基于LCA與低碳約束的家具設計方法研究

■王 麗，彭葉怡，駱 琦，2，劉 蕓 Wang Li & Peng Yeyi & Luo Qi,,2 & Liu Yun

(1.浙江農(nóng)林大學藝術設計學院，浙江杭州 311300 ；2.浙江省輕工業(yè)品質量檢驗研究院，浙江杭州 310018）

1 LCA與低碳約束的基本理論

1.1 LCA理論

生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)是對產(chǎn)品從“出生”、成長、成熟和衰退的整個生命周期的輸入、輸出和潛在環(huán)境影響的綜合分析方法[2]，它是用于分析、對比和支持各種方案、決策的普適方法。衡量產(chǎn)品或服務在生命周期中排放的二氧化碳和其他溫室氣體的總量稱為產(chǎn)品碳足跡（Product Carbon Footprint，PCF），它對LCA評價起到關鍵作用[3]。運用LCA理論的目的就是要助力減少產(chǎn)品碳足跡、降低碳排放量，做到在產(chǎn)品生命周期的各個階段中合理利用資源，最大化實現(xiàn)產(chǎn)品功能。

現(xiàn)階段LCA在家具設計時，主要呈現(xiàn)兩種情況：①評價主體為市場已有產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)并改進碳排放較嚴重的制作工藝或產(chǎn)品特性。其中，黃圣游等[4]通過對比和分析了2款木制床頭柜的產(chǎn)品碳足跡，指出從采購、設計、工藝、管理等方面制定減排措施。楊曉夢[5]以EDIP模型方法為基礎對竹制家具的生命周期評價進行建模，對竹集成材扶手椅和竹重組材圈椅進行LCA評價，結果表明兩種家具的原材料制造均是影響環(huán)境的主要階段。孫昆[6]以LCA方法為基礎，計算竹集成材茶幾生產(chǎn)階段的碳足跡，研究發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的原材料竹條的加工過程碳足跡最高，其次是竹集成材加工過程。②評價主體是方案設計產(chǎn)品，檢驗它是否具備低碳屬性。如江映其等[7]運用LCA分析了三種木質類家具，得出了主要環(huán)境影響因素，證明了環(huán)境影響值最小為板式家具，最大為實木家具，板木家具適中。劉宗明等結合次元理論解構竹家具的全生命周期，重構了竹家具各個生命階段的減量化設計原型，以衣帽架驗證了產(chǎn)品的低碳特性。張藝鴻等[8]運用LCA理論提出再生塑料家具的設計原則，以再生塑料家具的生態(tài)設計特征進行解析。

1.2 低碳約束

約束理論(Theory of Constraints，TOC)是管理中一套改進和解決系統(tǒng)關鍵的邏輯化思維流程（Thinking Process，TP），后被應用于設計領域[9]。TOC理論是以研究系統(tǒng)存在的各類約束為中心點，綜合運用邏輯化的TP思維流程來識別系統(tǒng)存在的約束，即約束條件，繼而找到消除當前約束條件的突破點，即映射域，以保證解決方案有效克服約束。換言之，就是在參與設計時把約束條件引申為限制條件，在限制條件下從映射域中找到解決問題的關鍵，并有序處理和優(yōu)化系統(tǒng)的瓶頸。當前，約束理論在家具設計的應用研究不多，家具設計要以實現(xiàn)產(chǎn)品的低碳性能為目標，故把家具設計看成一個系統(tǒng)，找出影響家具碳足跡的因素作為約束條件，解鎖低碳家具設計的映射域。因此，將低碳約束融入家具設計有一定研究價值。

2 家具設計的低碳約束條件及映射域

2.1 低碳約束條件

經(jīng)過相關文獻[10]及家具設計領域知識的分析與整理，影響家具碳足跡的因子有設計要素和設計活動。家具的設計要素主要包括功能、結構、材料和外形。家具的外形對產(chǎn)品的空間體量具有建構作用，通常以功能為先導，以材料來實現(xiàn)，并依附于其結構[11]。同時，外形作為功能的外在表現(xiàn)，其所傳達的信息符號發(fā)揮著審美功能，因此本文將家具的外形設計要素考慮在功能要素內，即體現(xiàn)家具功能的實用性與審美性的雙重特征[12]。除了設計要素以外，有研究表明，產(chǎn)品生命周期過程中的碳排放量是由前期的設計活動決定，在前期設計活動過程中所考慮的功能、結構及材料等對產(chǎn)品加工、倉儲、銷售、使用及回收過程的碳排放數(shù)據(jù)有著重要影響[13-14]?；诖?，提出從功能、結構、材料三個維度來劃分家具設計的低碳約束條件，即功能低碳約束、結構低碳約束和材料低碳約束[15]。其中功能低碳約束包括實用功能、審美功能、輔助功能；結構低碳約束包括家具結構、包裝結構；材料低碳約束包括家具材料、包裝材料、回收廢料。

在家具設計的實際應用中，功能、結構、材料三者低碳約束條件之間往往具有關聯(lián)。結構設計作為主體，是實現(xiàn)功能的基礎，同時也需要參照材料及其工藝。在實現(xiàn)家具的相同功能可以選用不同結構，相同結構可以選用不同材料，相同材料反過來構成不同的結構影響功能，最終影響家具的碳足跡及其成本。三者低碳約束條件的關系如下（圖1-圖2）。

圖1 產(chǎn)品碳足跡與低碳約束條件關系圖

圖2 家具設計低碳約束條件關系圖

2.2 映射域

家具設計的低碳約束條件確定后，要通過多種研究方法解析每一約束條件的映射域，而映射域將成為家具設計過程中擬解決的關鍵因素。

在具體設計過程中，功能作為中心環(huán)節(jié)。經(jīng)調研，目前市場上家具的功能逐步豐富與多元化，多功能家具正應可持續(xù)、綠色、循環(huán)倡導大步流星地發(fā)展。從多功能家具考量，其功能低碳約束一般映射為考慮產(chǎn)品放置、收納、承重等主要實用功能問題，包括產(chǎn)品造型、色彩、圖案等外觀審美功能問題，以及除產(chǎn)品主要功能外的具有音響、消毒、烘干等其他輔助功能問題。實現(xiàn)家具的多個功能相互轉化可圍繞“一物多變”動態(tài)化與“一物多能”靜態(tài)化兩種類型為設計著眼點。

我們對中國傳統(tǒng)文化的理解不能夠停留在事物的表面，龍、鳳等神獸是中國傳統(tǒng)文化的一部分，但是對這些吉祥物的使用也是有講究的，比如2008年北京奧運會吉祥物的征選會上中國龍落選就值得大家思考，龍是中華民族的圖騰，是吉祥、如意、和諧、長久的象征，代表中國無可厚非，但奧運會是面向世界人民的，既要體現(xiàn)中國的傳統(tǒng)文化，又要顧及西方的文化，因為在西方，龍是邪惡、殘暴、勢利的化身。如果只考慮中國文化使用了龍的形象，將不利于吉祥物的國際市場開發(fā)。龍落選不代表中國傳統(tǒng)文化落選，在適當?shù)牡胤竭\用恰當?shù)男蜗蟛拍芨玫赝怀鲋袊鴤鹘y(tǒng)文化的內涵，否則只會適得其反。

結構作為主體。結構低碳約束一般映射為設計時考慮可拆卸結構、減量化結構、模塊化結構、標準化零件等家具結構問題，以及合理包裝緩沖結構、承重結構、開合結構等問題。不同結構所選用的不同材料密度、尺寸、質量等都會影響家具的碳排放系數(shù)，針對特定功能的產(chǎn)品合理設計結構達到低碳家具的要求，如規(guī)避選擇全可拆、局部可拆的榫卯結構家具設計、空心結構板件的減量化家具設計。

材料作為實現(xiàn)結構和功能的基礎。材料低碳約束一般映射為考慮家具材料問題、包裝材料問題與回收廢料問題。進行家具選材時，如采用板式、板木材料，減少實木材料，或再生塑料與環(huán)保金屬等多種材料的交叉綜合。進行包裝選材時，盡可能減少產(chǎn)品在倉儲、運輸時的損耗，即可減少因退換產(chǎn)品而產(chǎn)生的交通工具碳排放量。綜上，功能、結構和材料三者低碳約束條件的映射域分析如下所示（表1）。在具體操作時，可依項目要求靈活應用，低碳約束的映射域各有側重。

表1 低碳約束條件與映射域分析

3 LCA與低碳約束的家具設計模型

在家具產(chǎn)品形成的前端，正確的設計方向對家具的低碳性能具有決定性影響。以“設計預知”視角結合LCA與低碳約束重構家具設計流程，成為低碳家具輸出的重要環(huán)節(jié)。結合上述分析家具設計的功能、結構、材料三個維度的低碳約束條件及其對應映射域，擬定LCA與低碳約束兩者結合的家具設計模型（圖3）。

圖3 LCA與低碳約束結合的家具設計模型

3.1 具體流程

步驟1:確定LCA評價目標。根據(jù)國標ISO14040—2006《環(huán)境管理-生命周期評價-原則和框架》中將LCA的實施分為四個階段：目標和范圍界定、清單收集與分析、環(huán)境影響評價和結果解釋[16]（圖4）。LCA貫穿于低碳約束的全過程，在執(zhí)行設計任務時，首先分析具體項目，確定產(chǎn)品的低碳性能目標，結合家具設計的低碳約束條件確定LCA的目標：所設計的家具是否符合低碳設計要求。

圖4 生命周期評價

步驟2:約束分析。將家具設計問題轉換為一般低碳性能問題，并將實現(xiàn)產(chǎn)品環(huán)保屬性的低碳約束條件與LCA目標相結合。本文的邊界參數(shù)主要由功能實現(xiàn)、結構設計、材料選定這三項關聯(lián)數(shù)據(jù)提供（圖5）。家具結構和材料選擇對產(chǎn)品功能實現(xiàn)有重要影響，同時功能使用、結構設計與材料選取直接影響家具產(chǎn)品的碳足跡。因此，擬定下列公式為目標函數(shù)。

圖5 家具設計的邊界參數(shù)及關系示意圖

其中，F(xiàn) 表示功能，S 表示結構，M表示材料。家具產(chǎn)品發(fā)揮作用過程中產(chǎn)生的碳排放量與結構選擇相關，選用低碳結構能有效減少功能的碳足跡。功能碳足跡數(shù)學公式為。

其中，β——功能碳足跡，p表示實現(xiàn)功能的低碳結構，p∈｛P1,P2,...,Pn｝;d表示低碳結構滿足功能的評價因子，d∈｛D1,D2,...,Dm｝。家具產(chǎn)品結構必須由材料實現(xiàn)以達成功能，結構與材料的關系采用下列公式，即產(chǎn)品的結構碳足跡數(shù)學公式為。

其中，α——結構碳足跡，i表示結構的尺寸,i∈｛I1,I2,...,In｝;j表示結構材料密度,j∈｛J1,J2,...,Jm｝;k表示材料碳排放因子,k∈｛K1,K2,...,Kt｝，碳排放因子可查閱IPCC等相關數(shù)據(jù)庫。

步驟3:約束聚焦。此階段對家具設計項目進行初步約束聚焦，采用QFD原理轉變而來的功能結構展開相關矩陣（圖6），查閱同類型產(chǎn)品對實現(xiàn)同一功能所選用的不同結構和材料的碳足跡，比較后為低碳家具設計輸出提供可參考的對象。圖中 N 代表結構形式；fab代表每一種結構為了實現(xiàn)功能a的碳足跡；Eab代表每一種結構發(fā)揮作用a的表現(xiàn)等級0至10，0代表無作用，10代表作用最優(yōu)。

圖6 功能結構展開相關矩陣

步驟4:設計解集。根據(jù)約束條件轉化的目標函數(shù)與功能結構展開相關矩陣，篩選可參考的對象。分別從功能、結構、材料低碳約束對應的映射域進行設計策略評估，得到低碳家具設計的較優(yōu)方案。

步驟5:結合設計解集，確定LCA范圍。由于前面的階段處于家具的設計階段，無法收集完整的生命周期數(shù)據(jù)，其評價的范圍只能從已有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)清單和數(shù)據(jù)庫等信息確定。家具的生命周期評價范圍還應當考慮能量流、物質流和碳儲存，具體包括原材料、成品及附加物等的運輸過程中所消耗的柴油或汽油這類石化能源，加工過程中所消耗的電力能源，產(chǎn)品包裝信息所添加的膠黏劑及油漆等附加物物質流（包裝膠帶等使用量較少的附加物碳排放忽略不計），以及轉移存儲在家具產(chǎn)品中的生物碳儲量。

步驟6:清單收集與分析。根據(jù)已確定的LCA目標和范圍，查閱已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)清單、生命周期評價數(shù)據(jù)庫等，找出與產(chǎn)品相關或者類似的原材料、零部件、結構信息，以及相似的包裝裝配、倉儲運輸、使用回收等數(shù)據(jù)進行篩選。若無法找到的數(shù)據(jù)，采用代替法或權重法進行數(shù)據(jù)補償[17]，建立完整的生命周期評價模型。

步驟7:環(huán)境影響評價與分析。對家具產(chǎn)品的生命周期模型進行評價，推斷其是否符合低碳設計要求，若符合則完成設計輸出，否則重新分析家具設計項目，提出新的設計方案。

步驟8:設計輸出。將符合低碳設計要求的家具制版打樣，完成樣品檢驗與修改后，投入生產(chǎn)，輸出成品。

3.2 數(shù)據(jù)收集

在家具設計的整個流程中，產(chǎn)品相關的信息數(shù)據(jù)收集十分重要，包括已有數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)。生命周期評價數(shù)據(jù)庫如Simapro中提供了各個方面的已有數(shù)據(jù)，相關文獻也可收集碳排放因子。其他數(shù)據(jù)的收集，如零件加工過程中的耗能，需要人工計算。對于一些無法找到和難以精準核算的數(shù)據(jù)，可進行數(shù)據(jù)補償，方法有邏輯代替、平均值代替、回歸分析代替等[18-19]。

4 案例應用

以一款兒童折疊書桌為例，對上述的設計模型可行性加以驗證。常見兒童書桌主要由面板、桌腿、抽屜、配椅等四個設備部件組成。每個設備部件又由結構和材料共同作用實現(xiàn)功能，同一功能可以選擇不同結構，如滿足可調節(jié)的桌腿可以是伸縮結構，也可以是嵌入式結構等[20]。

假設產(chǎn)品要符合低碳家具設計要求，以6至12歲小學生群體為目標用戶。兒童折疊書桌強調用戶從學?；氐郊抑谢蜓a習班繼續(xù)進行輕量化學習的關聯(lián)性，主要配備支撐、收納作用[21-22]。

產(chǎn)品低碳設計模型（圖7）由底至上的各個層次之間的關系來實現(xiàn)，材料的碳排放因子由數(shù)據(jù)庫補充，結構和碳足跡通過材料密度及尺寸建立關系，功能和碳足跡通過前述的相關矩陣來建立關系，由α得出結構的碳足跡矩陣fab，并給出每種結構發(fā)揮作用的價值等級矩陣Eab，參照同類型產(chǎn)品的相關碳足跡，找出家具的低碳設計因子。給出兒童折疊書桌產(chǎn)品（圖8-圖13），其組成的各個材料面板及結構零部件如下所示（表2）。

圖7 兒童折疊書桌低碳設計模型

圖8 兒童折疊書桌產(chǎn)品a

圖9 兒童折疊書桌產(chǎn)品b

圖10 兒童折疊書桌產(chǎn)品c

圖11 兒童折疊書桌產(chǎn)品d

圖12 兒童折疊書桌產(chǎn)品e

表2 兒童折疊書桌產(chǎn)品部件

收集原材料、附加物及成品從A地到B地的運輸距離及消耗的汽油數(shù)據(jù)，產(chǎn)品材料面板等加工過程中消耗的電力能源，橡木防霉采用水性環(huán)保漆、包裝用紙板箱及其他膠黏劑等附加物的碳排放因子，建立數(shù)據(jù)清單。由于橡木在生產(chǎn)加工成面板時，將其碳匯轉移存儲到產(chǎn)品中，因此兒童折疊書桌碳足跡計測應當計算所有二氧化碳排放當量減去產(chǎn)品中轉移的碳儲量[23]。經(jīng)評價此產(chǎn)品對環(huán)境影響效度低，符合低碳設計要求，輸出設計[24]。

5 結語

本文基于LCA與低碳約束理論，從設計“活動前端”首次提出兩者結合的低碳家具設計模型，運用于兒童折疊書桌設計實踐中，并對設計模型進行驗證。該模型從功能、結構、材料三種低碳約束條件提供了家具設計的映射域，幫助設計人員在設計前端把產(chǎn)品減碳考慮在內，結合功能結構展開矩陣，科學地指導低碳家具設計因子的選擇，以生命周期評價有效地輸出符合低碳要求的家具。由于篇幅有限，文章在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)庫來源以及碳足跡與成本的平衡方面尚未作出關鍵性討論，后續(xù)研究將進一步補充，為其他領域的低碳設計貢獻方法。