基于AHP 分析法与TRIZ 理论的可折叠座椅设计研究

2022-10-27范峰源郝巍东

包装工程 2022年20期

范峰源，郝巍东

（太原师范学院，山西晋中 030619）

目前在一二线城市中，大批年轻人和外地工作者需要通过租房提供生活空间的现象较为普遍，通常他们会选择面积较小的公寓房或与外人合租以减轻房租压力，导致其居住环境最大的问题在于生活空间狭小，但这不会改变他们对生活质量的关注。针对这一现状，研究如何通过家具创新设计来提升居家空间利用率的问题是至关重要的。结合KJ 法与AHP 层次分析法的研究可获取该类用户对折叠座椅的需求，并进行权重分析，可让设计方案最终呈现后对消费者需求具有更加精准的指向性，也为TRIZ 理论在解决主要的产品设计问题时提供依据。

可折叠家具的设计可以减少室内占地面积及空间，间接地优化了住宅空间利用率，可折叠家具注重可变性和多元化，目前较为常见的是折叠桌椅、折叠床等，为小型空间布置提供更多的灵活性，不需要使用时可折叠起来，整理出一定的空白空间，在视觉上使室内空间简洁有序[1-3]，同时也增加了在相同空间实现不同功能的可能性。

1 理论研究概述

1.1 需求层次分析法

AHP（需求层次分析法）[4-5]是将决策问题的相关因素按照支配关系建立条理化的层序结构，进而形成客观之主观的判断结构，决策分析得出各个因素对总目标（I）的综合权重并进行排序。经过用户访谈和调研问卷的形式整理得到设计需求[6]，将指标因素按照层级分解进行决策[7-9]。AHP 通过将设计目标按照层级建立递阶层次结构，通过将第二级指标两两对比，通过专家打分，求解判断矩阵得出总目标的综合权重[10-11]。

1.2 TRIZ 理论

TRIZ 理论[12]是由阿奇舒勒创立的发明问题解决问题的方法，旨在使用科学方法快速实现新发明或解决技术难题，并为设计工作厘清思路[13]，在产品设计领域，TRIZ 理论在创新思维、问题分析、技术系统进化、问题解决算法等维度成为了推动设计的核心力量。

2 TRIZ 理论在可折叠座椅设计中的案例分析

在可折叠座椅设计案例中，列举了TRIZ 理论中的40 项发明原理在折叠座椅设计案例中的运用，为本次创新设计提供创新依据。

设计师Hamza Bavčić，得益于其在工程、美学、建筑设计等多个领域的专业知识积淀，使其能够在设计工作中凭借其独特视角设计出风格多变且功能丰富的产品，见图1。该座椅可将其展开，挂在衣柜中存放，节约占地面积，同时用于固定的皮质带，可用来悬挂衣物[14]。在TRIZ 理论的40 个发明原理中主要使用了“动态性”，让静态的物体可以进行变形从而减小占地面积，且能够使原本的座椅更适合用于不同的应用环境[15-16]。

图1 悬挂式折叠座椅Fig.1 "Wooden Roller Shutter" stool

王振鑫设计的板凳外形类似于传统小马扎，它的体积小，折叠后可将两端固定，不需要用时可存放在房间内家具缝隙的位置[17]。在TRIZ 理论中运用了“预先放置原理”，在设计时考虑到用户在使用时的行为，提前将板凳设计固定扣（见图2）。提前将板凳设计固定扣后，可方便用户对板凳的折叠效益。

图2 可折叠椅子Fig.2 Stretchable stool

爱尔兰的Tierney Haines Architects 工作室[18-20]设计的这款折叠椅，在设计的结构角度而言，它呈X形，而当左右凳腿并拢的整个过程中，整个椅背也会随之对折到一起。简单来说，该折叠椅可往中间方向对折，继而形成丙字形（见图3），该案例在TRIZ 理论中运用了“多维法”“动态化原理”，将单层结构变为多层，使不动部分变为可动，可极大降低座椅在室内空间设计的利用率。

图3 创新折叠方式椅子Fig.3 Modular Bench

3 基于AHP 法用户需求权重计算

在针对折叠座椅创新设计过程中，运用KJ 亲和图法，对各个要素之间内在的相互联系关系进行概括与总结，进而寻找解决问题的方式。折叠座椅设计要素的选取是一种包含全方位、多要素、多目标的综合体[21-23]。

经过KJ 法的需求要素整理，综合折叠座椅的特性，同时要解决用户在特定环境下使用椅子的问题，从而对调研用户提出了三个方面的问题：“居住空间基本满足，但没有多余空间”“希望有使用方式创新的折叠椅”“对折叠椅的印象始终停留在户外折叠椅的造型，希望有适用于居家生活状态下的折叠椅”，并把用户的需求进行总结：产品的造型要素、交互要素、空间设计要素，分别从椅子的安全性、环保性、美观性、空间需求、使用感受、物流成本等多个角度进行综合考虑，并经过市场调研和对有关资料的梳理，在评估项目选择时，通过汇集有关专家学者意见和设计师观点后，结合KJ 法把所搜集到的资料加以归集，并对测评指标要求加以了补充、筛选，初步确认座椅层次结构为目标层1 个、一级指标6 个和二级指标15 个。

结合AHP 层次分析法的运用，对设计需求进行递阶层级模型构建，其中，用I表示目标层-创新折叠椅设计方案，安全性I1、环保性I2、美观性I3等六项层，为准则层，并用I11、I12、I13、I14等表示基于6个准则层下的设计指标层，见图4。

图4 折叠座椅递阶层级结构模型Fig.4 Hierarchical structure model of foldable seat

在推动折叠座椅设计进程的同时，对座椅的创新维度给予较大倾斜，其对应特征方程在判断矩阵I 呈现见式（1）：

1—9 比率标度法见表1。

表1 1—9 比率标度法Tab.1 1-9 ratio scaling method

向量积正规化法的步骤：

借助正规化处置矩阵，利用以下公式：

将矩阵当中的元素相加：

对于上式中的wi，实施正规化处置：

计算矩阵向量、确定权重，公式如下，其中的w1以及w2，表示各层的权重。

在而后的一致性检验中，若通过，则证明矩阵构建成立且有价值。

假定CI代表一致性指标，以下为运算方法。

其中RI取值见表2。

表2 矩阵阶数为1—9 的RI 取值Tab.2 RI values of matrix order 1-9

表中n=1，2 时RI=0，是因为1，2 阶的正互反矩阵总是一致阵。

综合来自相关领域专家所给反馈与基于目标层与二级指标层所得矩阵，分析与讨论所得数据与结果，根据目标权重计算公式得出各级指标相较于总目标的权重：目标层（I）对应的准则层（I1、I2、I3、I4、I5、I6）的权重值分别为0.136 5，0.238 5，0.105 6，0.625 0、0.536 5、0.171 2。安全性（I11、I12、I13）的权重值分别为0.276 4，0.528 3，0.595 4，环保性（I21、I22）的权重值分别为0.078 1，0.135 2，0.258 7，0.228 0。美观性（I31、I32）的权重值分别为0.080 9，0.377 3。空间需求（I41、I42）的权重值分别为0.488 0，0.653 9。使用感受（I51、I52、I53）的权重值分别为0.735 6，0.556 2，0.462 0。物流成本（I61、I62、I63）的权重值分别为0.163 6，0.001 8，0.377 7。继续几何平均算法步骤5，计算一致性检验结果均小于0.1，通过。

通过层次分析法计算的权重结果，对座椅产品权重值高的部分作为设计改进的重点，建立质量矛盾矩阵；所建矛盾矩阵应基于分析得出权重值较高的部分要素之间的矛盾（见表3），其后得出矩阵中相互矛盾结果即为产品设计中需要着重解决的设计问题。

表3 折叠椅矛盾矩阵Tab.3 Foldable chair contradiction matrix

获取座椅的相关技术矛盾，将负相关产品的特性向TRIZ 问题转化[24-25]，具象的设计需求转化为抽象的39 个工程技术参数，利用TRIZ 原理中的40 种解决方案和39 条通用工程参数对产品的特性进行消除，通过查询TRIZ 理论矛盾矩阵找到对应的TRIZ 40解决方法，从而实现产品特性最大程度地符合用户需求[26-28]，为设计提供依据。所对应的恶化参数如表4所示。

表4 描述冲突Tab.4 Conflict described

在分析时使TRIZ 算法为设计提供指导依据，通过问题的数据研究计算将台灯设计更有效、更有针对性地达到质量最优[29-31]。

在座椅设计中，将技术矛盾对应TRIZ 40 发明原理的解决方法，见表4。结合本次座椅和设计案例，可用的发明原理有：NO.25，NO.3，NO.33，NO.15，NO.13，NO.1，见表5。

表5 冲突问题的TRIZ 转化Tab.5 TRIZ transformations of conflict problems

4 可折叠座椅创新设计实践

经过上一节矛盾分析转化得到TRIZ 理论的40理论的解决办法，经过TRIZ 理论得出的解决问题的方法路径，其有益成果如下所述。

4.1 安全性需求

折叠座椅要求在实际的用户使用过程中确保安全，人在使用座椅时给椅面压力，椅背和椅面相连接处应保持固定，要求稳定性较高，到达限定位置不会下滑。椅面和前椅腿呈现的直角弯曲，由于用户自身重量的不确定性，椅面到达一定的压力时，卡扣锁死，需要一定力度才能将其弯曲折叠，序号1 为椅背结构，序号2 为旋转装置，序号1 部位上滑到序号2，序号2 位置有旋转装置可将椅背中的镂空部分可以将椅面、椅腿嵌入；椅子折叠后，序号5 的部分为椅面结构，序号6 为前椅腿，序号4 为椅背结构，其中序号3 位置为前椅腿及椅面的转折处，前椅腿状态分为两种，一种是与椅面平行状态，另一种是与椅面垂直状态，当在使用时，序号3 位置的折叠铰链合页能翻转90°，此时折叠铰链合页会自动锁死，锁死卡扣结构见图6。