基于低碳理念的可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

曾文博

摘 要：本文在綜述國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從改善產(chǎn)品低碳性能的角度出發(fā)，主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模塊優(yōu)化、材料優(yōu)化三方面對可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究與實(shí)踐探索進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：低碳理念；可拆卸；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122；TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-5312（2016）14-0043-01

產(chǎn)品設(shè)計(jì)作為工業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要方向，其目標(biāo)已不再僅限于單純的功能、形象設(shè)計(jì)，而是越來越注重設(shè)計(jì)對于產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程的影響。基于低碳理念的可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，考慮產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)可能發(fā)生的問題或可能面臨的困難，以此進(jìn)行系統(tǒng)、全面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，改善產(chǎn)品的拆卸結(jié)構(gòu)能夠直接促進(jìn)生命周期的延長，而延長產(chǎn)品生命周期的方式包括增加產(chǎn)品的使用壽命、在回收的過程中提取部件進(jìn)行再制造，或是將材料進(jìn)行回收以便再生產(chǎn)時(shí)作為原料使用。而這些方式的實(shí)現(xiàn)都需要通過拆卸結(jié)構(gòu)來進(jìn)行維修，維護(hù)。因此本文以產(chǎn)品拆卸結(jié)構(gòu)為主要研究對象，并以此通過低碳理念的融入促進(jìn)產(chǎn)品生命周期的延長。

一、概念界定

（一）可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在滿足產(chǎn)品功能、成本要求等基本屬性基礎(chǔ)上，保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)易于裝配、易于拆卸、方便維護(hù)的有效手段，同時(shí)也是使得報(bào)廢產(chǎn)品的可用部分能夠充分有效地回收和重用，實(shí)現(xiàn)資源和能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)的必然選擇。

（二）低碳設(shè)計(jì)理念

低碳設(shè)計(jì)是指從設(shè)計(jì)源頭提高產(chǎn)品生命周期中低碳性能的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品低碳性能是指衡量產(chǎn)品在制造、使用、維修、回收等生命周期過程中降低資源與能源消耗、減少污染排放的環(huán)境性能。在產(chǎn)品制造、儲(chǔ)運(yùn)、流通、消費(fèi)乃至回收等各個(gè)環(huán)節(jié)都能做到低能耗、低污染、低排放。

二、基于低碳理念的可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與碳排放關(guān)系密切，當(dāng)產(chǎn)品外觀形態(tài)、功能等要素確定的情況下，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局、材料選擇、制造工藝、裝配性能、拆卸性能、回收級別等這些影響碳排放的要素主要是由設(shè)計(jì)階段決定。因此，將碳排放性能作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要約束條件之一的低碳設(shè)計(jì)被認(rèn)為是一種從源頭上改善碳排放的有效途徑。國內(nèi)外學(xué)者從設(shè)計(jì)、制造、供應(yīng)鏈等不同角度對此展開研究。比如Devanathan等研究了概念設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品低碳化設(shè)計(jì)方法，提出了功能影響矩陣，將環(huán)境對產(chǎn)品的影響因素與產(chǎn)品功能相關(guān)聯(lián)，結(jié)合產(chǎn)品生命周期評估及質(zhì)量功能配置的方法，探討了設(shè)計(jì)初期階段的低碳化設(shè)計(jì)方法。徐小明等基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次性特點(diǎn)提出了結(jié)構(gòu)層次回收法，以完全拆卸為起點(diǎn)，自底向上逐層搜索，以強(qiáng)制回收為前提，獲取最大回收效率為準(zhǔn)則，來尋找產(chǎn)品最優(yōu)的回收方案。

此外，國內(nèi)學(xué)術(shù)界也從不同的視角展開了對低碳理念下可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。但是，目前我國關(guān)于產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)理論和實(shí)際應(yīng)用還不成熟，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.目前從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)的研究，大多只涉及到局部層面，且研究還不夠完善，很難滿足產(chǎn)品面向低碳的設(shè)計(jì)需求。為省材而進(jìn)行的零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化大多是材料選定后的優(yōu)化，但是由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)材料已經(jīng)選定，很難實(shí)現(xiàn)材料性能與結(jié)構(gòu)需求的最優(yōu)匹配，從而造成浪費(fèi)。

2.產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)大多通過減少產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重量，選用環(huán)保材料等方式實(shí)現(xiàn)，由于缺乏整體碳排放的量化信息，很難為實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程提供明確的指導(dǎo)，且由于碳排放量的具體構(gòu)成不明確，設(shè)計(jì)人員很難確定高碳排的環(huán)節(jié)，進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。

3.面向低碳的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及層面較多，目前還缺乏系統(tǒng)的方法，如何應(yīng)用結(jié)構(gòu)多層模型及相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的低碳設(shè)計(jì)，需要從各個(gè)層面深入研究。

三、基于低碳理念的可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)研究

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一，是決定產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其各功能具體形式的重要階段。從改善產(chǎn)品低碳性能的角度出發(fā)，主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模塊優(yōu)化、材料優(yōu)化選取等方面對可拆卸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)行分析。

（一）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是以尋求既經(jīng)濟(jì)又適用的結(jié)構(gòu)形式，以最少的材料、最低的造價(jià)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最佳性能為目標(biāo)，用系統(tǒng)的、目標(biāo)定向的過程與方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的高速發(fā)展，大容量存儲(chǔ)于高性能計(jì)算使得利用數(shù)學(xué)和力學(xué)理論來滿足某些約束條件的目標(biāo)變得更容易，各種商業(yè)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件也不斷推出。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能在保證結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，有效地提高材料利用率。據(jù)悉，美國波音飛機(jī)公司對大型機(jī)翼用138個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使重量減少了三分之一。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.易加工性：各類結(jié)構(gòu)的材料不同，加工工藝不同，加工過程的難易程度也就有所不同。加工的難易程度直接影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最終的成型，也會(huì)直接導(dǎo)致環(huán)境問題。

2.牢固性：在可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，牢固性是審核結(jié)構(gòu)是否合格的基本指標(biāo)，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段最后考察的要素。牢固性不僅關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)好壞，也是相對于可拆卸結(jié)構(gòu)易拆卸性的限制因素。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，能提高材料的利用效率，從原料投入的角度減少產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的碳排放量，是提高結(jié)構(gòu)低碳性能的有效手段。但由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)也會(huì)引起加工制造過程的變化，有可能造成制造過程的復(fù)雜化，從而增加制造環(huán)節(jié)的碳排放，如何協(xié)調(diào)兩者間的矛盾使得整體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)碳排放量最小，需要從具體碳排放量的角度進(jìn)行深入分析。

（二）產(chǎn)品模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化，模塊化設(shè)計(jì)思想應(yīng)運(yùn)而生，產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)是基于各種劃分原則，將分散的零部件聚合在一起，形成若干標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，再通過這些標(biāo)準(zhǔn)化模塊的組合形成多樣化的產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品廢棄后，為了能對部件進(jìn)行高效率的回收，降低回收成本，將組成材料相容的零部件劃分到同一個(gè)產(chǎn)品模塊中，這樣可以將模塊作為一個(gè)整體進(jìn)入回收工藝過程，而不需要對模塊做進(jìn)一步的拆卸分解工作，從而減少了總的零件拆卸分離工作和對材料的分離歸類工作，拆卸成本也得到了減少。因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模塊劃分對產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)和可拆卸性程度具有直接影響。

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，但大多企業(yè)實(shí)際的模塊化設(shè)計(jì)是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，各種模塊化設(shè)計(jì)理論也只適用于特定的設(shè)計(jì)問題，如何設(shè)計(jì)一套更全面的模塊化方法體系還需要更多探索。

（三）產(chǎn)品材料優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

材料是各類生產(chǎn)活動(dòng)開展的最基本的前提，材料的優(yōu)劣直接決定了產(chǎn)品本身質(zhì)量的高低，即使技術(shù)再好，生產(chǎn)設(shè)備再齊全，如果選用的材料質(zhì)量不好，材料的性能與產(chǎn)品的用途相悖，那么即使再精細(xì)的工藝也無法將產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作成功。。從低碳設(shè)計(jì)理念的角度來分析，材料選擇的環(huán)境協(xié)調(diào)性原則主要有：選用新型環(huán)境材料；選用原料豐富、低成本、少污染的材料；選用無毒無害材料；選用可回收利用材料；減少所用材料種類；考慮所選材料的相容性；選用重構(gòu)材料。

在探索自然材料在產(chǎn)品上的應(yīng)用，亞洲的許多先鋒設(shè)計(jì)師創(chuàng)作的作品，為未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的采用提供了許多獨(dú)創(chuàng)的借鑒。如利用草、麻等作為原材料制成的環(huán)保墻飾，不僅降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時(shí)作為一種天然的原料，還具有保濕、驅(qū)蟲、保健的功效。

任何一件產(chǎn)品都是由一種或多種可認(rèn)知的材料構(gòu)成的，大多數(shù)的情況下，產(chǎn)品被淘汰報(bào)廢之后，其構(gòu)成產(chǎn)品的材料本身的性能并沒有發(fā)生改變，對廢棄產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)是以另一種形式延長了產(chǎn)品的使用壽命。因此對產(chǎn)品材料進(jìn)行優(yōu)化，體現(xiàn)的是一種可持續(xù)設(shè)計(jì)的思想，同時(shí)也為人們的生活帶來更多的創(chuàng)意與驚喜。

四、結(jié)語

“低碳”是隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)步而誕生的一大科學(xué)發(fā)展新理念，現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展成為了一種社會(huì)風(fēng)尚。未來在產(chǎn)品動(dòng)力源結(jié)構(gòu)和模塊的優(yōu)化、新材料的選用與產(chǎn)品的壽命延長方面應(yīng)認(rèn)真貫徹低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，減少碳的排放量、減輕環(huán)境污染的狀況。在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的平衡，使低碳生活、低碳消費(fèi)成為一種潮流。

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