面向產品生命周期的可持續設計7R原則研究

曹 琪

（佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000）

引言

設計活動伴隨著整個人類的演化進程，從最早的石器時代到如今的信息化時代，工業設計在改變人類社會進程，改善人類生活方式和生活質量方面起著不可估量的作用。但是在工業設計早期，由于過分追求產品利潤，實施“有計劃的商品廢止制”，而忽視了產品設計、制造、使用、維護等過程對環境、資源的影響，造成資源浪費和能源枯竭，并由此引發了嚴重的生態問題，制約了人類社會的永續發展。可以說，工業設計在相當程度上引導了人們錯誤的、無節制的生活觀念，這違背了工業設計為人們創造新的、更合理、更美好的生活方式的本質。

為了解決工業設計在制約人的生存和可持續發展中存在的問題，從1980年可持續發展概念明確提出起，越來越多的從事設計工作的人士努力將可持續發展的理念融入設計領域中來，基于這方面的理論探索與實踐應用正在展開。

一、概述

（一）產品生命周期理論

正如生物的生、老、病、死構成其生命周期一樣，由人類創造的人工物品，同樣擁有生命周期。產品生命周期（product life cycle），英文簡稱PLC，指的是產品從開發到廢棄的全過程①，具體可以分為設計、制造、使用、維護、回收、廢棄六個階段。（圖1）

（二）產品可持續設計與3R原則

產品可持續設計是一種以設計學、經濟學，生態學為理論依據，將設計行為納入“人—機—環境—社會”系統，在滿足環境目標要求和經濟效益要求的同時，保證產品功能、使用壽命、用戶體驗等要求②，保障人類永續發展的產品設計理念。產品可持續設計遵循生態設計3R原則，包括：減量化（Reduce）、再利用（Reduce）、循環利用（Recycle）③。減量化原則是指在設計過程中應盡量減少空間浪費，減少資源能源消耗，減少生產制造環節，減少環境破壞以及減少人體傷害。再利用原則是指在設計過程中需要考慮對舊材料和舊裝備的重復利用，或者在選用新的材料時盡可能考慮到該材料整個生命周期的再利用率。循環利用是指材料在使用過后可以被有效地清潔、分解、熔化、提取，然后經過重新加工制造成新的材料，繼續發揮材料的價值。3R原則作為被公認的產品可持續設計原則在指導設計活動中起著關鍵作用。

圖1 產品生命周期

圖2 7R原則在產品生命周期中的體現

圖3 轉化過程示意圖

圖4 迭代過程示意圖

二、從產品生命周期認識7R原則

（一）7R原則的由來

以生態設計為基礎的產品可持續設計3R原則從經濟學和生態學的角度為解決資源浪費和能源消耗問題提供了解決方案。但是產品可持續設計是一項復雜的設計活動，在整個生命周期中需要從設計學的角度著重考慮產品的功能屬性，即材料、結構、功能等屬性，以及產品的環境屬性，即可拆卸、可回收、可重復利用等特點④。但是，3R原則未能從設計學角度對產品整個生命周期的設計作出規范，很多設計因為單純考慮3R原則而影響產品的質量、壽命，甚至經濟效益，或者只注重產品的經濟效益而未考慮3R原則，這些都與產品可持續設計本質相違背。為了把可持續設計理念應用到產品的全生命周期，在3R原則基礎上，引入了7R原則，對產品的維護使用和后續開發作了進一步規范。

（二）7R原則內涵

3R原則與再設計、再評價、更新和再生統稱為產品可持續設計7R原則，7R原則是3R原則在產品設計領域中的延伸，其延伸內涵如下。

再設計（Redesign）：從設計學的角度分析，可持續理念的出現，使得產品的生命周期從產品報廢為終點，延伸到報廢之后的回收再利用，在廢棄產品基礎上開始的新設計過程，此處暫且定義為再設計。再設計原則強調在設計產品時不但要斟酌產品一個生命周期的計劃，還要斟酌產品的迭代設計，使得產品能夠進行持續不竭的改良。

再評價（Revalue）：在新產品研發前，需要對原有的產品缺陷、用戶反饋、市場前景進行新的評估，這個過程被稱為再評價。再評價原則強調設計沒有確定性和時效性，任何現有的設計方案都有其可以突破創新的地方。設計師在進行產品設計過程中要不斷的對現有技術進行探索創新，努力提出更加優化的方案。

再生（Regenerate）：在制造和使用產品的過程中需要消耗大量資源能源，除了考慮3R原則外，還應該考慮使用再生能源以及可回收材料的再生利用，這個過程被稱其為再生。再生原則主張崇尚自然，從自然中獲取設計靈感和資源，懂得利用原材設計和充分利用太陽能、風能等自然能源。

更新（Renovate）：此外，產品在使用過程中會伴隨著零部件的磨損和老化，為了方便產品零部件的更換升級，需要考慮產品的可拆卸性，這個過程被稱為。更新原則要求從“更新”和“更換”的角度去設計產品，方便在產品生命周期后期對損壞的部分進行更換或者通過增加新的功能以滿足新的要求，以便最大程度延長產品的壽命。

（三）7R原則在產品生命周期中的優先順序

首先，減量化要求在設計之初便對產品全生命周期做好減量化考量，包括縮短研發周期，降低制造和使用過程中的能源消耗和資源浪費，充分考慮產品在使用過程中的安全性，降低產品的維護成本以及減少產品的廢棄。這種從源頭對產品生命周期進行規劃的原則叫源頭控制，是產品可持續設計應該考慮的首要原則。其次，在產品制造過程中盡量考慮使用可再生材料，對于能源消耗型產品，還應在保證產品功能需求的前提下，加大可再生能源的使用力度。另外，注意對產品進行定期維護，并考慮可拆卸設計原則，使產品零部件易于更換甚至更新，以便提高產品的使用壽命。這種對產品從制造到使用以及維護過程充分考量的原則叫做過程控制，包括再生和更新兩個原則，是產品可持續設計應該考慮的第二順序原則。然后，當產品進入生命后期，應考慮對可回收能源的再生利用和可回收零部件的循環利用。關于產品回收過程的考量屬于終端控制，是產品可持續設計應該考慮的第三順序原則。最后，當產品一個生命周期結束后，需要對產品全生命周期進行再評價，以便對產品進行再設計。再評價和再設計屬于反饋控制，對產品全生命周期具有重要的統籌作用。（圖2）

三、7R原則下的產品可持續設計考量

（一）設計方法考量

在3R原則的影響下，常用的產品可持續設計方法有：整合設計（圖6a）、模塊化設計（圖6b）、可拆卸設計（圖6c）等。整合設計是一種將多個相關的產品功能集中在一件產品上，實現達到一機多用目標的設計方法。整合法是產品創新設計中常見的設計方法，多功能是整合法的顯著特點。模塊化設計是在一定范圍內對不同功能、性能、規格的產品劃分和重組，以便構成滿足市場不同需求的產品⑤。可拆卸設計是在產品設計前期對產品的裝配結構進行優化，可使產品易于拆卸，并以此為產品結構設計和材料選擇的一個重要準則⑥。在7R原則指導下，除了常用的幾種設計方法外，還衍生出了以下幾種主要的設計方法。

設計是一個發現和解決問題的過程，而實現這個過程的方式有很多種（圖3）。好的設計從來不是技術的堆積，而是通過設計更簡潔、更節能、更經濟的結構和方式替代甚至解決技術手段無法解決的問題，實現產品的功能價值。圖6d是浙江大學應放天教授團隊設計的一款智能割草機器人。它能夠實現智能防跌落、智能避障、智能識別工作區域、智能自動導航充電和智能避雨等功能。其中，避雨功能的實現，不是利用復雜昂貴的傳感器，而是利用短路原理，在割草機上方開個小孔。當降雨時，小孔中的電路遇水短路，機器將其翻譯成收到降雨信號，自動返回充電處避雨。一個簡單的思維轉化可以為企業增加上億的利益。

迭代原本是一個數學概念，產品設計里的迭代設計，是一種不斷對原有產品推陳出新的可持續設計過程。迭代設計可以延長產品的生命周期，提升產品的價值，同時滿足用戶不斷增長的消費需求。有節制的商品廢止制是一種錯誤的迭代設計，其目的是通過對產品的更新換代來刺激消費者，這是一種不可持續的設計。正確的迭代設計不僅要求產品在造型上更加美觀，更要求產品在功能和實現方式上不斷創新（圖4）。蘋果手機之所以十年來一直被認為是世界上最成功的智能手機，從第一代定義了智能手機，第四代的經典機型，到第五代加入指紋識別，再到iPhone X的劉海屏，iPhone幾乎每一次迭代對手機行業來說都是一次變革。圖6e是iPhone手機的演變史。

凡是通過自然界獲得靈感的產品創新設計都是利用了自然靈感，如原材設計、仿生設計、生態設計等。如圖5所示，這三種設計方法統稱為自然靈感設計。其中，原材設計是利用自然界最原始的材料進行的再創作；生態設計和仿生設計都是以自然為導師強調學習自然而不是利用自然，通過著眼于研究自然的模式和過程來解決人的問題。自然靈感設計產品是可持續設計的重要組成部分。圖6f是Designarium的創意總監Stephane Leathead設計的一款仿生椅。通過圍繞中間的結構旋轉可以將它折成不同的角度，就可以看到不一樣的魚，使用戶可以體驗到不同的姿勢。

圖5 自然靈感設計內涵

圖6 基于7R原則的六種產品可持續設計方法

（二）選材考量

材料是產品設計的物質載體，產品設計不單單是改變產品的形態，它還包括如何創造、開發和利用材料等。設計方法的恰當使用也能最大限度的發揮材料的性能。如圖7所示，從7R原則分析，產品設計選材要考慮：首先，安全性。產品設計過程材料的選擇要保障產品全生命周期的安全性，確保每個人的身心健康和財產安全。需要分析目標人群生理與心理特征，并分析產品使用的環境和條件，特別是一些極端條件下材料的穩定性，了解選材需要注意的安全因素，盡可能使用對人體沒有傷害的材料和能源。其次，功用性。7R原則要求產品設計不僅要滿足傳統的實用價值，更要體現一定的社會價值。要實現產品的這些功能，所選擇的材料必須能夠滿足一定的光、電、磁、熱、化學、生化等性能。再次，綠色性。7R原則注重環境的保護，要求產品設計過程中盡可能提高產品的使用效能，延長產品的生命周期，減少產品的淘汰率；減少環境的破壞以及減少污染物的排放；選用可回收或者可重復利用的材料⑦。懂得利用原材和廢材進行設計。最后，適用性。材料的選擇不能只圖性能好或者便宜，要在保證優質的前提下，盡量選擇技術難度小、生產時間短、運輸及回收處理費用低的材料以降低成本。

四、結束語

產品生命周期是產品設計領域一個重要的理論，本文在此基礎上對可持續設計3R原則做出了延伸，提出了再設計、再評價、更新、再生四個原則。并分析了7R原則在產品生命周期中的體現和優先順序，對更好的認識產品生命周期具有一定的參考價值。此外，作為產品設計中兩個最重要的理論工具，本文分別從7R原則的角度對產品可持續設計的設計方法和材料選擇進行了論述。雖然這些理論尚不夠成熟，但是為產品的可持續設計提供了一些新的探討和新的思路。■

注釋:

① David R. Rink.The Product Life Cycle: Vehicle for Fashioning & Purchasing Strategy[J].International Journal of Physical Distribution & Materials Management，2013，8（4）：200-214.

② 張晨陽，葉仲新.工業產品設計制造方法論[M].北京：中國科學技術出版社，2003.

③ 崔鐵寧.循環型社會及其規劃理論和方法：構建和諧社會——新學科 新觀念 新思路[M].北京：中國環境科學出版社，2005.

④ 張凱.面向拆卸的家電類產品綠色設計研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

⑤ 徐鴻翔.面向拆卸與回收設計關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2002.

⑥ 劉志峰，成煥波，袁合.面向家電產品的易拆解可回收設計系統研究[J]. 中國機械工程，2014，25（16）：2213-2218.

⑦ 屈新波.新材料在產品設計中的應用原則探究[J].設計，2014（4）：25-26.