基于AHP/QFD/TRIZ集成理論的書(shū)柜設(shè)計(jì)方法

傅雷，石暢，王南軼，梅小清

基于AHP/QFD/TRIZ集成理論的書(shū)柜設(shè)計(jì)方法

傅雷，石暢，王南軼，梅小清

（南昌大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌 330031）

為了解決不同用戶情感需求下的設(shè)計(jì)矛盾，提高用戶綜合滿意度，優(yōu)化傳統(tǒng)模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)，提出一條基于AHP/QFD/TRIZ集成理論的書(shū)柜設(shè)計(jì)方法。首先，利用文獻(xiàn)研究法與市場(chǎng)調(diào)查法收集篩選出用戶需求并利用KJ法進(jìn)行歸納，利用AHP層次分析法建立情感層次模型并計(jì)算需求權(quán)重；其次，利用QFD將用戶需求轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的技術(shù)特征，計(jì)算出其重要度并得出5條矛盾沖突；再次，利用TRIZ理論中的物理沖突與技術(shù)沖突，篩選出與5條矛盾沖突相對(duì)應(yīng)的最佳發(fā)明原理；最后，制定書(shū)柜設(shè)計(jì)策略，進(jìn)行整體的模塊單元分類與重組，將初步方案細(xì)化后得到最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。通過(guò)AHP/QFD/TRIZ集成理論的設(shè)計(jì)流程，高效、科學(xué)、邏輯地解決了用戶綜合情感需求問(wèn)題與設(shè)計(jì)矛盾，該方法為其他類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參照思路。

AHP；QFD；TRIZ；書(shū)柜；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；模塊化

伴隨著我國(guó)全面小康社會(huì)的建成，人民素質(zhì)和生活水平、社會(huì)文明程度有了質(zhì)的飛躍。如今全民閱讀更是成為一股社會(huì)新風(fēng)潮，北京每年發(fā)布的《中國(guó)圖書(shū)零售市場(chǎng)報(bào)告》顯示，除近兩年疫情影響外，我國(guó)從2015年開(kāi)始一直保持著年均10%以上的增速，實(shí)體紙質(zhì)書(shū)的閱讀量處于中高速上升的狀態(tài)，人們對(duì)書(shū)柜的需求也隨之水漲船高。書(shū)柜用于書(shū)籍與陳設(shè)物的展示擺放，是家居、辦公室、書(shū)吧與圖書(shū)館等多種場(chǎng)合中不可或缺的實(shí)用性產(chǎn)品，人們?cè)谶x購(gòu)與使用書(shū)柜時(shí)不再是只關(guān)注其單一性質(zhì)需求，而是希望得到多方面需求尤其是情感需求方面的滿足，提高使用過(guò)程中的愉悅感。因此，為了提高現(xiàn)有的傳統(tǒng)書(shū)柜產(chǎn)品的用戶滿意度，設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)深入挖掘用戶的綜合情感需求，有針對(duì)性地改善書(shū)柜產(chǎn)品的外觀、功能與結(jié)構(gòu)等。

集成理論被廣泛運(yùn)用于各種研究中，使研發(fā)流程更加緊湊、科學(xué)與高效。在工業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域中，有許多學(xué)者投身于集成理論的運(yùn)用與研究，李曉杰等[1]為了解決災(zāi)害救援問(wèn)題，運(yùn)用AHP將獲取的用戶需求進(jìn)行權(quán)重確認(rèn)，再利用QFD中的HOQ進(jìn)行質(zhì)量特性轉(zhuǎn)換，最后利用TRIZ解決其技術(shù)與物理沖突，從而得出救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。蘇建寧等[2]將通過(guò)訪談得到的需求導(dǎo)入AHP判斷矩陣表中，利用QFD分析了設(shè)計(jì)要素在基于TRIZ進(jìn)行采摘機(jī)的設(shè)計(jì)策劃，且結(jié)果表明機(jī)械運(yùn)作過(guò)程效率有明顯提高。李小彤等[3]基于QFD-TRIZ集成理論，首先分析設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，對(duì)收集的用戶需求進(jìn)行層次模型的建立后，利用QFD將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)特征，確定矛盾并分類后尋找最優(yōu)理想解，有效改進(jìn)了筒紗包裝生產(chǎn)線的統(tǒng)一外觀。王年文等[4]確定設(shè)計(jì)特性后，分析用戶質(zhì)量需求并建立HOQ，最后進(jìn)行矛盾的分析與解決，實(shí)現(xiàn)了理療儀效率的顯著上升。綜上可知，AHP可準(zhǔn)確客觀地判斷出用戶需求的重要程度；QFD提供了用戶需求與技術(shù)特性相互轉(zhuǎn)換的路徑；TRIZ用于矛盾問(wèn)題的解決。以上集成理論的研究方法目前較少被學(xué)者運(yùn)用于家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，因此在模塊化書(shū)柜的設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)入集成理論，可以幫助研究人員更加科學(xué)有效地研發(fā)出迎合用戶與市場(chǎng)需求的新型產(chǎn)品，填補(bǔ)研究空白。

1 模塊化設(shè)計(jì)概述與模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

模塊化設(shè)計(jì)用于產(chǎn)品系統(tǒng)或服務(wù)系統(tǒng)中部件單元的替換，模塊化后的各式部件或單元可以通過(guò)相同的接口相互連接進(jìn)而組合成新的形式，工程師、設(shè)計(jì)師或用戶可以根據(jù)市場(chǎng)或自身的需求組合出不同功能的產(chǎn)品[5-6]。模塊化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師由宏至微，先從整體開(kāi)始考慮，根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能劃分為相對(duì)獨(dú)立的模塊單元，進(jìn)而對(duì)各局部模塊進(jìn)行詳盡的考慮與深入的設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于其系統(tǒng)性與自由性之間的完美契合，即利用模塊單元的劃分與重組設(shè)計(jì)出不同功能或形式的產(chǎn)品，降低了研發(fā)成本與操作難度，提高了靈活度與通用性[7]。

模塊化設(shè)計(jì)早年被廣泛用于重工業(yè)與機(jī)械設(shè)施的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中[8]，例如汽車、模塊建筑構(gòu)件、渦輪機(jī)與計(jì)算機(jī)等，且發(fā)展已十分系統(tǒng)成熟。近年來(lái)，在家具等輕工業(yè)領(lǐng)域的模塊化設(shè)計(jì)也初見(jiàn)雛形，伴隨全民閱讀的熱潮，模塊化書(shū)柜因其獨(dú)特的造型與操作方式受到了消費(fèi)者的青睞，在家具市場(chǎng)上占了據(jù)一席之地，目前市面上常見(jiàn)的模塊化書(shū)柜具有以下特點(diǎn)：模塊化書(shū)柜的結(jié)構(gòu)與骨架未進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，模塊簡(jiǎn)單堆疊的組合方式導(dǎo)致書(shū)柜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低，且移動(dòng)不便，見(jiàn)圖1a；模塊單元的種類與形式單一，使書(shū)柜通常不具備多項(xiàng)功能，能夠滿足的用戶需求有限，見(jiàn)圖1b；模塊自由度較低，模塊只能安裝在指定的位置，用戶不能根據(jù)自身需求與愛(ài)好更改安裝位置，見(jiàn)圖1c。因此，需要設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能夠提供用戶不同功能、組合自由度高的模塊化書(shū)柜產(chǎn)品。

2 AHP/QFD/TRIZ理論概述與設(shè)計(jì)步驟

2.1 AHP/QFD/TRIZ理論概述

美國(guó)匹茨堡大學(xué)學(xué)者、運(yùn)籌學(xué)家薩蒂于20世紀(jì)70年代提出了一種名為層次分析法（Analytical Hierarchy Process, AHP）的全新層次權(quán)重決策分析方法[9-11]。該方法將一個(gè)涉及多個(gè)復(fù)雜要素的問(wèn)題系統(tǒng)化，確定目標(biāo)層后，將系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)劃為若干個(gè)指標(biāo)層以此來(lái)判斷各要素之間的關(guān)系，規(guī)劃工作完成后利用定性轉(zhuǎn)定量的方法對(duì)同級(jí)指標(biāo)要素進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此計(jì)算出要素的優(yōu)先權(quán)重以確定其重要程度。該理論適用于各種指標(biāo)錯(cuò)亂繁瑣的目標(biāo)系統(tǒng)的定量決策問(wèn)題[12]。

QFD全稱為質(zhì)量功能展開(kāi)（Quality Functional Deployment），是由日本學(xué)者赤尾洋二和水野滋于20世紀(jì)60年代提出[13-15]。QFD被廣泛用于用戶需求到技術(shù)特征與零部件特征之間的轉(zhuǎn)換工作，其核心概念便是質(zhì)量屋（House of Quality, HOQ），質(zhì)量屋通過(guò)構(gòu)建圖表的方式直觀地展現(xiàn)各要素之間的關(guān)系與權(quán)重，其主要使用步驟包括：將用戶需求轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的技術(shù)特征；將用戶需求與其重要度導(dǎo)入HOQ“左墻”；將技術(shù)特征導(dǎo)入HOQ“天花板”；利用“強(qiáng)相關(guān)”“中等相關(guān)”與“弱相關(guān)”確定用戶需求與技術(shù)特征之間的矩陣關(guān)聯(lián)度，并導(dǎo)入HOQ“屋身”；計(jì)算出技術(shù)特征的相對(duì)權(quán)重與絕對(duì)權(quán)重，并導(dǎo)入HOQ“地下室”；確定技術(shù)特征內(nèi)部之間的正負(fù)關(guān)聯(lián)性，并導(dǎo)入HOQ“屋頂”[11]。如今QFD已被廣泛應(yīng)用于企業(yè)、學(xué)術(shù)與實(shí)踐過(guò)程中，用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域更是可以幫助設(shè)計(jì)人員降低返工次數(shù)與成本，提高研發(fā)效率[16-17]。HOQ模型見(jiàn)圖2。

圖2 HOQ模型

TRIZ理論（TRIZ Theory）全稱為發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems），最早可以溯源到發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒于20世紀(jì)40年代所參與的專利研究與處理[18-19]。阿奇舒勒在剖析了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各國(guó)發(fā)明專利后總結(jié)歸納其背后的規(guī)律與法則，構(gòu)建了一個(gè)用于解決技術(shù)難題、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)明的全新理論體系，簡(jiǎn)稱TRIZ理論[20]。矛盾沖突解決原理是TRIZ理論中的核心方法，根據(jù)參數(shù)數(shù)量與要求的不同可以分為技術(shù)矛盾與物理矛盾，而物理矛盾又可分為空間分離、時(shí)間分離、條件分離、整體與部分分離4種，最后對(duì)應(yīng)40條發(fā)明原理給出理想解。該理論可運(yùn)用于多種學(xué)科與領(lǐng)域，尤其是近年來(lái)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和利用[21-22]。

2.2 基于AHP/QFD/TRIZ的模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)方法步驟

階段一：基于情感層次理論，構(gòu)建出模塊化書(shū)柜的用戶情感需求層次模型，收集并篩選出可用的二級(jí)指標(biāo)需求，并利用KJ法對(duì)其進(jìn)行分類，利用層次分析法構(gòu)建一級(jí)指標(biāo)層與二級(jí)指標(biāo)層的判斷矩陣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析以確定用戶需求的權(quán)重。

階段二：將用戶需求及其權(quán)重導(dǎo)入QFD質(zhì)量屋，判斷出用戶需求與技術(shù)需求之間的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算出技術(shù)需求權(quán)重，并且判斷各技術(shù)需求內(nèi)部之間的正負(fù)相關(guān)性。

階段三：針對(duì)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的技術(shù)矛盾問(wèn)題，各自對(duì)應(yīng)TRIZ理論中的技術(shù)沖突矛盾與物理沖突矛盾，借助39條矛盾矩陣與40條發(fā)明原理找到問(wèn)題的最優(yōu)解。

階段四：將各技術(shù)需求與發(fā)明原理轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)出初步方案后進(jìn)行深入細(xì)化，最后利用Rhino軟件進(jìn)行建模并渲染，得到滿足消費(fèi)者情感需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法流程見(jiàn)圖3。

3 基于層次分析法的用戶情感需求分析

3.1 用戶情感需求層次模型構(gòu)建

情感層次理論由美國(guó)心理學(xué)家唐納德·A·諾曼提出[23]，該理論重視人與產(chǎn)品之間的情感交流，從心理學(xué)的視角探析如何在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)用戶的情感需求，誘發(fā)用戶的情感反應(yīng)從而綜合提高用戶與產(chǎn)品的情感羈絆[24]。《情感化設(shè)計(jì)》[25]中將人對(duì)產(chǎn)品的情感劃分為3類：本能層、行為層與反思層。其中本能層指用戶在初次接觸產(chǎn)品時(shí)，憑借自身感官接收其形態(tài)、色彩、材料等外在形式，將其反映給大腦從而形成的產(chǎn)品第一印象，是一種較為低級(jí)的情感；行為層不再討論產(chǎn)品的外觀問(wèn)題，而是轉(zhuǎn)向用戶在具體的使用體驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品的功能、效用與使用性產(chǎn)生的情感；反思層脫離了產(chǎn)品的初級(jí)印象，涉及文化、背景與信息等復(fù)雜因素從而引起用戶的二次思考，是用戶在回憶過(guò)去與預(yù)測(cè)未來(lái)的長(zhǎng)期思考過(guò)程中產(chǎn)生的一種深層次情感。

本研究的模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)基于上述情感層次理論，利用AHP層次分析法建立用戶情感需求層次模型。首先，將模型劃分為一級(jí)與二級(jí)指標(biāo)層，一級(jí)指標(biāo)層包括本能層、行為層與反思層；二級(jí)指標(biāo)層在一級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下兩種方法收集用戶需求。方法一，文獻(xiàn)研究法，通過(guò)閱讀與書(shū)柜相關(guān)的文章，分析歸納出前人的研究成果；方法二，線上市場(chǎng)調(diào)查法，通過(guò)線上訪問(wèn)多家購(gòu)物網(wǎng)站與品牌官網(wǎng)，如宜家、京東和淘寶網(wǎng)等，了解國(guó)內(nèi)模塊化書(shū)柜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，同時(shí)查看50種型號(hào)款式書(shū)柜產(chǎn)品的消費(fèi)者評(píng)價(jià)，篩選出有用信息并進(jìn)行收集處理。經(jīng)過(guò)初步歸納得到各式需求共38條，邀請(qǐng)5位產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家組成專項(xiàng)小組，組織專項(xiàng)小組篩剔除掉不恰當(dāng)?shù)暮透拍钪貜?fù)的需求，并對(duì)保留的有效需求進(jìn)行適當(dāng)處理使其表達(dá)更加簡(jiǎn)明通暢，利用KJ法將各需求制作為二級(jí)指標(biāo)的需求卡片，按照需求特征對(duì)其進(jìn)行一級(jí)指標(biāo)歸類工作，最終保留有效需求14條，其中本能層5條，行為層6條，反思層3條，見(jiàn)表1。

圖3 設(shè)計(jì)方法流程

表1 模塊化書(shū)柜的用戶情感需求層次模型

Tab.1 Hierarchy model of users' emotional needs for modular bookcase

3.2 用戶需求權(quán)重計(jì)算

根據(jù)以上構(gòu)建的用戶情感需求層次模型，基于AHP層次分析法創(chuàng)建兩兩判斷矩陣，以確定各指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，同時(shí)在運(yùn)算的過(guò)程中引入標(biāo)度與取值體系[26-27]（見(jiàn)表2—3），并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的計(jì)算，保證矩陣體系的合理性與邏輯性。

表2 標(biāo)度及其含義

Tab.2 Scale and its meaning

本研究邀請(qǐng)了數(shù)位研究相關(guān)領(lǐng)域的專家進(jìn)行集體決策并給出打分，以一級(jí)指標(biāo)層為例的運(yùn)算過(guò)程如下。

表3取值標(biāo)準(zhǔn)

Tab.3 RI values

1）構(gòu)建一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣，專家組對(duì)層內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行兩兩判斷并打分（見(jiàn)表4）。

2）對(duì)矩陣結(jié)果進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到一致性比率<0.10，證明該矩陣通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，該矩陣結(jié)果有效。

表4 一級(jí)指標(biāo)層判斷矩陣

Tab.4 Level 1 index level judgment matrix

按照同樣的方法對(duì)二級(jí)指標(biāo)層進(jìn)行權(quán)重判斷與計(jì)算，并分別進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果表明均通過(guò)檢驗(yàn)。最后將一級(jí)指標(biāo)權(quán)重乘以其下屬的二級(jí)指標(biāo)層權(quán)重，可以計(jì)算出所有用戶需求的最終權(quán)重，需求綜合計(jì)算匯總見(jiàn)表5。

表5 需求綜合計(jì)算匯總

Tab.5 Comprehensive calculation and summary of needs

綜上所述，對(duì)模塊化書(shū)柜用戶需求的最終權(quán)重進(jìn)行重要程度排序，得到排名為，穩(wěn)定牢固=使用安全>適用多種用途>比例協(xié)調(diào)>交互便捷快速>操作過(guò)程有趣味性>風(fēng)格簡(jiǎn)約現(xiàn)代>用色素雅>綠色環(huán)保>機(jī)動(dòng)性強(qiáng)>彰顯個(gè)性>質(zhì)感上層>造型新穎多變。

4 基于QFD的用戶需求轉(zhuǎn)換

如表5所示，將用戶需求及其權(quán)重值導(dǎo)入質(zhì)量屋（HOQ）“左墻”；然后進(jìn)行用戶需求與技術(shù)特征之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，見(jiàn)表6。

對(duì)以上技術(shù)特征進(jìn)行整合與分析，再結(jié)合模塊化書(shū)柜特有的形態(tài)特征與骨骼結(jié)構(gòu)，可將其劃分為3類技術(shù)特征：骨架、構(gòu)件與整體。將技術(shù)特征劃分為以上3類的依據(jù)如下：其一，骨架與構(gòu)件進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，骨架的獨(dú)立有利于書(shū)柜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與整體移動(dòng)；其二，由于骨架承擔(dān)了承重與主要結(jié)構(gòu)功能，構(gòu)件能夠在骨架上進(jìn)行自行更替，有利于書(shū)柜的多功能化與模塊化；其三，整體中包含的技術(shù)特征既適用于骨架，也適用于構(gòu)件。其中骨架的設(shè)計(jì)重點(diǎn)囊括占地面積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固與材料堅(jiān)實(shí)；構(gòu)件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)囊括模塊化與適用多種用途；而書(shū)柜整體的設(shè)計(jì)重點(diǎn)囊括造型簡(jiǎn)潔、色彩和諧、輕量化、符合人體工學(xué)、避免尖角、實(shí)用空間大與空間尺寸小，技術(shù)特征分類見(jiàn)圖4。將以上技術(shù)特征導(dǎo)入質(zhì)量屋（HOQ）的“天花板”。

表6 用戶需求與技術(shù)特征的關(guān)系轉(zhuǎn)換

Tab.6 Transformation of the relationship between users' needs and technical characteristics

圖4 技術(shù)特征分類

質(zhì)量屋（HOQ）的“屋身”，即用戶需求與技術(shù)特征矩陣圖中，設(shè)立關(guān)聯(lián)度等級(jí)以確定兩者之間的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)行賦值，見(jiàn)表7。對(duì)關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行判斷，并填入相關(guān)符號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，構(gòu)建出質(zhì)量屋的“屋身”部分。

表7 用戶情感需求與技術(shù)特征的對(duì)應(yīng)賦值

Tab.7 Corresponding assignment of users' emotional needs and technical characteristics

最后對(duì)構(gòu)成質(zhì)量屋“天花板”的技術(shù)特征進(jìn)行正負(fù)關(guān)聯(lián)性判斷，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)后導(dǎo)入質(zhì)量屋（HOQ）的“屋頂”部分。其中“＋正相關(guān)”意味著某方技術(shù)特征會(huì)伴隨另一方技術(shù)特征的改進(jìn)而得到改進(jìn)，“－負(fù)相關(guān)”意味著某方技術(shù)特征會(huì)由于另一方技術(shù)特征的改進(jìn)而惡化，空白意味著兩方技術(shù)特征之間無(wú)關(guān)聯(lián)性，以此確定技術(shù)特征之間的矛盾沖突。模塊化書(shū)柜質(zhì)量屋模型見(jiàn)圖5。

觀察模塊化書(shū)柜質(zhì)量屋的“地下室”部分，依據(jù)重要度權(quán)重可知模塊化是最為重要的技術(shù)特征，重要程度排序依次為：模塊化>材料堅(jiān)實(shí)>結(jié)構(gòu)穩(wěn)固>具有多項(xiàng)功能>避免尖角>符合人體工學(xué)>色彩和諧>輕量化>造型簡(jiǎn)潔>實(shí)用空間大=空間尺寸小>占地面積小。

5 基于TRIZ理論的矛盾分析與解決

5.1 矛盾分析

由圖5可知，以“負(fù)相關(guān)性”標(biāo)識(shí)存在的矛盾沖突共有5對(duì)，對(duì)該5對(duì)矛盾沖突進(jìn)行解釋分析。

1）矛盾一：空間尺寸小與實(shí)用空間大。這對(duì)矛盾屬于物理矛盾下的空間分離情況，這對(duì)矛盾中的參數(shù)為“體積”。在同一空間中，體積小，書(shū)柜空間尺寸隨之減小以節(jié)約空間；體積大，書(shū)柜的實(shí)際可用空間隨之增大以放置更多的書(shū)籍、陳設(shè)與雜物等。

2）矛盾二：占地面積小與結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。這對(duì)矛盾屬于技術(shù)矛盾，書(shū)柜的占地面積小會(huì)導(dǎo)致其底面受力面受限，在書(shū)柜質(zhì)量不變的情況下，受力面減小導(dǎo)致推倒書(shū)柜所需的力矩隨之減小，結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。

圖5 模塊化書(shū)柜質(zhì)量屋模型

3）矛盾三：結(jié)構(gòu)穩(wěn)固與具有多項(xiàng)功能。這對(duì)矛盾屬于技術(shù)矛盾，既要求書(shū)柜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定合理，又希望書(shū)柜可以具備盡可能多的功能。

4）矛盾四：造型簡(jiǎn)潔與具有多項(xiàng)功能。這對(duì)矛盾屬于技術(shù)矛盾，書(shū)柜具備多種功能雖然能夠滿足用戶的不同需求，但是其外觀往往會(huì)隨之變得十分繁瑣復(fù)雜。因此，研究人員希望設(shè)計(jì)出既具備多項(xiàng)功能又造型簡(jiǎn)潔明了，能夠迎合現(xiàn)代審美與市場(chǎng)的書(shū)柜。

5）矛盾五：具有多項(xiàng)功能與輕量化。這對(duì)矛盾屬于技術(shù)矛盾，用戶希望書(shū)柜的功能越多越好，但這可能會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的增加，而用戶又同時(shí)希望使用到更加輕量化的產(chǎn)品。

將以上5對(duì)矛盾與TRIZ理論中不同類型的矛盾沖突相對(duì)應(yīng)，即技術(shù)矛盾與物理矛盾，物理矛盾又包括空間分離、條件分離、時(shí)間分離及整體與部分分離。通過(guò)查閱39條技術(shù)沖突矩陣表找到40條技術(shù)矛盾的發(fā)明原理，利用分類找到40條物理沖突的發(fā)明原理，最終找到理想解以期實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。矛盾分析及對(duì)發(fā)明原理見(jiàn)表8。

表8 矛盾分析及其對(duì)應(yīng)發(fā)明原理

Tab.8 Contradiction analysis and its corresponding invention principle

5.2 矛盾解決

1）依據(jù)表8中列出的對(duì)應(yīng)發(fā)明原理，針對(duì)此5對(duì)矛盾沖突逐一尋找最為適合的發(fā)明原理予以問(wèn)題解決。在空間尺寸小與實(shí)用空間大沖突中，選用17號(hào)發(fā)明原理（多維運(yùn)作），利用多層結(jié)構(gòu)代替單層結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶需求增加書(shū)柜的實(shí)際可用層數(shù)，同時(shí)不需要時(shí)可以減少可用層數(shù)，將實(shí)用空間最大化。

2）在占地面積小與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定沖突中，選用2號(hào)發(fā)明原理（拆出），將可有可無(wú)的非結(jié)構(gòu)功能部件全部拆出單獨(dú)設(shè)計(jì)，省略了部件后的書(shū)柜的占地面積得到了有效控制；拆出書(shū)柜的非結(jié)構(gòu)部件，使書(shū)柜僅保留自身的骨骼框架，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性得到了極大改善，通過(guò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化使書(shū)柜重量可以通過(guò)同一垂直線均勻地抵達(dá)地面，可靠性與穩(wěn)定性得到提升。

3）在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與具有多項(xiàng)功能沖突中，同樣選用2號(hào)發(fā)明原理（拆出），將書(shū)柜各部分分為骨架與部件，再將除骨架外的所有部件拆出，僅利用骨架進(jìn)行承重，書(shū)柜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，穩(wěn)定性提升；有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出滿足多種功能的不同部件（抽屜、層板、格框與桌面），且這些部件不承擔(dān)任何的結(jié)構(gòu)作用。因此，用戶可以根據(jù)自身需求自由選擇部件安裝在骨架上，實(shí)現(xiàn)書(shū)柜的多功能特性。

4）在造型簡(jiǎn)潔與具有多項(xiàng)功能沖突中，傳統(tǒng)的一體式書(shū)柜內(nèi)部部件皆為固定式，無(wú)法對(duì)層高等要素進(jìn)行更改，也無(wú)法根據(jù)用戶需求進(jìn)行部件替換，而具備多項(xiàng)功能的傳統(tǒng)書(shū)柜又伴隨著外觀繁瑣復(fù)雜、空間浪費(fèi)等問(wèn)題。選用1號(hào)發(fā)明原理（分割），利用5組接口將1個(gè)書(shū)柜骨架均勻分割為相對(duì)獨(dú)立的4格，同時(shí)對(duì)各部件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)保證風(fēng)格與規(guī)格尺寸的統(tǒng)一，且與骨架分割大小對(duì)應(yīng)吻合，每個(gè)構(gòu)件模塊恰好占據(jù)骨架1或2格，這樣既使整體造型更加輕盈簡(jiǎn)約、風(fēng)格統(tǒng)一，又保證了書(shū)柜的多功能性。

5）在具有多項(xiàng)功能與輕量化沖突中，選擇15號(hào)發(fā)明原理（動(dòng)態(tài)），將傳統(tǒng)書(shū)柜中的不可動(dòng)部件設(shè)計(jì)為可移動(dòng)的，允許部件在骨架內(nèi)部上下垂直移動(dòng)以調(diào)整高度，一件多用滿足特定需要，在保證了書(shū)柜多功能特點(diǎn)的同時(shí)又減輕了書(shū)柜質(zhì)量。

6 模塊化書(shū)桌設(shè)計(jì)實(shí)踐

6.1 模塊單元的劃分與重組

基于上述AHP/QFD/TRIZ等理論的分析結(jié)果展開(kāi)書(shū)柜設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)內(nèi)部矛盾利用TRIZ發(fā)明原理得到有效解決后，考慮到模塊化作為最為重要的技術(shù)特征，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先考慮，并在其基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組合方式等展開(kāi)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此，首先根據(jù)系統(tǒng)各部分的具體功能對(duì)模塊單元進(jìn)行劃分，李偉湛等[28]提出了模塊簡(jiǎn)化的方式，將功能模塊分為核心模塊與部件模塊，分別用不同的方塊代替以獲得初步直觀的組合方案。本研究中將模塊化書(shū)柜大致劃分為兩類，骨架與構(gòu)件。基于上文可知骨架作為書(shū)柜的主要結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了整體承重，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)堅(jiān)固作為重要的技術(shù)特征，出于安全穩(wěn)定的考慮，故不進(jìn)行形態(tài)多樣化設(shè)計(jì)，骨架（Framework, F）作為核心模塊不可替換，以灰色象征；依據(jù)TRIZ的2號(hào)拆出原理，構(gòu)件由于不承重，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行拆裝與更換，而骨架卻不受影響，這保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)考慮到構(gòu)件應(yīng)當(dāng)具有多項(xiàng)功能，因此提供4種不同的形態(tài)供用戶選擇，作為可替換模塊，包括抽屜（Drawer, D）、層板（Plank, P）、格框（Box, B）與桌面（Tabletop, T），分別用紅、藍(lán)、黃與綠象征。模塊功能的劃分見(jiàn)圖6a。

圖6 模塊功能的劃分與關(guān)系

對(duì)模塊化書(shū)柜的各模塊功能進(jìn)行分析比較，可知骨架是整體系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，其余部件的增減與替換無(wú)法離開(kāi)該主體模塊。因此，F(xiàn)用于整體承重與模塊連接，依據(jù)TRIZ的1號(hào)分割原理，將骨架劃分為均等的幾塊，使模塊構(gòu)件之間可以直接相互替換拆裝：首先，一個(gè)F擁有5組橫插式接口（一組4個(gè)），橫插式接口用于D、P、B、T的連接，或者用于自身F的連接。其次，D、P、B可以與F任何一組接口連接。再次，T作為桌面，僅可以與最上端的一組接口連接。最后，其中D、P、T占據(jù)一組接口（1格），B占據(jù)兩組接口（2格）。模塊功能的關(guān)系見(jiàn)圖6b。通過(guò)以上邏輯關(guān)系分析，研究人員對(duì)該五大模塊單元進(jìn)行科學(xué)組合，并借助計(jì)算機(jī)軟件Adobe Illustrator利用簡(jiǎn)化方塊進(jìn)行方案預(yù)演。

對(duì)上述幾種模塊進(jìn)行方案預(yù)演可以有效地反映出模塊間的相互關(guān)系，由于版面有限選擇其中6種具有代表性意義的方塊組合方案，見(jiàn)圖7a，并對(duì)其進(jìn)行形態(tài)推演，得到6種方案雛形，見(jiàn)圖7b。

圖7 模塊組合方案

6.2 方案的深入與細(xì)化

依據(jù)研究人員完成的模塊組合方式，進(jìn)行方案細(xì)化，最終得出模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)方案。如圖8所示，骨架上端可根據(jù)需要利用雙頭固定件進(jìn)行疊加固定，下端落地可以套用桌腿墊用于防滑耐磨，依據(jù)TRIZ的15號(hào)多維運(yùn)作原理，用戶可以根據(jù)自身實(shí)際需求加設(shè)至雙層或三層骨架，這樣不僅將書(shū)柜的實(shí)用空間最大化，而且不需要時(shí)可自行拆除骨架以減少空間維度，達(dá)到減少空間尺度的目的?；蛘咴趩螌庸羌艿拇怪彼亩松霞釉O(shè)桌面模塊，并借助螺絲固定在4個(gè)橫插式接口中，用于伏案學(xué)習(xí)工作。抽屜有單格和雙格兩種形制，層板和格框皆可根據(jù)用戶需求與場(chǎng)景需要人為自行更換，底部安裝相同規(guī)格支撐架，同樣可利用螺絲固定于接口。

骨架作為核心模塊，高730 mm、長(zhǎng)1000 mm、寬300 mm，使用15×15 mm正方形合金管材，桌面厚20 mm、長(zhǎng)1 060 mm、寬450 mm，骨架上端連接桌面時(shí)總高750 mm，如果在桌面下方插口連接抽屜模塊時(shí)，抽屜底面距地面525 mm，該尺寸迎合了中國(guó)人平均身高，符合人體工學(xué)。骨架接口之間上下垂直間隔170 mm。所有可替換構(gòu)件模塊在底部通用相同規(guī)格的合金支撐架，高40 mm；可替換構(gòu)件模塊中，抽屜總高165 mm、長(zhǎng)970 mm、進(jìn)深300 mm，其中抽屜推拉部分高125 mm，適合收納一些不常用的日用品或較為貴重的小物件，如手表和文件；層板總高60 mm、長(zhǎng)970 mm、寬300 mm，板材厚20 mm，層板視線最為通透開(kāi)闊，適合擺放一些陳設(shè)藝術(shù)品或者經(jīng)常拿取的書(shū)籍雜物，如證書(shū)和瓷器；格框總高335 mm、長(zhǎng)970 mm，進(jìn)深300 mm，板材厚20 mm，尺寸適合垂直排列書(shū)籍。

圖8 模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)方案

造型方面，該模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)整體呈現(xiàn)為簡(jiǎn)約現(xiàn)代風(fēng)格，沒(méi)有多余的裝飾，以功能為中心的設(shè)計(jì)使其符合造型簡(jiǎn)潔的特征要求。材料的選擇方面，由于材料堅(jiān)固的技術(shù)特征會(huì)對(duì)書(shū)柜的穩(wěn)定牢固與使用安全的用戶需求造成影響，同時(shí)出于輕量化減重的目的，因此使用高硬度但更輕量化的白色外漆鋁合金材料作為骨架和構(gòu)件支撐架等金屬部分的材質(zhì)，而對(duì)抽屜、格框、桌面和層板等部分，則使用質(zhì)量更輕、紋理細(xì)膩?zhàn)匀坏膶?shí)木板。色彩方面，書(shū)柜整體色調(diào)為中性色，以白色與原木為主，雅致大氣且能夠與大多數(shù)場(chǎng)景相容，符合色彩和諧的特征要求?？紤]到交互的安全因素，對(duì)骨架與構(gòu)件均進(jìn)行倒角處理，不僅整體視覺(jué)更加柔和，也避免尖角存在可能造成的潛在危險(xiǎn)。操作方面，模塊化設(shè)計(jì)方便用戶根據(jù)自身需求與場(chǎng)景需要自行調(diào)整構(gòu)件模塊的安裝位置，杜絕資源與空間的浪費(fèi)，依據(jù)TRIZ的動(dòng)態(tài)原理，模塊方便隨時(shí)上下移動(dòng)與裝卸，如此不僅增加了書(shū)柜功能，還增大了實(shí)際可用空間，將有限的空間利用到極致，減少了不必要的重量，且自由度與趣味性較高，共用接口的多模塊設(shè)計(jì)使書(shū)柜具備多項(xiàng)功能以應(yīng)對(duì)實(shí)際需要。例如，安裝桌面模塊即可變成書(shū)桌使用，而骨架可以累加至2～3層以減少占地面積，提高空間利用率。模塊化書(shū)柜組合效果見(jiàn)圖9。

圖9 模塊化書(shū)柜組合

7 結(jié)語(yǔ)

本研究以書(shū)柜設(shè)計(jì)為例，基于情感層次理論分析用戶需求，利用層次分析法計(jì)算需求權(quán)重，轉(zhuǎn)入功能質(zhì)量展開(kāi)模型中獲得相對(duì)應(yīng)的技術(shù)特征與其重要度；借助TRIZ解決其中的矛盾沖突后，對(duì)書(shū)柜進(jìn)行模塊單元的分類與整體的初步方案判定，再對(duì)各部件深入設(shè)計(jì)，最終得到模塊化書(shū)柜產(chǎn)品[29-30]。該設(shè)計(jì)流程集成了包括AHP、QFD與TRIZ在內(nèi)的多種理論與方法，使整體的設(shè)計(jì)步驟與方式更加有理可循、有據(jù)可依，且嚴(yán)絲合縫，使書(shū)柜在造型外觀、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與交互效率等多個(gè)方面綜合提高了用戶情感需求的滿意度，為相關(guān)家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考樣例。后續(xù)研究工作將進(jìn)一步升級(jí)模塊接口的接洽問(wèn)題，使相鄰構(gòu)件之間間隙更小，可利用空間更大，同時(shí)使模塊的安裝拆卸效率更高，操作更簡(jiǎn)易。

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FU Lei, SHI Chang, WANG Nan-yi, MEI Xiao-qing

(Architecture and Design College, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

The work aims to propose a bookcase design method based on AHP/QFD/TRIZ integration theory, in order to solve the design contradiction under different users' emotional needs, improve users' comprehensive satisfaction and optimize the traditional modular bookcase design. Firstly, literature research method and market research method were used to collect and screen out users' needs, and KJ method was used for conclusion. AHP was used to establish the emotional hierarchy model and calculate the weight of needs. By QFD, the users' needs were transformed into the corresponding technical characteristics, and the corresponding importance degree was calculated and 5 contradictions were obtained. According to the physical contradiction and technical contradiction in TRIZ theory, the best invention principles corresponding to the five contradictions were selected. Finally, the bookcase design strategy was formulated, the overall module unit classification and reconstruction were carried out, and the preliminary scheme was refined to obtain the final product design scheme. Through the design process of AHP/QFD/TRIZ integration theory, the contradiction between users' comprehensive emotional needs and design is solved efficiently, scientifically and logically. This method provides a reference for the design of other similar products.

AHP; QFD; TRIZ; bookcase; product design; modularization

TB472

A

1001-3563(2023)14-0188-12

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.020

2023–02–27

傅雷（1999—），男，碩士生，主攻工業(yè)設(shè)計(jì)。

梅小清（1969—），男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作