基于功能分析法的小型消防車設(shè)計(jì)

（重慶工商大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，重慶 400067）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)性車間、廠房越來越多，其發(fā)生火災(zāi)時(shí)的情況較為復(fù)雜，滅火工作的危險(xiǎn)性越來越高。據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，我國消防員目前面臨的危險(xiǎn)前所未有，犧牲、受傷、致殘人數(shù)逐年上升，消防員已成為高危行業(yè)[1]。在此背景下，有必要進(jìn)行用于車間廠房滅火搶險(xiǎn)的小型消防車創(chuàng)新設(shè)計(jì)，盡量減少消防員進(jìn)入火場(chǎng)的次數(shù)，并提高滅火效率。

1 基于功能分析法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程

功能分析法由瑞士天文學(xué)家F.茨維克提出，又稱“功能矩陣法”或“棋盤格法”[2,3]，其基本原理是按照系統(tǒng)論的思維方式（認(rèn)為產(chǎn)品是由一系列實(shí)現(xiàn)特定功能的零部件構(gòu)成的技術(shù)-物理系統(tǒng)），把產(chǎn)品必需具備的問題解決能力（總功能）分解為相互獨(dú)立的構(gòu)成要素（子功能/功能元），然后針對(duì)每個(gè)獨(dú)立的要素提出不同的解決方案，再用圖解法將這些解決方案進(jìn)行排列組合，進(jìn)而從眾多的組合方案中尋求最優(yōu)解，即為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的最佳設(shè)計(jì)方案。由于在該方法中對(duì)產(chǎn)品的分析以“功能”或“子功能”的形式進(jìn)行，而不考慮諸如造型、材料、尺寸等產(chǎn)品實(shí)物特性，因此可以在較為抽象的層面上對(duì)產(chǎn)品概念進(jìn)行充分的分析，易于激發(fā)設(shè)計(jì)創(chuàng)意，并避免了直接采用所產(chǎn)生的第一個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意（……prevents you from “jumping to solutions”, ……elaborating on the first idea that comes to mind[4]）或受限于現(xiàn)有產(chǎn)品的局限。同時(shí)，因?yàn)椴煌呐帕薪M合能產(chǎn)生眾多可能的產(chǎn)品方案，所以功能分析法通常應(yīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段[5]。

圖1描述了基于功能分析法的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)程序與方法，其中實(shí)線矩形框表示設(shè)計(jì)程序的不同階段，虛線矩形框則為該階段常用的設(shè)計(jì)分析方法。通過需求分析明確產(chǎn)品的功能定位，并從較為抽象的層面定義產(chǎn)品的總功能：“功能”是對(duì)產(chǎn)品所應(yīng)具備的功用的抽象表達(dá)，通常用“動(dòng)詞+名詞”的形式進(jìn)行描述，比如消防車的功能是“滅火”；此階段常用的方法是“黑箱”法：特定的輸入經(jīng)由黑箱后轉(zhuǎn)化為特定的輸出。明確產(chǎn)品的總功能后即對(duì)其進(jìn)行分解，并對(duì)各子功能進(jìn)行列表，此階段常用的分析方法是“功能結(jié)構(gòu)圖”；隨后列舉各子功能可能的解決辦法，此階段常用的方法是“棋盤格”法。對(duì)各子功能可能的解決辦法進(jìn)行組合即可得到不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行比較分析后可選定最后的設(shè)計(jì)定案，最后對(duì)各功能部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并確定最終的產(chǎn)品方案。

圖1 基于功能分析法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與方法

該程序與方法在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)注意：1）在“功能分解”與“子功能求解”階段，通過對(duì)各子功能的分析可能會(huì)產(chǎn)生某些附加的新功能，也可能會(huì)將某些類似的功能進(jìn)行合并或刪除，可能的操作包括：增加、拆分、合并、刪除等；2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往是一個(gè)反復(fù)迭代、漸進(jìn)式創(chuàng)新的過程，該設(shè)計(jì)程序也是如此，在產(chǎn)生最終設(shè)計(jì)方案之前需要反復(fù)與需求分析進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)對(duì)產(chǎn)品子功能及相應(yīng)的解決辦法進(jìn)行修改（圖1中的虛線箭頭）；3）在某些情況下，由于產(chǎn)品的功能過于復(fù)雜，很難為其定義唯一的一個(gè)總功能，此時(shí)可以跳過圖1中的“總功能定義”階段，直接由需求分析的結(jié)果進(jìn)行子功能列表。

2 小型消防車需求分析與產(chǎn)品概念

傳統(tǒng)的水罐消防車、泡沫消防車、云梯消防車等在撲救高樓火災(zāi)中發(fā)揮了重要作用，但生產(chǎn)性車間或倉庫的特殊性表現(xiàn)為空間大且多為密閉或半密閉，窗戶往往非常小，內(nèi)部設(shè)備或貨物極多且易燃易爆物多，燃燒時(shí)煙霧多，而且內(nèi)部交通狀況復(fù)雜，同時(shí)屋頂?shù)姆浪胧┖芎茫仍畷r(shí)需要消防員對(duì)其屋頂破拆后才能開始滅火，因此普通消防車并不能很好地適應(yīng)此類滅火工作的需要。此外，由于廠房和倉庫的金屬框架結(jié)構(gòu)在火場(chǎng)的高溫下容易變軟、甚至坍塌，所以工廠和倉庫火災(zāi)往往會(huì)造成較大的集體傷害。

新的滅火救援形勢(shì)需要新的消防車輛，上述火場(chǎng)環(huán)境特殊性與對(duì)應(yīng)的消防車設(shè)計(jì)需求可總結(jié)為以下五點(diǎn)：1）屋頂不易破拆——為避免普通消防車不能對(duì)廠房?jī)?nèi)部火源進(jìn)行直接撲滅的缺陷，要求新消防車具有小型化的特點(diǎn)，以便直接駛?cè)肫鸹鸬能囬g、廠房?jī)?nèi)部，并能自由轉(zhuǎn)向；2）貨物、設(shè)備多——新消防車應(yīng)具有較好的通過能力，能夠爬樓梯；3）低可見度——具有探測(cè)與成像功能，并克服濃煙帶來的困難，使火場(chǎng)外的消防員能對(duì)其進(jìn)行控制；4）缺氧環(huán)境——其動(dòng)力裝置必須少需氧或不需氧，故一般的內(nèi)燃機(jī)不可用；5）爆炸與坍塌——新消防車結(jié)構(gòu)的耐沖擊性。總體而言，該小型消防車應(yīng)能替代消防員進(jìn)入密閉的火場(chǎng)進(jìn)行滅火救援，具有較好的通過性與可視性，并具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

根據(jù)以上分析，對(duì)該新型消防車的總功能定義為圖2所示。該功能黑箱的輸入為滅火介質(zhì)與消防員發(fā)出的指令（控制信號(hào)），輸出為朝特定方向噴射的滅火介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)“滅火”的總功能。在特殊的火場(chǎng)環(huán)境中，黑箱內(nèi)部即為滿足上述設(shè)計(jì)需求的各功能部件。

3 功能分解與設(shè)計(jì)求解

圖2 小型消防車的總功能定義

從較為抽象的層面上確定了新產(chǎn)品的總功能之后，需要圍繞具體的用戶或環(huán)境需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際情況從物理/技術(shù)的層面對(duì)該總功能進(jìn)行分解，并逐一提出相應(yīng)的解決方案。依據(jù)現(xiàn)有消防車的構(gòu)成零部件系統(tǒng)實(shí)際情況，將小型消防車的總功能分解為如圖3所示的功能結(jié)構(gòu)，其中功能元是對(duì)子功能的進(jìn)一步細(xì)分，可以選擇相應(yīng)的技術(shù)、方法、零部件加以實(shí)現(xiàn)。

圖3 小型消防車功能結(jié)構(gòu)圖

表1針對(duì)動(dòng)力來源、行走方式、信息反饋方式、滅火介質(zhì)、儲(chǔ)存方式和噴射方式等六個(gè)功能元，分別提出了可能的解決方案。將各功能元的不同解決方案進(jìn)行排列組合，可提供多種可能的產(chǎn)品方案，如本例中共有3072種可能的消防車設(shè)計(jì)方案。由于小型消防車工作環(huán)境的特殊性，本設(shè)計(jì)選擇的功能元解決方案組合為“電動(dòng)機(jī)-履帶-紫外攝像-水-無水箱（引導(dǎo)水）-水槍”，而這些方面也是下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品方案

在明確了小型消防車的需求、功能與概念設(shè)計(jì)定位之后，需要用對(duì)其外觀造型及關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終生成產(chǎn)品概念效果圖，用圖解化的方式對(duì)其進(jìn)行表達(dá)。

1）造型、尺寸與動(dòng)力來源設(shè)計(jì)

為滿足小型化的要求，設(shè)計(jì)該消防車在水槍收起的狀態(tài)下尺寸為1120×1750×900（mm），如圖4所示，使得該消防車可以順利通過一般的消防通道和工廠、倉庫大門，并可以在通道內(nèi)自由轉(zhuǎn)向。

表1 小型消防車的功能求解分析（“棋盤格”分析）

圖4 小型消防車尺寸圖

小型化的體積也使該消防車可以利用改裝后的大型消防車進(jìn)行運(yùn)輸，而運(yùn)輸車同時(shí)還可以對(duì)其進(jìn)行充電，并在沒有消防栓的地區(qū)充當(dāng)專業(yè)供水車使用，如圖5所示。車體前部迎火部分為傾斜的耐火合金鋼，比直面更耐沖擊，優(yōu)良的材料可以抵擋一般的碰撞而不被損壞。車體前部發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)倉內(nèi)安裝兩部電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)履帶，通過電流即可調(diào)節(jié)其速度和轉(zhuǎn)向，并安裝多部蓄電池，滿足5小時(shí)以上工作使用。車體前部設(shè)計(jì)水循環(huán)空調(diào)蒸發(fā)散熱系統(tǒng)，保持整車的倉內(nèi)溫度不超過100度，后部及履帶保護(hù)隔板為石棉纖維隔熱材料。此外，當(dāng)整車車體溫度過熱時(shí)，水槍可對(duì)全車進(jìn)行噴淋降溫。

圖5 小型消防車外觀造型與運(yùn)輸

2）行走履帶設(shè)計(jì)

建筑標(biāo)準(zhǔn)《商店建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ48-88）中規(guī)定，室內(nèi)樓梯的每梯段凈寬不應(yīng)小于1.40m，踏步高度不應(yīng)大于0.16m，踏步寬度不應(yīng)小于0.28m；室外臺(tái)階的踏步高度不應(yīng)大于0.15m，踏步寬度不應(yīng)小于0.30m[6]。可見，為保證良好的通過性，消防車行走履帶前端應(yīng)設(shè)計(jì)滿足攀爬臺(tái)階需要的輔助輪，其與水平行走輪之間的垂直高度應(yīng)大于等于0.16m，如圖6所示。

圖6 小型消防車行走履帶設(shè)計(jì)

3）成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7所示，強(qiáng)化防爆玻璃罩內(nèi)裝兩個(gè)攝像頭，一個(gè)為可見光高清攝像頭，另一個(gè)為紫外線成像儀，紫外線成像圖像如圖7右圖所示。玻璃罩外的黃色部分為可360度轉(zhuǎn)動(dòng)的刷子，用于清除玻璃罩上的灰塵。

圖7 小型消防車成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4）水管收放系統(tǒng)與水槍設(shè)計(jì)

由于小型化的要求，該消防車不宜設(shè)計(jì)內(nèi)置水箱，因此將通常用于放置水箱的部位用來存放水管，從而借助外部消防栓進(jìn)行滅火。但如果消防車在行走過程拖著過長(zhǎng)的水管，則會(huì)降低其速度，同時(shí)水管在拖動(dòng)過程中也容易被卡住或損壞。因此設(shè)計(jì)水管收放系統(tǒng)如圖8所示，可根據(jù)行駛距離遠(yuǎn)近控制水管長(zhǎng)度，水管的材質(zhì)為半硬式金屬絲內(nèi)襯塑料管，提高其耐磨及耐高溫性能。水管直徑50mm，長(zhǎng)度為100m，并通過轉(zhuǎn)軸輪盤與增壓裝置相連，以便噴射高壓水進(jìn)行滅火。在實(shí)際的應(yīng)用中可根據(jù)需要在端頭外接水管，并與大型消防車或消防栓相連。水槍采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)（圖8），可在平面上180度旋轉(zhuǎn)，并可以在一定角度內(nèi)上下調(diào)節(jié)，保證高壓水能噴向任何著火點(diǎn)。

圖8 小型消防車水管收放系統(tǒng)與水槍設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

通過對(duì)目前我國消防救火的實(shí)際需求出發(fā)，找到設(shè)計(jì)突破口，提出了小型消防車的概念；按照“需求分析→總功能定義→功能分解→子功能/功能元求解→造型設(shè)計(jì)→詳細(xì)設(shè)計(jì)”的程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)踐工作。應(yīng)用功能分析法對(duì)小型消防車的功能原理進(jìn)行了分解，針對(duì)外觀造型、行走履帶系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、水管收放系統(tǒng)、水槍系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)產(chǎn)品尺寸、功能設(shè)置、機(jī)械結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品概念，滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了本文所提出的基于功能分析法的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)程序與方法的有效性。結(jié)果表明，對(duì)于概念明確、功能確定的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)而言，功能分析法是一種行之有效的方法，并可推廣應(yīng)用；在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，并善于查找相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)有據(jù)可依。

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