第四節 產品結構設計

從產品設計的角度，可以將結構解釋為構成產品的部件形式及各部件間組合連接的方式。結構設計則是為了實現某種功能或適應某種材料特性及工藝要求而設計或改變產品構件形式及部件間組合連接方式。結構決定了產品的功能，結構也豐富著產品的形態。結構是設計中特別應該加以重視的環節。

一、產品的結構特點

結構的層次性是由產品的復雜程度所決定的，任何產品都由若干不同的層次組成，如自行車（如圖1-35所示）就有二十余個部件，而每個部件中又有數十個零件。層次性也可以說是一種系統性，是系統與系統的組合與構成。

有序性是指產品的結構都是目的性和規律性的統一，結構是因一定的需要而產生的，因此，各個部分之間組合與聯系是按一定要求，有目的、有規律地建立起來的，絕不是雜亂無序的湊合。產品設計和生產過程是將各種材料、部件由無序轉化為有序的過程，有序性是產品結構的特征之一，是實現功能的特征保證，也是結構得以正確建立的前提。

所有的結構都具有穩定性這一特征，因為只有穩定才能有結構的存在并成為一種實體。產品作為有序性的整體，在材料之間、部件之間的相互關系都處于一種平衡狀態，即使在運動中，如圖1-36所示。在產品的使用過程中，這一平衡態也是保持著的，產品才具有牢固性、安全性、可靠性和可操作性等多方面的功能保障。

二、產品結構的分類

產品的結構一般分為外部結構和內部結構。

1.外部結構

外部結構不僅指外觀造型，還包括與此相關的整體結構，也可稱為外部結構。

外部結構是通過材料的合理選用和結構形式來體現的。一方面，外部結構既是外觀形式的承擔者，同時也是內在功能的傳達者；另一方面，通過外觀整體結構使元器件發揮核心功能，這是工業設計要解決的問題。

一般來說，靜態產品的外部結構不承擔核心功能的結構，即外部結構的轉換不直接影響核心功能。例如電腦、手機（如圖1-37所示），不論款式如何變換，其數據處理、信息傳輸等功能不會改變。

動態產品的外部結構本身就是核心功能承擔者，其結構形式直接與產品效用有關，如圖1-38所示。

2.內部結構

內部結構是指依某項技術原理而形成的具有核心功能的產品結構，往往涉及復雜的技術問題，而且屬于不同的領域和系統，在產品中以各種形式產生功效，或者是功能塊，或者是元器件。如家用空調機的制冷系統是作為一個部件獨立設計生產的，可以看成是一個模塊。通常這種技術性很強的核心功能部件是要進行專業化生產的，生產的廠家或部門專門提供各種型號的系列產品部件，工業設計就是將其部件作為核心結構，并依據其所具有的核心功能進行外觀結構設計，使產品具有一定性能，形成完整功能的產品。

對于產品用戶而言，核心結構是不可見的，人們只能見到輸入和輸出部分，對設計師而言，核心結構往往是一個“暗箱”，但輸出、輸入是明確的。

三、產品結構設計的相關要素

產品的外部結構是產品外觀形式和內部構造相關聯的可知結構，是設計師可以控制的部分，從產品設計到投入使用的整個周期中，外部結構設計出現的相關要素是無法回避的。在產品設計中，結構的相關要素會在設計的不同階段顯現出來，成為產品設計中的著眼點。

1.結構與功能

功能的實現是產品設計的基本要求，結構則是得以實現的前提和保障。不同的功能要求具有相應的結構形式。有時一種結構稍加變通可以給出多種功能，我們稱這種結構為多功能結構。而只有單一功能的結構則稱為單功能結構。

單功能結構可分為固定式與非固定式兩種。如普通的雨傘功能結構單一，使用壽命長；而為了出行方便，人們在固定式雨傘的結構基礎上，研發出非固定式的折疊雨傘，占用空間小，不過剛度和強度較差，易出故障。

多功能結構可分為拆裝式、組合式、調節式3種。拆裝式靈活性強但連接剛度較差；組合式則往往強調多功能化的同時，使結構不盡合理，在剛度、強度和受力條件等方面表現出一定的不足：調節式除剛度較差外，調節范圍也不能設計得過大。

為了擴大使用的靈活性和增加功能范圍，對普通的緊固類工具多設計成可拆裝式的結構，如圖1-39所示為一種常見的換頭螺絲刀套件。

為了擴大使用范圍，增加使用的靈活性，有些多功能結構設計成組合式，如多用圓珠筆、瑞士軍刀、組合家具等。可根據需要隨意組合的坐墊，4個面均有拉鏈設計，可以將坐墊鏈接在一起，組成沙發或床墊，如圖1-40所示。

可調節式的結構形式便于存放和搬運。如圖1-41所示，這個由Steffen Molgaard Larsen設計的旅行箱，可以通過推拉改變箱子容量大小，有兩種模式，可滿足長期或者短途的出行需要。它的把手藏在箱子內部，既可以滿足箱子兩種大小的長度，更是防止拖拉桿過多的磨損，其結構設計也比較緊湊、合理。設計這種多功能產品時，要注意做到結構緊湊，小巧輕便，并具有一定的支撐剛度及強度。

2.結構與形態

在產品的形態設計中，結構的創新是至關重要的，在產品形態所表現出的美感要素中，產品結構形的新穎與獨特性占有十分重要的位置。在現實生活中常常會發現一個具有新穎結構的產品往往能以嶄新的面貌出現在消費者的面前，給人以強大的視覺沖擊力，激起人們購買和使用的欲望。通過對產品結構創新，不僅能改善產品的使用功能，提高工作效率，也創造了一種新穎美觀的視覺效果。

如圖1-42所示，Fleur Ville出品的馬蹄蓮形狀的高腳椅子，完全顛覆傳統，卻異常實用，有專門的使用人群——嬰兒。馬蹄蓮形狀的尼龍座位、安全帶及椅子輪子上的自動剎車裝置，不僅讓嬰兒更接近給他們喂食的人，而且既舒適又安全。

結構除了滿足和達到產品的基本功能外，對改善和擴展產品功能也起到直接作用。例如，椅子當增加了升降結構以后，可根據需要隨意調整高度，增加使用的舒適度；折疊式自行車采用了折疊式的結構后，就可增加使用的靈活性，擴大使用的范圍，使原來的產品功能獲得了擴展和延伸，如圖1-43所示。

3.結構與強度

結構是用來支撐物體或承受載荷的一種構成形式。要使產品具有符合要求的強度，就必須充分考慮材料的力學特性，以合理的結構設計達到強度的最優化。

（1）結構形式與材料強度的關系

不同的結構形式，采用同一種材料，跨度大的強度和剛度都比較低。材料的截面形狀不同，其結構強度也有所不同。通常情況下，實心材料若截面積相同，矩形材料長邊方向的抗彎強度要比圓形材料高；而截面積相同的空心管材要比實心的棒材的抗彎強度高。所以，通常的桁架結構吊車（如圖1-44所示）不用圓鋼制作，通常的自行車架不用實心材料制作。

（2）結構強度與結構穩定的關系

三角形結構是一種最穩定的結構形式，在現實生活中，有許多產品或機械系統都采用了三角形的結構原理，如三腳架就是典型的三角形結構形式（如圖1-45所示）。

（3）結構強度與受力方向的關系

同樣的結構形式，如果改變了力的作用方向，其結構強度與穩定性都會受到影響。例如，折疊桌、椅既能承受較大的壓力，又很容易折疊收起，正是巧妙運用這一原理設計而成，如圖1-46所示。

四、產品的結構形式

就產品的結構而言，常見的有以下幾種。

1.折疊式結構

折疊式結構是一種使用時展開、不用時可以折疊收起的結構。折疊結構一般可重復使用，且折疊后體積小，便于運輸及存儲，在日常生活中應用比較廣泛。常見的產品如雨傘、折扇、折疊桌、折疊床、折疊椅、降落傘、帳篷等，如圖1-47所示。

2.套疊式結構

通過結構設計使產品間產生套疊關系，從而減少產品儲運所占用的空間，多用于容器類產品的結構設計，如杯子、蛋托等，抑或是通過套疊產生新的功能，如圖1-48所示。有些家具在設計時也采用套疊式結構，如圖1-49所示 ，椅子所有的比例都深思熟慮，符合人體工程學，簡約，收納時采用套疊方式。

3.伸縮式結構

通過產品中構件的伸長、縮短與變形改變產品的形態尺寸，達到方便使用、儲運的目的，其主要結構有套管伸縮式、彈性伸縮式、連桿機構式等。如圖1-50所示，這是一款由模擬人類手臂肌肉的平衡彈簧操縱、屈伸自如的臺燈。

4.插接式結構

組成產品的各個構件間通過相互插接的方式接合，具有易裝、易拆、儲運方便的特點，如圖1-51所示。

5.柔性填充式結構

柔性材料如塑料、織物等，柔軟易折，收納體積小，抗拉強度高，氣密性好。使用時通過充入空氣或水使其膨脹堅挺，保持形狀，實現產品功能，不用時排除空氣或水以方便收納的結構型式，如充氣玩具、充氣家具、橡皮艇、水床等。如圖1-52所示，充氣式睡袋大衣面料采用較輕的防水面料制成，充上氣可以在晚上睡覺時使用，白天和正常衣服一樣穿著。