐姿分析时选用了“Lower Back Analysis”模块和“OWAS”模块，如图3所示。“Lower Back Analysis”能够帮助我们判断马桶的高度是否会令人体下背部不适。

分析结果表明，马桶的尺寸设计完全符合人因工程要求。

3.2 废水二次利用引发的问题

盥洗盆与马桶的排水管道可能存在堵塞问题，以及废水箱需要定期清洗。

解决措施：盥洗盆里的废水存在或多或少的可溶或不可溶杂质，在盥洗盆排水孔处设计一个可拆卸过滤盒，倒扣圆台结构，安装时与盥洗盆排水孔密切贴合。该过滤盒两面网状结构，中间有一部分空间用来储存少量不溶性杂质，这样可以起到过滤杂质和顺利排水的作用。

3.3 多通道储水引发的问题

水箱的容积是一定的，若废水箱积水过多会导致盥洗盆废水不能顺利排放，甚至存在废水回流现象。

解决措施：在废水箱侧壁开一个放水口，连接主排水管道，该放水口具备基本过滤功能，多余废水便可顺利排出。

4  结语

本文的设计相较于传统马桶的创新点在于：基于人因工程的宜人性设计理念，对马桶进行符合人体生理特性的尺寸及辅助设施设计;基于绿色环保设计理念，对马桶水箱的内部结构进行优化，使马桶具备利用二次废水资源的功能，有效节约水资源;盥洗盆与水箱的结合设计，使卫浴设施布局更加紧凑，有效解决了卫浴间空间狭小的问题。可以为使用者创建一个更健康、更舒适、更安全的如厕环境，提高人们的生活质量，具有一定的经济效益和社会价值。

参考文献：

[1]阮宝湘.人机工程学课程设计/课程论文选编[M].北京：机械工业出版社，2011：18-29.

[2]郭伏，钱省三.人因工程学[M].北京：机械工业出版社，2018：218-234.

[3]廖建桥.人因工程[M].北京：高等教育出版社，2006：18-36.

[4]张广鹏.工效学原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2014：164-193.

[5]钮建伟，张乐.jack人因工程基础及应用实例[M].北京：电子工业出版社，2012：225-257.

[6]展迪优.UG NX8.0快速入门教程（修订版）[M].北京：机械工业出版社，2012：1-26.

[7]孙瑜，孙林辉，袁晓芳，等.基于OWAS方法的选煤工人肌肉骨骼损伤分析[J].工业工程，2015，18（6）：32-36.