基于TRIZ理論的高樓外墻保溫施工設(shè)備的設(shè)計*

李 航, 袁 遠(yuǎn), 李煒倫

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010051)

0 引 言

在建筑施工過程中，外墻保溫是其中的重要環(huán)節(jié)，它不僅有利于房屋的保暖還具有節(jié)能環(huán)保的作用[1-2]。外墻保溫施工技術(shù)分為多種[3]，其中，外墻保溫的外掛式保溫技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，該技術(shù)是以聚苯板、巖棉、玻璃棉氈等作為保溫材料，通過鋪貼網(wǎng)格布、抹灰固定于外墻表面。由于其工藝繁瑣與工況復(fù)雜，現(xiàn)階段主要通過工人乘載吊籃方式進(jìn)行施工操作，施工速度慢、效率低并且存在安全隱患。如果能設(shè)計一款代替人工鋪網(wǎng)、抹灰等操作的施工設(shè)備，可有效緩解工人施工壓力，提升施工效率。

雖然現(xiàn)階段還很少有關(guān)于外墻保溫施工設(shè)備的研究，但建筑物墻體抹灰設(shè)備得到了一定的推廣與使用。國內(nèi)外學(xué)者相繼設(shè)計了螺旋扇葉狀抹灰的手持型抹灰機(jī)[4]；設(shè)計了聯(lián)動裝置，集成了抹灰過程的盛灰、抹灰、抹平、壓實等工序[5]；結(jié)合傳感技術(shù)，設(shè)計了對墻體陰角實施抹灰作業(yè)的無死角半自動抹灰機(jī)[6]；以及對現(xiàn)有建筑施工設(shè)備進(jìn)行仿真、優(yōu)化設(shè)計、可靠性分析等研究[7]。上述研究設(shè)計可以為外墻保溫設(shè)備的研發(fā)提供借鑒指導(dǎo)。工程實地探查的情況為：高樓外墻有陽臺、腰線等障礙；采用聚苯板作為保溫材料時，脆性大易損壞；鋪網(wǎng)與抹灰同步進(jìn)行。因此對如何實現(xiàn)高質(zhì)量抹灰和施工設(shè)備其他功能提出了更高的要求。筆者擬運用TRIZ理論的“因果鏈分析”找到根本原因，同時借助“沖突矩陣”解決外墻保溫施工設(shè)備設(shè)計的根本問題，為后續(xù)設(shè)備制造研發(fā)，提供理論依據(jù)。

1 基于TRIZ理論的方案分析

1.1 TRIZ理論簡述

TRIZ理論(即“發(fā)明問題解決辦法”)是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇.阿奇舒勒帶領(lǐng)一批學(xué)者對200多萬專利文獻(xiàn)加以收集、研究、整理、歸納、提煉，建立的一整套解決問題的理論、方法和體系[8]。包含了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，最終理想解，40個發(fā)明原理，39個工程參數(shù)與矛盾矩陣，物理矛盾的分離原理，物-場模型，標(biāo)準(zhǔn)解法，發(fā)明問題的解決算法，科學(xué)效應(yīng)和知識庫。合理使用上述原理可加快發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程，實現(xiàn)產(chǎn)品整個生命周期的創(chuàng)新與優(yōu)化。

1.2 因果鏈分析

因果鏈分析是辨識解析工程系統(tǒng)關(guān)鍵原因的分析手段[9]，它是通過建立因果鏈的缺陷而完成的，將目標(biāo)問題和關(guān)鍵問題聯(lián)系起來。根據(jù)關(guān)鍵原因提取關(guān)鍵問題，針對關(guān)鍵問題提出初始解決方案的假設(shè)，或者將關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化成技術(shù)矛盾、物理矛盾等工具進(jìn)行解決。外墻保溫施工問題因果鏈分析如圖1所示。

圖1 因果鏈分析

根據(jù)因果分析模型可知，制約外墻保溫施工自動化的主要原因可以分為人員、機(jī)械、環(huán)境三個方面?？偨Y(jié)如下：①室外施工環(huán)境不同于室內(nèi)，對于工人體力消耗更大，且施工過程存在安全隱患；②滑軌式升降方式具有穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，但是受限于安裝與拆卸，無法應(yīng)用于外墻，鋼纜升降廣泛應(yīng)用于室外施工，但是穩(wěn)定性較差；③外墻保溫施工過程中，鋪貼網(wǎng)格布與抹灰同時進(jìn)行，鋪網(wǎng)之前還需進(jìn)行預(yù)抹灰操作，制約了現(xiàn)階段抹灰設(shè)備的使用；④聚苯板質(zhì)脆，激振壓實等抹灰方式容易損壞聚苯板。

1.3 沖突矩陣分析

沖突矩陣[10]是指一個作用同時導(dǎo)致有用及有害的兩種結(jié)果，TRIZ理論將39個工程參數(shù)與40個發(fā)明原理以及它們所對應(yīng)的關(guān)系組成矛盾矩陣，當(dāng)改善參數(shù)和惡化參數(shù)不同時，定義為技術(shù)矛盾，使用矩陣中推薦的發(fā)明原理解決問題，當(dāng)改善參數(shù)和惡化參數(shù)相同時，定義為物理矛盾，可通過4大分離原理進(jìn)行解決[11]。

通過因果鏈分析，結(jié)合TRIZ理論中的39個工程參數(shù)可以得出該系統(tǒng)的矛盾沖突。本設(shè)備以降低工人勞動強度、提高生產(chǎn)效率、增加施工過程安全性為設(shè)計宗旨，對應(yīng)的工程參數(shù)分別為自動化程度、生產(chǎn)率、穩(wěn)定性，但是需要用復(fù)雜的機(jī)構(gòu)代替人工操作，系統(tǒng)較為復(fù)雜；設(shè)備進(jìn)行抹灰操作時，不能破壞聚苯板，即需通過改變抹灰機(jī)構(gòu)的形狀來改善聚苯板受力情況；設(shè)備具備鋪貼網(wǎng)格布、抹灰壓實等功能，使得設(shè)備的體積很大，導(dǎo)致設(shè)備安裝、運輸起來不方便，所以減小設(shè)備的體積是設(shè)計過程重要環(huán)節(jié)，但是某些部件可能因減小體積導(dǎo)致可靠性降低；設(shè)備不但要對平整工作面進(jìn)行施工，還需要能夠躲避樓體的腰線、陽臺等障礙物，但是會增加操作者的操作難度。根據(jù)分析得到改善/惡化的參數(shù)，得到?jīng)_突矩陣，如表1所列。

表1 沖突矩陣

利用矛盾矩陣提供的發(fā)明原理，并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，最終篩選發(fā)明原理2(抽取原理)、10(預(yù)先作用原理)、14(曲面化原理)、15(動態(tài)化原理)、24(借助中介物原理)、35(物理或化學(xué)參數(shù)改變原理)作為解決外墻保溫施工問題的指導(dǎo)思路。根據(jù)選用發(fā)明原理的釋義，并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗、生產(chǎn)難度，得到解決方案，如表2所列。

表2 發(fā)明原理分析與應(yīng)用

2 施工設(shè)備關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 抹灰壓實機(jī)構(gòu)設(shè)計

抹灰壓實部件主要完成外墻保溫施工過程中的抹灰、壓實及刮平操作，為了保證抹灰部件出料均勻且不損壞聚苯板，文中采用原理14(曲面化原理)設(shè)計錐形螺桿與扇葉狀抹灰頭，螺桿前部與抹灰扇葉固定連接，螺桿尾部與扇葉外殼通過硅膠墊片緊密配合，使出料管、扇葉外殼形成密閉管路，由電機(jī)帶動齒輪組提供動力，抹灰漿料由螺桿擠壓至抹灰扇葉，進(jìn)而涂抹至墻面。采用原理35(物理或化學(xué)參數(shù)改變原理)改變抹灰扇葉的物理參數(shù)，由單扇葉抹灰變?yōu)槿齻€抹灰扇葉，扇葉呈平行分布，提高了抹灰效率，扇葉下方設(shè)置壓實輥子與刮板，伴隨設(shè)備提升，完成壓實與刮平操作。抹灰壓實機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抹灰壓實機(jī)構(gòu)圖1.儲料器 2.輸料管 3.硅膠墊片 4.擠壓螺桿 5.壓實輥子 6.螺桿外殼 7.螺桿 8.刮板 9.齒輪傳動

2.2 鋪貼網(wǎng)格布機(jī)構(gòu)設(shè)計

外墻保溫施工過程中，為增加網(wǎng)格布與聚苯板之間的抗拉強度，鋪網(wǎng)之前需要進(jìn)行預(yù)抹灰操作，即在聚苯板上涂抹一層膠漿。文中采用原理24(借助中介物原理)以傳動軸與鏈傳動作為中介物，網(wǎng)格布卷筒通過彈性卡夾固定在傳動軸上，施工前將網(wǎng)格布自由端固定于墻面，隨著設(shè)備提升，網(wǎng)格布鋪貼于保溫板。通過傳動軸將鋪貼網(wǎng)格布時產(chǎn)生的拉力轉(zhuǎn)化為扭矩傳遞至鏈輪，鏈傳動使預(yù)抹灰滾筒轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)鋪網(wǎng)與預(yù)抹灰聯(lián)動。預(yù)抹灰滾筒的設(shè)計運用原理2(抽取原理)，以外墻水泥拉毛滾筒為研究對象，內(nèi)部設(shè)置成空腔，空腔與滾筒外壁之間設(shè)置有出料小孔，利用螺旋擠壓原理，漿料由輸料管運輸至滾筒空腔，進(jìn)而通過纖維毛涂抹于聚苯板。鋪貼網(wǎng)格布機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.3 移動與升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計

設(shè)備要高樓外墻施工操作，需要完成升降、橫向移動以及避障等操作，所以整個機(jī)構(gòu)分為升降部分與水平移動部分。水平移動部分運用原理15(動態(tài)化原理)進(jìn)行設(shè)計，將傳統(tǒng)的固定式支架設(shè)計為小車結(jié)構(gòu)，軌道與施工墻面平行布置，小車安裝在軌道上，并且利用護(hù)欄防止小車側(cè)翻。

施工設(shè)備完成一個工作面時，電機(jī)驅(qū)動絲杠使小車沿軌道移動，對下一個工作面進(jìn)行施工。當(dāng)施工設(shè)備上傳感器接收到障礙的信號時，液壓缸調(diào)節(jié)滑塊位置，使其遠(yuǎn)離墻面從而完成避障操作。升降采用爬繩輪與鋼纜配合的升降方式，但是鋼纜升降存在穩(wěn)定性較差等缺陷，文中采用原理10(預(yù)先作用原理)在鋼纜與移動滑塊的連接處增加緊固器裝置，對升降鋼纜進(jìn)行預(yù)緊處理，增加設(shè)備運行的穩(wěn)定性。移動與升降機(jī)構(gòu)如圖4所示。

3 外墻保溫施工設(shè)備設(shè)計最終方案

通過對上述設(shè)計方案的整合，設(shè)計高樓外墻保溫施工設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 外墻保溫施工設(shè)備結(jié)構(gòu)圖1.鋪貼網(wǎng)格布機(jī)構(gòu) 2.網(wǎng)格布 3.抹灰機(jī)構(gòu) 4.廢料收集槽 5.投料口 6.超聲波傳感器 7.激光測距傳感器 8.爬繩輪 9.限速器

整個設(shè)備包括箱體，箱體的上側(cè)設(shè)置有投料口，內(nèi)部安裝有制動電機(jī)與控制器；箱體的施工面依次分布有鋪貼網(wǎng)格布部分、抹灰壓平部分、廢料收集槽；箱體的側(cè)部設(shè)置爬繩輪與限速器，升降鋼纜纏繞在爬繩輪與限速器上，平移機(jī)構(gòu)共兩個，分別安裝于高樓上下兩端，鋼纜通過緊固器連接于平移機(jī)構(gòu)。

外墻保溫施工時，鋪貼網(wǎng)格布結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)抹灰操作，將網(wǎng)格布鋪貼于聚苯板上；出料電機(jī)驅(qū)動擠壓螺桿旋轉(zhuǎn)，漿料被擠壓到抹灰扇葉側(cè)部，螺桿與抹灰扇葉同軸，扇葉旋轉(zhuǎn)將漿料涂抹于網(wǎng)格布上；利用抹灰扇葉下方設(shè)置的壓實輥子與刮板抹平漿料，多余的漿料掉落于廢料收集槽，從而完成鋪貼網(wǎng)格布、抹灰壓實過程。

設(shè)備的移動裝置分為平移機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)，制動電機(jī)通過主軸驅(qū)動爬繩輪在鋼纜上轉(zhuǎn)動，設(shè)備運行時，當(dāng)激光測距傳感器與超聲波傳感器檢測到上方有障礙時，控制器調(diào)節(jié)移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行避障，避障的同時控制器關(guān)閉出料電機(jī)，停止供料。設(shè)備完成一個單位施工面積時，觸動平移按鈕，使設(shè)備平移，進(jìn)行下一個單位面積鋪網(wǎng)抹灰。

4 可行性分析

通過對國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)了解與外墻保溫施工設(shè)備的最終設(shè)計方案的分析，完成了設(shè)備主體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)的計算：機(jī)械總重(含漿料)：400 kg，抹灰寬度：800nmm(n為正整數(shù))，主軸直徑：50 mm，制動電機(jī)額定功率：3 kW，制動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：960 r/min。最后利用SolidWorks對施工設(shè)備進(jìn)行建模。三維模型如圖6所示。

圖6 外墻保溫施工設(shè)備三維模型

利用運動仿真模擬了施工設(shè)備升降、鋪貼網(wǎng)格布、抹灰、壓實刮平等操作過程，并且對關(guān)鍵零部件齒輪、軸等進(jìn)行了強度、剛度校核，外墻保溫施工設(shè)備均滿足要求。

上述高樓外墻保溫施工設(shè)備相對其他相似產(chǎn)品具備以下創(chuàng)新點：①采用螺桿擠壓出料結(jié)構(gòu)，出料穩(wěn)定，扇葉設(shè)計有效防止旋轉(zhuǎn)時破壞聚苯板；②結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，功能完善，易于操作與維護(hù)；③升降系統(tǒng)安裝有緊固裝置，穩(wěn)定性高，結(jié)合傳感技術(shù)，可完成自動避障，有效克服外墻保溫工況復(fù)雜等因素的影響，提高了施工效率，降低工人的勞動強度。

5 結(jié) 語

文中基于TRIZ理論對外墻保溫施工現(xiàn)狀進(jìn)行了因果鏈分析，找到制約外墻保溫自動化施工的根本問題，最后利用沖突矩陣對設(shè)備的關(guān)鍵件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，最終確定了設(shè)計方案。通過運動仿真分析，外墻保溫施工設(shè)備可完成鋪貼網(wǎng)格布、抹灰、壓實刮平以及避障等功能，實現(xiàn)高層樓體的施工操作，對促進(jìn)保溫行業(yè)發(fā)展具有重要意義。