吴勘 门龙龙

（西安科技大学艺术学院，陕西西安 710054）

现代工作环境下，办公人员多数情况处于坐姿状态，不同坐姿状态下人体舒适感不尽相同，长时间持续不良坐姿会引发肌肉疲劳和下背部病痛问题危及骨骼系统[1]。良好的坐姿能够使压力适当地分布在各脊椎骨之间的椎间盘上，静载荷适当且均匀地分布在附着的肌肉组织上，目的就是减少久坐给人体造成的伤害。因此，不同坐姿状态下身体压力分布对于研究坐姿舒适度具有重要意义。体压分布是研究坐姿舒适性非常有效的实验方法与舒适度评价方法之一[2]，目前使用该系统对坐具各项特征的相关研究较多，为相应的设计提供可观的理论依据。为了量化表征体压分布，徐明等[3]使用总压力、平均压强和不对称系数等8 个体压指标，结合实验验证8 个指标与舒适性的相关性较强。同时座椅的体压分布和人体坐姿姿势密切相关[4]。Looze 等[5]几乎将所有研究坐姿舒适性的方法，用于坐姿舒适性的分析，最终发现体压分布与主观评价结果的相关性最显著。周敏[6]结合主观评价研究了不同坐姿下静态体压分布的情况，唐立华等[7]结合主观评价与人体坐姿状态的压力分布测量，综合分析人体坐姿的差异对坐姿舒适度的影响，并以人体工程学原理为基础提出合理的坐姿建议和相应的座椅优化方法。文章使用人体压力测试系统来关联两种不同坐姿对人体舒适度的影响，分析两种常见坐姿形态与体压分布指标间的关系，并进一步明确两种坐姿状态下腰、臀、腿部疼痛与作用力的大小及分布间的关系；并根据实验结果及人体工程学相关理论，提出合理的坐姿建议。

1 不同坐姿下的体压测试

人体处于不同坐姿状态下，体压分布会有较大差异，体压各项指标的分布会直接反映人体坐姿的舒适性，且舒适性与体压指标间的相关性较强。例如，平均压力能够感知压力刺激程度，最大压力反映座面的软硬度和坐骨结节的受力等。所以，文章使用体压分布测试实验进行验证。

1.1 实验方法

坐姿对人体舒适度的影响主要是通过分析人体压力评估指标来确定的。通过主观和客观评价相结合，确定舒适度与评价指标的相关关系，以达到纠正坐姿的目的。

1.1.1 试验条件及过程 受试者为男性3 名，女性2 名，平均年龄为24 岁，平均身高和体重分别为171.6cm 和57.4kg，其中两名男性的体质量相对较小，身体状况良好。主观评价根据语义微分法采用五级量表[8]，如表1。评价内容主要是腰部、臀部、腿部以及由外部因素引起的情绪波动而产生的主观感觉指标。

表1 不同坐姿下受试者主观评价表

实验过程：①被试者按落座指令坐在座椅上，落座后保持直立坐姿进行学习，持续40min；然后记录体压数据，受试者每5min 填写一次主观评估表。②受试者坐下后找自己最舒适的休息坐姿，同①。③每一位受试者做完①后，适当放松休息5～10min，再进行②。依次进行受试者的测试，直到实验结束。

1.1.2 体压分布 文章使用Tekscan 开发的压力分布测量系统来测量人体的静态压力分布。压力垫感测区域面积大小为471mm×471mm，内含传感器1 024 个，厚度约为1. 0mm，与座椅轮廓表面很好地贴合。根据实验需要采样频率将设定为60.0Hz。

1.2 数据统计分析

（1）存储实验中获取的数据，进行后期的计算和统计分析；

（2）40min 内的最大压力和最大压力梯度等指标直接由体压分布系统读取；

（3）主观评价结果取被试评价结果的均值，与五级量表的评价内容进行对比分析。

2 坐姿舒适度与压力分布的关系

座椅对人体的影响主要表现为对人体的压力刺激，即是一种作用力与反作用力，这种触压使人体获得支撑的同时产生舒适或不舒适的感觉，人体这种感觉的舒适和不舒适与压力的大小及分布有密切关系[9]。

2.1 两种坐姿下座面压力分布参数

收集并整理受试的实验数据目的是获得一系列定量指标，用来对舒适性进行客观评估。文章主要以最大压力，最大压力梯度，平均压力，接触压力和平均压强为指标来评估两种坐姿的身体压力分布。

2.1.1 最大压力 实验中最大压力受坐姿因素的影响极为显著，因为最大压力反映的是所有压力测量点中的最大值以及座面的软硬度和坐骨结节的受力大小，值越大说明座面材质越硬，坐骨结节受压越大。如图1 所示，可看出直立坐姿的最大压力大于斜倚坐姿，且最大压力值的差距较大。对坐骨结节受压程度的分析表明，在斜倚坐姿下坐骨压力最小，直立坐姿较大。根据受试者体征参数和最大压力，我们得知最大压力与体质量呈正相关，原因是计算出两者的相关系数（相关系数按积差方法计算，以最大压力和体质量两个变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映最大压力和体质量两变量之间的相关程度），说明体压分布不但受人体坐姿影响，还受受试者的个体参数，即体质量的影响，体质量越大最大压力就越大。

图1 两种坐姿下的身体压力

图3 两种坐姿40min 时的平均压强、接触面积

2.1.2 平均压力 平均压力是所有受压点压力的算术均值，对平均压力最直接的影响是座椅表面的刚度，即座椅表面材料的柔软性和硬度，并且极大地受到办公椅座椅表面形状的影响。如图3 所示，反映出直立坐姿时，平均压力对人体的刺激度较强烈以及臀部坐骨结节受压程度较明显。平均压力越大，座面材质越硬，臀部受压越严重。臀部受压程度分析表明直立坐姿时臀部压力普遍较斜坐姿大。

2.1.3 接触压力

（1）当人体处于坐姿时，它主要由脚、腿、骨盆和脊柱支撑，而躯干上部的大部分负荷由腰椎、骶骨和椎间盘来承担。那么直立坐姿下主要是腰椎、骶骨和椎间盘承受人体上半身的所有负荷，若长时间处于这种坐姿时腰椎就会处于非正常的弯曲，会出现肌肉疲劳或骨骼系统劳损。斜倚坐姿下由臀部承担人体上部分躯干的绝大部分负荷，座椅靠背承担一部分负荷，出现肌肉疲劳或骨骼系统劳损较直立坐姿小。

（2）如图1 所示，清晰看出被试者间的接触压力差距较大，且直立坐姿时的接触压力明显大于斜倚坐姿；原因一是人体指数（体重、身高）是接触压力重要的影响因素，原因二是斜倚坐姿时人体上部分躯干的负荷绝大部分由臀部承担，另外一部分压力由座椅的靠背来承担，所以斜倚坐姿时在坐垫上产生的压力就比直立坐姿时小。

2.1.4 最大压力梯度 压力梯度反映了沿一定方向的压力变化，对人体的影响主要是压力梯度的大小和分布。最大压力梯度越大，人体对压力刺激的敏感程度就越大，舒适度就越低。人体的不同部位对压力刺激的敏感度不同，如大腿内侧对压力刺激非常敏感，坐骨结的附近非常脆弱。客观上需要合理的压力梯度分布以适应人体的生理结构。

人体的生理结构显示，最大压力梯度出现在人体臀部坐骨结节附近（如图2 右所示），值越大表明座椅表面越硬，坐骨结节受压程度就越大；另外座面材质分布越合理压力梯度值就越小。在实验中，最大压力梯度受座面的形态和坐姿的影响显著。如图2 左所示，坐姿舒适度的表现为斜倚大于直立。因为直立坐姿时最大压力梯度出现了较大值，此时体压产生突变，不适感增强，舒适度降低，受试者就会感到臀部不适。

图4 斜倚、直立坐姿下面积体压二维图

2.1.5 平均压强 平均压强指单位面积上的力的算术均值。如图3 左所示，看出被试者1、2、4 在直立坐姿时产生的平均压强值小于斜倚坐姿，坐骨结节受压明显，此处会出现压力的峰值，也易产生疲劳；3、5 则相反。原因是平均压强与接触面积成负相关，其BMI 指数较小（BMI 指衡量人体胖瘦的数字百分比，体重除以身高的平方），其直立坐姿接触面积大于斜倚坐姿；对比直立与斜倚坐姿下的被试者接触面积二维体压图就能很明显看出（图4）。

总之，当接触面积大时，意味着人体可以更好地适应座椅的轮廓。因此，接触面积越大人体越容易获得座椅的舒适性。相反，接触面积越小，舒适度越低。当接触面积小而接触压强大时，这意味着人体的局部压强大，不适感增加。

2.2 压力分布与坐姿

分析实验数据表明，不同的坐姿使得人体压力分布呈现显著差异。在直立坐姿下，腰背部全无支撑，上身重量都由腰、臀部承担，臀部总压力增加，导致最大压力梯度和平均压力出现最大值。在倾斜的坐姿下，背部靠在椅背上，骨盆向后旋转，压力中心向后移动，身体重量移至腰部，坐骨结节的压缩中心也向后移动，椅背起到支撑作用，分担了身体的一部分重量使臀部与座面接触压力减少，所以臀部的总压力就降低。斜倚坐姿时臀部与座面的接触面积减少，平均压力和最大压力梯度降低，腰椎的负荷减轻。为了减小胸椎与腰椎的负荷，通常会增大身体躯干上半部分与大腿之间的角度。

研究表明，从生物力学和生理学角度看，坐姿随椅背角度的变化而变化，并对身体产生显著影响。椅背角度的增加会降低椎间盘的压力，直立坐姿时椎间盘压力是斜倚坐姿压力的两倍，这表明斜倚有利于减少就坐者的椎间盘压力，同时也有利于减少臀部与座面的接触面积，降低臀部肌肉平均压力[10]。

根据上面的分析描述，腰部不适感在斜倚坐姿时最小，直立坐姿时最强烈；臀部的不适感在直立坐姿时最明显，而在斜倚坐姿时最弱（图5）。

3 两种坐姿的比对分析

从坐姿舒适度与压力分布的关系得知，各项体压分布指标与坐姿舒适性之间建立联系，并且从不同的层面体现坐姿舒适性，每项体压分布指标都有自己适宜评价的关联内容。

3.1 问卷调研

（1）主观评分

整体主观评分随实验时间延长而呈下降的趋势，但直立坐姿下降的速度明显慢于斜倚坐姿，可见在工作、学习状态下更适宜选择相对长时间的直立坐姿，而在休息时就选择斜倚坐姿。利用式（1）计算身体部位的得分，

表2 不同坐姿下主观评价总的舒适度

（2）人体坐姿形态对比

通过回收的调查问卷知，保持直立、斜倚坐姿的极限时间如图6 所示，直立、斜倚坐姿超过极限就会出现下图错误的坐姿，对身体就会产生一定的伤害。

如图7 左所示，错误坐姿会使腰椎扭曲变形，导致腰部疼痛，供血不足；如图7 右所示，错误坐姿会使腰部曲线过度，导致腰椎前凸减少，椎间盘压力增大，长时间持续会导致腰椎间盘退变加重。

3.2 坐姿相关性分析对比

图5 直立（左）斜倚（右）坐姿下身体各部位的主观评分值

图6 直立、斜倚坐姿持续时间统计图

图7 上为直立错图，下为斜倚错图

（1）臀部与坐垫直接接触，产生的各种不适感也直接受坐垫的压力分布影响。根据受试者的描述，在直立坐姿实验中，臀部不适主要有坐骨痛、发热等；斜倚坐姿中，臀部不适主要是压力集中在尾骨，尾骨压强强烈、肌肉发麻。两种坐姿相比，臀部在斜倚坐姿中更加舒适。

（2）腰部是上半身与臀部相连的部位，不适感表现为酸痛。腰部疲劳在斜倚坐姿时也较为严重，不会因比直立坐姿多一支撑点而得到较多缓解；相反，腰部起到支撑上半身的重量和控制上半身平衡的作用，导致酸痛感增加；而直立坐姿可以更好地减轻腰椎压力。

（3）在直立或斜倚的坐姿下，身体对腿部的压力远小于站立时的压力，但是在长时间坐姿中，由于臀部的压力，腿部血液循环不畅而产生麻木。根据受试者的反应，在直立的坐姿实验中，腿部出现大腿不适，小腿发麻；而在斜倚坐姿中，上述不适感得到了极大的改善。

4 结论

良好坐姿的条件是，压力适当地分布在各脊椎骨之间的椎间盘上，静载荷适当且均匀地分布在附着的肌肉组织上。自然放松的斜倚坐姿，各体压指标最小，是舒适性最好的坐姿形式。

臀部是人体处于坐姿状态下与坐具最直接接触的部位，在斜倚坐姿中臀部舒适度评分较高，所以斜倚坐姿是长时间坐姿状态中臀部感觉最舒适的坐姿；但在斜倚坐姿中腰部的疲劳严重，没有因比直立坐姿多一处支撑而使疲劳程度得到缓解，相反，腰部更多地承担了上半身的重量，使腰椎压力增加，造成腰部酸痛程度加剧。直立坐姿中腰椎压力较斜倚坐姿小很多，明显减轻腰部酸痛，腰部疲劳得到很好地缓解。腿部在人体处于坐姿状态下不承担人体的主要平衡及支撑作用，其舒适度与坐姿形态的关系不显著，却易因血液循环受阻产生麻木感。坐姿舒适度与压力分布间存在相关性关系将对基于人体工程学领域下的座椅的设计具有指导性意义。