高強(qiáng)度混凝土材料在井蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

盛傳新 楊蓉 謝三山

摘要：為解決傳統(tǒng)井蓋不能滿足城市道路快速發(fā)展背景下的功能性需求和審美性需求的問題。通過文獻(xiàn)調(diào)研和案例分析，對(duì)城市井蓋的問題現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合井蓋產(chǎn)品的功能原理和高強(qiáng)度混泥土的材質(zhì)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。開發(fā)了一款具有警示效果和排水功能的新型高強(qiáng)度混凝土井蓋。高強(qiáng)度混凝土井蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)從功能，形式美學(xué)，安全性等方面上兼顧人們的使用需求，減少道路交通的安全隱患。

關(guān)鍵詞：混凝土;井蓋;產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）03-0130-03

引言

在城市發(fā)展的沖擊下，市政建設(shè)也迅速發(fā)展，隨之而來的市政工程設(shè)施也與日俱增。一方面，隨著市政建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，井蓋等市政設(shè)施也不斷增加，。但在增加相應(yīng)的污、雨水管道的檢查井后，以鑄鐵為材質(zhì)的井蓋被盜現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。由于井蓋數(shù)量大，城市車流量和人流量密集，城市道路監(jiān)管系統(tǒng)不夠完善等原因，井蓋缺失的情況下，相關(guān)部門對(duì)窨井蓋進(jìn)行修整需要相對(duì)較長的時(shí)間。而在道路能見度低的情況下，由于井蓋缺失或維修產(chǎn)生的安全隱患更大。因此，對(duì)新型井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高窨井蓋缺失情況下對(duì)道路的警示作用，減少道路安全隱患，是非常必要和緊迫的。另一方面，井蓋作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，最開始是為了解決城市功能，但隨著民眾日益增長的審美觀，基礎(chǔ)設(shè)施缺乏美感設(shè)計(jì)，無法滿足大眾的精神需求。也需要重新設(shè)計(jì)為迎合大眾審美需求的新型“城市名片”。一種新型井蓋的設(shè)計(jì)與開發(fā)，保障道路的交通安全已成為當(dāng)務(wù)之急。

一、井蓋的基本作用

井蓋屬于城市地下管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的附屬設(shè)施，為地下管網(wǎng)出口的安全防護(hù)裝置，也是城市中最普遍的市政設(shè)施。一般來說，井蓋是地面上積水的主要排出和排送口，地下井蓋更多的是能有效防止路面車輛和行人在行駛過程中墜落，方便專業(yè)人員進(jìn)行疏通和管道檢查。井蓋一般具備著很強(qiáng)的硬度和強(qiáng)度，能承受高強(qiáng)度的壓力，也可以保證道路的平坦。

二、城市井蓋的設(shè)計(jì)調(diào)查及現(xiàn)狀

井蓋在城市建設(shè)中應(yīng)用廣泛，市政維修人員需要在井下大量作業(yè)。一方面，隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展擴(kuò)大，車流量增大。由于井蓋數(shù)量大，城市道路監(jiān)管系統(tǒng)不夠完善等原因，相關(guān)部門對(duì)窨井蓋進(jìn)行修整需要相對(duì)較長的時(shí)間。特別是在道路能見度低的情況下，由于井蓋缺失或維修產(chǎn)生的安全隱患更大。現(xiàn)用的鋼筋混凝土井蓋因強(qiáng)度不足而損壞嚴(yán)重。在檢修時(shí)揭啟困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。開啟井蓋后，由于井蓋自重重，且不易搬動(dòng)，在轉(zhuǎn)移時(shí)也有一定困難和危險(xiǎn)性。而以鑄鐵為材料的檢查井，造價(jià)高，容易丟失被盜。因此，對(duì)新型井蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高窨井蓋缺失情況下對(duì)道路的警示作用，減少道路安全隱患，是非常必要和緊迫的。

另一方面，井蓋作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，最開始是為了解決城市功能，隨著民眾日益增長的審美觀，基礎(chǔ)設(shè)施缺乏美感設(shè)計(jì)，無法滿足大眾的精神需求。也需要重新設(shè)計(jì)為迎合大眾審美需求的新型“城市名片”。

（一）混凝土井蓋的視覺設(shè)計(jì)調(diào)查上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院2017年受寧波市住建委前期辦委托，

從基礎(chǔ)設(shè)施的美學(xué)角度出發(fā)，對(duì)寧波東部新城市政附屬設(shè)施窨井蓋細(xì)節(jié)美化進(jìn)行了研究。他們結(jié)合寧波東部新城的規(guī)劃定位和調(diào)研現(xiàn)狀，制訂出適合新城的井蓋美化提升整體框架格局和相關(guān)設(shè)計(jì)策略，設(shè)計(jì)了符合寧波文化和新區(qū)定位的獨(dú)特井蓋方案。將井蓋的設(shè)計(jì)與城市環(huán)境，以體現(xiàn)當(dāng)?shù)匚幕托鲁翘厣珵樽谥?，分區(qū)用不同主題對(duì)井蓋進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

而日本，更是將井蓋作為文化的一部分，成為了極具特色的城市名片。在日本，大概有百分之九十以上城市使用了設(shè)計(jì)獨(dú)特的井蓋。日本甚至有一個(gè)井蓋協(xié)會(huì)，專門研究和保護(hù)日本各種各樣的井蓋文化。日本井蓋的設(shè)計(jì)風(fēng)潮主要來源于Yasutake;Kameda的推廣，其主旨是以各式各樣的井蓋設(shè)計(jì)來吸引人們對(duì)路政工程和地下城市水道工程的重視。因此，他們想到了這個(gè)點(diǎn)子。隨著他們的推廣，“個(gè)性井蓋”流行起來了，甚至還出現(xiàn)了“個(gè)性井蓋”的粉絲，以追逐和發(fā)現(xiàn)新的井蓋圖案為樂。

日本的井蓋設(shè)計(jì)，往往善于加入極具地區(qū)特色的要素，由于文化原因，他們一般不會(huì)使用真人頭像和寺廟神社等建筑作為井蓋圖案，而會(huì)采用當(dāng)?shù)貥O具特色的特產(chǎn)或標(biāo)志性圖案。此外，歷史故事，神話傳說甚至怪談也能成為井蓋設(shè)計(jì)的取材源泉。而位于日本的大榮町，由于是動(dòng)畫《名偵探柯南》的作者青山剛昌的家鄉(xiāng)，也在井蓋上加上柯南的形象來對(duì)城市進(jìn)行宣傳，如圖1、2。

（二）混凝土井蓋的功能設(shè)計(jì)調(diào)查

水泥基材料是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占比最多的一種基礎(chǔ)性建筑材料，可以廣泛應(yīng)用于各城市的房建工程、橋梁工程、地下工程、海洋工程以及交通工程。而隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，已研制出強(qiáng)度等級(jí)超過100MPa，可以比肩鋼鐵的超高強(qiáng)混凝土材料，并已應(yīng)用到橋梁，島礁軍事建設(shè)等實(shí)際工程中。

近段時(shí)間有報(bào)告稱，廣州市將推廣使用高強(qiáng)度混凝土制作的井蓋。這種高強(qiáng)度混凝土又稱鋼纖維混凝土，用其制成的雨水井蓋，外形尺寸與鑄鐵井蓋相同，可與原井蓋框配套使用，重量是鑄鐵井的70%左右，價(jià)格比鑄鐵井蓋降低1/3。

高強(qiáng)鋼纖維水泥基材料的抗裂性與抗沖擊性是非常優(yōu)異的，根據(jù)相關(guān)資料顯示，高強(qiáng)度混凝土與普通混凝土材料相比，前者具有很高的韌性，在其拉壓性能，抗沖擊等方面都具有優(yōu)良的力學(xué)性能。并且這種材料與傳統(tǒng)鑄鐵井蓋相比，無回收價(jià)值，可杜絕因被盜而導(dǎo)致的交通安全事故。因此，可以廣泛取代傳統(tǒng)鑄鐵井蓋用于普通道路、住宅小區(qū)和工廠的雨水口、污水井和地下管道、通信等檢查井。這為我們的新型井蓋設(shè)計(jì)開辟了一條新的思路。

（三）高強(qiáng)度混凝土井蓋視覺性與功能性分析

首先，要重視井蓋的安全提示性。隨著城市化的迅速發(fā)展，城市道路也不斷建設(shè)，隨之而來的是井蓋的增設(shè)，而由于設(shè)計(jì)不完善，管理不到位等原因，井蓋缺損導(dǎo)致的行人墜井現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，井蓋的設(shè)計(jì)主要是起到三個(gè)方面的作用：1.方便路政人員的管理和維修，以備在洪澇天氣以及線路管道故障時(shí)的維修。對(duì)于井蓋的維修和管理，市政人員主要對(duì)高速公路和四個(gè)等級(jí)公路進(jìn)行維修和負(fù)責(zé)，其次是各單位城建部門負(fù)責(zé)的街道范圍內(nèi)的井蓋;2.洪澇排泄作用。城市中的井蓋除了設(shè)備維修井以外，絕大部分都是排泄城市內(nèi)澇的排水井蓋。3.防盜。超高強(qiáng)混凝土井蓋是一種復(fù)合材料，和傳統(tǒng)的鑄鐵井蓋不同，自重重，不易丟失被盜。

三、一種新型井蓋的設(shè)計(jì)構(gòu)想

基于以上分析，一般的井蓋設(shè)計(jì)，除了需要考慮到了一般性的防滑，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該更多考慮到如何方便維修人員更快找到維修井蓋，以及如何保護(hù)行人的安全，防止因井蓋缺失而導(dǎo)致行人墜落。

因此，新型高強(qiáng)混凝土井蓋在設(shè)計(jì)的同時(shí)，要考慮以下幾個(gè)方面：

（一）功能提示性設(shè)計(jì)

功能提示性設(shè)計(jì)主要是以市政維修人員或路人為提醒對(duì)象，在一定的場景情況下（如下雨天），提醒井蓋的周邊環(huán)境，井蓋的方位，以及該井蓋的所屬功能，如圖3。

（二）安全防護(hù)性加工安全防護(hù)性加工可采用以下幾種方式：

1.采用高500mm左右的高出地面的警示裝置或保護(hù)性裝置，以示危險(xiǎn)。在井蓋下方裝置防護(hù)網(wǎng)，防護(hù)罩等裝置，以防止行人跌落井中。

2.井蓋表面進(jìn)行防滑紋理設(shè)計(jì)，可利用彩色混凝土來裝飾井面，如紅色或橙色一般有警示或提示的效果，而藍(lán)色則帶有功能提示性。另外，如采用熒光色則更能在較暗的環(huán)境下起到提醒的作用。（三）使用方式的改變

1.市政設(shè)施中井蓋的常見開合方式仍然是采用“蓋”的形式，可盡量利用增加零部件的形式來設(shè)計(jì)新的開合方式，減少行人墜落的風(fēng)險(xiǎn)，增加井蓋的排水安全性;

2.設(shè)計(jì)內(nèi)部具有二次防護(hù)效果的設(shè)施，并充分考慮其實(shí)用性，可比較一次防護(hù)設(shè)施增加內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)，以人為本，在滿足排水的同時(shí)，有效保護(hù)行人的安全。

（四）增加安全防盜性

使用高強(qiáng)度混凝土作為井蓋主要材料，不同于傳統(tǒng)的鑄鐵材質(zhì)，耐腐蝕，抗老化，并無再生利用價(jià)值。可適用于多種惡劣環(huán)境，且內(nèi)部設(shè)置鋼筋支架，增加其抗裂性，有效防止因整體碎落而導(dǎo)致的安全事故。

四、高強(qiáng)混凝土井蓋設(shè)計(jì)原理

井蓋作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一部分，在保證城市系統(tǒng)的正常運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。本設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度混凝土制作井蓋部分。連接部分將采用鋼材。井蓋有兩種打開方式，在雨水來臨時(shí)，可高于地面折疊開啟，并在其前后左右四個(gè)方向設(shè)置彩色警示標(biāo)志。無需維修人員另外設(shè)置。而在需要維修時(shí)，則可整體開啟。這種設(shè)計(jì)通過可行性折疊結(jié)構(gòu)使井蓋同時(shí)具備易排水，易維修，易警示以及美觀的效果。因此，這種制造成本低，回收價(jià)值小，方便維修，具有警示效果的井蓋設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

（一）結(jié)構(gòu)說明

主要包括底座組合，防墜鐵網(wǎng)，折疊井蓋面。井蓋分為兩個(gè)部分，分別為井蓋和過濾網(wǎng)。井蓋采用了兩種開合方式。一種是半開合，是在需要排水時(shí)打開形成倒V形的排水口，廢水經(jīng)下方濾網(wǎng)排出去。一種是全開合，當(dāng)維修人員需要維修疏通時(shí)，則合一將井蓋全部打開。不論是半開合或全開合，井蓋表面都有熒光色的警示標(biāo)志，在井蓋邊緣，也會(huì)印有熒光警示條，以警示路人。這種增加打開時(shí)的警示裝置方式，一方面，可以在道路惡劣環(huán)境時(shí)提醒路人，有效防止行人跌落;另一方面，可以提醒道路維修人員在安全作業(yè)后及時(shí)關(guān)閉井蓋，如圖4。

井蓋主干結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分。1.井蓋開合的主體井面采用高強(qiáng)度混凝土制作，內(nèi)置金屬連接軸，方便折疊開合。在水量小時(shí)，可以折疊開合，利用井蓋折疊開合產(chǎn)生的“V”形洞口進(jìn)行排水。撐起的蓋體表面，以及側(cè)面涂有熒光材質(zhì)的警示反光條，在高出路面的同時(shí)可以起到良好的警示效果，以提醒行人和駕駛員不要靠近井口。水量大時(shí)，則可將井蓋作為支撐板座掀起，使其完全開啟，達(dá)到快速排水的目的。

2.安全網(wǎng)位于井蓋主體下方，采用扭合的方式，旋轉(zhuǎn)鎖定。一般情況下，由維修人員負(fù)責(zé)專門的鎖定和開啟。安全防護(hù)網(wǎng)可以有效進(jìn)行二次防護(hù)，在井蓋缺失的情況下，防止行人墜落井底。

（二）使用場景說明

根據(jù)前期調(diào)查分析，我國雨水天氣來臨時(shí)，降水量的急劇增長會(huì)導(dǎo)致城市路面的內(nèi)澇和積水，這對(duì)地下排水系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。通常情況下，市政人員會(huì)完全打開井蓋以作排水，但同時(shí)也會(huì)由于積水過深，給通行的行人和車輛無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)井蓋完全打開，從而造成危險(xiǎn)事故頻繁發(fā)生。在這種背景下，以超高強(qiáng)水泥混凝土制作的折疊式井蓋應(yīng)運(yùn)而生。該井蓋的設(shè)計(jì)打破原有傳統(tǒng)井蓋的材質(zhì)和造型，采用超高強(qiáng)混凝土制作井面，在保證其高強(qiáng)度，耐腐蝕、防盜特性的同時(shí)，通過可行性的折疊結(jié)構(gòu)，使井蓋產(chǎn)品具備排水工作和維修工作兩種折疊狀態(tài)。

在雷暴雨天氣的作用下，城市積水增多，雨水大量聚集需要增加排水量，則可勾住井蓋中心開關(guān)孔位，向上45o開啟井蓋折疊模式。當(dāng)井蓋折疊時(shí)，高出地面，一方面可以很好地提醒行人注意道路安全，另一方面，可使其大量排水。而井蓋由于折疊顯示出中心和邊緣的警示符號(hào)的設(shè)計(jì)，不僅使井蓋具備優(yōu)良的排水功能，更充分考慮了其市政功能和安全警示功能。

而在積水不斷增多，無法滿足排水需求的情況下，可勾住井蓋邊緣孔位，以左側(cè)軸為旋轉(zhuǎn)軸心拉開井蓋至完全打開，進(jìn)行大水量排水。井蓋下方設(shè)有防護(hù)網(wǎng)，一方面，可以對(duì)井口進(jìn)行防護(hù)，避免行人的墜落;另一方面，設(shè)有專門的開啟方式，適合專業(yè)維修人員開合維修，如圖5。

結(jié)語

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全使用等方面，傳統(tǒng)井蓋已不適應(yīng)現(xiàn)有的功能需求和審美需求。因此結(jié)合新型高強(qiáng)混凝土的材料特性，從功能提示性設(shè)計(jì)、安全防護(hù)性加工、使用方式的改變和防盜功能開發(fā)等角度出發(fā)進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)思，所設(shè)計(jì)的井蓋產(chǎn)品具備排水的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、警示安全屬性和較高的美學(xué)價(jià)值，兼顧了行人、政府道路部門、環(huán)境部門等利益相關(guān)者的綜合性需求。在后期制作過程中，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行生產(chǎn)過程樣檢、型檢、批量抽樣檢查，以保證產(chǎn)品在運(yùn)輸、安裝和使用過程中的穩(wěn)定性和牢固性。未來，隨著城市道路建設(shè)的不斷推進(jìn)，研究團(tuán)隊(duì)將更加關(guān)注以人文關(guān)懷為優(yōu)先考慮的新型井蓋產(chǎn)品，在產(chǎn)品的功能層面和美學(xué)層面上實(shí)現(xiàn)更具創(chuàng)新性的突破。

項(xiàng)目基金：1.中山市武漢理工大學(xué)先進(jìn)工程技術(shù)研究院開放課題資助項(xiàng)目（編號(hào)：WUT-2018-03）;2.2016年中山市新型研發(fā)機(jī)構(gòu)專項(xiàng)（重大研發(fā)平臺(tái)建設(shè)補(bǔ)貼2016F2FC0008）;3.廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目——用戶體驗(yàn)視角下水泥基材料日用品設(shè)計(jì)研究（編號(hào)：2018GWQNCX163）。

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