基于CMF的高層消防無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)研究

王曉娜 王澤陽(yáng) 孫赫

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的快速擴(kuò)張，城市中心街區(qū)的建筑日漸朝著高層、大型化、多功能、地下化的方向發(fā)展。同時(shí)新興的建筑材料與技術(shù)不斷更新升級(jí)，雖然為城市中的居民提供了更好的工作和辦公場(chǎng)所，但是高層建筑消防和滅火等工作愈加困難。針對(duì)高層消防問(wèn)題，文章運(yùn)用CMF設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)以無(wú)人機(jī)為載體、以動(dòng)態(tài)消防炮為噴射裝置的消防無(wú)人機(jī)。滅火的高效性和人員的安全性是本次設(shè)計(jì)的主要考慮因素，基于本次設(shè)計(jì)的主要目的，充分分析高層建筑消防救援的主要問(wèn)題，旨在設(shè)計(jì)出一款能夠在消防救援中發(fā)揮巨大作用的高層建筑消防產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：CMF；高層建筑；消防；無(wú)人機(jī)

中圖分類號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2022）20-0-04

0 引言

高層建筑內(nèi)部存在裝飾材料可燃物較多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員聚集及疏散逃生等專業(yè)技術(shù)知識(shí)普及率較低等問(wèn)題，而高層建筑外部道路資源短缺、空間有限且往往被其他資源占用，一旦高層建筑發(fā)生火災(zāi)，不能及時(shí)進(jìn)行撲救，將會(huì)對(duì)整個(gè)社會(huì)與居民的生命安全造成巨大損失。目前高層建筑的火災(zāi)撲救工作已成為一個(gè)具有社會(huì)意義的難題。高層建筑主要是指建筑高度大于27米的住宅建筑和建筑高度大于24米的非單層廠房、倉(cāng)庫(kù)和其他民用建筑。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)各類城市中高層建筑的數(shù)量不斷增多，這在很大程度上增強(qiáng)了火災(zāi)的危險(xiǎn)性。

1 CMF設(shè)計(jì)概念

CMF是指色彩、材料和表面處理工藝，是工業(yè)設(shè)計(jì)中必不可少的流程。CMF設(shè)計(jì)是一種結(jié)合了材料學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)、心理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的新興專業(yè)學(xué)科，專注于產(chǎn)品色彩的搭配和確定、材料的選取與應(yīng)用、表面裝飾與工藝，以此來(lái)支持產(chǎn)品的功能屬性與情感屬性。它是一個(gè)與產(chǎn)品的物理和技術(shù)設(shè)計(jì)并行的整體設(shè)計(jì)過(guò)程，只有將產(chǎn)品功能與視覺(jué)美感進(jìn)行結(jié)合，才能創(chuàng)造絕佳的用戶體驗(yàn)。

1.1 色彩

產(chǎn)品的色彩能夠給用戶帶來(lái)最直觀的感受，顧客對(duì)商業(yè)產(chǎn)品形成看法大約需要90秒，90%的視覺(jué)時(shí)間直接受到色彩變化的影響。色彩是任何一個(gè)設(shè)計(jì)師的許多工具中不可缺少的表達(dá)手段，涵蓋了色彩的心理。它是設(shè)計(jì)中影響用戶情感和視覺(jué)能力的主要因素，包括外在感受和內(nèi)在感受，即色彩具有物理和心理兩種屬性。色彩給人的外在感受是指顏色的色相、明度和純度，使人直觀地感受到產(chǎn)品的空間感，色彩的冷暖、興奮與溫和等不同的情感語(yǔ)義則給人帶來(lái)不同的心理感受。

1.2 表面處理工藝

表面工藝的處理是CMF設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品表面的色澤、紋理賦予了產(chǎn)品質(zhì)感，呈現(xiàn)出工藝與美學(xué)并行的設(shè)計(jì)感。

1.3 材質(zhì)

產(chǎn)品的材質(zhì)是色彩與表面處理工藝的載體，材質(zhì)的選取不僅要符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，而且與色彩和表面工藝進(jìn)行搭配會(huì)使產(chǎn)品更有視覺(jué)沖擊力。

2 消防救援產(chǎn)品現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的消防設(shè)備已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但大部分消防裝備還處于開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)階段，尚未移交給消防部門?，F(xiàn)有新型消防設(shè)備總結(jié)為以下三種。

2.1 高壓消防炮滅火系統(tǒng)

載有高壓水炮的消防車（見(jiàn)圖1）具有裝載量大的優(yōu)點(diǎn)，可以在不進(jìn)入火場(chǎng)的情況下在外圍進(jìn)行滅火，但它的極限消防高度不足50米，面對(duì)高于15層的建筑無(wú)法有效滅火。

2.2 消防直升機(jī)

消防直升機(jī)（見(jiàn)圖2）具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、裝載量大等特征。除了可以進(jìn)行消防作業(yè)外，消防直升機(jī)還可以迅速向現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)送救援人員和救援物資。消防直升機(jī)除了可以作為上空的消防裝置之外，還可以作為國(guó)防部隊(duì)裝備，應(yīng)用于反恐行動(dòng)、鎮(zhèn)壓犯罪集團(tuán)和掩護(hù)部隊(duì)人員力量等。

2.3 四旋翼消防無(wú)人機(jī)

四旋翼消防無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖3）具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。四旋翼消防無(wú)人機(jī)通常裝備15～25公斤的藥物，飛行高度最大可達(dá)3000米，7級(jí)強(qiáng)風(fēng)以下平穩(wěn)飛行時(shí)間可以保持45分鐘以上。所持的滅火藥大約30秒就可以熄滅100立方米左右的大火。四旋翼消防無(wú)人機(jī)可以在早期及后期監(jiān)控、控制高樓大廈初期、中期的火災(zāi)狀況并迅速撲滅，但火勢(shì)較大的情況下它的消防效果明顯不足［1］。

3 消防問(wèn)題概述

3.1 目前高層建筑消防存在的問(wèn)題

雖然如今固定消防系統(tǒng)不斷更新迭代，但其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于城市化進(jìn)程和高水平消防救援工作的需要。同時(shí)，高層建筑中有許多固定設(shè)施，而完好率不高，直接導(dǎo)致消防救援隊(duì)伍無(wú)法了解建筑物內(nèi)部的具體情況，無(wú)法充分利用現(xiàn)有的固定結(jié)構(gòu)發(fā)揮更好的效果。雖然大部分城市的高層建筑都設(shè)置了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等自動(dòng)消防設(shè)施，但由于完好率不高、操作人員水平有限，在現(xiàn)實(shí)操作中很難達(dá)到預(yù)期的效果，甚至影響消防救援隊(duì)伍的滅火消防救援工作，增加火災(zāi)的危險(xiǎn)性及損失［2］。

3.2 防火滅火的基本原理及主要措施

我國(guó)的消防工作可以分為“消”和“防”，這也是實(shí)施消防安全措施的重要手段?！胺馈笔恰跋钡那疤?，“消”（見(jiàn)表1）為“防”（見(jiàn)表2）的發(fā)展提供了附加條件。

4 CMF無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

隨著科技的進(jìn)步，人類自古就有的“征服天空”的精神被貫徹到建筑學(xué)上。自摩天大樓誕生以來(lái)，人類就在努力與其斗爭(zhēng)。但隨著樓層的提高，傳統(tǒng)滅火手段的效果逐漸減弱，常見(jiàn)的云梯車受到結(jié)構(gòu)、通行性等方面的阻礙，無(wú)法跟上高樓“增高”的步伐。傳統(tǒng)的消防水管受到水管長(zhǎng)度、水壓的限制，而樓內(nèi)自備的消防系統(tǒng)在火災(zāi)來(lái)臨時(shí)往往效果有限［3］。

無(wú)人機(jī)不需要人類親自駕駛，規(guī)避了大多直升機(jī)需要顧忌的危險(xiǎn)，而且無(wú)人機(jī)靈活小巧的身軀更容易貼近高樓，乃至從窗口深入火場(chǎng)，提高滅火效率。就反應(yīng)速度、通過(guò)性、出動(dòng)效率來(lái)看，無(wú)人機(jī)在現(xiàn)今高樓消防中是一個(gè)較好的選擇。

4.2 CMF在高層消防無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用

CMF作為工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一部分，已在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)離不開(kāi)色彩、材料、表面工藝的處理，但是在消防無(wú)人機(jī)領(lǐng)域經(jīng)過(guò)CMF系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品較少［4］。

4.2.1 無(wú)人機(jī)色彩

消防裝備都是以鮮艷的紅色為主色，例如消防車、消防栓、滅火器等，黃色則作為輔色。這是因?yàn)榧t色最為顯眼，能在非常遠(yuǎn)的距離辨認(rèn)出來(lái)，而且穿透力強(qiáng)，在煙霧中也能被人們看見(jiàn)，黃色作為輔色是因?yàn)樗袠O強(qiáng)的反光性，在火災(zāi)中比較容易辨認(rèn)。但對(duì)進(jìn)入高層建筑的消防無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，紅色的警示作用顯得有些力不從心，火場(chǎng)中的火焰會(huì)掩蓋無(wú)人機(jī)的紅色，導(dǎo)致其辨識(shí)度降低。再加上樓道里沒(méi)有燈光的昏暗環(huán)境，紅色與火焰顏色極為接近，對(duì)受困人員的引導(dǎo)性不強(qiáng)，并且在這種環(huán)境中，受困人員由于求生心理，看見(jiàn)與火焰顏色相近的紅色會(huì)產(chǎn)生恐懼情緒，這會(huì)對(duì)救援產(chǎn)生消極影響。消防無(wú)人機(jī)在高層建筑消防救援中的應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)該給人一種冷靜、安全的感覺(jué)，同時(shí)還應(yīng)起到一定的警示作用，因此無(wú)人機(jī)最終采用白色與紅色相間的配色。具體色彩表達(dá)效果見(jiàn)圖3。

4.2.2 無(wú)人機(jī)材質(zhì)與表面處理工藝

材質(zhì)的選用對(duì)于消防無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，機(jī)身材料要具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐火耐高溫、防水的特性。在火場(chǎng)中，輕便的機(jī)身可以使其攜帶更多的滅火材料，提高滅火的效率，復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境中堅(jiān)硬的外殼能保護(hù)無(wú)人機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜零部件及線路；合適的材料選用能確保無(wú)人機(jī)在高溫環(huán)境中正常作業(yè)，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的耐火性和防水性，延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的使用壽命，降低成本。傳統(tǒng)的材料是無(wú)法同時(shí)具有這些特性的，只有采用新型復(fù)合材料才能同時(shí)滿足輕便、強(qiáng)度高、耐火性、防水性等要求。

碳纖維復(fù)合材料可以很好地滿足消防無(wú)人機(jī)的性能需求，它的核心是碳纖維，用它制作無(wú)人機(jī)機(jī)身可以確保無(wú)人機(jī)在高溫環(huán)境中仍能維持正常形態(tài)并保護(hù)內(nèi)部零件不受到損傷，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和耐高溫性，在火場(chǎng)環(huán)境中能很好地抵消熱膨脹效應(yīng)對(duì)機(jī)身的破壞，這種材料還兼具輕便和堅(jiān)硬的特性，能攜帶更多的滅火材料。

在惡劣的火場(chǎng)環(huán)境中，表面處理工藝會(huì)直接影響無(wú)人機(jī)的使用壽命，其最方便有效的方式是在表面鍍覆涂層，在消防無(wú)人機(jī)表面噴涂一層阻熱膜能減緩高溫對(duì)機(jī)身的灼燒，使無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)、效率更高。

4.2.3 無(wú)人機(jī)旋翼選擇

多旋翼飛機(jī)的穩(wěn)定性排序是八旋翼＞六旋翼＞四旋翼，其原因很容易解釋。對(duì)于具有一定機(jī)動(dòng)性特性的飛機(jī)而言，參與控制的部件數(shù)量越多，就越容易獲得良好的控制效果，但是，旋翼數(shù)量的增加會(huì)對(duì)飛機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)樾頂?shù)量越多，每個(gè)旋翼之間的距離就會(huì)減小，一個(gè)旋翼在四個(gè)軸向面上每隔90°放置一個(gè)轉(zhuǎn)子，在六個(gè)軸向面上每隔60°放置一個(gè)轉(zhuǎn)子，在八個(gè)軸向面上每隔45°放置一個(gè)轉(zhuǎn)子，假設(shè)在相同的牽引力下，多個(gè)轉(zhuǎn)子的總面積是相同的，很容易獲得不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子直徑（見(jiàn)表4）。

同樣，多旋翼無(wú)人機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)位置在設(shè)計(jì)時(shí)不能相互干預(yù)。因此很容易求出幾個(gè)結(jié)構(gòu)形態(tài)中旋翼的中心點(diǎn)距無(wú)人機(jī)飛行器的幾何中心點(diǎn)的距離（見(jiàn)表5）。

隨著旋翼結(jié)構(gòu)直徑的減少，旋翼中心和飛行器中心的距離增長(zhǎng)得更快。因此，旋翼的數(shù)量越多，飛行器的規(guī)模和尺寸就可能會(huì)做得越大［5］。

考慮到無(wú)人機(jī)在高層建筑的復(fù)雜環(huán)境中的靈活性和高效性，最終選擇四旋翼飛行器作為設(shè)計(jì)方案。

4.3 設(shè)計(jì)實(shí)踐

采用四旋翼結(jié)構(gòu)，機(jī)身呈流線型，體積較小，能夠在復(fù)雜環(huán)境中靈活飛行；機(jī)身下方的消防噴口對(duì)火源進(jìn)行精確滅火（見(jiàn)圖4）。

起初一般都是用水滅火，但是水的滅火原理是通過(guò)冷卻來(lái)滅火。中大型火災(zāi)中，用水滅火的效果不佳。消防泡沫液除了降低溫度滅火外，最大的效果是覆蓋可燃物表面，隔絕火源與空氣，滅火速度快、效果好。因此，消防無(wú)人機(jī)使用消防泡沫液作為滅火劑。滅火劑儲(chǔ)存在兩側(cè)的水箱中，中間接口可與消防車水箱相連，保證在消防作業(yè)時(shí)不會(huì)中斷（見(jiàn)圖5）。

環(huán)包式外殼能保護(hù)扇葉不會(huì)在復(fù)雜環(huán)境中被損壞，另外，環(huán)包式的設(shè)計(jì)能夠使旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流保持相對(duì)穩(wěn)定，確保飛行中無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性（見(jiàn)圖6）。

消防水炮炮身與噴嘴連接處有一個(gè)消防水炮穩(wěn)流器，起到穩(wěn)流的作用，確保對(duì)火源噴射消防液時(shí)能保持穩(wěn)定的狀態(tài)（見(jiàn)圖7）。

5 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合了高層火災(zāi)的特點(diǎn)和消防系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，基于CMF設(shè)計(jì)這款高層消防無(wú)人機(jī)，用于火災(zāi)緊急救援，該裝置實(shí)現(xiàn)了在高層建筑對(duì)火源的有效控制，降低了救援難度，降低了消防員和被困人員遇到危險(xiǎn)的概率，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

參考文獻(xiàn)：

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［3］ 羅彥鵬.無(wú)人機(jī)在消防滅火救援工作中的運(yùn)用［J］.中國(guó)科技信息，2019（13）：56，58.

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［5］ 錢明樓.基于飽和方法的四旋翼攜帶載荷系統(tǒng)的控制研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2019.

作者簡(jiǎn)介：王曉娜（1979—），女，河北石家莊人，碩士，講師，研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

王澤陽(yáng)（1998—），男，山東濰坊人，碩士在讀，研究方

向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

孫赫（1998—），男，山東濰坊人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)。