基于舒适性的斜靠椅靠背材质及倾角研究

李忆璐 裴卉宁 杨一鸣 孙达

（河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401）

随着现代化进程加快，人们对工作环境的舒适性要求也在不断提高。工作环境对于办公人员的工作效率有着极其重要的影响，舒适高品质的办公环境有利于提高工作人员幸福感，从而激发其工作动力。研究结果表明，办公过程中的久坐行为会引起骨骼肌肉不适或者主观感知不适，从而引发颈椎病、腰椎间盘突出等症[1-2]。故部分学者从人机工程学角度出发，研究用于将办公姿势转变为多种姿势交替模式的产品[3]。研究[4-6]表明，坐—站工作平台和斜靠椅等产品能够有效提升办公室工作人员的工作效率，减少因久坐行为造成的身体不适感。但是张恒山等人的研究重点多集中于座椅外观设计、坐面材质等问题[7]，而对于多姿态交替作业座椅的研究甚少，即对使用者在不同站姿状态下的舒适性的研究较少。研究[5]证明，坐—站交替的工作姿势调节可有效减缓工作者疲惫感，是未来办公座椅的发展方向。但坐—站姿势转换的产品具有较大创新性，缺乏相关行业生产标准、产品质量参差不齐。因此，相关尺寸标准的优化与舒适性的提升显得极为重要。

前人研究发现，靠背倾角是影响座椅舒适性水平的重要因素之一[8]。坐姿状态下的座椅靠背倾110°～120°能够使背部肌肉得到放松、脊柱压力减少[9]，但是关于站立姿态下靠背倾角范围的相关研究较为欠缺。另一方面，不同的座椅靠背材质导致人体在使用过程中的舒适性产生一定差异[10-11]。因此，对不同座椅靠背材质条件下的使用者体验进行深入探究具有其必要性[12]。裴卉宁等[13]通过体压分布实验对座椅舒适性进行客观分析，研究表明体压分布情况与座椅舒适性明显相关。此外，人—椅界面的平均压强、最大压强和接触面积等物理量作为体压分布的舒适度评价指标[14-15]。

以站立姿态下的斜靠椅作为研究对象，结合主观感知舒适度评价与体压分布测量系统考察不同参数斜靠椅的舒适度水平，分析不同靠背倾角和靠背材质与主客观感知舒适之间的映射关系，为改善久坐行为下的坐具优化设计提供数据依据和设计建议。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取市场上办公座椅常见的高密度海绵和乳胶材质，靠背表面覆有涤纶织物。实验样本详细信息见表1。

表1 实验样本信息表

实验选取正常、偏重与偏轻体型被试各20名（男女各10名），被试身体健康，无骨骼与肌肉系统病史，实验前24 h无剧烈运动，情绪稳定。被试体型判断依据中国肥胖研究工作组相关规定进行划分，将被试体型依据身体质量指数（body mass index，BMI）划分为偏轻（BMI＜18.5）、正常（BMI 18.5-23.9）和偏重（BMI 24-27.9）。BMI的计算公式为：BMI=m/h2（m：体重，单位：kg）；h:身高，单位：m）[13]。被试基本信息见表2。

表2 被试基本特征统计表

1.2 研究方法

通过主观与客观两个维度对斜靠椅舒适度进行考量。利用TACTILUS（Sensor Products Inc.Madison，NJ，USA）体压分布测量系统采集被试与不同靠背材质和倾角之间的接触体压分布数据。系统由32行、32列传感器单元排列组成，测量面积为48 cm×48 cm。另一方面，借鉴前人研究[14]成果以及Borg CR-10 10分制舒适度量化表[16]等对舒适度问卷度量分值赋予的研究，将主观舒适度从低到高依次定义为“极低舒适感”“较低舒适感”“中等舒适感”“较高舒适感”“极高舒适感”，分别对应1到10分（图1）。

图1 主观感知舒适度评价量化示意图

1.3 实验流程

测量不同靠背材质、靠背倾角下体压分布数据，记录被试的主观感知舒适度。测试中要求被试靠在靠背材质和倾角参数设置完毕的实验座椅上，两肩下垂，处于放松状态；两臂向胸前靠拢，避免接触压力传感器；后背放松，自然倚靠于斜靠椅靠背；完成模拟阅读任务（图2）。

图2 实验场景与被试姿势

（1）实验前24 h内，被试无剧烈体育运动情况，无肌肉骨骼酸痛情况，均着薄质单衣，衣服兜内无异物，心态平稳，无剧烈心情波动。实验前测量身高、体重、坐高等人体测量尺寸，测量完毕在休息区静坐5min，熟悉实验流程和注意事项等信息。

（2）以靠背倾角和材质为自变量。靠背倾角是指座椅靠背与水平坐面之间的夹角，依据Rosmalen[17]的研究成果，选取靠背倾角115°、120°和125°作为实验中的靠背倾角参数；靠背材质选择海棉和乳胶。

（3）被试倚靠于接触面为靠背材质和倾角固定完毕的实验座椅上，主试采集体压分布数据并采用口语交流方式进行主观感知舒适度量表打分工作。

（4）被试身体保持上文所述姿势30s，完成一组测试。

（5）实验开始和结束后，被试继续保持要求姿势，采用口语交流的方法进行舒适度等级评价打分。

（6）变换其他自变量参数，重复步骤（2）～步骤（4）；以此类推，被试以随机顺序完成6次实验。

1.4 分析方法

采用SPSS（IBM SPSS Statistics，Version 24.0）统计学软件对测得体压分布参数和主观感知舒适度评分进行分析。使用Shapiro-Wilk test，KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett's进行正态分布和球形检验。分析得知，实验数据符合正态分布，具有统计学研究价值。对主观感知舒适度评分问卷结果进行统计性分析得知，其KMO值为0.785，且Bartlett P值＜0.001，因此问卷中涉及变量间相关性强，问卷评分数据适合进行统计性分析；利用克隆巴赫系数（Cronbach's alpha）衡量问卷信度，其Cronbach's Alpha系数为0.854，主观感知舒适度评分问卷结果具有高信度，可以对问卷进行统计性分析。

利用单因素方差分析（One way ANOVA）分析不同靠背倾角、靠背材质与体压分布和主观感知舒适度之间的联系，采用最小显著差异法（Least Significance Difference，LSD）分析各组组间两两对比差异。认定P＜0.05为具有显著差异，P＜0.01为具有极显著差异。

2 统计分析

2.1 基于材质的主观感知舒适度水平分析

不同靠背材质的主观感知舒适度均值和单因素方差分析结果见表3。舒适度水平实验前、后具有显著差异（P＜0.001）。表4中进一步的两组组间比较显示，海绵与乳胶的主观感知舒适度评组间差异性显著（P＜0.001），即主观感知舒适度水平顺序为：乳胶＞海绵。综上所述，考虑表面触感以及主观舒适度方面的表现，乳胶较海绵更适合作为斜靠椅靠背材质。

表3 基于靠背材质分组的主观感知舒适度评分及One way ANOVA检验（n=60）

表4 基于靠背材质分组的组间主观感知舒适度比较

2.2 基于材质的体压分布数据分析

前人[13]研究发现，峰值接触压强与接触压强的差值（Difference between Peak and Contact Pressure，DPC）与人—椅交互系统的舒适度水平有着显著关系；且DPC的数值越小，人—椅交互界面的体压分布越均匀，舒适度越高。故采用DPC、接触压强（Contact Pressure，CP）、峰值接触压强（Peak Contact Pressure，PCP）和接触面积（Contact Area，CA）4个体压分布参数进行客观舒适的分析。

如表5所示，两种材质单因素方差分析在CP（P=0.037）、CPC（P＜0.001）和DPC（P＜0.001）方面呈现显著差异性。其中，乳胶材质靠背具有较低的接触压强（2.65±0.87）kPa、峰值接触压强（17.67±9.30）kPa和DPC（15.02±9.07）kPa。另一方面，乳胶材质DPC水平显著低于海绵材质（P＜0.001），表明乳胶材质靠背与人体交互界面的体压分布呈现较好的均匀程度。

表5 基于靠背材质分组的主观感知舒适度评分及One way ANOVA检验（n=60）

通过体压分布热点图（图3）可以看出，体压整体呈左右对称分布，实验压力的最大值出现在肩胛骨附近，由此向周围的压力逐渐减小，并以肩胛顶为中心呈封闭环状分布，与理想体压的分布一致。另一方面，接触压强则反映了压力分布的集中程度，压力分布得越集中，舒适感越差。乳胶材质能更均匀地将压力分布到更大的接触面积上，如图3(a)、图3(c)、图3(e)所示；且较之海绵材质[图3(b)、图3(d)、图3(f)]，其具有较小的接触压强和较大的接触面积，即压力分布更均匀。

由图3可知,乳胶材质的压力中心点基本位于接触部分中心位置，即更接近压力分布的理想状态。此外，海绵材质的压力中心点产生了部分偏移，这表明被试背部左右压力分布不均衡。长期的压力分布不均衡可能会造成肌肉酸痛、脊柱侧弯等不良影响[11]。

由前文分析可知，乳胶材质靠背能够为人体提供较为良好的舒适性：其与人体贴合度较好；被试背部能够得到合理的支撑；靠背贴合部分压力得以合理分散且表面张力减小；背部尤其是肩胛顶区域受到的压力刺激作用相对较小；靠背对背部整体的压迫程度较小。

另一方面，根据Boggs等[18]的研究成果引入座椅压力分布指标（Seat Pressure Distribution，SPD）这一参数对不同材质下体压数据分布规律进行进一步探究。SPD%代表坐垫压力分布均匀的程度，SPD%越小代表靠背整体压力分布越均匀，对应人体感知舒适度越高，计算式为：

式中：

pi——第i个单元上的压力，Pa；

pm——产生变化的单元m上的平均压力，Pa；

n——非0值的压力点总数。

将压力传感器在不同时间记录的各个点的压力pi、对应的受压接触面积A以及产生压力变化的压力点总数n代入上述公式，并对数据进行统一规划处理，并生成两种不同材质下座椅压力分布指标（图4）。乳胶材质压力分布指标远小于海绵靠背材质组，即乳胶材质靠背的整体压力分布均匀程度更高，靠背与人体接触界面的整体压强分布较均匀，同时，这与DPC分析结果相同，进一步证明了乳胶较之海棉材质更适合作为斜靠椅靠背材质。

综上所述，与海绵靠背材质相比，乳胶材质具有较好的体压分布情况，即乳胶材质在客观感知舒适方面具有较好的表现。

结合主客观数据分析可得，在斜靠椅靠背材质方面，与海绵材质相比，乳胶材质的斜靠椅靠背具有较高的主观评价分数。推测是相较于高密度海绵来说，乳胶材质具有较好弹性和透气性，能够保持使用者较长时间的主观感知舒适度水平；此结果与压力分布测试相吻合，乳胶材质靠背具有较小的接触压强、峰值接触压强、峰值接触压强与接触压强的差值，同时亦具有最小的SPD值，即说明其具有较高的客观舒适度水平。综合主客观数据将乳胶材质作为斜靠椅靠背材质的优选方案。

2.3 基于靠背倾角的主观感知舒适度水平分析

不同靠背倾角的主观感知舒适度评分均值如表6所示。各组实验前、后的主观感知舒适度评分的组间差异性均呈现显著（P＜0.05）。由实验后的主观感知舒适度值可看出：在不同靠背倾角下主观舒适度体现为120°最高，115°次之，125°主观感知舒适度最低。

表6 基于靠背倾角的主观感知舒适度评分及One way ANOVA检验（n=60）

2.4 基于靠背倾角的体压分布数据分析

不同靠背倾角下体压分布数据见表7。不同靠背倾角仅在接触压强方面存在显著性差异（P=0.046），其中，115°倾角的接触压强（2.45±0.80）kPa显著小于120°（2.69±0.87）kPa和125°（2.82±0.91）kPa靠背倾角。此外，如图5所示，尽管不同靠背倾角组在CA、PCP和DPC方面差异不显著，115°靠背倾角组仍具有最大的接触面积值(2 165.56 cm2)、最小的峰值接触压强值[(16.56±6.93)kPa]。这表明在115°靠背倾角条件下，斜靠椅靠背与人体接触面积最大、接触部分所受压力较小、压力分布较为平均，无压力集中分布区域，压力较为分散，故被试的客观舒适度亦较高。

表7 基于靠背倾角的体压分布参数及One way ANOVA检验（n=60）

图5 基于不同靠背角度的体压分布参数分析

综上所述，在不同靠背倾角下的人体的主观和客观舒适度指标呈现出相同的变化趋势，均为115°靠背倾角优于120°和125°靠背倾角。

结合主客观数据分析可得，在斜靠椅靠背倾角方面，在主观的舒适度评价中120°靠背倾角组获得了更多认可，但客观体压分布结果显示115°有着最大的接触面积值、最小的峰值接触压强值等较好的舒适度体压分布指标。考虑到主观舒适度评价受个体的状态和感知差异等多重因素的影响，结果不够稳定可靠，而体压分布实验以客观测试代替主观测试评判，可有效减少主观感知偏差[12]，即体压分布测试结果具有较高的可信度和学术认可度。故研究认为115°靠背倾角更加适宜作为斜靠椅使用过程中的首选靠背倾斜值。

研究表明接触面积、接触压强和压力分布情况与主观舒适性存在较好的相关性[11]。结合分析结果可知，115°靠背倾角和乳胶靠背材质相较其他自变量具有较均匀的体压分布情况。结合触感、透气性、形变保持程度等因素综合考虑，推荐以乳胶作为斜靠椅靠背材质，且建议多采用115°靠背倾角进行斜靠式办公姿态的保持。

3 结论

斜靠式办公相关产品的设计研发尚处于初级阶段，斜靠椅的人机交互方面的研究对于改善久坐状态和提升人体舒适性具有重要意义。研究依据不同靠背材质和靠背倾角条件下的体压分布情况与主观感知舒适度水平对斜靠椅的关键设计因素做出讨论，并运用统计学方法进行数据处理及相关分析，从主观与客观两个方面对斜靠椅的关键人机因素进行了分析，为斜靠椅的舒适性优化和制造提供了较为可靠的数据参考。

对斜靠椅的靠背材质和靠背倾角与舒适度之间的关系进行了初步探讨。由于实验器材限制，研究仅分析得出115°靠背倾角和乳胶材质能提升斜靠状态下人体的舒适度水平，但实验尚未探明根据数据趋势是否存在更为舒适的角度、继续减小角度单位是否会出现舒适度水平转折等问题。因此在今后的研究中需要针对多种材质和细化的靠背倾角等因素展开综合分析研究。