面向集約化生產的兒童坐具設計實證研究

邱尚周1，翁佩鷗1，邢亞龍2

(1.溫州職業技術學院，溫州 325035; 2.澳門城市大學創新設計學院，澳門 999078）

1 研究背景

兒童家具的用戶特征決定了其在設計與生產方面也與其他類型家具產品存在很大差異。首先，兒童家具更加關注結構、材料等方面的安全性，并且在可供日常基礎用途外需要兼具玩具的娛樂屬性。不僅如此，兒童的生理及心理特點也對兒童家具的結構、用途乃至形式都提出了更為多樣的要求。當前兒童家具主要面臨著形式趨同、產品附加值低等問題[1]，這是由于兒童家具的復雜需求導致其零部件存在顯著的多樣化問題[2]，并導致相應的生產環節、工序、工藝等較一般家具生產更為繁復，從而全面提高了設計、生產及管理成本，并進一步制約了產品形式的豐富，并阻礙了產品附加值的提升。因此，如何有效利用有限生產手段，以集約的方式滿足兒童家具的形式及功能多樣化要求[3]，成為家具設計及生產領域所關注的問題。近年來的相關研究主要是從形式與功能優化設計、產品生產效能提升兩個方面進行分析與思考。

首先，在形式與功能優化設計方面的研究，主要關注兒童家具的典型表現，以及創新設計的思路及方法。如明娜等[4]研究指出，在所有家具類型中坐具由于充分受到使用需求的制約，在功能、形式等方面對用戶的屬性反映最為凸顯，因此將坐具研究作為兒童家具設計方法的切入點，具有很好的代表性和典型性，并根據對既有兒童坐具的考察將其功能歸納為實用、安全、舒適、娛樂四個方面，為兒童坐具的設計研究提供了初步的目標概括。這為針對兒童家具這一復雜對象的研究提供了切入點。張冰鈺等[5]認為，兒童家具產品的形式化創新與兒童用戶對產品的體驗需求之間存在顯著的因果關系。因此，從當代家具產品設計的角度對兒童家具的設計重點與難點進行了歸納，認為主要設計訴求集中在形式、功能與結構三方面，并進一步闡述了兒童坐具在產品中的功能形式和具體的創新方法；同時提出兒童坐具的設計要采用曲線、鏤空等結構用于提升舒適性與實用性的觀點，這對后續此類型產品的設計提供了建設性意見。同時，也有很多學者將兒童家具的形式要素作為文化符號與潛在的信息載體進行探討。苗艷鳳等[6]學者提出以傳統文化傳承為目標的兒童家具創新設計方法。劉乘源等[7]學者則進一步提出將傳統文化內涵寓于符號化元素的具體設計策略。上述研究的關注重點均在發掘家具等作為日常生活器具對兒童群體潛移默化的教化作用，從而為后續研究提供了一種可行并有意義的形式設計方向。

在功能和結構優化方面，針對兒童家具生產環節問題的研究也受到頗多關注。此類研究指出在當前以標準化生產過程為主導的生產方式背景下，兒童家具在材料、基礎加工工藝上仍與一般家具存在很高的一致性，因此在兒童家具的設計、生產實踐中更多地表現為以通用技術條件廣泛使用為前提的尺度、形式等方面的改造[8]。這樣的生產方式存在針對性較弱的問題，主要表現是產品在結構、材料等方面并未對兒童這一特定群體形成足夠關注[9]。熊先青等[2]將其中較為突出的矛盾體現為由于形式多樣化所導致的零部件較多及工藝流程復雜的問題；并通過加工相似性原理，對兒童家具零件進行成組劃分，并對零件規格、尺寸進行基于尺度相似的部件合并，從而有效減少了零件種類，提高了生產效率并優化了生產成本與研發周期。該項成果為降低復雜家具結構的生產消耗提供了有效的解決途徑。

在另一方面，作為家具組成的必要結構的連接件設計及連接方式選擇，也對產品性能及生產效能產生顯著影響[10]。孫靜等[11]對常見板式家具中的不同連接方式的結合強度所作的研究指出，榫接結合方式的強度與接合面積直接相關，并可排除材料強度的影響。并且，陳于書等[12]研究指出，五金結合形式對不同材料及結構會產生一定影響，而對復雜結構的影響則更為顯著。穆瑤等[13]通過設計案例進行驗證，表明將簡化后的榫卯契合結構用于兒童家具，尤其是用于坐具的標準化生產有很好的可行性。上述研究結果對本研究的啟發是：可以采用卡榫等結構作為替代金屬連接件，可以在保證結構強度的前提下，減少金屬件對于材料的影響。這也為本研究所采用的具體設計手段提供了重要啟發，同時也可將研究問題進一步聚焦于對零件、部件的集約化方法探索。

2 問題提出

基于對近年來相關研究文獻的梳理，可對當前兒童坐具設計中存在的諸多現實問題與可行的解決方向進行宏觀的概括與描述，繼而可歸結出以下幾個有待解決的方面：

（1）在產品需求方面，兒童家具產品的功能、形式和迭代需求顯著高于一般家具產品；

（2）在工法工藝方面，當前普遍存在形式與結構復雜、零部件數量多等困難，造成生產效能低的問題，這在兒童家具生產中表現得更為顯著，且缺乏針對性的解決方法；

（3）在生產集約化方面，兒童家具品類的生產標準化水平不高，體現為工藝流程繁復、成本高等問題，尤以沙發、轉椅等坐具等為代表的常用品類表現最為顯著。

針對上述問題進行溯源可以發現，問題間存在明確的因果聯系。首先，兒童家具設計上要求產品具備形式多樣化、功能綜合化、結構復雜化等外化特性。這對當前的標準化生產流程提出了較高的要求，然而與現實生產環境中出現的標準化程度低、材料選擇受限、工藝繁復等制約生產效率的因素是矛盾的。其次，當前家具行業的生產方式則再度限制了產品形式和功能，并最終形成了兒童家具需求缺口與供給限制這二者的矛盾共生，因此當前問題的核心在于如何提出有效緩解產能供給限制的方法。然而，目前研究主要傾向于對普遍問題的發現、描述，以及未來探索方向的提出，而針對生產環節中具體所存在的問題方面，尚缺乏具體實踐方法與可行的實施路徑。

本文的研究是以典型的兒童坐具形態——兒童木凳及木馬作為主要優化對象，通過對現有產品的設計及生產流程進行優化，探索滿足形式、功能、迭代需求的同時盡可能降低工藝復雜程度的兒童坐具設計方法。

3 研究方法

本研究首先從兒童坐具這一典型家具品類入手，深入企業生產線進行現場調查。從設計、生產的視角獲取具體存在的問題，并根據文獻梳理所顯示的兒童家具設計和生產環節中凸顯的產品需求、工藝工法、生產集約化等三方面問題，并對調查中總結出的具體問題進行聚類；而后采用實際生產中泛采用的因果圖法對問題進行價值因果分析[14]，從而發現問題諸元間的權衡關系并明確解決問題的最佳產品策略；提出具體設計方案并通過產品生產來驗證該策略的有效性。研究過程如圖1所示。

圖1 研究路徑框架

首先將上述三方面問題編碼為A：產品設計；B：工藝工法、C：產品生產，并將分屬于上述各類的問題定義為a1～an ，b1～bn，c1～cn，進行次級編碼以便于價值因果分析和結果表達。詳見表1。

表1 問題描述與編碼

在實際調查中選取生產流程中的設計、生產工藝，以及生產管理等各部門，采用針對性的問詢與訪談進行問題收集。通過所獲得的反饋的相關問題匯總，在調查結果中選取12項出現頻次最高的問題按照類型進行聚類、編碼。而后對問題描述間的相關因果及損益關系進行價值分析，明確各項問題間的因果關聯及主次關系，以便對重點問題進行設計方式的介入與解決（圖2）。

圖2 兒童坐具設計生產流程問題關聯分析

通過因果圖法關聯分析可知，兒童坐具在設計生產全流程中存在的核心問題體現在由集約化程度較低而引發的生產成本過高問題。從關聯圖中可見，在產品生產（C類）環節中問題間因果聯系最為密集；主要是由于兒童坐具產品的型號多、配件數量及種類多等問題導致管理和生產成本增加，并最終制約了各項產品設計要求的有效達成。在諸多因果關系節點中，串聯設計、生產環節的重要關系節點為工藝工法（B類）問題，均存在五項以上的明確因果關系 。其中配件數量（b1），裝配工序數（b2）這兩因素成為聯結設計與生產環節的重要關系節點，而在文獻梳理階段中被認為有可能顯著影響集約化生產（C5）和成本（C4）的環保與安全工藝（b3）在實際調查中并未與上述各核心問題產生顯著的因果關系。根據調查顯示該流程的工藝難度、工序數量僅與裝配工序間存在較弱的關聯性，且不同配件數量（b1）并不影響工序流程的進行。

4 設計策略制定

根據上述分析可知，影響兒童坐具生產效益最突出的問題集中在配件數以及相應的裝配工序問題。尤其是當同一產品的不同尺寸及不同樣式型號需求增加，是導致配件和工序管理難度增加、自動化程度降低的主要原因。因此，若要實現在多形式和尺度需求的前提下對生產效能的保持，則需要對現有的設計策略進行優化，以保證不同的配件具備同一的安裝尺度與方式。在調查中也發現，雖然現有采用五金件進行成組安裝的方式具有操作工序簡便一致等特點，但在實際生產中也存在一系列問題。

（1）針對不同結構、尺寸的配件需要采用不同尺寸的結構件（如鉸鏈、合頁等）和緊固件（如自攻螺絲、膠封預制螺母及平頭螺絲等），以使結構強度符合要求。實際導致了在裝配工序中材料種類繁多，管理難度增加等問題。

（2）五金件裝配對材料具有一定破壞性，不利于配件的二次組裝和替換。尤其以再生板材或合成竹木板材等環保材料為例，若直接采用自攻螺絲進行安裝則容易導致釘孔處板材劈裂或碎裂，不易重復安裝等問題。一般較為穩妥的方法采用鉆孔并預制膠封螺母作為銜接件的方式。但此種方式無疑增加了材料預處理工藝流程與難度并與配件尺寸較多等問題產生疊加效應，降低了配件良品率，造成浪費。

（3）由于兒童坐具同一類型產品需要準備與不同年齡段幼兒身體尺度匹配的面板及支撐結構件，因此上述兩項問題的矛盾將更為凸顯。尤其是無法滿足同一產品線不同尺寸、樣式配件的替換互用，易造成同一批次、不同尺寸配件的冗余與浪費。有鑒于此，本研究從核心問題出發，通過對現有產能的逐步細分與挖掘，提出了具體的產品設計策略用于指導設計方案的提出與實施（圖3）。

圖3 設計策略制定過程

設計策略形成主要通過目標制定、途徑描述、工藝路線選擇等三個步驟，由此可將對優化目標的模糊逐步收斂并指向具體的可執行流程，并賦予相應的執行原則，從而最終形成可指導實際生產的優化設計策略。

首先，策略形成的前提是從核心問題入手，提出將減少冗余配件和優化裝配工序作為優化改進的目標。

其次，從生產管理部門視角將可能的優化途徑進行描述，主要包括減少結構零件、結構件通用化設計、裝配方式優化，以及重新定位產品為可自組裝類家具等四種。由圖3所示可知，當前所有可能優化途徑間不具備明確聯系，且無法直接形成可供落實的指導意見，需要進行必要收斂。因此須從生產角度出發，將籠統的優化途徑與常用工藝相聯系，并落實可行性。主要的決策方式是召集產品線會議，并將優化途徑作為生產工藝的選擇條件。

再者，經過權衡產品線調整和流程改造難度后發現，若將產品結構構成方式改造為可適應數控板材加工件的榫接方式，則既可節省大量五金結合件安裝工序的管理成本和材料消耗，又可進一步將產品改造為自組裝產品的形式進行銷售，可以很好滿足裝配流程的最優化目標。此外，此項策略也常用于大型家具廠商的產品策略中，因此是較為成熟可行的工藝策略。然而，傳統榫接結構也存在結構復雜、成型精度要求高等問題，因此將采用榫接結構作為改進中的重點關注點，在后續的設計策略制定過程中進行優化。此外，配件榫接結構的通用性也被作為工藝優化的主要要求提出。

最后，設計策略的制定是在現有可行工藝的基礎上，對生產環節中所發現問題通過設計手段進行可行性探討的過程。對于上一過程中提出的榫接結構問題，則可以從設計的視角提出將榫接結構的材料選用限制為平面板材，以符合工藝路線的要求。同時，針對配件結構通用性原則，需要對產品的形式設計進行規范，主要包括：對各配件的榫接結構尺寸、形狀等進行統一化設計；對面板轉角、溝槽開孔等尺寸、角度進行規范，便于快速表面處理和倒角加工。

上述策略提出的過程是根據生產線調查結果經由問題提出的生產管理、生產工藝、設計等三個環節從宏觀策略出發，結合具體生產實施條件進行策略收斂并細化的過程。最終將調查過程中離散發生的諸多問題集中表達為管理可控、產能可達、設計可行的具體實施策略。結合研究起始階段的調查過程可知，問題的初始表達是由產品設計流程所反映的市場對產品的模糊需求，通過流程追溯可逐步關聯至生產和管理階段的明確表達。因此在策略的提出階段需要從流程末端開始，分部門面向問題解決進行分段決策和收斂，從而實現由問題開始到策略解決的回溯閉環。

5 設計與生產實施

根據上述提出的優化設計策略，產品的設計方案應遵循以下三原則：（1）結構連接件須為易于生產的榫接結構；（2）不同形式產品的基礎結構、尺寸須保持一致；（3）組件外形設計須利于板材成型和表面處理。本研究以兩種常見兒童坐具——兒童凳及兒童木馬為實驗目標；以上述設計策略作為控制原則進行產品開發與設計，重點驗證設計策略引入對設計和生產環節的影響。

設計方案以數控板材成型作為主要生產形式，并以榫接作為主要裝配方式以滿足簡化工藝和配件互用的需求。由于傳統榫卯工藝大多需要結合處具備精巧的結構，難以通過板材進行有效生產，無法直接進行形制借鑒；同時板材拼接方式在結構上仍存在對粗暴使用行為不耐受等問題；因此對具體榫接工藝的選擇和改進就成為設計環節需要解決的重點問題。本研究采用了先確定概念原型再進行量產設計的分步設計方式以逐步解決問題。

5.1 概念設計

為了形成簡潔有效的結構構型，首先對傳統家具的承力結構[15]進行調查，發現在強化結構的過程中，都需要以楔釘榫的方式對榫卯的結構間隙進行填充，以有效代償加工誤差及材料后期收縮膨脹等導致的結構強度和穩定性喪失問題。提出采用改進后楔釘榫結構作為主要結構鎖定配件的思路，并結合兒童偏好的動物形式，與面板結合處部分組合為不同動物的立體鼻子形狀以豐富其形式外觀，形成初步的概念設計（圖4）。

圖4 概念設計方案

由此可知，該項概念具備接口尺度的一致性，可實現面板配件的通用；且僅需對楔釘及外觀板材進行更換即可更改造型形式，從而簡潔地滿足形式多樣化需求。

5.2 產品設計

概念設計解決了設計策略提出的第1項榫接結構問題，同時也是整個設計策略的核心。而此后產品設計人員的主要工作重點則只需專注于策略的第2與第3項要求，即可替換的面板的尺度等參數設計、形式設計以及設計規范執行等，其實質可歸結為常規性設計問題。在實際設計執行中，可以將設計圖樣與材料面板尺寸直接關聯并提供數控板材加工文件。最后，基于加工文件規范進行產品形式圖樣的設計（圖5）。

圖5 數控加工圖稿及量產測試結果

在量產測試基礎上，本研究進一步進行了兒童木馬的產品設計和量產實驗，以檢驗現有設計策略在更高結構強度要求下應對多樣化功能的適用性。由于兒童木馬在產品特征上需要更為鮮明的玩具屬性和更加多樣化的形式感，因此在產品形式設計方面較前述座椅設計更加復雜，零部件數量將有一定增加；同時木馬產品存在非穩定結構，需要更好的總體結構強度，單純采用原有的板材成型方式不能滿足要求。須從其它必要流程中尋找榫接件通用化的可能。而木馬產品中除了底部滑橇外，把手處的結構強度要求最高，因此只要將把手銷釘作為通用榫接件并適度配置銷釘位置以滿足結構強度要求，此法可對原有生產工序和材料進行高度復用。同時，設計中的配件通用程度也需要進行適度細分，在本次設計中將所有配件的通用性劃分為完全通用和榫接件通用兩個層級，以適應多樣化的形式需要。根據上述設計原則，可以有效在同一批次生產中在不增加額外工序和管理負擔下實現多種形式外觀不同的分型的生產，大大提高了外觀設計的產品轉化效率。不僅如此，由于將底座及座椅模塊設計為完全通用模塊，也可顯著提高產品迭代和裝配效率。具體實施策略為：根據部件通用程度由高至低逐級細分為通用、榫接口通用、緊固件通用部件類型，將底座、主體、銜接件、裝飾件匹配成組，從而構成不同產品分型。如表2所示。

表2 分型部件成組表

并最終形成同種工藝、同批次、但形式不同的分型量產產品，如圖6。

圖6 設計策略實施及分型量產產品

5.3 實驗結果分析

根據本次設計實驗可以初步得出以下結論：

（1）以概念設計為基礎，可有效明確產品設計目標，顯著降低設計階段的執行難度及不確定性；

（2）設計策略中的結構件通用的實現，可以根據目標產品的復雜程度進行綜合評價和調整，并依據必要性原則對現有必要生產流程的材料、資源進行復用以最大程度實現配件和工藝的集約化；

（3）在總體集約化思路下，可面向復雜產品需求時對配件通用程度進行細分，可以為產品的多樣化提供更大的可能性。以目前實驗為例，則表現為在通用的數控加工前提下對板材形式的多樣化設計；

（4）產品的重要功能和主要功能結構在通用性程度的劃分時需要優先考慮，就本次實驗看，主要支撐和功能結構的完全通用化可以顯著提升配件生產和裝配流程的容錯性。即便在部分分型配件短缺的情況下可以充分利用富余的分型配件進行代償。這在大批次、多樣化生產的情況下可以有效降低配件浪費和殘次品的出現，因而具有重要的現實意義。

6 結語

本研究通過調查、編碼及聚類的方式，將兒童坐具的生產問題，進行面向具體生產環節及方法的關聯映射。采用建立因果聯系的方式從實際生產中的諸多相互制約因素中尋求解決關鍵。并采用產品設計介入的手段通過優化產品形態的方法，有效降低了配件數量，并從客觀上有效緩解相應的生產環節消耗。因此本文的主要貢獻在于以下方面：

（1）采用常規問題分析方法將描述與實際生產環節進行有效關聯，從而提出將產品形成過程中的離散問題進行收斂，并明確指示問題源頭的方法。同時該方法對生產環節具有很好的適應性；

（2）通過實際產品的生產，驗證了在保持生產條件不變的前提下可以通過對設計、生產流程的有限度調節，從而顯著優化生產效能。

（3）從方法論角度證明了針對當前家具產品生產中的問題，通過明晰的方法途徑，可以有效提出適應當前一般生產流程和工藝的改進方法；并為當前家具行業如何通過優化生產系統內部產能配置從而達成降耗增效目標。為當前兒童家具產品線提供了一種簡潔的優化思路及可行的實施路徑參考。

本項探索也存在如下有待繼續深化的方面。

首先，從調查手段看，本研究主要采用生產一線人員訪談、觀察等方式采集基礎資料。雖由實驗證明資料的效能和可信度，但畢竟調查范圍與深度有限，獲取的意見存在視角、立場等方面的局限，因此發現的問題與提出的觀點的一般適用性如何，尚需在更廣泛的范圍內展開深入探討。

其次，從研究手段看，本文采用的因果圖法屬于工業及生產領域常見的定性分析方法，因此各項問題間的具體影響程度尚需以量化方式進行逐一厘清，方能具備將具體案例研究成果上升為抽象理論的可能。

最后，從案例實驗的執行看，研究僅針對兒童坐具這一細分品類的單一生產線開展，結果雖具有顯著性，但同時仍存在更廣泛的探索空間，如在多產品線、多供應鏈共存環境下的策略制定與實施方法等等。由此可以進行如下思考：是否可以將這樣的優化手段，細分應用于各配件和材料供應流程，在當前家具設計制造等多模塊協作的背景下，進行模具、版型和配件的跨產品線互用，以在宏觀層面優化產品的綜合生產成本？而實現這一探索，則需要對上述前兩項研究局限加以突破。

有鑒于此，后續研究將圍繞擴大調查范圍深化研究領域以增強問題的普遍性；引入更為細致的研究方法揭示更為明確的內在影響機制；豐富具體實驗方式及介入場景，提升研究成果的靈活性和適用性。