TRIZ 功能分析在解決屋面發泡聚氨酯保溫層硬化空鼓問題中的應用

易嘉

（上海朗詩規劃建筑設計有限公司，上海 200092）

TRIZ 理論按照創新的流程分為問題識別、問題解決和概念驗證3 大板塊[2]，其中問題識別板塊包括創新標桿分析、功能分析、流分析、因果鏈分析、進化趨勢分析、關鍵問題分析等工具和方法，通過識別系統或超系統的功能、特點、各組件之間的相互作用，評估各組件執行功能的性能，形成功能模型圖，從各原因中找到可能存在的矛盾[3]，進而解決問題。

1 工程概況和技術矛盾

該項目的屋面保溫采用90 mm 厚的現場發泡聚氨酯，硬化成型后出現局部空鼓、邊緣上翹情況嚴重的現象。施工現場如圖1 所示。

圖1 屋面發泡聚氨酯保溫層空鼓翹曲

屋面主要構造及做法包括：①（最上層）40 mm厚C20 細石混凝土（內配Φ6@150 mm 雙向）隨打隨抹，設間距小于等于3 m 分格，分縫處鋼筋斷開，縫寬12 mm，嵌密封膠，在女兒墻與交接處留縫（寬30 mm），嵌密封膠；②噴涂90 mm 厚B1 級發泡聚氨酯保溫層；③無紡布隔離層；④3.0 mm+2.0 mm 厚防水卷材（SBS）；⑤20 mm 厚1∶3 水泥砂漿找平，設間距小于等于6 m 分格縫，縫寬25 mm，嵌聚苯乙烯泡沫條，密封膏填縫；⑥最薄50 mm 厚泡沫混凝土找坡層（找坡3%，抗壓強度不小于3 MPa）；⑦（最下層）鋼筋混凝土屋面板，清理剔平，1∶2 水泥砂漿修補凹處。

2 TRIZ 功能分析

TRIZ 功能分析包含組件分析、相互作用分析和功能建模3 個步驟[4]，最后在功能模型圖中獲取問題可能的解決方案。針對該工程問題，逐步剖析如下。

2.1 組件分析：區分系統組件和超系統組件

組件是指工程系統或超系統的某一組成對象，該對象可以是擁有靜止質量的對象（如桌子、飛機等）或無靜止質量的場（如引力場、機械場、化學場、熱場、聲場、電場、磁場等）。本工程問題中，選取包含各構造層次的屋面作為待研究的系統組件，與屋面可能存在相互作用的外部環境對象作為超系統組件。其中，多次使用的同一種材料不論其厚度是否相同，均視作同一種組件；同時，為使分析更具有通用性，忽略各構造層次的厚度參數，如圖2 所示。

圖2 保溫屋面系統組件分析

2.2 相互作用分析：分析各組件之間的相互作用

相互作用分析輸出的是一個相互作用矩陣，該矩陣將系統組件和超系統組件分別羅列于行和列且順序完全相同。在矩陣每2 個組件的行、列交點的單元格中判別2 個組件是否有“接觸”，如果有，則標記為“+”；如果沒有，則標記為“-”。不斷重復操作，直至將整個矩陣表填滿，對角線的單元格為空，表示物體不會與自身相互作用。

需注意以下幾點：①相互作用是2 個組件之間直接的相互作用，不能是隔了1 個或多個組件“隔山打牛”似的傳遞作用；②有的組件之間是通過“場”來相互作用的，不能忽略，如手放在裝有熱水的水杯附近，會感覺到熱，是因為水杯和手之間通過熱力場進行相互作用；③相互作用矩陣在原理上應是對稱矩陣，但為了增加分析的可靠性，暫時忽略對稱性，先對每2個組件進行逐一分析，最后再復核是否對稱。

對于本工程，共有11 個組件，將生成1 個11×11的相互作用矩陣，如表1 所示，整個矩陣是對稱陣。

表1 保溫屋面工程系統的相互作用分析

2.3 功能建模：找出系統可能存在的缺陷

功能是指一個組件改變或保持另外一個組件某個參數的行為，一般是有限的若干個“動詞”或“謂詞”，如支撐、分解、去除、反射、加熱、冷卻等共30 個左右。定義2 個組件之間的功能時需要遵循非負面、非陳述性、盡可能具體、因果關系等原則，采用“主+謂+賓”的描述方式，如描述一杯咖啡這個簡單系統的杯子對咖啡的功能為“杯子支撐咖啡”。

2 個組件之間存在功能的前提條件有3 個：功能載體和對象都是組件（物質或場）、功能載體和對象之間存在相互作用和功能對象的參數由于相互作用發生了改變（或保持不變）。僅有相互作用不代表一定有功能，但是如果有功能，則一定有相互作用。

功能建模通過描述工程系統和超系統組件的不同性質的功能，包括正常的功能、不足的功能、過量的功能、有害的功能4 種，來剖析各組件之間存在的影響，呈現出潛在的解決問題的方法。

在保溫層空鼓翹曲問題中，“②發泡聚氨酯保溫層”與“①細石砼保護層”“③無紡布隔離層”“（c）機械場”“（d）化學場”存在直接相互作用，用TRIZ功能語言描述分別是：“（a）室外空氣”固化“①細石砼保護層”，屬于正常功能；“②發泡聚氨酯保溫層”支撐“①細石砼保護層”，屬于正常功能；“①細石砼保護層”壓縮“②發泡聚氨酯保溫層”，屬于正常功能；“③無紡布隔離層”支撐“②發泡聚氨酯保溫層”，屬于不足功能；“（c）機械場”壓縮“②發泡聚氨酯保溫層”，屬于正常功能；“（d）化學場”拉伸“②發泡聚氨酯保溫層”，屬于有害功能；“（d）化學場”拉伸“③無紡布隔離層”，屬于過量功能。

功能模型圖如圖3 所示。

圖3 屋面保溫系統的功能模型圖

通過上述功能建模，可以發現3 處主要的系統缺陷：“（d）化學場”破壞性地拉伸了“②發泡聚氨酯保溫層”，“（d）化學場”過度拉伸了“③無紡布隔離層”，“③無紡布隔離層”不能很好地支撐“②發泡聚氨酯保溫層”。因此，要設法消除“②發泡聚氨酯保溫層”和“③無紡布隔離層”之間的化學場。

3 采用矛盾矩陣表獲取解決方案

“矛盾矩陣表”是阿奇舒勒在進行大量專利分析的基礎上，將構成技術矛盾的絕大部分參數歸納為39個物理參數，該39 個物理參數分別作為改善的參數和惡化的參數，形成一個行×列=39×39 的方陣，稱之為“矛盾矩陣”[5]，該矩陣的每個單元格列舉出能解決該對矛盾的40 條發明原理中的若干個，如分割、局部質量、預先反作用等，作為概念方案，最后由工程師根據概念方案設計出工程上可以實施的技術方案。

3.1 分析技術系統和描述最終理想解（IFR）

本工程問題中，因為無紡布隔離層偏軟，現場發泡聚氨酯硬化后拉扯下部的無紡布隔離層，導致局部聚氨酯局部空鼓和卷曲。如果直接將聚氨酯噴涂在防水卷材上，又會收縮拉壞卷材。

如果噴涂聚氨酯在剛性結構層上，則不會出現空鼓現象。此處出現了1 處物理矛盾，隔離層（或是聚氨酯與基層之間）既要硬（防止空鼓）又要軟（防止拉壞基層）。

本工程問題最終理想解（IFR）為：設法使發泡聚氨酯硬化收縮后相對平整，不致拉壞下部隔離層和空鼓。

3.2 定義工程參數并查矛盾矩陣表獲得解決方案

通過初步判斷，擬選用的工程參數及相應潛在的工程解決方案如表2 所示。

表2 矛盾矩陣表和工程技術方案

4 結束語

按照上文的分析，本工程最終采用的解決方案為：在無紡布隔離層上澆筑40 mm 厚的素混凝土隨打隨抹，女兒墻根部和出屋面管井根部需用20 mm 厚的低標號水泥砂漿上翻200 mm，避免發泡聚氨酯直接與無紡布隔離層及防水卷材接觸，素混凝土能夠很好地保護其下方的無紡布隔離層，并且固結后能夠承受發泡聚氨酯的收縮應力，不會產生變形，很好地解決了屋面發泡聚氨酯保溫層硬化空鼓的問題。