基于情境分析與FBS的家具創新設計方法研究

王偉偉，張 陽，金秋宇，宋靜玲Wang Weiwei& Zhang Yang& Jin Qiuyu& Song Jingling

(1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西西安 710021; 2.西安理工大學藝術與設計學院，陜西西安 710048）

隨著人們生活水平的提高，用戶對家具產品的需求不僅僅停留在功能需求方面，對審美及體驗也有了更高的要求。產品創新是家具設計企業發展的動力，立足用戶需求的家具產品有利于企業在市場中獲取競爭優勢，但現有家具產品創新存在需求模糊、信息繁雜及大量不確定性因素，不利于設計方案產出。依靠設計師主觀經驗推演創新方案往往具有不穩定性因素，導致設計求解往往缺乏準確性與合理性，難以滿足用戶實際情境使用需求。針對以上問題，文章從家具使用情境的角度開展研究，通過梳理情境三要素：用戶、產品、環境三者之間的交互關系（圖1）構建系統設計流程方法，提高家具創新設計方案的準確性和有效性。

1 基于情境分析與FBS模型的設計方法構建

1.1 情境分析與FBS模型方法概述

情境分析是一種設計知識表達的過程，用于產品的概念設計階段，它要求設計師充分依據現有要素，發揮自身想象，將產品的使用者置于使用情境之中，通過探討使用情境中所存在的問題與要素，提出解決問題的方法與途徑，進而找到產品概念定位和設計突破口，最終形成合理的設計方案[1]。在相關研究方面，劉曉敏等[2]在情境類比過程中發現拓展集成模型應用研究，提出驅動產品創新方法。周琳瑯等[3]對文化元素與產品功能點建立連接，準確把握用戶需求構建情境整合的文創產品設計方法。王有遠[4]等將面向產品設計的情境信息作為限制條件，提出基于情境約束條件新的知識聚類方法，有效提高了知識推送的精度。以上研究，明確了情境對創新活動的驅動作用，有效收斂發散的產品創新概念，但關于如何開展情境分析指導產品創新方法流程的研究仍較缺乏。

圖1 使用情境的構成

圖2 流程框架圖

表1 九分制標度及其定義

FBS(Function Behavior Structure, FBS)模型是John S.Gero等人對產品創新過程提出的研究方法論，該模型通過建立產品功能-行為-結構層級映射，為模糊的設計活動提供了科學的結構體系，為設計者創造更多完善、嚴謹的解決問題方法[5-6]。張青等[7]通過建立Ra-FBS模型，分析用戶需求與設計過程的關系，尋找用戶需求的最優解。周祺等[8]結合模糊KANO與FBS模型探索最優設計要素，提高產品設計的滿意系數和創新應用。王年文等[9]構建基于FBS與可拓變換的產品設計方法，運用層級映射與可拓變換擴大了方案再設計的新思路。FBS模型通過層級映射結構實現了功能、行為、結構的有效轉換，為設計者提供了詳細的設計要素求解思路，是產品設計的重要工具。

1.2 情境分析與FBS模型的家具創新設計流程

文章運用情境分析厘清家具設計創新的機會點，將FBS模型作為創意轉化的主要工具，構建需求獲取與設計要素轉換的邏輯方法，融合情境分析與FBS模型互補的特性，構建科學指導家具創新設計的系統流程。研究模型如圖2所示：通過用戶調研獲取家具主要設計特性，開展情境分析尋找使用情境的內部聯系與規律，分析問題沖突，明確設計目標，建立約束條件規約模糊的設計概念，最后利用FBS模型三種變量的層級映射落實創新方案，探索家具創新設計新形勢。

步驟1，確定家具主要設計特性。用戶對家具的了解通常僅停留在使用層面，需求描述往往具有局部性與模糊性。根據問卷調查與訪談法明晰用戶對家具特性的需求，運用AHP分析法結合專家意見對家具特性進行層級歸類[10]，由權重排序結果得出家具主要設計特性；

步驟2，討論情境問題。因用戶認知水平存在差異，設計研究人員需從側面引導用戶完整地描述使用情境的問題，應對內外環境特征進行綜合考量，進而根據問題描述分析問題沖突；

步驟3，建立設計規約。根據家具功能、外觀、體驗三個方面，建立功能性約束、審美性約束、一致性約束的設計規約。基于設計約束條件發散創新概念思路，針對情境問題尋找求解方向；

步驟4，運用FBS模型。利用該模型層級映射的邏輯關系，逐步對期望功能、預期行為、結構進行層級映射，明確相關設計要素；

步驟5，輸出設計方案。對FBS模型得出的設計要素進行整合，輸出家具設計創新方案。

2 情境分析與FBS的家具創新方法原理

首先開展用戶調研，目的是運用層次分析法計算家具設計要素權重排序，明確家具主要設計特性。針對主要特性進行情境分析，挖掘情境存在的問題及沖突，進而建立約束條件指導產品設計優化方向。最后運用FBS模型實現功能與設計要素的轉換。燈具在室內環境中是提供照明的功能設備，也是體現設計主題的重要角色[11]，基于此文章以臺燈使用情境為例進行實踐應用。

2.1 計算家具設計要素權重

(1)本次調研對象是陜西科技大學18-26歲的在校學生，該群體在宿舍情境下日常使用臺燈頻率較高。首先對臺燈市場進行調查，整理臺燈設計要素輸出調查問卷，選擇80位滿足條件的學生展開調研，運用問卷調查及訪談法[12]獲取用戶對臺燈特性的看法及評價，篩除無效問卷，獲得有效問卷74份；根據AHP層次分析法對臺燈特性進行定量分析，結合系統遞階層次結構，統計各設計要素之間的關系；建立兩兩判斷矩陣，判斷矩陣表示針對上一層次的某元素，本層次與它有關的元素之間相對重要的比較[13]，其中任何矩陣都應該滿足：

表2 臺燈設計要素評價體系

圖3 情境分析模型框架

圖4 FBS模型輸出流程圖

表3 A-B用戶需求指標

表4 權重分布詳細數據

表5 構建臺燈情境分析

（2）建立評價指標體系。將上一步收集到的用戶信息匯總，根據專家意見對調查過程中頻率較高的產品特性進行分類歸納，分析各要素之間的關系，建立目標層、準則層、方案層的遞階層次結構，獲得臺燈設計的評價指標體系（表2）。

（3）建立判斷矩陣并計算，根據專家打分的形式，確定各元素之間的優先關系，得出判斷矩陣，求解矩陣的特征值，對矩陣進行一致性檢驗：

借助Matlab進行求解，因Matlab計算以上權重值會存在稍許誤差，為增加結果穩定性，對算術平均法求權重，幾何平均法求權重，特征值法求和取平均值，得出目標層與準則層之間的評分分值及指標權重，同理得出準則層與方案層之間的判斷矩陣，其中中 要均<0.1，通過一致性檢驗。

2.2 建立情境分析框架

根據家具設計特性權重排序結果，對主要特性展開研究。通過發現并改善瓶頸要素使優化方案效果最大化，獲取事半功倍的效用。根據情境描述獲取情境問題，分析問題沖突的相關要素，明確沖突原因。構建約束條件收斂發散的創新概念，指導沖突的設計求解思路。該方法模型框架如圖3所示。

（1）根據AHP法權重分析結果確定家具主要設計特性MF（Main feature）。

（2）討論情境問題，結合問卷調查與訪談法引導用戶對情境中的主要設計特性MF1-MF7進行描述，得到主要特性存在的問題痛點P={P1,P2,P3…Pn}，并匯總整理。

圖5 臺燈FBS模型

圖6 臺燈設計方案模型圖

圖7 臺燈設計方案模型圖

圖8 臺燈設計方案模型圖

圖9 臺燈設計方案模型圖

（3）明確問題沖突，分析歸納情境問題產生的原因。

（4）探索期望功能。從約束條件出發，求解情境問題探索期望功能。功能性約束：用戶處于不同的使用情境，對家具功能需求會產生差異，家具功能應具備準確性適配情境下的需求點。審美性約束：家具造型、色彩和材質與用戶感知密切相關。家具外觀要對適宜的材料、形態及色彩綜合考量，貼合用戶生活情境的審美文化。一致性約束：家具設計方案需以人為本，為用戶提供良好的使用體驗。設計語義應符合用戶認知習慣，降低認知難度，使用戶能快速了解并掌握產品使用方法。

通過討論情境問題-確定沖突-期望功能，逐步收斂發散的設計概念，厘清思維邏輯，通過明確情境主要瓶頸要素、明確改進什么、改成什么樣、如何改進，探索快速高效求解的家具創新設計方法。

2.3 運用FBS模型求解設計方案

創新設計是從抽象到具象的信息映射過程。FBS采取自上而下的產品概念設計分解模型，建立功能需求與物理結構的求解策略，將復雜的結構系統簡單化，得出創新方案[14]。根據臺燈FBS模型進行搭建，分析功能、行為、結構之間的映射關系，完成F期望功能,B預期行為,S對應結構的轉換（圖4）。將上一步獲得的期望功能導入FBS模型中，經逐層映射輸出設計要素。FBS模型求解過程中約束條件將作為規約，檢驗設計要素是否輸出并保證創新方案滿足情境需求，進而整合輸出家具設計求解方案[15-16]。

3 臺燈設計案例驗證

3.1 臺燈設計要素權重排序

構建臺燈設計目標層與準則層之間的評分分值及指標權重A-B（表3）。同理進一步計算出方案層對目標層的組合權重，權重分布詳細數據如表4所示。對10個設計要素進行排序，臺燈設計方案的影響權重從大到小依次為：便于折疊收納（32.76%）、造型形態（16.47%）、切換冷暖光源（15.12%）、無極亮度調節（10.78%）、調整燈源角度（4.92%）、外觀色彩（6.71%）、按鍵（6.69%）、表面材質（2.72%）、點滑（2.72%）、旋鈕（1.11%）。

上述結果的CR值均小于0.1，通過一致性檢驗。其中A-B層級中B2功能權重最大，產品功能特性應作為主要因素，B3交互權重最小，即臺燈交互方式對用戶相對重要程度較小。因此方案層對目標層中，用戶對便于折疊收納C7的功能特性權重最大，旋鈕交互權重最小。設計創新中折疊收納MF1、造型形態MF2、冷暖光源MF3、無極亮度調節MF4、燈源角度調節MF5、外觀顏色MF6、按鍵操作MF7為臺燈設計的主要特性。

3.2 臺燈使用情境分析

根據AHP法所得權重對MF1-MF7開展情境分析，引導用戶對主要特性進行描述，歸納情境問題并厘清原因，得出高校住校學生的使用情境分析結果（表5）。其中MF7按鍵操作在情境調研中未出現相關沖突，對該特性進行保留。

3.3 構建臺燈的FBS模型

經情境分析結果建立臺燈的FBS模型進行概念與方案的轉換（圖5）。首先對期望功能(F)與預期行為（B）進行整合，F1：臺燈應具備折疊功能，解決用戶使用空間擁擠的問題。通過旋轉和彎折的結構縮小臺燈所占空間，適應情境需求；F2：通過旋轉、彎折、按壓燈臂的操作方式靈活調節角度，滿足多區域光照需求；F3：通過旋鈕與按鍵操作方式實現冷暖光切換的需求；F6：根據旋轉及按壓的操作方式實現便捷的無級調節模式。其中以審美性約束對F4、F5進行求解，增加多種臺燈設計配色方案，對造型形態進行優化創新，提供良好的審美體驗。

針對臺燈設計的連接結構（S）進行分析，根據用戶操作功能時采用的旋轉、彎折、按壓三種交互方式，得出相關結構。B1旋轉操作與S1、S2、S3、S5、S6具有相關性，可實現折疊收納，角度調節，無極調節，冷暖光切換；B2彎折行為與S1、S3相關，控制折疊收納與角度調節；B3按壓行為與S3、S6具有相關性，可實現角度調節與無級調節。通過FBS模型完成期望功能、預期行為以及結構的映射，對相關要素及操作方式逐層進行關聯分析，為創新設計中各要素必要性與相關性提供參考。

3.4 輸出臺燈創新方案

根據前期研究結果完善設計機會點，輸出臺燈創新設計方案（圖6-圖9）。F1燈臂與燈桿連接處可折疊，不使用時便于收納節約空間。F2燈臂與燈桿的連接處自由調節，靈活適應多個角度，滿足不同區域照明需求。F3底座旋鈕一鍵操作實現模式切換與開關，提高產品易用性優化操作體驗。F4臺燈燈臂形態運用圓形幾何造型，提供更大范圍的光照面積，傳遞簡約輕巧的視覺感受。F5提供多種色彩材質選擇提高臺燈與環境的適配度，提升空間審美體驗。F6照明強度無極調節，通過轉動旋鈕裝置可實現無級調節。另在燈座底部設置凹槽，為電源線提供收納的空間，解決學生桌面空間有限及電線繁雜的問題，同時提升臺燈整體造型的審美體驗。

4 結語

文章構建了情境分析與FBS模型集成的家具創新設計方法，減少家具創新過程中的模糊性、不確定性所導致的設計周期漫長，求解方案與用戶實際需求存在差異的問題。通過確定家具產品主要特性，收斂前期發散的設計思維，明確設計目標，指導創新要素求解思路。針對情境需求構建創新功能點，整合并輸出創新方案，運用情境分析與FBS集成模型解決“存在的問題是什么，選擇什么方法，怎么做”的難點，提出了科學、合理、快速輸出的家具創新設計方法，并以臺燈創新作為案例應用檢驗該方法有效性，為家具創新設計方法及實踐提供參考。