基于TRIZ理論的高層樓宇逃生梯創(chuàng)新設(shè)計(jì)

杜明強(qiáng),孫亮波,袁 鵬,楊 毅,王小雄

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和人們生活水平的提高，高層和超高層建筑不斷增多，高層建筑火災(zāi)事故的數(shù)量也呈上升趨勢。然而，我國針對高層建筑的火災(zāi)急救措施與高樓發(fā)展比例嚴(yán)重失衡，現(xiàn)有的高樓火災(zāi)救援手段不能完全適應(yīng)高樓的建設(shè)發(fā)展[1]。通過市場調(diào)研，對國內(nèi)高樓現(xiàn)有消防逃生裝置進(jìn)行深入的對比分析和研究可知，現(xiàn)有產(chǎn)品存在4個(gè)主要缺點(diǎn)：1)部分設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作專業(yè)化程度高，不適用于老人和兒童；2)不能與高樓整體設(shè)計(jì)合為一體從而占據(jù)樓內(nèi)樓外空間，阻礙通行和破壞樓體整體美觀；3)長久處于閑置狀態(tài)，物件的使用率極低；4)部分裝置的安裝和維護(hù)成本較高，不具有較好的市場前景。

基于以上對市場現(xiàn)有部分逃生裝置的性能分析，本文采用TRIZ理論解決現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)沖突，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于高層和超高層火災(zāi)逃生及疏散場合的新型逃生裝置。

1 基于TRIZ的新型高層樓宇逃生梯的方案設(shè)計(jì)

發(fā)明問題解決理論TRIZ[2-3]被認(rèn)為是目前最全面、系統(tǒng)地論述發(fā)明創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論。TRIZ創(chuàng)新原則的核心就是解決技術(shù)系統(tǒng)中存在的矛盾沖突，運(yùn)用這一理論，可極大地加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，并能夠得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。針對我國高層建筑的火災(zāi)急救設(shè)施與高樓發(fā)展比例嚴(yán)重失衡問題，本文基于TRIZ理論進(jìn)行了創(chuàng)新性方案設(shè)計(jì)、論證與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種新型高層樓宇逃生梯的設(shè)計(jì)方案。

1.1 確定技術(shù)矛盾

現(xiàn)有的高樓逃生裝置與高樓整體景觀的相容性較差，操作專業(yè)化程度高，且逃生效率較低，不適用于人員密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層或超高層建筑。為了解決此類逃生裝置的形狀和操作流程的方便性與逃生效率的矛盾，在不破壞實(shí)際功能的情況下對現(xiàn)有逃生裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加其自身“魅力”。同時(shí)考慮到未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大型消防逃生設(shè)備閑置時(shí)間較長，浪費(fèi)資源，且保養(yǎng)維護(hù)成本較高，缺乏實(shí)用性。因此，設(shè)計(jì)一種能與高層建筑相契合，既能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員的集體逃生，又能不破壞建筑整體美觀的可折疊式高層樓宇逃生裝置顯得尤為重要。

基于TRIZ理論的技術(shù)沖突解決原理分析現(xiàn)存的技術(shù)矛盾，技術(shù)沖突分析結(jié)果見表1。

表1 技術(shù)矛盾分析參數(shù)

1.2 運(yùn)用發(fā)明原理

基于上述問題分析，本文確定了現(xiàn)有高樓逃生裝置的技術(shù)矛盾。表2所示為通過阿奇舒勒矛盾矩陣查找到的對應(yīng)的發(fā)明原理。

表2 阿奇舒勒矛盾矩陣(局部)

在矛盾矩陣中有多項(xiàng)發(fā)明原理可供選擇，通過對實(shí)際問題以及一些工程案例的分析，本方案采用的發(fā)明原理為：15—?jiǎng)討B(tài)原理、1—分割原理、17—多維原理和3—局部質(zhì)量原理。

選定的各項(xiàng)發(fā)明原理說明如下：

15—?jiǎng)討B(tài)原理：通過運(yùn)動(dòng)或柔性等處理，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

1—分割原理：將整體切分，增加物體的分割程度。

17—多維原理：通過改變系統(tǒng)的維度來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3—局部質(zhì)量原理：指在物體的特定區(qū)域改變其特征，從而獲得必要的特性[2]。

根據(jù)上述發(fā)明原理的解釋并結(jié)合具體情況分析，該設(shè)計(jì)獲得如下解決方案：

1)根據(jù)動(dòng)態(tài)原理，新型高層消防逃生梯分成彼此相對移動(dòng)的幾個(gè)部分，上、下梯架可沿梯架中軸線進(jìn)行折疊伸張，當(dāng)裝置閑置時(shí)，梯架可與樓體外層墻貼合從而減小空間占用，保證了樓體的整體美觀性。

2)根據(jù)分割原理，采用多級踏板替代滑道，未工作狀態(tài)下，該逃生梯貼合墻體呈窗戶形態(tài)，可輔助建筑采光和通風(fēng)。

3)根據(jù)多維原理，選用滑輪組代替復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，逃生人員手搖絞盤通過牽引繩將二維平面運(yùn)動(dòng)過渡到梯架的三維空間運(yùn)動(dòng)，提高了裝置操作流程的簡便性。

4)根據(jù)局部質(zhì)量原理，為了使逃生人員能更加方便快捷地逃生，改變上梯架最后一級踏板的特征，使其具備可沿上梯架上滑翻轉(zhuǎn)的特性，增大逃生人員在梯架轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)體空間。

1.3 設(shè)計(jì)方案的確定

根據(jù)上述確定的發(fā)明原理提供的問題解決思路，結(jié)合實(shí)際情況，本文提出的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1—下消防逃生口；2—上消防逃生口；3—水平踏板；4—左右牽引繩；5—梯架；6—左右護(hù)欄圖1 逃生梯工作狀態(tài)示意圖(樓層數(shù)n=3)

該高層樓宇消防逃生梯以窗架為載體，與高樓墻體合為一體設(shè)計(jì)，主要包括設(shè)于樓層外墻的上、下消防逃生口及上、下消防逃生梯。上消防逃生梯的下端與下消防逃生梯的上端相互鉸連，下消防逃生梯的下端鉸裝在下消防逃生口的底部，上消防逃生梯的上端可上、下滑動(dòng)于上消防逃生口兩側(cè)的滑道。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，上消防逃生梯迅速沿窗柵下滑向外形成三角支撐的上、下消防逃生梯并同時(shí)打開上、下消防逃生口,從而構(gòu)成上、下樓層間的逃生通道，原窗戶玻璃在鋼纜帶動(dòng)下形成逃生梯的多級踏板。上、下消防逃生口在外墻上豎向設(shè)置為兩排，并且上、下消防逃生樓梯于不同層級的上、下消防逃生口錯(cuò)位設(shè)置，高層逃生人員于此可根據(jù)實(shí)際情況選擇繼續(xù)逃生梯逃生或其他方式逃生，有效避開危險(xiǎn)樓層，同時(shí)給予逃生人員不同逃生路徑，有效地提高了逃生效率，避免更大傷亡的發(fā)生。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 窗架變形為逃生梯

未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，逃生裝置呈窗戶的閉合狀態(tài)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，住戶啟動(dòng)絞盤，搖動(dòng)手柄2使雙鋼纜4轉(zhuǎn)出并經(jīng)由滑輪組3減小阻力及改變方向，使得窗柵在重力作用下帶動(dòng)纜繩迅速豎直向下運(yùn)動(dòng)[4]，原底部窗檐沿水平方向向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)各級鋼化玻璃被帶動(dòng)呈水平狀轉(zhuǎn)出梯架外形成階梯踏板。同時(shí)考慮人機(jī)工程學(xué)原理，踏板長寬比可設(shè)定為80∶50，如此可以避免梯架通道過寬造成的人員擁堵或過窄造成的通行不暢。

當(dāng)絞盤啟動(dòng)使梯架到達(dá)最大轉(zhuǎn)角后會(huì)觸發(fā)行程開關(guān)從而開啟整樓的報(bào)警裝置，報(bào)警裝置會(huì)在第一時(shí)間向相關(guān)人員請求幫助。絞盤卡死機(jī)構(gòu)采用翻轉(zhuǎn)卡死方式，使用時(shí)將手柄2翻轉(zhuǎn)使手柄上銷釘脫離卡槽孔1，逃生梯展開后將手柄復(fù)原銷釘插入中央卡槽孔1防止絞盤反轉(zhuǎn)。收卷裝置及絞盤三維線框圖如圖2及圖3所示。

1—絞盤；2—鋼纜；3—滑輪組；4—上消防逃生口圖2 收卷裝置結(jié)構(gòu)

1—卡槽孔；2—旋轉(zhuǎn)手柄；3—轉(zhuǎn)盤底座；4—鋼纜繩；5—轉(zhuǎn)盤盒圖3 絞盤

2.2 逃生梯限位固定及護(hù)欄變換

逃生梯展開后，實(shí)現(xiàn)它的高度穩(wěn)定性至關(guān)重要。該裝置利用三角形的穩(wěn)定性原則，使上、下消防逃生梯通過中軸鉸鏈連接并與外墻形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，確保人員上去后逃生梯不會(huì)變形和晃動(dòng)。滑槽3采用復(fù)合滑槽，內(nèi)外滑槽的限位點(diǎn)不同，從而使活動(dòng)連桿1展開后與扇架2、窗架4得以形成新三角形進(jìn)一步提高逃生梯的穩(wěn)定性。梯架連接件采用合金鋼材料，經(jīng)有限元分析得梯架各銜接點(diǎn)處最大受力約5.7×108N/m2，小于屈服力6.204×108N/m2，故能有效保障逃生人員的安全。上消防逃生梯架固定結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—連桿；2—扇架；3—滑槽；4—窗架圖4 梯架固定結(jié)構(gòu)

在梯架處增設(shè)可折疊式護(hù)欄，并采用了如圖5所示的卡死機(jī)構(gòu)，其由支撐軸1、開關(guān)2、防滑槽3及齒輪槽4組成，實(shí)現(xiàn)護(hù)欄的快速回收和展開。在逃生梯展開后，逃生人員用手按下鎖死開關(guān)2，使開關(guān)從齒輪槽4內(nèi)彈出，然后向前推出兩旁的護(hù)欄，扶手完全打開后松手，鎖死開關(guān)2彈起使插頭插入另一級齒槽達(dá)到鎖死狀態(tài)，防止人員逃離時(shí)護(hù)欄發(fā)生移動(dòng)。該處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為逃生人員提供了一個(gè)可靠的扶手，可幫助老年人等快速撤離火災(zāi)現(xiàn)場。

1—支撐軸；2—開關(guān)；3—防滑槽；4—齒輪槽；5—扶手圖5 護(hù)欄卡死機(jī)構(gòu)

2.3 逃生梯的轉(zhuǎn)角和各層銜接

逃生梯在樓層之間存在轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角是逃生梯最關(guān)鍵的一部分，為了減少逃生梯占用的空間和準(zhǔn)確收放，該裝置采用直接轉(zhuǎn)換而非錯(cuò)位轉(zhuǎn)換，為此在上消防逃生梯的最后一個(gè)踏板處采用交錯(cuò)滑槽活動(dòng)式連接，如圖6所示。

1—滑軌；2—活動(dòng)踏板；3—滑槽；4—滑軌釘圖6 逃生梯轉(zhuǎn)角踏板

當(dāng)人處于轉(zhuǎn)角平臺(tái)時(shí)可將活動(dòng)踏板2推起，踏板在交錯(cuò)滑軌引導(dǎo)下沿固定扇架滑軌向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生足夠的空間從而讓人能夠彎腰進(jìn)入到下消防逃生梯，之后活動(dòng)踏板2依靠重力還原等待下一人員逃離。前一位逃生人員進(jìn)入下一樓層時(shí)，下層逃生梯已經(jīng)打開，逃生人員只需要手動(dòng)拉起護(hù)欄即可繼續(xù)逃離。由于該逃生梯轉(zhuǎn)角處遠(yuǎn)離建筑，在遇到火勢較大無法安全通過時(shí)，逃生人員可以待在逃生梯的轉(zhuǎn)角休息平臺(tái)處等待消防人員的救援。

3 結(jié)束語

筆者經(jīng)市場調(diào)查研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款新型高層火災(zāi)逃生裝置(已獲專利號：201710151195.3)。該產(chǎn)品與市場已有產(chǎn)品相比具有以下特點(diǎn)：

1)該產(chǎn)品設(shè)置于高層樓宇的外墻體上，與窗架合為一體設(shè)計(jì)，不占用樓體空間。作為消防逃生通道使用時(shí)，逃生梯展開迅速，并能將各樓層間的逃生路線聯(lián)系起來，為受困人員提供一套全新的逃生路徑，實(shí)現(xiàn)方便、快速逃生。

2)產(chǎn)品采用的絞盤雙線收放方式使得三角式消防梯能夠快速展開，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)確保踏板隨梯架同時(shí)復(fù)位，并且絞盤內(nèi)設(shè)有卡死機(jī)構(gòu)保證消防梯固定，降低了裝置操作的復(fù)雜性，適于各類人群使用。

3)該產(chǎn)品適用于各類高層建筑，其可沿高樓橫縱雙向進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足不同高度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑，具有較好的市場推廣和使用價(jià)值。