基于資源分析的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳興義　楊錦隴

摘要：為了總結(jié)出一種適合綠色設(shè)計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，解決綠色設(shè)計(jì)過(guò)程中的綠色沖突。從系統(tǒng)資源分析入手，結(jié)合綠色設(shè)計(jì)方法，合理利用系統(tǒng)可用資源和優(yōu)化資源配置以解決綠色沖突的本質(zhì)問(wèn)題。以青磚切邊機(jī)的設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)方案滿足綠色設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了基于資源分析的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程的可行性。提出一種以資源分析為主的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型，為其他產(chǎn)品的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：資源分析 綠色設(shè)計(jì) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 青磚切片機(jī) 理想度

中圖分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 02-0124-04

引言

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。將質(zhì)量屋法、公理化設(shè)計(jì)等融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中[1～2]，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加清晰和明確，并且運(yùn)用相關(guān)理論解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題。但對(duì)于綠色設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)效率的提高僅僅是一方面，更重要的是解決產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中的資源利用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源的有效利用。資源分析是從系統(tǒng)的角度分析存在的可用資源，提供系統(tǒng)解決綠色沖突的工具。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)往往是復(fù)雜的，但又是相互聯(lián)系的，存在綠色沖突的根本原因就是可用資源未得到利用或者利用程度不高。解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的綠色沖突，如果僅僅是從提高某方面或者某幾方面其作用是有限的，起決定性作用是資源的利用形式和配置方式?；谝陨锨闆r，從綠色設(shè)計(jì)的本質(zhì)要求出發(fā)，將資源分析融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中以此解決綠色沖突。

一、資源分析與綠色設(shè)計(jì)

（一）資源分析

TRIZ理論中認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建需要資源，系統(tǒng)內(nèi)問(wèn)題的解決依賴資源。資源是一切可被人類開(kāi)發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息及其屬性的總稱[3]。資源是可獲得的，但是通常又以不可見(jiàn)的物質(zhì)、能量、信息用來(lái)解決問(wèn)題的一切事物及其特性。系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因都與資源有關(guān)，即物質(zhì)、能量、信息及其特性相互作用產(chǎn)生的有害功能。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要了解的屬性主要包含兩方面一物質(zhì)的屬性和功能屬性（客戶需求）。物質(zhì)的基本屬性不隨時(shí)空條件的改變而改變，如單位體積內(nèi)的原子質(zhì)量;物質(zhì)特性會(huì)根據(jù)時(shí)空條件的改變而改變，例如物質(zhì)的相態(tài)。功能屬性是屬性之間的相互作用以及相互作用之后產(chǎn)生的某種作用，其性質(zhì)并不都是有益的，對(duì)于有益的功能屬性要保持，而對(duì)于有害的功能屬性應(yīng)該避免或者轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到理想解。

在一定程度上，沒(méi)有達(dá)到理想解的系統(tǒng)，就應(yīng)該存在可用資源。資源可分為內(nèi)部資源和外部資源。內(nèi)部資源是指在;中突發(fā)生的時(shí)間、空間區(qū)域內(nèi)的資源，外部資源是指沖突發(fā)生的時(shí)間、空間區(qū)域的外部存在的資源[4]。內(nèi)部資源和外部資源又可以被劃分為直接利用資源、導(dǎo)出資源及差動(dòng)資源。當(dāng)前狀態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，可被直接利用的資源被稱為直接利用資源;不能利用的資源經(jīng)過(guò)某種轉(zhuǎn)化，成為可利用的資源被稱為導(dǎo)出資源;由于物質(zhì)或場(chǎng)的屬性差異而形成某種技術(shù)的資源被稱為差動(dòng)資源，可分為差動(dòng)物質(zhì)資源和差動(dòng)場(chǎng)資源兩類。了解資源種類為資源利用奠定基礎(chǔ)。

（二）綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)理念上的一次變革[5]。綠色設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、開(kāi)發(fā)周期和成本的同時(shí)，充分考慮產(chǎn)品的加工制造過(guò)程、使用過(guò)程乃至廢棄和回收利用過(guò)程對(duì)環(huán)境影響降到最小，使資源最大限度得到有效利用的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)理念[6]。綠色設(shè)計(jì)的目的是克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足[7]，解決人類利用資源過(guò)程中的矛盾沖突，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，綠色設(shè)計(jì)已經(jīng)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一種手段。如富士公司從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸乃至廢棄回收過(guò)程中將綠色設(shè)計(jì)思想融入其中。

在概念方案設(shè)計(jì)階段，綠色設(shè)計(jì)的目的是提高資源的可利用程度或者優(yōu)化資源配置，減少或者不產(chǎn)生廢棄物，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)流動(dòng)。資源分析提供了一種系統(tǒng)分析和利用可用資源的方法，對(duì)于解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的綠色沖突有積極的引導(dǎo)作用。創(chuàng)新就是解決系統(tǒng)內(nèi)的有害功能，并將資源合理分配和配置到系統(tǒng)相應(yīng)的位置以實(shí)現(xiàn)一定的功能。資源利用不同，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案不同[8]。設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性主要取決于資源的配置方式以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能屬性，以及解決系統(tǒng)內(nèi)有害功能屬性的程度。因此，資源分析在產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

二、基于資源分析的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型研究

（一）綠色設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)的一般流程為需求分析—概念設(shè)計(jì)——詳細(xì)設(shè)計(jì)——方案評(píng)價(jià)。綠色設(shè)計(jì)流程是將公理化設(shè)計(jì)、質(zhì)量屋法等方法融入到需求分析階段，其目的是挖掘綠色設(shè)計(jì)需求;在概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，從材料選擇、可拆卸、可裝配、可回收等方面把綠色設(shè)計(jì)原則融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中，其目的是各項(xiàng)指標(biāo)滿足綠色設(shè)計(jì)原則;從環(huán)境屬性、資源屬性、能源屬性和經(jīng)濟(jì)屬性四個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行評(píng)。其具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，該方法給出了綠色設(shè)計(jì)的判定標(biāo)準(zhǔn)，但其局限性在于沒(méi)有給出具體解決綠色沖突的方法。

（二）基于資源分析的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究方面，許多學(xué)者進(jìn)行了探索。例如，張雷，張偉偉，蔣詩(shī)新等為了提高綠色產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率，提出了一種基于TRIZ與專利分析的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[9];鮑宏，劉志峰，胡迪等將TRIZ技術(shù)沖突解決原理和環(huán)境化質(zhì)量功能配置方法相結(jié)合，提出一種應(yīng)用發(fā)明問(wèn)題解決理論的主動(dòng)再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[10]。以上研究的目的是為了找出一種適合綠色設(shè)計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)效率。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新是設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新[11]。綠色設(shè)計(jì)理念融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的理念創(chuàng)新，資源分析方法融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中是設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新。通過(guò)資源分析，挖掘系統(tǒng)內(nèi)外的可用資源，解決矛盾沖突，其最終結(jié)果是可用資源得到有效流動(dòng)。綜合其他學(xué)者對(duì)綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的探索以及綠色設(shè)計(jì)和資源分析相關(guān)理論的特點(diǎn)，提出基于資源分析的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程模型，如圖2所示。

采用該創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程的優(yōu)勢(shì)在于，綠色設(shè)計(jì)過(guò)程中的大部分綠色沖突都可以歸結(jié)為資源利用形式和配置的問(wèn)題。在概念設(shè)計(jì)階段考慮資源的利用程度和方式，有利于降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期，更重的是從系統(tǒng)角度去考慮資源的流動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理想的解。其次，為解決綠色沖突提供了有效途徑，使解決問(wèn)題的思路更加清晰。

三、案例分析

（一）需求分析和概念設(shè)計(jì)

舊青磚屬于建筑廢棄物，大量堆積，占用空間，雖然市場(chǎng)需求大，但是可直接利用的數(shù)量較少。為了保持古建筑原有面貌，需用年代久遠(yuǎn)的舊青磚，因此在一定意義上舊青磚屬于不可再生資源。存在“可用數(shù)量少”與“需求量大”，屬于典型的物理矛盾，解決物理矛盾的方式由空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離和整體與局部的分離四種方式。沖突一方要求向增加可利用舊青磚的方向發(fā)展，是符合基于條件的分離原理的解決原則，因此運(yùn)用基于條件的分離原理。

英國(guó)巴斯大學(xué)的Mann通過(guò)研究提出，解決物理沖突的分離原理與解決技術(shù)沖突的發(fā)明原理之間存在關(guān)系，如表1所示。通過(guò)表1，可以采用發(fā)明原理1、5、6、7、8、1 3、14、22、23、25、27、33、35去解決。結(jié)合實(shí)際情況，采用發(fā)明原理1一分割，其解釋如表2所示。其具體解決措施為將1日青磚切割成片，以切片的形式粘貼在墻上。

對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的切割機(jī)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，切割成品如圖3所示，因此舊青磚切割成片的方案是可行的，但是沒(méi)有是適合舊青磚切片的切割機(jī)。主要存在以下問(wèn)題：1）現(xiàn)有舊青磚由于存放時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度下降，切割過(guò)程中切片易碎，成型率低;2）切割過(guò)程中有震動(dòng)，并且切片厚度很難保持一致;3）切割過(guò)程中噪聲大，有粉塵，污染空氣和損害操作人員身體健康;4）廢物產(chǎn)生量大，不易處理?；谝陨蠁?wèn)題，對(duì)青磚切片機(jī)的需求為：1）提高成型率;2）改善操作環(huán)境的質(zhì)量;3）減少?gòu)U氣物的產(chǎn)生以及廢棄物的再利用。概念設(shè)計(jì)方案為，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以滿足以上需求。

（二）資源分析

1切割機(jī)系統(tǒng)的可利用資源分析

以某品牌多功能型材切割機(jī)為例，其外觀如圖4所示。一般砂輪切割機(jī)主要有支撐系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)組成，可以完成對(duì)塑料、木材、石材、鋼材等切割和加工。

周揚(yáng)、鄧遠(yuǎn)超、王愛(ài)群”[12]等指出資源分析可以對(duì)詳細(xì)全面地考察并列出系統(tǒng)涉及的所有資源有幫助;許波，檀潤(rùn)華，郭迪明[13]等指出在大多數(shù)產(chǎn)品系統(tǒng)中都存在充裕的可用資源，有些資源通常被認(rèn)為是無(wú)用的或者會(huì)產(chǎn)生有害的結(jié)果，而實(shí)際上可以通過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)化加以利用。因此在解決青磚切片機(jī)的矛盾問(wèn)題，資源分析將發(fā)揮重要作用。按照?qǐng)D3基于資源分析的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資源形式分析，如圖5所示。

2切割機(jī)系統(tǒng)的資源最優(yōu)配置方案

無(wú)論是有益的功能還是有害的功能，都依靠資源存在于系統(tǒng)中，不同的資源利用形式，在很大程度上決定了系統(tǒng)的功能屬性。合理的資源配置方案解決矛盾問(wèn)題的前提，是提高資源利用率，提升產(chǎn)品綠色度的有效途徑。為解決以上問(wèn)題，對(duì)常見(jiàn)的切割方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并分析各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，如表3所示。

無(wú)論是從加工質(zhì)量，還是從環(huán)保性考慮，相比其他切割方式，水刀切割是一種比較理想的切割方式。從實(shí)際加工要求出發(fā)，水刀切割分為高壓型和低壓型，一般以lOOMp為界限。lOOMp以上為高壓型，lOOMp以下為低壓型，而200MP以上為超高壓型。查閱相關(guān)資料，青磚的抗壓強(qiáng)度約為27.26Mpa，因此采用低壓型水切割方式。與傳統(tǒng)多功能切割機(jī)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：

1）可切割范圍廣J切割大部分材料，比如大理石，塑料，瓷磚等，產(chǎn)品適用范圍寬;

2）切割質(zhì)量好，切割精度高，一般通過(guò)小孔（直徑為0.05mm～0.15mm）;

3）切割過(guò)程溫度低，對(duì)被切割材質(zhì)物理性能無(wú)影響;

4）環(huán)保性，切割過(guò)程不產(chǎn)生灰塵，不汚染環(huán)境，改善操作人員的工作環(huán)境;

5）無(wú)需更換刀具或砂輪，降低維護(hù)成本。

對(duì)于切割產(chǎn)生的粉末來(lái)說(shuō)，是系統(tǒng)中未被利用的資源。系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要依靠資源，系統(tǒng)產(chǎn)生問(wèn)題的主要原因就是資源分配的不合理或者缺少相應(yīng)的資源。在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，我們可以嘗試運(yùn)用40個(gè)發(fā)明措施。掌握這些措施可以大大提高創(chuàng)新的效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，用有限的發(fā)明措施解決無(wú)限的發(fā)明問(wèn)題。通過(guò)對(duì)40個(gè)發(fā)明措施進(jìn)行思考，發(fā)現(xiàn)發(fā)明措施22（變害為益）對(duì)解決問(wèn)題具有啟發(fā)性作用，其具體解釋內(nèi)容如表4所示。

其具體解決措施，結(jié)合措施中將有害的要素相結(jié)合變?yōu)橛幸娴囊氐慕ㄗh，使用專用的黏合劑把粉末回收利用，這樣可以制作各種形狀的青磚貼片。不僅解決了廢棄物的處理問(wèn)題，增加了經(jīng)濟(jì)效益，更豐富了產(chǎn)品的類型。

（三）詳細(xì)設(shè)計(jì)

按照切割機(jī)系統(tǒng)的資源最優(yōu)配置方案以及現(xiàn)有水刀切割機(jī)的特點(diǎn)，提出適合舊青磚切片的水刀切割機(jī)，主要有水壓力循環(huán)供給裝置、夾持裝置、尺寸測(cè)量裝置、粉末回收利用裝置等組成，其機(jī)構(gòu)示意如圖6所示。

其工作過(guò)程如下：舊青磚放在固定夾板（6）和移動(dòng)夾板（7）之間，通過(guò)移動(dòng)夾板（7）的移動(dòng)來(lái)控制1日青磚的加緊程度以及左右移動(dòng);切割厚度通過(guò)移動(dòng)噴嘴（1）的位置來(lái)控制，通過(guò)刻度板（3）來(lái)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)把固定板（6）作為零刻度線，可以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)整多次切割同一厚度的效果;在切割時(shí)，噴嘴（1）固定不動(dòng)，通過(guò)前后移動(dòng)滑道（9）實(shí)現(xiàn)夾持裝置的前后移動(dòng)來(lái)帶動(dòng)舊青磚切割，切割好的青磚切片被暫放在切邊暫存版（5）上;通過(guò)前后的移動(dòng)，完成連續(xù)的切割。切割產(chǎn)生的粉末通過(guò)濾網(wǎng)暫存在水箱上方的容器內(nèi)，達(dá)到一定量時(shí)回收利用。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了舊青磚的連續(xù)切割，提高了加工效率;利用水作為介質(zhì)，減少切割道具對(duì)加工石材的壓力，提高了成型率，防止了揚(yáng)塵的產(chǎn)生，保準(zhǔn)了操作人員的健康;產(chǎn)生的廢棄物得到了有效的處理，水資源得到了循環(huán)使用，整個(gè)加工過(guò)程資源得到了有效利用，沒(méi)有廢棄的產(chǎn)生，符合綠色加工思想。

（四）方案綠色評(píng)估

綠色設(shè)計(jì)的目的是減少?gòu)U棄物產(chǎn)生甚至不產(chǎn)生廢棄物，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。系統(tǒng)發(fā)展的方向是向著提高理想度的方向不斷進(jìn)化的，獲得理想化最終結(jié)果的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該具備4個(gè)要點(diǎn)：1）保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn);2）消除了原有系統(tǒng)的不足;3）沒(méi)有使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜;4）沒(méi)有引入新的缺陷[2]。從理想化最終結(jié)果的角度考慮，該方案保持原有系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低的特點(diǎn);消除了原有系統(tǒng)中成型率低、有噪聲、有粉塵，產(chǎn)生大量廢棄粉末的不足;用壓力泵提供高壓水進(jìn)行切割的方式代替電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的方式，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，沒(méi)有使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜;整個(gè)過(guò)程中，水箱中的水是循環(huán)利用的，產(chǎn)生的廢棄物得到了完全利用，因此沒(méi)有引入新的缺陷。

提高系統(tǒng)的的理想度是技術(shù)創(chuàng)新的目標(biāo)，綠色設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)資源的全部有效利用，即達(dá)到理想度為1。理想的系統(tǒng)是目標(biāo)，但不能完全實(shí)現(xiàn)。根據(jù)公式1，要想提高系統(tǒng)的理想度，有4個(gè)策略：1）增加有用功能數(shù)量，同時(shí)減小有害功能數(shù)量和成本數(shù)量之和，該策略是最佳改進(jìn);2）有用功能數(shù)量不便，減少有害功能數(shù)量和成本數(shù)量之和;3）有害功能數(shù)量和成本數(shù)量之和保持不便，增大有用功能數(shù)量;4）同時(shí)增大有用功能數(shù)量、有害功能數(shù)量和成本數(shù)量，但有用功能數(shù)量增速低于有害功能數(shù)量和成本數(shù)量之和的增速。

此系統(tǒng)的變化趨勢(shì)為提高切片成型率（即增加有用功能數(shù)量），減少揚(yáng)塵產(chǎn)生和震動(dòng)等（即減少有害功能數(shù)量），對(duì)切割粉末的回收提高利用率（即減少成本）。此變化過(guò)程如公式2所示，因此該系統(tǒng)的理想度是提高的，而且符合增加有用功能數(shù)量，同時(shí)減小有害功能數(shù)量和成本數(shù)量之和的最佳改進(jìn)策略。因此該方案滿足要求，為最終設(shè)計(jì)方案。

總結(jié)

本研究從資源分析的角度去考慮如何解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的矛盾問(wèn)題，通過(guò)資源分析方法分析系統(tǒng)內(nèi)資源的配置問(wèn)題，利用不同種類的資源相互作用解決功能屬性問(wèn)題。將綠色設(shè)計(jì)與資源分析相結(jié)合，利用綠色設(shè)計(jì)理念作為資源相互作用產(chǎn)生結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加規(guī)范，同時(shí)也提供了解決問(wèn)題的思路和方法，豐富了綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。以青磚切片機(jī)的設(shè)計(jì)為實(shí)際案例，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)流程的可行性。最終結(jié)果表明，解決了廢棄舊青磚的資源化利用問(wèn)題，同時(shí)滿足了加工過(guò)程的綠色標(biāo)準(zhǔn)。.

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