基于提升安全體驗的窨井蓋優化設計

任為為　王祺

摘要：本文通過文獻調研、實地調查、對比分析等方法獲得現有窨井蓋使用過程中的痛點，轉化為設計需求，遵循安全性、人性化、環保性等原則設計一款窨井蓋，使用3D打印機進行實物模型制作，最后使用專家評價法進行主觀安全性評估。從提高窨井蓋的安全性角度出發，在色彩搭配、造型設計、功能設計、結構設計、材料選用等多方面進行優化設計，結果表明優化后的窨井蓋較現有的窨井蓋安全性有較大提升，達到了提升窨井蓋的安全體驗的目的。

關鍵詞：窨井蓋;安全;優化設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0062-02

在城市的地面上，有大量的各種各樣的窨井蓋。近年來，因為窨井蓋導致的安全問題頻發，各種問題不斷涌現，大多數窨井蓋只是起到“遮羞布”的作用，沒有注重安全性，更談不上美觀。窨井蓋的合理設計，關系到人們的生命財產安全，因此，有必要對現有窨井蓋進行優化設計，以提高人們的出行體驗。

1窨井蓋的設計現狀分析

1）造型分析。市面上窨井蓋可分為圓形和方形。圓形井蓋承載級別更高，能較好地防噪音，易于滾動運輸、方便加工。圓形井蓋不會掉到窨井口里去，與人的體型較符，無尖角，便于工程人員進出，不易使人受傷。方形井蓋面積比較大，井蓋下的作業空間比較充足。方形井蓋有棱角，易劃傷人，不夠美觀。在車輛經過時會發出噪音，易產生移位，窨井蓋有墜入窨井口的危險，易引發事故。

2）色彩與表面裝飾分析。市面上的窨井蓋的顏色為材料色，常見的幾種顏色為灰色、黑色、綠色。窨井蓋表面裝飾多是一些簡單常規的集合圖案，如十字形、圓形。一些發達國家的窨井蓋表面則豐富多彩，有的加入地域文化元素，使窨井蓋與城市實現完美結合。

3）功能分析。窨井蓋基礎功能是遮蔽，為維護地下管線而預留的，方便工程人員出入的孔洞。國內的大部分窨井蓋只體現了基礎功能。在一些發達國家，每個窨井蓋上都會顯著地標明字樣，甚至有地標指引圖示，有的則是加入地域文化元素，起到美化城市環境的作用，做到了一職多能。

4）結構分析。從結構上來看，一般分為單層和雙層。單層窨井蓋是最常見的窨井蓋，一般會在表面開兩個小孔，雨水可通過表面的小孔流進窨井蓋下面。雙層窨井蓋一般運用到帶有精密儀表的窨井蓋上。

5）材料分析。現有市面上的窨井蓋材料主要為球墨鑄鐵、再生樹脂復合材料、聚合物基復合材料、鋼纖維混泥土等，具體分析如表1。

2窨井蓋設計現存的問題

通過以上的實地調查及文獻資料研究，發現現有的窨井蓋主要存在以下方面的問題。（1）安全問題：因窨井蓋被盜竊或損壞等原因導致窨井蓋缺失，導致人員墜落窨井時有發生，對人們的生命財產造成極大地威脅;（2）視覺效果不佳：城市窨井蓋外觀千篇一律，沒有融入與所處的環境，進行很好地融合，窨井蓋就像城市環境中的“創口貼”一樣，視覺效果不佳;（3）窨井蓋智能化程度不夠，窨井蓋出現問題時不能及時發現和反饋，功能單一。

3基于安全性和視覺體驗提升的窨井蓋優化設計

3.1設計原則

新型窨井蓋設計目的是提高其在整個生命周期內的安全性，減少對人們的生命財產安全的威脅，提出按照以下原則進行優化設計。

1）安全性原則。窨井蓋要確保在其使用過程中的安全性，井蓋的丟失可能會造成嚴重后果。窨井蓋要防爆炸、防破壞、防被盜、防被雨水沖走，還要在即使丟失之后也要保證安全。

2）人性化原則。窨井蓋是民生工程，面對城市過往的行人車輛，要在設計時充分考慮窨井蓋與行人的關系。設計的人性化是本次窨井蓋設計的大前提。

3）環保原則。窨井蓋在材料的使用上盡量要選擇可再生材料，材料要做到抗腐蝕、抗壓、耐疲勞，保證使用壽命。同時，可以采用模塊化設計，設計不同區域可以更換的窨井蓋，也是保證綠色環保。

4）功能性原則。在設計中加入之前窨井蓋沒有的一些功能，例如，自動感受水壓打開排水口。窨井蓋是要讓井蓋實現不僅可以排水，還能給人們提供附加功能，充分體現功能性。

5）美觀性原則。窨井蓋要在造型上有所突破，不拘泥于傳統風格、造型及色彩，充分考慮與所處環境的融合，彰顯城市文化與特色。

3.2設計需求分析

通過對現有窨井蓋的解構，及前期的現狀研究，結合觀察法、實地調研及文獻研究等途徑，獲得了窨井蓋生命周期中的有關痛點，在分析整理的基礎之上，總結了窨井蓋的痛點見表，并對痛點提出相應的優化辦法，如表2。

3.3優化設計方案

基于以上設計需求分析并根據提出的優化設計方向，得到窨井蓋優化設計的關鍵目標：提升窨井蓋在全生命周期中的主動與被動安全性。設計了多款方案，并最終選定一個方案展開詳細設計，最終方案爆炸圖如圖1。

1）材料選擇。一是菱鎂材質強度高，抗壓、抗彎及有韌性，使用壽命長;二是菱鎂材質外觀美，菱鎂井蓋自帶精細的花紋，且可以自行調顏色，可基于窨井蓋所處的地方文化特色進行藝術創造與再創造，與城市環境進行完美地結合;三是質量輕，方便施工人員安裝和維修;四是菱鎂井蓋主要原材料是水泥，無回收價值，減少窨井蓋被盜的可能;五是菱鎂井蓋能在各種環境下正常使用，適用范圍廣。故選擇菱鎂材質作為本款窨井蓋的材料。

2）結構設計。借鑒旋轉式杯口，采用雙層旋轉結構（如圖1），每一層分別有一個鏤空的水口，在平時不下雨時，上下兩個開口錯開，避免了東西落入窨井內，在下雨時，當感應到水壓時會自動旋轉至上下兩個口子重合，雨水就會順著口子流入窨井內。在井蓋的底部設計一圈橡膠，使窨井蓋與底座貼合，防止移位。同時橡膠有很好的緩沖和彈性性能，能有效避免井蓋跳動產生噪音，從而提高窨井蓋的安全性。

3）外觀設計。在造型上，選擇使用圓形，避免窨井蓋掉入井內。在色彩選擇上使用與瀝青路面顏色較接近的黑色，使得窨井蓋城市環境能較好地融合。

4）功能設計。在該窨井蓋中加入了電子傳感器，當井蓋移位、丟失或破損時，電子傳感器能及時將相關信息發送給管理部門前來處理。在窨井的邊緣增加了反光警示條（如圖2），如井蓋被挪走，此時下部的反光警示條會露出，無論白天黑夜都能起到警示作用。此外，在窨井還裝有防墜網，即使井蓋缺失，人踩進井里也不會掉下去，保證行人的安全。

現在國內窨井蓋普遍存在開蓋費勁的問題，在本窨井蓋方案中設計了便攜式拆解器，使得維修人員能輕松地將窨井蓋打開。

4窨井蓋優化設計的主觀評價

4.1優化設計模型的制作

使用Rhino軟件建模并導出為STL格式數據，然后使用Materialise Magics20對STL格式數據進行修復、建立支撐及切片，最后使用3D打印機對切片數據進行打印，打印成型如圖3。

4.2評價過程及結果

基于3D打印成型的模型，利用對比法，選取國內常見的一款窨井蓋與本設計方案的窨井蓋，采用專家訪談法邀請某市窨井蓋制造廠家經理、多名維修人員及市民，對窨井蓋進行材料、結構、外形、功能設置四個方面進行主觀安全評價。根據專家評價結果表明，該優化方案在材料、結構、外形、功能設置四個方面均優于現有的窨井蓋。

5結語

一款設計良好窨井蓋關乎人們的安全出行，對城市建設意義重大。此文通過對現有窨井蓋的洞察，分析了現有窨井蓋在造型、色彩及表面裝飾、結構、功能、材料等方面的優缺點，并根據安全性、人性化、環保性、功能性、美觀性等原則，對現有窨井蓋在材料選擇、結構設計、外觀設計、功能設置等多方面進行優化設計，較大程度提升了窨井蓋的安全性，提高了人車經過窨井蓋時的體驗。