高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

曾耀東

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)高速列車(chē)成為一種高速度、高載能力的現(xiàn)代化軌道交通工具，其外觀(guān)設(shè)計(jì)也成為高速列車(chē)整體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。為了在高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)中把美觀(guān)性和實(shí)用性進(jìn)行有效的結(jié)合，本文針對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和研討，對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)中的造型、色彩、空氣動(dòng)力學(xué)、地域文化等多種因素的影響進(jìn)行了研究分析，通過(guò)對(duì)我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)展進(jìn)行研究分析，對(duì)未來(lái)我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，希望可以為我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高速列車(chē) 外觀(guān)設(shè)計(jì) 研究進(jìn)展 未來(lái) 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

在我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平不斷進(jìn)步和發(fā)展的影響下，我國(guó)高鐵發(fā)展受到了全世界的青睞，高速列車(chē)的外觀(guān)設(shè)計(jì)（車(chē)頭及車(chē)身造型設(shè)計(jì)與整車(chē)涂裝設(shè)計(jì)兩大部分）也在不斷的完善和進(jìn)步， 并且發(fā)生了巨大的改變。在新時(shí)代的今天，隨著人們審美能力的變化，對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的審美要求也在不斷的提升，人們對(duì)高速列車(chē)的美感越來(lái)越重視，但是受到多種因素的影響，高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)也各有不同。雖然現(xiàn)階段，我國(guó)高速列車(chē)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但是仍然還有很大的發(fā)展空間。如何實(shí)現(xiàn)我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)新的飛躍和質(zhì)的變化成為很多研究者們重點(diǎn)研究的課題。而本文就以此為研究對(duì)象，對(duì)我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研討。

2 現(xiàn)階段我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)展

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)車(chē)頭設(shè)計(jì)的影響

空氣動(dòng)力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，其主要是指在空氣以及其他氣體的作用力下對(duì)氣體中正在不斷運(yùn)動(dòng)物體的受力情況、氣體的流動(dòng)規(guī)律、以及相關(guān)的物理化學(xué)變化等方面的研究，是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上融入了航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的一門(mén)學(xué)科。發(fā)展到上個(gè)世紀(jì)，空氣動(dòng)力學(xué)在環(huán)境保護(hù)、能源利用以及交通、運(yùn)輸、氣象、建筑等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并在其發(fā)展過(guò)程中衍生出了工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)等學(xué)科分支。如今在我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，空氣動(dòng)力學(xué)也成了及其重要的參考依據(jù)。

對(duì)于高速列車(chē)，車(chē)頭的造型設(shè)計(jì)非常重要，不光是顏值，更重要的是它內(nèi)含著關(guān)鍵的核心技術(shù)，其中很高的科技含量在此就與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)，因?yàn)閷?duì)于運(yùn)動(dòng)中的高速列車(chē)周身都有各種氣流環(huán)繞。這是一個(gè)主觀(guān)因素必須最大程度滿(mǎn)足客觀(guān)因素的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)要從概念設(shè)計(jì)、仿真分析、模型試驗(yàn)、實(shí)車(chē)試驗(yàn)等不同階段，不斷循環(huán)優(yōu)化而成，目的就是克服列車(chē)周身各種氣流的困繞，使之平穩(wěn)快速。它是集技術(shù)、文化、美學(xué)等諸要素于一體的、交叉的、多目標(biāo)的、綜合的、復(fù)雜的、超大規(guī)模的知識(shí)密集系統(tǒng)集成。而其外觀(guān)流線(xiàn)型車(chē)頭的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)會(huì)影響到列車(chē)在空氣中的阻力，一般長(zhǎng)度越長(zhǎng)，阻力越小，空氣動(dòng)力學(xué)的性能越高。如果在高速列車(chē)的整體長(zhǎng)度一定的情況下，車(chē)頭的造型越是扁寬，空氣阻力越小，越接近圓型，空氣阻力就會(huì)越大。

隨著我國(guó)高速列車(chē)技術(shù)的不斷完善和長(zhǎng)足發(fā)展，車(chē)頭的外觀(guān)設(shè)計(jì)隨著列車(chē)的速度提升在不斷的完善，從開(kāi)始階段的CRH380B型的7.7米增加到了CR400-BF型的10.38米，再到CRH380A的12米。車(chē)頭外觀(guān)設(shè)計(jì)也經(jīng)過(guò)多次改良，現(xiàn)有橢圓型、扁寬型、鈍型、楔型以及梭形等設(shè)計(jì)類(lèi)型。我國(guó)現(xiàn)有幾款仿生車(chē)頭設(shè)計(jì)（如飛龍、金鳳凰、雛鷹、駿馬、小海豹、火箭、青銅劍等）就非常出色，是工業(yè)設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)合的完美體現(xiàn)和典范。

現(xiàn)代高速列車(chē)的成功設(shè)計(jì)是技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了技術(shù)美與功能美的巧妙融合，方圓和凸凹的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)折的流線(xiàn)、門(mén)窗的大小與位置、車(chē)燈的大小與布置等等在比例、尺寸、細(xì)節(jié)諸方面看似平常的形式美，其實(shí)內(nèi)含一種變化、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的秩序之美，簡(jiǎn)單之中包含了高度的科技文化內(nèi)涵。

目前，德、法、日、加、英、意、西等國(guó)設(shè)計(jì)水平還是具有一定的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，很值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。基于安全的技術(shù)性能之后，如何把握列車(chē)功能和造型的完美結(jié)合，如何度量設(shè)計(jì)中的比例尺度、對(duì)比協(xié)調(diào)、節(jié)奏韻律等是今后設(shè)計(jì)過(guò)程中值得研究的課題，這是中國(guó)的現(xiàn)實(shí)及文化之需求，也是世界之需求。力爭(zhēng)把中國(guó)列車(chē)系列設(shè)計(jì)從地域化發(fā)展到國(guó)際化，成為引領(lǐng)時(shí)代的驕者，彰顯中國(guó)科技文化強(qiáng)國(guó)的形象窗口。尋找差異，超越自己，超越世界！

2.2 影響高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的因素

首先，車(chē)體的斷面形狀會(huì)影響到高速列車(chē)外觀(guān)的設(shè)計(jì)。

一般車(chē)體的斷面形狀會(huì)對(duì)列車(chē)外觀(guān)的氣動(dòng)升力、表面的壓力、兩輛列車(chē)交會(huì)時(shí)的壓力波、以及橫向氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響。如下圖1車(chē)體斷面圖中所示，如果當(dāng)R2在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，那么對(duì)橫向力的影響不會(huì)太大;如果R1增大，那么橫向力、傾覆力矩以及升力都會(huì)出現(xiàn)減小的情況;而H對(duì)橫向力的影響并不大，但是在H增加，負(fù)升力會(huì)降低，傾覆力矩就會(huì)增加，所以，H不能太高。R3對(duì)橫向力造成的影響并不大。α和β會(huì)對(duì)橫向力、傾覆力矩以及升力產(chǎn)生一定的影響，所以，在進(jìn)行高速列車(chē)外觀(guān)斷面設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要以鼓形斷面為主，并根據(jù)列車(chē)速度等級(jí)的變化和不同風(fēng)阻系數(shù)情況來(lái)對(duì)斷面進(jìn)行不斷的調(diào)整和完善，讓其更加接近于鼓形斷面。

其次，列車(chē)的長(zhǎng)細(xì)比會(huì)對(duì)外觀(guān)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

長(zhǎng)細(xì)比主要是指車(chē)頭的長(zhǎng)度和橫斷面之間的比，不同速度等級(jí)列車(chē)的定位對(duì)長(zhǎng)細(xì)比的要求也各不相同，列車(chē)車(chē)頭長(zhǎng)細(xì)比值越大，整個(gè)列車(chē)的阻力就越小，列車(chē)交會(huì)時(shí)候的壓力波也會(huì)越小。所以，列車(chē)車(chē)頭設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行線(xiàn)路、橋梁和隧道要求情況、以及運(yùn)行的速度情況等來(lái)對(duì)車(chē)頭的長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行明確。在列車(chē)車(chē)速不斷提高的情況下，列車(chē)的車(chē)頭造型也在逐漸從原來(lái)的短粗型向著扁長(zhǎng)型發(fā)展;但是，也并不是說(shuō)車(chē)頭的長(zhǎng)細(xì)比越大越好，在長(zhǎng)細(xì)比高于臨界值很多的時(shí)候，并不會(huì)對(duì)車(chē)頭的氣動(dòng)阻力產(chǎn)生影響，而車(chē)尾氣動(dòng)阻力就會(huì)隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小。

另外，鼻錐對(duì)列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的影響。

高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素是列車(chē)前端部分的開(kāi)閉機(jī)構(gòu)的鼻錐，鼻錐的造型設(shè)計(jì)會(huì)影響到整個(gè)列車(chē)空氣動(dòng)力的大小;另外也會(huì)受到列車(chē)車(chē)鉤伸縮、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)以及上下左右擺動(dòng)幅度等因素的影響。對(duì)于鼻錐的影響，鼻錐越尖，前段的截面面積的變化率就越小，這樣就會(huì)增加列車(chē)在進(jìn)入隧道口時(shí)的微氣壓波;同時(shí)，鼻錐越尖，前段壓力梯度就會(huì)越小，這樣就會(huì)造成后段壓力梯度的增加，在兩車(chē)交會(huì)的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生不良的影響;在鼻錐比較尖的情況下，說(shuō)明鼻錐前端的迎風(fēng)面比較小，就會(huì)減少氣動(dòng)的阻力;在鼻錐和其下端的排障器起引流共同作用的影響下，會(huì)對(duì)氣動(dòng)升力進(jìn)行補(bǔ)償。

此外，駕駛室的傾角會(huì)對(duì)列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

如果駕駛室的傾角是呈現(xiàn)出圓滑過(guò)渡的，那么就可以減少列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中氣流對(duì)車(chē)體的影響。而在駕駛室傾角進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要重點(diǎn)考慮駕駛?cè)藛T的視野變化，同時(shí)還要滿(mǎn)足于駕駛空間的要求和相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)駕駛室中四季視野、操作臺(tái)、儀表布置、頭等等各項(xiàng)設(shè)備空間校正之后，滿(mǎn)足列車(chē)駕駛室的需求之后，才可以對(duì)駕駛室的傾角進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且還需要根據(jù)駕駛?cè)藛T凈空間和操作性、舒適性進(jìn)行再一次的核對(duì)和校正。

2.3 高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)中涂裝色彩的應(yīng)用

在高速列車(chē)的外觀(guān)設(shè)計(jì)中，其主要的涂裝就是色彩。色彩作為非語(yǔ)言的信息傳遞方式，具有獨(dú)特記憶的視覺(jué)傳達(dá)效果，而每一種色彩都有其獨(dú)特的感官語(yǔ)言，給人以不同的心理感受，運(yùn)用適當(dāng)能起到事半功倍的效果。一般情況在進(jìn)行列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，三維造型是體現(xiàn)設(shè)計(jì)思維的重要方式，而色彩的裝飾性也是非常重要的，怎樣把三維造型和色彩進(jìn)行有效的結(jié)合，也是高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。同時(shí)也要注意到列車(chē)外觀(guān)色彩設(shè)計(jì)時(shí)，不管是線(xiàn)條、色塊還是具象的、抽象的圖案在靜態(tài)或者緩慢移動(dòng)時(shí)視覺(jué)傳達(dá)是清晰直觀(guān)的，而移動(dòng)時(shí)是模糊的條帶狀，這種色彩上的視覺(jué)效果要特別注意，前者應(yīng)該是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

色彩的運(yùn)用首先要考慮本民族文化特色和審美趣味（出口列車(chē)產(chǎn)品更應(yīng)該尊重地域文化特色），其次是人文環(huán)境，再者是自然環(huán)境。滿(mǎn)足列車(chē)整體給乘客、公眾的感官刺激以及心理感受。力爭(zhēng)把科技感、速度感、安全感、美學(xué)感的設(shè)計(jì)原則成熟地運(yùn)用到列車(chē)涂裝設(shè)計(jì)之中，打造具有民族特點(diǎn)和審美趣味的涂裝設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在國(guó)際的高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)中，德、法、日、韓等國(guó)部分色彩較鮮明、大膽，個(gè)性較突出;而我國(guó)現(xiàn)在在設(shè)計(jì)上個(gè)性不足，體系化不明顯，應(yīng)該大膽運(yùn)用中國(guó)元素，彰顯中國(guó)文化特色。如儒家文化、道家文化等等都大可一試，可嘗試單體車(chē)飾整體化（內(nèi)外），一種或多種車(chē)型做整體車(chē)系或局部車(chē)系車(chē)飾系統(tǒng)化涂裝。只有民族性的設(shè)計(jì)才具有世界性，總之要打造具有中國(guó)特色的國(guó)際列車(chē)品牌文化。

外觀(guān)色彩的應(yīng)用不僅可以體現(xiàn)造型的獨(dú)特性，同時(shí)還可以體現(xiàn)民族文化和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的有效融合。

當(dāng)然，內(nèi)飾設(shè)計(jì)也很重要，因?yàn)槌丝褪巧碇闷渲校庇^(guān)上享受精神和物質(zhì)層面的感覺(jué)。我國(guó)現(xiàn)有車(chē)內(nèi)涂裝軟硬件檔次有待提升，內(nèi)飾色彩上、個(gè)性差異化上、文化特色上不明顯，同時(shí)座椅、行李架、燈光等等的舒適度、使用上還有待改善，音樂(lè)、可視媒體、裝飾物等等營(yíng)造文化氛圍的功能（單一性和整體性）有待加強(qiáng)。以人為本，努力創(chuàng)造舒適、親切、愉悅的列車(chē)家園。

高速列車(chē)涂裝設(shè)計(jì)是一個(gè)全新的現(xiàn)代感性設(shè)計(jì)，承載著深厚的民族文化內(nèi)涵和更高的審美情趣。所以，在高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，合理利用涂裝設(shè)計(jì)的巧妙變化，可以讓我國(guó)高速列車(chē)很好的體現(xiàn)我國(guó)獨(dú)特的民族精神和文化內(nèi)涵。

3 高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 信息化技術(shù)對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的影響

隨著我國(guó)信息化技術(shù)水平的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)中，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造行業(yè)中的應(yīng)用水平不斷完善和發(fā)展，數(shù)據(jù)的傳輸、搜集以及大數(shù)據(jù)技術(shù)在生產(chǎn)制造行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)得到普及，讓傳統(tǒng)生產(chǎn)制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)了顛覆性的重構(gòu)。在這樣的情況下，我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)也將面對(duì)新的挑戰(zhàn)，信息化技術(shù)的應(yīng)用讓外觀(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)研究分析更加精確，為外觀(guān)設(shè)計(jì)提供了更加精準(zhǔn)的保障。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的影響

在高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)高速列車(chē)的外觀(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)列車(chē)裝配、拆卸、外觀(guān)、內(nèi)飾等多方面的模擬來(lái)更好的對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和試驗(yàn)檢測(cè)，尋找出更加合適的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而提高外觀(guān)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、美觀(guān)性和實(shí)用性。

3.3 未來(lái)科學(xué)技術(shù)對(duì)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的影響

未來(lái)科技的創(chuàng)新和高度發(fā)達(dá)，讓世界變化日新月異，高速列車(chē)的外觀(guān)設(shè)計(jì)也是一樣，可能會(huì)超乎人們的想象。如新型動(dòng)力、超級(jí)材料、超智能技術(shù)、超級(jí)工藝、超級(jí)仿生學(xué)等等的變化發(fā)展，都可能影響其設(shè)計(jì)——車(chē)頭及整體車(chē)身的造型、駕駛室的空間設(shè)計(jì)、人機(jī)界面系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、車(chē)內(nèi)整體設(shè)計(jì)以及桌椅造型等個(gè)體的細(xì)化等等，到那時(shí)完全是一種造型新穎、高速快捷、舒適安全、節(jié)能環(huán)保、大客流、全天候的新型運(yùn)輸載體。

4 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)高速列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的影響，如空氣動(dòng)力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)、地域文化等等，另外還需要對(duì)列車(chē)外觀(guān)設(shè)計(jì)的前瞻性和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行多重的考慮，設(shè)計(jì)出具有中國(guó)符號(hào)的功能美與形式美有機(jī)結(jié)合的品牌文化列車(chē)，只有這樣才可以推動(dòng)我國(guó)高速列車(chē)的快速發(fā)展，讓我國(guó)高速列車(chē)在世界高速列車(chē)中占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)和地位，從而塑造出領(lǐng)先的、標(biāo)準(zhǔn)化的國(guó)際品牌和適應(yīng)新時(shí)代的全新技術(shù)列車(chē)，領(lǐng)跑世界。

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