面向集约化生产的儿童坐具设计实证研究

邱尚周1，翁佩鸥1，邢亚龙2

(1.温州职业技术学院，温州 325035; 2.澳门城市大学创新设计学院，澳门 999078）

1 研究背景

儿童家具的用户特征决定了其在设计与生产方面也与其他类型家具产品存在很大差异。首先，儿童家具更加关注结构、材料等方面的安全性，并且在可供日常基础用途外需要兼具玩具的娱乐属性。不仅如此，儿童的生理及心理特点也对儿童家具的结构、用途乃至形式都提出了更为多样的要求。当前儿童家具主要面临着形式趋同、产品附加值低等问题[1]，这是由于儿童家具的复杂需求导致其零部件存在显著的多样化问题[2]，并导致相应的生产环节、工序、工艺等较一般家具生产更为繁复，从而全面提高了设计、生产及管理成本，并进一步制约了产品形式的丰富，并阻碍了产品附加值的提升。因此，如何有效利用有限生产手段，以集约的方式满足儿童家具的形式及功能多样化要求[3]，成为家具设计及生产领域所关注的问题。近年来的相关研究主要是从形式与功能优化设计、产品生产效能提升两个方面进行分析与思考。

首先，在形式与功能优化设计方面的研究，主要关注儿童家具的典型表现，以及创新设计的思路及方法。如明娜等[4]研究指出，在所有家具类型中坐具由于充分受到使用需求的制约，在功能、形式等方面对用户的属性反映最为凸显，因此将坐具研究作为儿童家具设计方法的切入点，具有很好的代表性和典型性，并根据对既有儿童坐具的考察将其功能归纳为实用、安全、舒适、娱乐四个方面，为儿童坐具的设计研究提供了初步的目标概括。这为针对儿童家具这一复杂对象的研究提供了切入点。张冰钰等[5]认为，儿童家具产品的形式化创新与儿童用户对产品的体验需求之间存在显著的因果关系。因此，从当代家具产品设计的角度对儿童家具的设计重点与难点进行了归纳，认为主要设计诉求集中在形式、功能与结构三方面，并进一步阐述了儿童坐具在产品中的功能形式和具体的创新方法；同时提出儿童坐具的设计要采用曲线、镂空等结构用于提升舒适性与实用性的观点，这对后续此类型产品的设计提供了建设性意见。同时，也有很多学者将儿童家具的形式要素作为文化符号与潜在的信息载体进行探讨。苗艳凤等[6]学者提出以传统文化传承为目标的儿童家具创新设计方法。刘乘源等[7]学者则进一步提出将传统文化内涵寓于符号化元素的具体设计策略。上述研究的关注重点均在发掘家具等作为日常生活器具对儿童群体潜移默化的教化作用，从而为后续研究提供了一种可行并有意义的形式设计方向。

在功能和结构优化方面，针对儿童家具生产环节问题的研究也受到颇多关注。此类研究指出在当前以标准化生产过程为主导的生产方式背景下，儿童家具在材料、基础加工工艺上仍与一般家具存在很高的一致性，因此在儿童家具的设计、生产实践中更多地表现为以通用技术条件广泛使用为前提的尺度、形式等方面的改造[8]。这样的生产方式存在针对性较弱的问题，主要表现是产品在结构、材料等方面并未对儿童这一特定群体形成足够关注[9]。熊先青等[2]将其中较为突出的矛盾体现为由于形式多样化所导致的零部件较多及工艺流程复杂的问题；并通过加工相似性原理，对儿童家具零件进行成组划分，并对零件规格、尺寸进行基于尺度相似的部件合并，从而有效减少了零件种类，提高了生产效率并优化了生产成本与研发周期。该项成果为降低复杂家具结构的生产消耗提供了有效的解决途径。

在另一方面，作为家具组成的必要结构的连接件设计及连接方式选择，也对产品性能及生产效能产生显著影响[10]。孙静等[11]对常见板式家具中的不同连接方式的结合强度所作的研究指出，榫接结合方式的强度与接合面积直接相关，并可排除材料强度的影响。并且，陈于书等[12]研究指出，五金结合形式对不同材料及结构会产生一定影响，而对复杂结构的影响则更为显著。穆瑶等[13]通过设计案例进行验证，表明将简化后的榫卯契合结构用于儿童家具，尤其是用于坐具的标准化生产有很好的可行性。上述研究结果对本研究的启发是：可以采用卡榫等结构作为替代金属连接件，可以在保证结构强度的前提下，减少金属件对于材料的影响。这也为本研究所采用的具体设计手段提供了重要启发，同时也可将研究问题进一步聚焦于对零件、部件的集约化方法探索。

2 问题提出

基于对近年来相关研究文献的梳理，可对当前儿童坐具设计中存在的诸多现实问题与可行的解决方向进行宏观的概括与描述，继而可归结出以下几个有待解决的方面：

（1）在产品需求方面，儿童家具产品的功能、形式和迭代需求显著高于一般家具产品；

（2）在工法工艺方面，当前普遍存在形式与结构复杂、零部件数量多等困难，造成生产效能低的问题，这在儿童家具生产中表现得更为显著，且缺乏针对性的解决方法；

（3）在生产集约化方面，儿童家具品类的生产标准化水平不高，体现为工艺流程繁复、成本高等问题，尤以沙发、转椅等坐具等为代表的常用品类表现最为显著。

针对上述问题进行溯源可以发现，问题间存在明确的因果联系。首先，儿童家具设计上要求产品具备形式多样化、功能综合化、结构复杂化等外化特性。这对当前的标准化生产流程提出了较高的要求，然而与现实生产环境中出现的标准化程度低、材料选择受限、工艺繁复等制约生产效率的因素是矛盾的。其次，当前家具行业的生产方式则再度限制了产品形式和功能，并最终形成了儿童家具需求缺口与供给限制这二者的矛盾共生，因此当前问题的核心在于如何提出有效缓解产能供给限制的方法。然而，目前研究主要倾向于对普遍问题的发现、描述，以及未来探索方向的提出，而针对生产环节中具体所存在的问题方面，尚缺乏具体实践方法与可行的实施路径。

本文的研究是以典型的儿童坐具形态——儿童木凳及木马作为主要优化对象，通过对现有产品的设计及生产流程进行优化，探索满足形式、功能、迭代需求的同时尽可能降低工艺复杂程度的儿童坐具设计方法。

3 研究方法

本研究首先从儿童坐具这一典型家具品类入手，深入企业生产线进行现场调查。从设计、生产的视角获取具体存在的问题，并根据文献梳理所显示的儿童家具设计和生产环节中凸显的产品需求、工艺工法、生产集约化等三方面问题，并对调查中总结出的具体问题进行聚类；而后采用实际生产中泛采用的因果图法对问题进行价值因果分析[14]，从而发现问题诸元间的权衡关系并明确解决问题的最佳产品策略；提出具体设计方案并通过产品生产来验证该策略的有效性。研究过程如图1所示。

图1 研究路径框架

首先将上述三方面问题编码为A：产品设计；B：工艺工法、C：产品生产，并将分属于上述各类的问题定义为a1～an ，b1～bn，c1～cn，进行次级编码以便于价值因果分析和结果表达。详见表1。

表1 问题描述与编码

在实际调查中选取生产流程中的设计、生产工艺，以及生产管理等各部门，采用针对性的问询与访谈进行问题收集。通过所获得的反馈的相关问题汇总，在调查结果中选取12项出现频次最高的问题按照类型进行聚类、编码。而后对问题描述间的相关因果及损益关系进行价值分析，明确各项问题间的因果关联及主次关系，以便对重点问题进行设计方式的介入与解决（图2）。

图2 儿童坐具设计生产流程问题关联分析

通过因果图法关联分析可知，儿童坐具在设计生产全流程中存在的核心问题体现在由集约化程度较低而引发的生产成本过高问题。从关联图中可见，在产品生产（C类）环节中问题间因果联系最为密集；主要是由于儿童坐具产品的型号多、配件数量及种类多等问题导致管理和生产成本增加，并最终制约了各项产品设计要求的有效达成。在诸多因果关系节点中，串联设计、生产环节的重要关系节点为工艺工法（B类）问题，均存在五项以上的明确因果关系 。其中配件数量（b1），装配工序数（b2）这两因素成为联结设计与生产环节的重要关系节点，而在文献梳理阶段中被认为有可能显著影响集约化生产（C5）和成本（C4）的环保与安全工艺（b3）在实际调查中并未与上述各核心问题产生显著的因果关系。根据调查显示该流程的工艺难度、工序数量仅与装配工序间存在较弱的关联性，且不同配件数量（b1）并不影响工序流程的进行。

4 设计策略制定

根据上述分析可知，影响儿童坐具生产效益最突出的问题集中在配件数以及相应的装配工序问题。尤其是当同一产品的不同尺寸及不同样式型号需求增加，是导致配件和工序管理难度增加、自动化程度降低的主要原因。因此，若要实现在多形式和尺度需求的前提下对生产效能的保持，则需要对现有的设计策略进行优化，以保证不同的配件具备同一的安装尺度与方式。在调查中也发现，虽然现有采用五金件进行成组安装的方式具有操作工序简便一致等特点，但在实际生产中也存在一系列问题。

（1）针对不同结构、尺寸的配件需要采用不同尺寸的结构件（如铰链、合页等）和紧固件（如自攻螺丝、胶封预制螺母及平头螺丝等），以使结构强度符合要求。实际导致了在装配工序中材料种类繁多，管理难度增加等问题。

（2）五金件装配对材料具有一定破坏性，不利于配件的二次组装和替换。尤其以再生板材或合成竹木板材等环保材料为例，若直接采用自攻螺丝进行安装则容易导致钉孔处板材劈裂或碎裂，不易重复安装等问题。一般较为稳妥的方法采用钻孔并预制胶封螺母作为衔接件的方式。但此种方式无疑增加了材料预处理工艺流程与难度并与配件尺寸较多等问题产生叠加效应，降低了配件良品率，造成浪费。

（3）由于儿童坐具同一类型产品需要准备与不同年龄段幼儿身体尺度匹配的面板及支撑结构件，因此上述两项问题的矛盾将更为凸显。尤其是无法满足同一产品线不同尺寸、样式配件的替换互用，易造成同一批次、不同尺寸配件的冗余与浪费。有鉴于此，本研究从核心问题出发，通过对现有产能的逐步细分与挖掘，提出了具体的产品设计策略用于指导设计方案的提出与实施（图3）。

图3 设计策略制定过程

设计策略形成主要通过目标制定、途径描述、工艺路线选择等三个步骤，由此可将对优化目标的模糊逐步收敛并指向具体的可执行流程，并赋予相应的执行原则，从而最终形成可指导实际生产的优化设计策略。

首先，策略形成的前提是从核心问题入手，提出将减少冗余配件和优化装配工序作为优化改进的目标。

其次，从生产管理部门视角将可能的优化途径进行描述，主要包括减少结构零件、结构件通用化设计、装配方式优化，以及重新定位产品为可自组装类家具等四种。由图3所示可知，当前所有可能优化途径间不具备明确联系，且无法直接形成可供落实的指导意见，需要进行必要收敛。因此须从生产角度出发，将笼统的优化途径与常用工艺相联系，并落实可行性。主要的决策方式是召集产品线会议，并将优化途径作为生产工艺的选择条件。

再者，经过权衡产品线调整和流程改造难度后发现，若将产品结构构成方式改造为可适应数控板材加工件的榫接方式，则既可节省大量五金结合件安装工序的管理成本和材料消耗，又可进一步将产品改造为自组装产品的形式进行销售，可以很好满足装配流程的最优化目标。此外，此项策略也常用于大型家具厂商的产品策略中，因此是较为成熟可行的工艺策略。然而，传统榫接结构也存在结构复杂、成型精度要求高等问题，因此将采用榫接结构作为改进中的重点关注点，在后续的设计策略制定过程中进行优化。此外，配件榫接结构的通用性也被作为工艺优化的主要要求提出。

最后，设计策略的制定是在现有可行工艺的基础上，对生产环节中所发现问题通过设计手段进行可行性探讨的过程。对于上一过程中提出的榫接结构问题，则可以从设计的视角提出将榫接结构的材料选用限制为平面板材，以符合工艺路线的要求。同时，针对配件结构通用性原则，需要对产品的形式设计进行规范，主要包括：对各配件的榫接结构尺寸、形状等进行统一化设计；对面板转角、沟槽开孔等尺寸、角度进行规范，便于快速表面处理和倒角加工。

上述策略提出的过程是根据生产线调查结果经由问题提出的生产管理、生产工艺、设计等三个环节从宏观策略出发，结合具体生产实施条件进行策略收敛并细化的过程。最终将调查过程中离散发生的诸多问题集中表达为管理可控、产能可达、设计可行的具体实施策略。结合研究起始阶段的调查过程可知，问题的初始表达是由产品设计流程所反映的市场对产品的模糊需求，通过流程追溯可逐步关联至生产和管理阶段的明确表达。因此在策略的提出阶段需要从流程末端开始，分部门面向问题解决进行分段决策和收敛，从而实现由问题开始到策略解决的回溯闭环。

5 设计与生产实施

根据上述提出的优化设计策略，产品的设计方案应遵循以下三原则：（1）结构连接件须为易于生产的榫接结构；（2）不同形式产品的基础结构、尺寸须保持一致；（3）组件外形设计须利于板材成型和表面处理。本研究以两种常见儿童坐具——儿童凳及儿童木马为实验目标；以上述设计策略作为控制原则进行产品开发与设计，重点验证设计策略引入对设计和生产环节的影响。

设计方案以数控板材成型作为主要生产形式，并以榫接作为主要装配方式以满足简化工艺和配件互用的需求。由于传统榫卯工艺大多需要结合处具备精巧的结构，难以通过板材进行有效生产，无法直接进行形制借鉴；同时板材拼接方式在结构上仍存在对粗暴使用行为不耐受等问题；因此对具体榫接工艺的选择和改进就成为设计环节需要解决的重点问题。本研究采用了先确定概念原型再进行量产设计的分步设计方式以逐步解决问题。

5.1 概念设计

为了形成简洁有效的结构构型，首先对传统家具的承力结构[15]进行调查，发现在强化结构的过程中，都需要以楔钉榫的方式对榫卯的结构间隙进行填充，以有效代偿加工误差及材料后期收缩膨胀等导致的结构强度和稳定性丧失问题。提出采用改进后楔钉榫结构作为主要结构锁定配件的思路，并结合儿童偏好的动物形式，与面板结合处部分组合为不同动物的立体鼻子形状以丰富其形式外观，形成初步的概念设计（图4）。

图4 概念设计方案

由此可知，该项概念具备接口尺度的一致性，可实现面板配件的通用；且仅需对楔钉及外观板材进行更换即可更改造型形式，从而简洁地满足形式多样化需求。

5.2 产品设计

概念设计解决了设计策略提出的第1项榫接结构问题，同时也是整个设计策略的核心。而此后产品设计人员的主要工作重点则只需专注于策略的第2与第3项要求，即可替换的面板的尺度等参数设计、形式设计以及设计规范执行等，其实质可归结为常规性设计问题。在实际设计执行中，可以将设计图样与材料面板尺寸直接关联并提供数控板材加工文件。最后，基于加工文件规范进行产品形式图样的设计（图5）。

图5 数控加工图稿及量产测试结果

在量产测试基础上，本研究进一步进行了儿童木马的产品设计和量产实验，以检验现有设计策略在更高结构强度要求下应对多样化功能的适用性。由于儿童木马在产品特征上需要更为鲜明的玩具属性和更加多样化的形式感，因此在产品形式设计方面较前述座椅设计更加复杂，零部件数量将有一定增加；同时木马产品存在非稳定结构，需要更好的总体结构强度，单纯采用原有的板材成型方式不能满足要求。须从其它必要流程中寻找榫接件通用化的可能。而木马产品中除了底部滑橇外，把手处的结构强度要求最高，因此只要将把手销钉作为通用榫接件并适度配置销钉位置以满足结构强度要求，此法可对原有生产工序和材料进行高度复用。同时，设计中的配件通用程度也需要进行适度细分，在本次设计中将所有配件的通用性划分为完全通用和榫接件通用两个层级，以适应多样化的形式需要。根据上述设计原则，可以有效在同一批次生产中在不增加额外工序和管理负担下实现多种形式外观不同的分型的生产，大大提高了外观设计的产品转化效率。不仅如此，由于将底座及座椅模块设计为完全通用模块，也可显著提高产品迭代和装配效率。具体实施策略为：根据部件通用程度由高至低逐级细分为通用、榫接口通用、紧固件通用部件类型，将底座、主体、衔接件、装饰件匹配成组，从而构成不同产品分型。如表2所示。

表2 分型部件成组表

并最终形成同种工艺、同批次、但形式不同的分型量产产品，如图6。

图6 设计策略实施及分型量产产品

5.3 实验结果分析

根据本次设计实验可以初步得出以下结论：

（1）以概念设计为基础，可有效明确产品设计目标，显著降低设计阶段的执行难度及不确定性；

（2）设计策略中的结构件通用的实现，可以根据目标产品的复杂程度进行综合评价和调整，并依据必要性原则对现有必要生产流程的材料、资源进行复用以最大程度实现配件和工艺的集约化；

（3）在总体集约化思路下，可面向复杂产品需求时对配件通用程度进行细分，可以为产品的多样化提供更大的可能性。以目前实验为例，则表现为在通用的数控加工前提下对板材形式的多样化设计；

（4）产品的重要功能和主要功能结构在通用性程度的划分时需要优先考虑，就本次实验看，主要支撑和功能结构的完全通用化可以显著提升配件生产和装配流程的容错性。即便在部分分型配件短缺的情况下可以充分利用富余的分型配件进行代偿。这在大批次、多样化生产的情况下可以有效降低配件浪费和残次品的出现，因而具有重要的现实意义。

6 结语

本研究通过调查、编码及聚类的方式，将儿童坐具的生产问题，进行面向具体生产环节及方法的关联映射。采用建立因果联系的方式从实际生产中的诸多相互制约因素中寻求解决关键。并采用产品设计介入的手段通过优化产品形态的方法，有效降低了配件数量，并从客观上有效缓解相应的生产环节消耗。因此本文的主要贡献在于以下方面：

（1）采用常规问题分析方法将描述与实际生产环节进行有效关联，从而提出将产品形成过程中的离散问题进行收敛，并明确指示问题源头的方法。同时该方法对生产环节具有很好的适应性；

（2）通过实际产品的生产，验证了在保持生产条件不变的前提下可以通过对设计、生产流程的有限度调节，从而显著优化生产效能。

（3）从方法论角度证明了针对当前家具产品生产中的问题，通过明晰的方法途径，可以有效提出适应当前一般生产流程和工艺的改进方法；并为当前家具行业如何通过优化生产系统内部产能配置从而达成降耗增效目标。为当前儿童家具产品线提供了一种简洁的优化思路及可行的实施路径参考。

本项探索也存在如下有待继续深化的方面。

首先，从调查手段看，本研究主要采用生产一线人员访谈、观察等方式采集基础资料。虽由实验证明资料的效能和可信度，但毕竟调查范围与深度有限，获取的意见存在视角、立场等方面的局限，因此发现的问题与提出的观点的一般适用性如何，尚需在更广泛的范围内展开深入探讨。

其次，从研究手段看，本文采用的因果图法属于工业及生产领域常见的定性分析方法，因此各项问题间的具体影响程度尚需以量化方式进行逐一厘清，方能具备将具体案例研究成果上升为抽象理论的可能。

最后，从案例实验的执行看，研究仅针对儿童坐具这一细分品类的单一生产线开展，结果虽具有显著性，但同时仍存在更广泛的探索空间，如在多产品线、多供应链共存环境下的策略制定与实施方法等等。由此可以进行如下思考：是否可以将这样的优化手段，细分应用于各配件和材料供应流程，在当前家具设计制造等多模块协作的背景下，进行模具、版型和配件的跨产品线互用，以在宏观层面优化产品的综合生产成本？而实现这一探索，则需要对上述前两项研究局限加以突破。

有鉴于此，后续研究将围绕扩大调查范围深化研究领域以增强问题的普遍性；引入更为细致的研究方法揭示更为明确的内在影响机制；丰富具体实验方式及介入场景，提升研究成果的灵活性和适用性。