基于情境分析与FBS的家具创新设计方法研究

王伟伟，张 阳，金秋宇，宋静玲Wang Weiwei& Zhang Yang& Jin Qiuyu& Song Jingling

(1.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西西安 710021; 2.西安理工大学艺术与设计学院，陕西西安 710048）

随着人们生活水平的提高，用户对家具产品的需求不仅仅停留在功能需求方面，对审美及体验也有了更高的要求。产品创新是家具设计企业发展的动力，立足用户需求的家具产品有利于企业在市场中获取竞争优势，但现有家具产品创新存在需求模糊、信息繁杂及大量不确定性因素，不利于设计方案产出。依靠设计师主观经验推演创新方案往往具有不稳定性因素，导致设计求解往往缺乏准确性与合理性，难以满足用户实际情境使用需求。针对以上问题，文章从家具使用情境的角度开展研究，通过梳理情境三要素：用户、产品、环境三者之间的交互关系（图1）构建系统设计流程方法，提高家具创新设计方案的准确性和有效性。

1 基于情境分析与FBS模型的设计方法构建

1.1 情境分析与FBS模型方法概述

情境分析是一种设计知识表达的过程，用于产品的概念设计阶段，它要求设计师充分依据现有要素，发挥自身想象，将产品的使用者置于使用情境之中，通过探讨使用情境中所存在的问题与要素，提出解决问题的方法与途径，进而找到产品概念定位和设计突破口，最终形成合理的设计方案[1]。在相关研究方面，刘晓敏等[2]在情境类比过程中发现拓展集成模型应用研究，提出驱动产品创新方法。周琳琅等[3]对文化元素与产品功能点建立连接，准确把握用户需求构建情境整合的文创产品设计方法。王有远[4]等将面向产品设计的情境信息作为限制条件，提出基于情境约束条件新的知识聚类方法，有效提高了知识推送的精度。以上研究，明确了情境对创新活动的驱动作用，有效收敛发散的产品创新概念，但关于如何开展情境分析指导产品创新方法流程的研究仍较缺乏。

图1 使用情境的构成

图2 流程框架图

表1 九分制标度及其定义

FBS(Function Behavior Structure, FBS)模型是John S.Gero等人对产品创新过程提出的研究方法论，该模型通过建立产品功能-行为-结构层级映射，为模糊的设计活动提供了科学的结构体系，为设计者创造更多完善、严谨的解决问题方法[5-6]。张青等[7]通过建立Ra-FBS模型，分析用户需求与设计过程的关系，寻找用户需求的最优解。周祺等[8]结合模糊KANO与FBS模型探索最优设计要素，提高产品设计的满意系数和创新应用。王年文等[9]构建基于FBS与可拓变换的产品设计方法，运用层级映射与可拓变换扩大了方案再设计的新思路。FBS模型通过层级映射结构实现了功能、行为、结构的有效转换，为设计者提供了详细的设计要素求解思路，是产品设计的重要工具。

1.2 情境分析与FBS模型的家具创新设计流程

文章运用情境分析厘清家具设计创新的机会点，将FBS模型作为创意转化的主要工具，构建需求获取与设计要素转换的逻辑方法，融合情境分析与FBS模型互补的特性，构建科学指导家具创新设计的系统流程。研究模型如图2所示：通过用户调研获取家具主要设计特性，开展情境分析寻找使用情境的内部联系与规律，分析问题冲突，明确设计目标，建立约束条件规约模糊的设计概念，最后利用FBS模型三种变量的层级映射落实创新方案，探索家具创新设计新形势。

步骤1，确定家具主要设计特性。用户对家具的了解通常仅停留在使用层面，需求描述往往具有局部性与模糊性。根据问卷调查与访谈法明晰用户对家具特性的需求，运用AHP分析法结合专家意见对家具特性进行层级归类[10]，由权重排序结果得出家具主要设计特性；

步骤2，讨论情境问题。因用户认知水平存在差异，设计研究人员需从侧面引导用户完整地描述使用情境的问题，应对内外环境特征进行综合考量，进而根据问题描述分析问题冲突；

步骤3，建立设计规约。根据家具功能、外观、体验三个方面，建立功能性约束、审美性约束、一致性约束的设计规约。基于设计约束条件发散创新概念思路，针对情境问题寻找求解方向；

步骤4，运用FBS模型。利用该模型层级映射的逻辑关系，逐步对期望功能、预期行为、结构进行层级映射，明确相关设计要素；

步骤5，输出设计方案。对FBS模型得出的设计要素进行整合，输出家具设计创新方案。

2 情境分析与FBS的家具创新方法原理

首先开展用户调研，目的是运用层次分析法计算家具设计要素权重排序，明确家具主要设计特性。针对主要特性进行情境分析，挖掘情境存在的问题及冲突，进而建立约束条件指导产品设计优化方向。最后运用FBS模型实现功能与设计要素的转换。灯具在室内环境中是提供照明的功能设备，也是体现设计主题的重要角色[11]，基于此文章以台灯使用情境为例进行实践应用。

2.1 计算家具设计要素权重

(1)本次调研对象是陕西科技大学18-26岁的在校学生，该群体在宿舍情境下日常使用台灯频率较高。首先对台灯市场进行调查，整理台灯设计要素输出调查问卷，选择80位满足条件的学生展开调研，运用问卷调查及访谈法[12]获取用户对台灯特性的看法及评价，筛除无效问卷，获得有效问卷74份；根据AHP层次分析法对台灯特性进行定量分析，结合系统递阶层次结构，统计各设计要素之间的关系；建立两两判断矩阵，判断矩阵表示针对上一层次的某元素，本层次与它有关的元素之间相对重要的比较[13]，其中任何矩阵都应该满足：

表2 台灯设计要素评价体系

图3 情境分析模型框架

图4 FBS模型输出流程图

表3 A-B用户需求指标

表4 权重分布详细数据

表5 构建台灯情境分析

（2）建立评价指标体系。将上一步收集到的用户信息汇总，根据专家意见对调查过程中频率较高的产品特性进行分类归纳，分析各要素之间的关系，建立目标层、准则层、方案层的递阶层次结构，获得台灯设计的评价指标体系（表2）。

（3）建立判断矩阵并计算，根据专家打分的形式，确定各元素之间的优先关系，得出判断矩阵，求解矩阵的特征值，对矩阵进行一致性检验：

借助Matlab进行求解，因Matlab计算以上权重值会存在稍许误差，为增加结果稳定性，对算术平均法求权重，几何平均法求权重，特征值法求和取平均值，得出目标层与准则层之间的评分分值及指标权重，同理得出准则层与方案层之间的判断矩阵，其中中 要均<0.1，通过一致性检验。

2.2 建立情境分析框架

根据家具设计特性权重排序结果，对主要特性展开研究。通过发现并改善瓶颈要素使优化方案效果最大化，获取事半功倍的效用。根据情境描述获取情境问题，分析问题冲突的相关要素，明确冲突原因。构建约束条件收敛发散的创新概念，指导冲突的设计求解思路。该方法模型框架如图3所示。

（1）根据AHP法权重分析结果确定家具主要设计特性MF（Main feature）。

（2）讨论情境问题，结合问卷调查与访谈法引导用户对情境中的主要设计特性MF1-MF7进行描述，得到主要特性存在的问题痛点P={P1,P2,P3…Pn}，并汇总整理。

图5 台灯FBS模型

图6 台灯设计方案模型图

图7 台灯设计方案模型图

图8 台灯设计方案模型图

图9 台灯设计方案模型图

（3）明确问题冲突，分析归纳情境问题产生的原因。

（4）探索期望功能。从约束条件出发，求解情境问题探索期望功能。功能性约束：用户处于不同的使用情境，对家具功能需求会产生差异，家具功能应具备准确性适配情境下的需求点。审美性约束：家具造型、色彩和材质与用户感知密切相关。家具外观要对适宜的材料、形态及色彩综合考量，贴合用户生活情境的审美文化。一致性约束：家具设计方案需以人为本，为用户提供良好的使用体验。设计语义应符合用户认知习惯，降低认知难度，使用户能快速了解并掌握产品使用方法。

通过讨论情境问题-确定冲突-期望功能，逐步收敛发散的设计概念，厘清思维逻辑，通过明确情境主要瓶颈要素、明确改进什么、改成什么样、如何改进，探索快速高效求解的家具创新设计方法。

2.3 运用FBS模型求解设计方案

创新设计是从抽象到具象的信息映射过程。FBS采取自上而下的产品概念设计分解模型，建立功能需求与物理结构的求解策略，将复杂的结构系统简单化，得出创新方案[14]。根据台灯FBS模型进行搭建，分析功能、行为、结构之间的映射关系，完成F期望功能,B预期行为,S对应结构的转换（图4）。将上一步获得的期望功能导入FBS模型中，经逐层映射输出设计要素。FBS模型求解过程中约束条件将作为规约，检验设计要素是否输出并保证创新方案满足情境需求，进而整合输出家具设计求解方案[15-16]。

3 台灯设计案例验证

3.1 台灯设计要素权重排序

构建台灯设计目标层与准则层之间的评分分值及指标权重A-B（表3）。同理进一步计算出方案层对目标层的组合权重，权重分布详细数据如表4所示。对10个设计要素进行排序，台灯设计方案的影响权重从大到小依次为：便于折叠收纳（32.76%）、造型形态（16.47%）、切换冷暖光源（15.12%）、无极亮度调节（10.78%）、调整灯源角度（4.92%）、外观色彩（6.71%）、按键（6.69%）、表面材质（2.72%）、点滑（2.72%）、旋钮（1.11%）。

上述结果的CR值均小于0.1，通过一致性检验。其中A-B层级中B2功能权重最大，产品功能特性应作为主要因素，B3交互权重最小，即台灯交互方式对用户相对重要程度较小。因此方案层对目标层中，用户对便于折叠收纳C7的功能特性权重最大，旋钮交互权重最小。设计创新中折叠收纳MF1、造型形态MF2、冷暖光源MF3、无极亮度调节MF4、灯源角度调节MF5、外观颜色MF6、按键操作MF7为台灯设计的主要特性。

3.2 台灯使用情境分析

根据AHP法所得权重对MF1-MF7开展情境分析，引导用户对主要特性进行描述，归纳情境问题并厘清原因，得出高校住校学生的使用情境分析结果（表5）。其中MF7按键操作在情境调研中未出现相关冲突，对该特性进行保留。

3.3 构建台灯的FBS模型

经情境分析结果建立台灯的FBS模型进行概念与方案的转换（图5）。首先对期望功能(F)与预期行为（B）进行整合，F1：台灯应具备折叠功能，解决用户使用空间拥挤的问题。通过旋转和弯折的结构缩小台灯所占空间，适应情境需求；F2：通过旋转、弯折、按压灯臂的操作方式灵活调节角度，满足多区域光照需求；F3：通过旋钮与按键操作方式实现冷暖光切换的需求；F6：根据旋转及按压的操作方式实现便捷的无级调节模式。其中以审美性约束对F4、F5进行求解，增加多种台灯设计配色方案，对造型形态进行优化创新，提供良好的审美体验。

针对台灯设计的连接结构（S）进行分析，根据用户操作功能时采用的旋转、弯折、按压三种交互方式，得出相关结构。B1旋转操作与S1、S2、S3、S5、S6具有相关性，可实现折叠收纳，角度调节，无极调节，冷暖光切换；B2弯折行为与S1、S3相关，控制折叠收纳与角度调节；B3按压行为与S3、S6具有相关性，可实现角度调节与无级调节。通过FBS模型完成期望功能、预期行为以及结构的映射，对相关要素及操作方式逐层进行关联分析，为创新设计中各要素必要性与相关性提供参考。

3.4 输出台灯创新方案

根据前期研究结果完善设计机会点，输出台灯创新设计方案（图6-图9）。F1灯臂与灯杆连接处可折叠，不使用时便于收纳节约空间。F2灯臂与灯杆的连接处自由调节，灵活适应多个角度，满足不同区域照明需求。F3底座旋钮一键操作实现模式切换与开关，提高产品易用性优化操作体验。F4台灯灯臂形态运用圆形几何造型，提供更大范围的光照面积，传递简约轻巧的视觉感受。F5提供多种色彩材质选择提高台灯与环境的适配度，提升空间审美体验。F6照明强度无极调节，通过转动旋钮装置可实现无级调节。另在灯座底部设置凹槽，为电源线提供收纳的空间，解决学生桌面空间有限及电线繁杂的问题，同时提升台灯整体造型的审美体验。

4 结语

文章构建了情境分析与FBS模型集成的家具创新设计方法，减少家具创新过程中的模糊性、不确定性所导致的设计周期漫长，求解方案与用户实际需求存在差异的问题。通过确定家具产品主要特性，收敛前期发散的设计思维，明确设计目标，指导创新要素求解思路。针对情境需求构建创新功能点，整合并输出创新方案，运用情境分析与FBS集成模型解决“存在的问题是什么，选择什么方法，怎么做”的难点，提出了科学、合理、快速输出的家具创新设计方法，并以台灯创新作为案例应用检验该方法有效性，为家具创新设计方法及实践提供参考。