基于TRIZ理論的夾心保溫板創(chuàng)新研究

【摘要】文中以嚴(yán)寒地區(qū)夾心保溫板保溫性能不足為焦點(diǎn)，采用TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論體系，建立保溫系統(tǒng)和連接系統(tǒng)問題模型，探索保溫系統(tǒng)和連接系統(tǒng)的各組件之間相互作用關(guān)系。結(jié)合TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論的分析和工具，建立確定保溫系統(tǒng)和連接系統(tǒng)“物-場(chǎng)模型”多個(gè)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合“矛盾沖突矩陣”解決多個(gè)方案中的影響因子產(chǎn)生的技術(shù)矛盾，從創(chuàng)新解決方案的角度解析夾心保溫板能耗損失過大的機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】TRIZ理論；夾心保溫墻；“物-場(chǎng)”模型

【中圖分類號(hào)】TU761.12 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0071-03

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)建筑外墻板兼顧圍護(hù)、保溫、防火、抗震等特性，但大多數(shù)建筑中外墻板保溫效果不理想。相比其他外墻板種類，夾心保溫板使用更為廣泛，但夾心保溫板能耗損失嚴(yán)重，難以滿足國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。為實(shí)現(xiàn)夾心保溫板能耗損失降低的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用TRIZ理論建立問題模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。TRIZ理論是阿奇舒勒發(fā)明的一套系統(tǒng)性的、基于知識(shí)的創(chuàng)新方法體系，主要有創(chuàng)新的思維、分析工具以及基于知識(shí)的解題工具[1]。TRIZ理論提供了一套全面而綜合解決發(fā)明創(chuàng)造問題的模式。近年來，國內(nèi)許多專家學(xué)者針對(duì)夾心保溫板設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。江煥芝等[2]研發(fā)了一種新型保溫連接件：鋼-纖維復(fù)合連接件（簡(jiǎn)稱SGCC），通過抗彎試驗(yàn)和模擬風(fēng)循環(huán)荷載試驗(yàn)以及熱工性能測(cè)試計(jì)算驗(yàn)證了減薄預(yù)制夾心保溫板的可行性。Benayoune A 等[3]基于桁架式鋼筋連接件的預(yù)制夾心保溫板進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，得出配合合理數(shù)量的桁架鋼結(jié)構(gòu)連接件可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外葉板的共同作用。薛偉辰等[4]研究了夾心保溫墻體的棒狀不銹鋼拉結(jié)件，研究表明，棒狀不銹鋼拉結(jié)件極限應(yīng)變和抗拔承載力均滿足規(guī)范要求。

本文采用TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法對(duì)夾心保溫板保溫性能進(jìn)行分析研究。建立“物-場(chǎng)模型”，為夾心保溫板提供解決問題的新思路。其次借助“矛盾沖突原理”，化解系統(tǒng)研制過程中遇到的多個(gè)參數(shù)之間的沖突矛盾，實(shí)現(xiàn)夾心保溫外墻板保溫創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為國內(nèi)嚴(yán)寒地區(qū)建筑保溫設(shè)計(jì)提供新的研究方法。

1 基于“物-場(chǎng)模型”的方法應(yīng)用

1.1 保溫層功能分析

在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)，建筑室內(nèi)外較大溫差使得能量損失增大，冷空氣與保溫板之間形成了一種有害效應(yīng)的完整模型[5]。為提高夾心保溫外墻板保溫性能，從夾心保溫板整體受力角度分析，再增加一層保溫板，不僅會(huì)造成系統(tǒng)各組件之間的相互滑移而且對(duì)系統(tǒng)整體穩(wěn)定造成一定的影響，減少室內(nèi)使用面積不符合經(jīng)濟(jì)性能要求。為實(shí)現(xiàn)夾心保溫板保溫性能和經(jīng)濟(jì)性能要求，通過TRIZ理論模型分析，如圖1所示，保溫板厚度不足導(dǎo)致的熱量損失增加一個(gè)“機(jī)械場(chǎng)”。普通夾心保溫外墻板的“物-場(chǎng)模型”如圖1（a）所示，“物-場(chǎng)模型”元素完整，在同厚度保溫板內(nèi)增加一層空氣薄膜層，但由于受力分析，難以滿足穩(wěn)定性要求，屬于效應(yīng)不足的場(chǎng)。

依據(jù)圖1（a）可知，研究擬采用加入空氣薄膜層裝置，并輔以“工”字形薄膜支撐結(jié)構(gòu)的保溫方式。通過“工”字形薄膜支撐裝置抵抗夾心保溫板所受的外荷載，在外荷載作用下，保持正常使用狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性如圖1（b）所示。

1.2 連接系統(tǒng)的功能研究

夾心保溫板改進(jìn)后，需加強(qiáng)連接系統(tǒng)的穩(wěn)定性。連接系統(tǒng)通過拉力形成的機(jī)械場(chǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的連接效果。目前連接件主要通過穿透保溫板的形式，其拉力機(jī)械場(chǎng)及連接方式不利于實(shí)現(xiàn)外墻保溫，而將連接件進(jìn)行分段，不直接穿透保溫板的連接方式可以實(shí)現(xiàn)保溫效果。

通過TRIZ理論模型分析，不直接穿透保溫板的連接方式主要采用交叉式連接和卡扣式連接方式。其中交叉式連接不穿透保溫板，但在承受外荷載條件下易發(fā)生外葉板脫落等安全隱患。而卡扣式連接件中，兩端連接在混凝土板內(nèi)，與保溫板內(nèi)絕熱板連接，形成完整的連接結(jié)構(gòu)。

卡扣式連接件具有高強(qiáng)抗拉、抗剪性能和較低的導(dǎo)熱性能，滿足連接系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和保溫性能[6]。連接件兩端“U”形連接組件在絕熱卡扣內(nèi)無直接接觸，連接系統(tǒng)受外部荷載作用較大時(shí)，“U”形連接組件與卡扣分離，造成嚴(yán)重的安全隱患。為實(shí)現(xiàn)連接件的高強(qiáng)、安全連接件性能，擬在卡扣內(nèi)部即“U”形連接件未直接接觸部位增設(shè)帶有線圈的磁鐵裝置。在夾心保溫外墻板受外力作用較大時(shí)，啟動(dòng)電磁鐵，增加連接件的連接強(qiáng)度，達(dá)到安全效果。完善的連接系統(tǒng)“物-場(chǎng)模型”增加“磁場(chǎng)”功能，實(shí)現(xiàn)夾心保溫外墻板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。普通的連接件“物-場(chǎng)模型”如圖2（a）所示，夾心保溫板“物-場(chǎng)模型”具有完備的組件，但連接系統(tǒng)S5在S4內(nèi)部連接強(qiáng)度即F3效應(yīng)不足，容易因剪切力過大造成損害。“U”形連接組件在卡扣內(nèi)的機(jī)械場(chǎng)屬于效應(yīng)不足的場(chǎng)，“物-場(chǎng)模型”增加F4“磁場(chǎng)”如圖2（b）所示，有效地減弱外部荷載對(duì)連接系統(tǒng)造成的危害，提升了連接系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

2 “沖突解決原理”的保溫系統(tǒng)組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合1.1節(jié)保溫層系統(tǒng)功能分析，通過增設(shè)“工”字形空氣薄膜層裝置降低各組件之間的矛盾沖突，但增加了保溫板裝置的復(fù)雜性，同時(shí)給夾心保溫外墻板的可制造性、可維修性增加了難度。結(jié)合TRIZ理論“沖突解決原理”，結(jié)合上述分析，歸納夾心保溫板矛盾沖突為：NO.22能量損失（室內(nèi)溫度降低）、NO.30物體外部有害因素作用的敏感性（保溫板兩側(cè)溫度差作用下產(chǎn)生的冷熱橋）與NO.32可制造性（“工”字形空氣層與傳統(tǒng)保溫板結(jié)合）、NO.34可維修性（空氣層結(jié)構(gòu)破壞，維修難度增加）、NO.36裝置的復(fù)雜性（增加組件、消除能量損失）之間的矛盾。結(jié)合TRIZ理論矛盾矩陣改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元，確定符合條件的發(fā)明原理。參考發(fā)明原理，根據(jù)所面臨的具體問題，找到解決方案。在TRIZ理論矛盾矩陣中截取適合本研究問題的子矩陣。

在TRIZ理論矛盾矩陣中確定惡化工程參數(shù)和改善工程參數(shù)交叉單元后，首先對(duì)所有創(chuàng)新發(fā)明原理進(jìn)行分析，然后根據(jù)系統(tǒng)存在的具體問題，篩選出最有價(jià)值的發(fā)明原理。對(duì)于能量損失有價(jià)值的發(fā)明原理有7（嵌套）、23（反饋）。對(duì)于物體外部有害因素作用的敏感性有價(jià)值的發(fā)明原理有2（分離）、40（復(fù)合材料）。最后依據(jù)有價(jià)值的創(chuàng)新發(fā)明原理獲得內(nèi)容詳解，參考創(chuàng)新原理內(nèi)容進(jìn)行分析應(yīng)用，即采取技術(shù)手段解決對(duì)應(yīng)難點(diǎn)。為能量損失工程參數(shù)選擇2個(gè)有價(jià)值發(fā)明原理的分析應(yīng)用，為物體外部有害因素作用的敏感性工程參數(shù)選擇3個(gè)有價(jià)值的發(fā)明原理的分析應(yīng)用[7]。

參考對(duì)上述發(fā)明原理分析，根據(jù)系統(tǒng)存在的具體問題，找到相對(duì)應(yīng)的解決方案。采用加入空氣層裝置增加保溫性能，嵌入保溫板內(nèi)部，符合上述發(fā)明原理7（嵌套）。在室內(nèi)外溫差較大的條件下，保溫板與連接件接觸部位冷熱橋現(xiàn)象顯著，通過發(fā)明原理23（反饋）將空氣層設(shè)為工字薄膜交叉結(jié)構(gòu)，提升保溫性能。由發(fā)明原理2（分離）提示，獲取空氣層裝置達(dá)到絕熱效果，擬在保溫板內(nèi)部表面設(shè)置一層薄膜材料，在室內(nèi)外溫差較大情況下，降低能量損失和減輕夾心保溫板自重作用。根據(jù)發(fā)明原理40（復(fù)合材料），一般材料無法達(dá)到空氣保溫薄膜材料性能，采用高性能復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)薄膜材料，降低夾心保溫外墻板的能量損失。通過上述分析，所設(shè)計(jì)的保溫板結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案為混凝土板（內(nèi)、外葉板）—保溫板—薄膜復(fù)合材料—空氣層，降低能量損失的同時(shí)減弱冷熱橋現(xiàn)象。

3 “沖突解決原理”的連接系統(tǒng)組件優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合1.2節(jié)連接系統(tǒng)的功能分析可知，將連接件設(shè)置為卡扣式連接形式，兩側(cè)“U”形連接組件通過卡扣連接在一起組成連接系統(tǒng)，減弱冷熱橋的產(chǎn)生即能量損失。為避免自重荷載對(duì)連接件的影響，在“U”形連接件組件相對(duì)的位置增設(shè)帶有線圈的磁鐵裝置，以免受力不足產(chǎn)生損壞。結(jié)合TRIZ理論“沖突解決原理”結(jié)合分析，歸納連接系統(tǒng)矛盾沖突為NO.22能量損失（室內(nèi)溫度降低）、NO.27可靠性（系統(tǒng)穩(wěn)定）、NO.13結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（減弱內(nèi)部受力）、NO.34可維修性（連接件復(fù)雜）、NO.36裝置的復(fù)雜性（增加組件、消除能量損失）之間的矛盾。然后在TRIZ理論矛盾矩陣中截取適合于本問題的子矩陣。

在TRIZ理論矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數(shù)交叉單元，對(duì)發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選。對(duì)能量損失工程參數(shù)有價(jià)值的發(fā)明原理有2（分離）、6（多用性）。對(duì)可靠性工程參數(shù)有價(jià)值的發(fā)明原理有11（預(yù)先防范）。為能量損失工程參數(shù)選擇2個(gè)有價(jià)值的創(chuàng)新發(fā)明原理分析應(yīng)用。

參考對(duì)上述發(fā)明原理的分析，根據(jù)具體問題，找到具體的解決方案。夾心保溫板連接系統(tǒng)中，連接件的設(shè)計(jì)形式為卡扣式連接方式，且具有保溫功能的結(jié)構(gòu)，通過發(fā)明原理2（分離），將卡扣式連接件和卡扣分為3個(gè)容易組裝的部分，采用卡扣式連接。該裝置適用于室內(nèi)外溫差較大的夾心保溫結(jié)構(gòu)。通過發(fā)明原理6（多用性），擬采用高強(qiáng)度絕熱卡口裝置嵌套在保溫板內(nèi)部，這需要在保溫板上按照一定的設(shè)計(jì)方法布置連接件。室內(nèi)外溫差較大的情況下，具有較好的保溫功能，因此擬增設(shè)帶有線圈的磁鐵裝置具有增強(qiáng)連接功能和抗剪、抗拉作用。這需要在卡扣式內(nèi)部中間位置設(shè)置固定裝置，符合發(fā)明原理11（預(yù)先防范）。通過上述分析，所設(shè)計(jì)的卡扣式連接件連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，并將卡扣式連接件設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

通過分析目前預(yù)制夾心保溫外墻板保溫性能不足的問題，結(jié)合TRIZ理論工具將系統(tǒng)問題標(biāo)準(zhǔn)化，開展了“物-場(chǎng)模型”功能分析、“沖突矩陣”創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的研究，設(shè)計(jì)了一款適用于夾心保溫外墻板保溫性能的裝置即“工”字形空氣層與卡扣式連接件組合裝置。結(jié)果表明與優(yōu)化之前的保溫裝置相比，“工”字形空氣層實(shí)現(xiàn)了保溫系統(tǒng)和連接系統(tǒng)的保溫，卡扣式連接件提高了連接系統(tǒng)連接過程的緊固和穩(wěn)定性。為裝配式建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 吉利，楊孜麒，胡雙飛，等.TRIZ理論在FDM 3D打印機(jī)平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2020（11）：148-151.

[2] 江煥芝.基于鋼-纖維復(fù)合連接件的預(yù)制混凝土夾心保溫墻板性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[3] B enayoune A，S amad A A A，Trikha D N，et al.Structural" behaviour of eccentrically loaded precast sandwich" panels[J].Construction amp; Building Materials."2006，20（9）：713-724.

[4] 薛偉辰，嚴(yán)大威，張士前，等.GFRP開孔板連接件雙剪試驗(yàn)及受剪承載力計(jì)算[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，39（11）：5206-5215.

[5] 叢茂林，李智斌，王磊，等.預(yù)制夾心保溫墻體高性能拉結(jié)件的研發(fā)[J].施工技術(shù)，2018，47（4）：62-64.

[6] 李汛保，何云風(fēng)，李科成，等.高速懸浮電磁鐵磁軛柔性固定設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2020（6）：106-109

[7] 梁為，于復(fù)生，于志松.基于TRIZ理論的W板卸板機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2020，42（10）：104-106.

[作者簡(jiǎn)介]郭貝貝（1993—），女，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：裝配式建筑、BIM、外墻板保溫。