峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計(jì)中的TRIZ理論應(yīng)用評(píng)析

0 前言

展望當(dāng)代水利工程，“同質(zhì)化”的傳統(tǒng)水利正在逐步向新型水利過度，水利工程不再唯防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等純工程目標(biāo)開發(fā)建設(shè)，而是需要兼顧美學(xué)、景觀、生態(tài)等要求建設(shè)。峽江水利樞紐工程是以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼有灌溉、供水等綜合利用的水利工程，也是目前我省投資最大的水利工程，更是鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重點(diǎn)水利工程之一。

水利工程離不開建筑，而建筑的發(fā)展從來就離不開“技術(shù)”與“藝術(shù)”的統(tǒng)一。峽江攔河大壩的建筑設(shè)計(jì)兼顧了美觀新穎、突破傳統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)，一座包含多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的建筑作品隨著工程施工進(jìn)程正逐漸在贛江江面上誕生。

如何創(chuàng)新？王大珩、劉東生、葉篤正3位老科學(xué)家提出：“自主創(chuàng)新，方法先行，創(chuàng)新方法是自主創(chuàng)新的根本之源”。創(chuàng)新方法很多，對(duì)創(chuàng)新成果都應(yīng)用了哪些創(chuàng)新方法，有必要?dú)w納總結(jié)，以便提高創(chuàng)新效率。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論是由蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒在研究了世界各國(guó)250萬份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，提出的一套完整的發(fā)明問題解決理論?？偨Y(jié)了發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)創(chuàng)新矛盾過程中的方法和原理，形成一套具有辯證思想的理論體系，并揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解[1]。本文試圖運(yùn)用TRIZ理論對(duì)峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)加以述評(píng)，以促進(jìn)TRIZ理論在水利工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的應(yīng)用。

1.1 理想解

理想解是指一個(gè)解決方案能帶來各種效益而且不會(huì)增加成本或帶來任何壞處。TRIZ理論中，在邁向解決問題的流程上須先拋開各式各樣客觀的限制因素，通過理想化來定義問題的理想解，以明確理想解所存在的方向和位置，并獲得最終理想解。

1.2 發(fā)明創(chuàng)造原理

在對(duì)全世界250萬件發(fā)明專利分析研究的基礎(chǔ)上，抽取了發(fā)明創(chuàng)造的40條具有規(guī)律性的原理。本文案例涉及的6個(gè)發(fā)明原理是：分割、抽取、非對(duì)稱性、反向作用、維數(shù)變化、改變顏色。

1.3 物理矛盾與技術(shù)矛盾

在生活的方方面面都充斥著矛盾，當(dāng)兩個(gè)完全對(duì)立的看法在相同的時(shí)間、相同的地點(diǎn)、相同的條件下都被認(rèn)為是正確的時(shí)候，就產(chǎn)生了一對(duì)矛盾。在技術(shù)體系中矛盾是系統(tǒng)發(fā)展和進(jìn)化的主導(dǎo)力量，分析這些矛盾要發(fā)揮創(chuàng)造性的想象力。

在TRIZ理論中，工程中所出現(xiàn)的種種矛盾可以歸結(jié)成兩類：技術(shù)矛盾和物理矛盾。

1.4 物－場(chǎng)模型分析

物-場(chǎng)模型是由兩個(gè)物和一個(gè)場(chǎng)組成的與已存在的系統(tǒng)或技術(shù)系統(tǒng)問題相關(guān)聯(lián)的功能模型。構(gòu)建物-場(chǎng)模型的目的是為闡明兩物質(zhì)與場(chǎng)之間的相互關(guān)系，為進(jìn)一步解決問題創(chuàng)造條件。物-場(chǎng)模型分析方法是TRIZ理論中一個(gè)重要的發(fā)明創(chuàng)造問題的分析工具。TRIZ理論提出了物-場(chǎng)模型類型對(duì)應(yīng)的一般解法，共有6種。

2 物理矛盾及技術(shù)矛盾的實(shí)例分析

2.1 物理矛盾的解決案例

形式美法則是人類在創(chuàng)造美的形式、美的過程中對(duì)美的形式規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和抽象概括[2]。根據(jù)形式美法則中對(duì)稱與均齊的原則，建筑藝術(shù)要求建筑既不對(duì)稱，又不能完全不對(duì)稱，這是因?yàn)橐环矫鎸?duì)稱的形式在視覺上可以讓我們感受到自然、均勻、整齊、協(xié)調(diào)的樸素美感，符合人類的視覺習(xí)慣與規(guī)律；另一方面在構(gòu)圖中又要避免絕對(duì)對(duì)稱與絕對(duì)均齊，過分的對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生單調(diào)、呆板的感覺。這是一對(duì)非對(duì)稱與對(duì)稱的物理矛盾，可以應(yīng)用空間分離原理解決?？臻g分離原理與40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理中的10個(gè)創(chuàng)新原理有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：分割、抽取、局部質(zhì)量、非對(duì)稱性、嵌套、反向作用、維數(shù)變化、中介物、復(fù)制和柔性殼體或薄膜等發(fā)明原理，其中非對(duì)稱性原理可較好地解決建筑不對(duì)稱與對(duì)稱的物理矛盾。非對(duì)稱性原理告訴我們：如果物體不是對(duì)稱的，則加強(qiáng)它的不對(duì)稱程度。

峽江水利樞紐工程攔河大壩左右建筑是不對(duì)稱的，左岸壩頂?shù)墓靶螛蚺c右岸電站廠房的平頂屋面呈現(xiàn)弧面與平面的非對(duì)稱性（見圖1）。經(jīng)多方案比選，廠房屋面增設(shè)了“波浪”造型（見圖2）。用TRIZ理論解釋，“波浪”造型增強(qiáng)了與“拱形”的不對(duì)稱性，同時(shí)左右岸具曲面對(duì)稱性，使得整體的構(gòu)造更富生動(dòng)性和美感，避免了單調(diào)和呆板，達(dá)到了“既不對(duì)稱，又不完全不對(duì)稱的”的藝術(shù)效果。

2.2 技術(shù)矛盾的解決案例

技術(shù)矛盾是兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，即改善系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)，導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)惡化[3]。TRIZ理論將經(jīng)常遇到技術(shù)矛盾的技術(shù)通用參數(shù)劃分為48個(gè)，將其對(duì)應(yīng)解決的法則整理成矩陣，矩陣為48×48，共有2304個(gè)通用工程參數(shù)關(guān)系，每個(gè)矩陣關(guān)系對(duì)應(yīng)相應(yīng)解決方法的發(fā)明原理，使得人們可以更高速、有效的解決技術(shù)矛盾。使用矛盾矩陣表時(shí)，先從技術(shù)通用參數(shù)中找出“欲改善的參數(shù)”，接著找出“避免惡化的參數(shù)”，再查出包含多項(xiàng)發(fā)明原理的解決方案，最后選取合適的發(fā)明原理用來解決矛盾，技術(shù)矛盾解決流程如圖3所示。

圖1 峽江水利樞紐攔河大壩建筑設(shè)計(jì)初始方案

圖2 峽江水利樞紐攔河大壩建筑設(shè)計(jì)中間方案

圖3 技術(shù)矛盾解決流程圖

2.2.1 大壩右岸電站廠房建筑屋面設(shè)計(jì)的分析

大壩右岸電站廠房屋面“波浪”造型設(shè)計(jì)可帶來視覺美觀，然而造型物的重量加大了屋面的荷載，解決“美觀”改善與“靜物重量”惡化這對(duì)技術(shù)矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案：改變特征（物理/化學(xué)參數(shù)變化）、復(fù)合材料、局部質(zhì)量、質(zhì)量補(bǔ)償、維數(shù)變化。其中維數(shù)變化原理可以將在二維空間中的物體變成三維空間中的物體。從圖4中可以看出，“波浪”造型是一個(gè)二維起伏曲面（鋁鎂錳板曲面）、同時(shí)曲面又有一個(gè)錯(cuò)位變化 （面積減小可減輕重量），形成從二維過度到三維的強(qiáng)烈對(duì)比效果。維數(shù)變化原理很好地解決了既要美觀又要重量輕的矛盾。

屋面造型設(shè)計(jì)還有提升的空間要求，即需要在不改變?cè)行螤畹幕A(chǔ)上，再增加美觀效果。繼續(xù)運(yùn)用矛盾矩陣，解決“美觀”改善與“形狀”惡化這對(duì)技術(shù)矛盾。TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案：動(dòng)態(tài)化、抽取、改變顏色、用多孔材料、反過來做、合并、組合、分割。可以運(yùn)用抽取原理和改變顏色原理，即在原有的基礎(chǔ)上，移走鋁鎂錳板、在鋼網(wǎng)架上著以赤、橙、黃、綠漸變色，運(yùn)用形式美法則中諸如節(jié)奏與韻律、比例與尺度、對(duì)比與調(diào)和等有規(guī)律的進(jìn)行融合。最終效果如圖4所示。

圖4 大壩右岸電站廠房建筑屋面設(shè)計(jì)效果圖

可以看出，赤、橙、黃、綠四色漸變將“波浪”造型勾畫得空間感、質(zhì)感和運(yùn)動(dòng)感十足，如翻騰追逐的浪花，亦似展翅騰飛的雄鷹，呈向上無限延伸之勢(shì)，讓人仿佛感受到“鳥兒自由飛翔，浪花盛情翻騰”的蓬勃朝氣。

2.2.2 廠房外墻裝飾設(shè)計(jì)分析

外墻混凝土墻面需要美觀裝飾，但墻面面積大、施工操作難度高，解決“美觀”改善與“可制作性”惡化這對(duì)技術(shù)矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案是：部分超越、預(yù)先作用、抽取、多用性、變害為利、分割、自服務(wù)、反向作用。其中分割原理可以是增加物體被分割的程度，反向作用原理可以是將規(guī)定的操作改為相反的操作。

廠房外墻原設(shè)計(jì)是采用大面積涂裝淺藍(lán)灰色氟碳漆，輔以白色氟碳漆和深灰色氟碳漆作為裝飾帶。由于外墻面積大，平整度很難控制，實(shí)施外墻漆后不平整更加凸顯。設(shè)計(jì)變更方案之一是：將墻面分割成小格，采用噴涂真石漆飾面（見圖5）。可見采用分割原理將大墻面分割成小格，便于平整度控制。同時(shí)采用反向作用原理，在原本需要平整的墻面上用砂壁狀的真石漆作用其上，很好地解決“美觀”改善與“可制作性”惡化的矛盾。

圖5 廠房外墻混凝土墻面真石漆裝飾效果圖

3 物-場(chǎng)模型的分析案例

研究發(fā)現(xiàn)，很多案例是先用矛盾矩陣方法解決問題，再用物-場(chǎng)模型分析是否存在有效、不足、過度、有害與尚未確定等問題。以下僅對(duì)上述廠房外墻裝飾問題用物-場(chǎng)模型分析：

（1）識(shí)別元件：S1—墻面，S2—裝飾物，F(xiàn)—光線。

（2）建立物-場(chǎng)模型：墻面平整度、顏色等需要通過裝飾加以美化，當(dāng)裝飾方案選擇不佳，對(duì)墻面的美觀是不利的。本問題屬于有害效應(yīng)的完整模型（如圖6所示）。

圖6 加入S3阻止有害作用模型圖

（3）一般解法：有害效應(yīng)的完整模型有兩個(gè)一般解法是2、3，本問題選擇的是一般解法2。即加入第3種物質(zhì)S3用來阻止有害作用，S3可以通過S1/S2共同改變得到。

（4）進(jìn)一步發(fā)展這種概念：廠房外墻裝飾引入第3種物質(zhì)S3，也就是將大面積墻面S1改變?yōu)樾〉拈L(zhǎng)方塊（分割原理），將光面的氟碳涂料S2改變?yōu)樯氨跔钫媸幔ǚ聪蜃饔迷恚?。從而起到阻止“光面”（光亮）?duì)“大面積平面”（不夠平整）的有害作用，實(shí)現(xiàn)“真石漆”對(duì)“小塊”的有效作用。

物-場(chǎng)模型分析可見：采用分格噴涂真石漆對(duì)大面積混凝土墻面裝飾美觀改善是有效的。

4 結(jié)論

TRIZ理論以其良好的可操作性、系統(tǒng)性和實(shí)用性在全球的創(chuàng)新和創(chuàng)造學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)著獨(dú)特的地位。本文運(yùn)用TRIZ理論中的發(fā)明創(chuàng)造原理、物理矛盾和分離原理、技術(shù)矛盾和矛盾矩陣、物—場(chǎng)模型分析方法等主要內(nèi)容，分析和評(píng)述了峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)以后水利樞紐工程建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新有著一定的參考作用。

峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)，不經(jīng)意間運(yùn)用到TRIZ理論，如果我們事先掌握了TRIZ理論，有利于創(chuàng)新的效果、效率的提高；TRIZ理論適用范圍廣泛，它來源于對(duì)創(chuàng)新成果的總結(jié)，也將服務(wù)于創(chuàng)新實(shí)踐，應(yīng)學(xué)習(xí)TRIZ理論，掌握該項(xiàng)創(chuàng)新方法。

［1］趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論TRIZ及應(yīng)用 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］尹定邦.設(shè)計(jì)學(xué)概論［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［3］常衛(wèi)華.TRIZ理論在建筑工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011.