以問題為導向的老舊小區火災救援產品設計

韓軍，陳德潤，鄧承鳳

以問題為導向的老舊小區火災救援產品設計

韓軍，陳德潤，鄧承鳳

（武漢工程大學，武漢 430205）

老舊小區因建筑規劃不完善，物業管理不規范，容易成為火災高發地，且不便于組織施救，對當地居民生命財產安全形成了巨大威脅，基于此，進一步探索適應于這一特殊環境的火災救援解決方案。以問題為導向，分析老舊小區環境混亂、配套設施不足，以及現有救援產品針對性、適應性不強等原因，并引入基礎條件、核心功能和附屬功能等影響因素，分別從通過性、水源、行進、作業、工效和美學等方面進行定義，并分解成若干問題微單元，最后精確鎖定、逐一破解。以問題為導向的設計思維，能將設計對象的本質清晰地呈現出來，在應用于老舊小區火災救援產品設計過程中，將問題劃分為適應配套缺陷的基本問題、保證功能實施的核心問題、促使方案完善的延伸問題等3個層次，系統地解決各類難題，最終獲得切實可行、符合實際需求的產品方案。

問題導向；本質；老舊小區；火災救援；產品設計

據公安部官方微信公眾號消息，雖然2019年城鄉居民住宅火災只占總數的44.8%，但全年共造成1 045人死亡，占總數的78.3%，其中，老舊小區的火災發生率及傷亡率又遠遠高于現代小區，降低老舊小區的火災發生率，減少因火災而產生的人員傷亡和財產損失，已成為我國在努力解決當今社會主要矛盾、提升人民獲得感的任務中不容忽視的一個環節。在降低老舊小區火災發生率方面，需要全社會共同努力，除必要的小區環境改造外，尤其依賴居民自身的消防意識和消防素質，并配備必要的家用消防設施，以消除火災隱患或及時撲滅初期火災，但如何讓大眾真正地重視并行動起來，一直是個社會難點。另一方面，如何有效地減少因撲救不及時或消防設備功能不足等問題所引發的火災危害升級事故，卻可以通過設計途徑來解決。用設計來破解老舊小區火災容易造成嚴重后果的難題，需要對其背后的諸多因素層層篩選、逐一分解、深入剖析，抓住問題的關鍵，認清對象的本質，進行以問題為導向的設計。

1 問題導向

“問題導向”是一種對現象背后的本質問題進行多維闡述、系統分析并有效解決的設計思維模式。合理的設計行為必須建立在對問題的準確認知之上，圍繞設計對象，分別從基本問題、核心問題和延伸問題等3個層次進行解析，從而厘清問題類型，定義問題性質，分解問題要素，尋求解決途徑，最終完成設計任務。其中，能否對導入問題進行精準定義，決定著最終設計價值的高低。而對定義問題進行再分解的合理性，支配著解決方案的可行性。問題導向思維圖見圖1。

具體而言，基本問題即由設計對象所處的基礎條件限制而產生的問題，基礎條件包含對象作業環境、基礎配套設施等。核心問題即由設計對象的核心功能缺陷而表現的問題，核心功能反映對象自身完成目標任務的方式和能力。延伸問題即由設計對象的附屬功能不足而呈現的問題，附屬功能關注對象能否提升內涵，形成友好的用戶體驗。

圖1 問題導向思維

2 老舊小區火災救援相關問題分析

2020年7月20日國務院辦公廳印發的《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》指出，老舊小區是指城市或縣城（城關鎮）建成年代較早、失養失修失管、市政配套設施不完善、小區服務設施不健全的居住區。其主要分布于老城區、城中村，或人口密度較大的城關鎮。隨著我國城市現代化進程的持續推進，老舊小區呈現出越來越多不適應社會發展的弊端，特別是在消防安全保障方面，因為自身缺陷而容易處于不穩定或受損狀態[1]。

2.1 老舊小區火災救援基礎條件問題

2.1.1 消防專用通道不暢

現在的新小區建設，必須規劃消防車道，且要求寬度不小于4 m，轉彎半徑不小于6 m，以確保消防車輛能順利進入火場區域。而在老舊小區建造時，由于缺乏整體規劃及強制性的消防通道設置規范，造成相鄰建筑間距過小、區內路面彎道過多等亂象，所以發生火災時消防車輛根本無法進入，容易錯過最佳的滅火時機。即使有些老舊小區路面條件達到了消防車輛通過的條件，一些在既有建筑之間搭建的臨時建筑、亂停亂放的私家車輛等[2]，將通道空間隨機隔斷，因此在發生險情時，消防車輛同樣無計可施?？傊吓f小區因當時建筑規劃政策不健全，以及目前物業管理缺位等客觀、現實問題的制約，在消防專用通道的保障方面存在非常明顯的短板，這成為火災救援基礎條件薄弱最根本的原因。筆者調研了武漢市漢口區域部分老舊小區的火災救援基礎情況，見表1。

2.1.2 消防基礎設施缺乏

2019年住建部會同發展改革委、財政部聯合印發了《關于做好2019年老舊小區改造工作的通知》，并且國務院常務會議對推進城鎮老舊小區改造進行了部署。近幾年全國各地響應國家政策，穩步推進對老舊小區的環境改造工程，然而相當大比例的老舊小區不具備改造消防基礎設施的條件。一方面，由于建造時的建筑施工標準落后，多數老舊小區沒有設置室外高壓消火栓及獨立的地下高壓消防管道。另一方面，受限于建筑密度大，因此幾乎無法提供地下消防池和低壓消火栓需要的場地。重新修建消防基礎設施的可行性也非常低，不僅工程需求空間難以保證，年代較為久遠的建筑地基也難以承受。老舊小區消防池、消防栓等基礎設施缺乏，一旦發生火災，只能依靠人力肩挑手扛地運水滅火，或臨時起用非專業滅火設備，這樣的方式除效率低下之外，還對滅火者的生命安全構成威脅。

表1 新老小區環境對比

Tab.1 Comparison of new and old communities

2.2 老舊小區火災救援產品現狀問題

2.2.1 改裝車靈活度不足

鑒于老舊小區火災救援基礎條件普遍薄弱且無法得以根本性解決的現狀，一些小區利用電動三輪車進行定制化改造，在其后部加裝小型水罐和DBX12/1.5型單相流背負式細水滅火裝置，滅火等級可達到3A、144B和E類標準（數字表示滅火級別，字母表示滅火器撲救火災的種類，A類指可燃固體火災，B類指液體火災和熔化固體火災，C類指可燃氣體火災，D類指可燃金屬火災，E類指帶電火災），且因其體量較小，可在一般的巷道間穿行，能在一定程度上解決現存問題，見圖2（圖片摘自浙江華球機械制造有限公司官網）。這種改裝微型消防車在面對復雜多樣的小區路況和具體作業時，其靈活度表現不足，仍存在較大的局限性，主要表現在以下方面：因電動三輪車的寬度、長度及軸距的限制，其轉彎半徑不小于2 m，仍難以適應部分老舊小區的路面條件；三輪車前后重量分布不均衡，特別是尾部加裝水罐之后，前輕后重的配比關系更加明顯，一定的顛簸和坡度就有可能造成翻倒；采用普通輪轂和輪胎的行進方式，遇到臺階路面則無法通行；三輪車的騎行方式較為笨拙，作業者遇到緊急狀況，難以迅速、安全脫身。因此，改裝微型消防車無法全方位地解決老舊小區火災救援問題。

圖2 小區微型消防車

2.2.2 機器人適用性受限

近年來，消防領域在設備小型化、智能化開發方面取得了不少成果，消防機器人就是其中頗具代表性的一項，見圖3（圖片摘自特種機器人網）。消防機器人一般與消防栓相接，充當固定水炮滅火裝置的角色，其滅火效率高，能代替消防員進入危險區域進行現場偵察，以完成圖像、數據等信息采集工作，從而有效地幫助消防人員進行搶險救災工作[3]。老舊小區因建筑密度高、街巷布局雜亂，使消防機器人難以發揮其勘測和消防效能。首先，需要在離著火點最近的消防栓上接管，而消防水帶的最大連接長度為150 m（過長的距離會造成帶內阻力過大，60 m供水長度時水帶阻力損失達0.8 MPa[4]，此時不僅會降低消防水柱的噴射高度，還會引發水帶爆裂，也就是說，消防機器人只能解決消防栓附近150 m以內的火災問題。另外，根據消防水帶國家標準，80 mm的水帶在0.8 MPa的最低工作壓力下彎曲半徑為1 m，而消防水帶內部壓力可達到1.8 MPa，在該壓力下的彎曲半徑遠大于某些老舊小區內部道路寬度，消防機器人在這些巷道中則無法順利完成轉向，基本上只能和消防栓保持在一條直線上，適用條件很難滿足，這極大地影響了作業效率。消防機器人在老舊小區所受限制過多，無法有效解決這一類型的火災救援問題。

圖3 消防機器人

3 以問題為導向的老舊小區火災救援產品設計

在分析老舊小區火災救援相關問題后，分別從基礎條件、核心功能和附屬功能等方面導入對應問題，并進行定義和分解，以尋求合理的解決方案，見圖4。

圖4 以問題為導向的設計流程

3.1 老舊小區基本問題導入及解決方案

由老舊小區基礎條件不足所產生的基本問題，對其火災救援產品從通過性和水源問題等方面提出要求。

3.1.1 通過性問題

老舊小區由于巷道狹窄不規范、路面強度標準低等問題，使普通消防車通過性極低，具體表現為過大的消防車體量很難進入或轉彎，過大的消防車重量造成路基凹陷和地下水電管網損壞等。

要解決通過性問題，需要充分分析老舊小區路面條件所允許的車輛寬度，并結合隨意停車等偶發性事件所導致的擁堵情況，以及路面的承重能力等因素，全面評估救援產品的尺度和質量范圍。對武漢市多處老舊小區100條巷道進行實地調研，綜合巷道本身寬度及周邊停車或雜物堆放等情況，得到可通行寬度百分位情況，見表2。

表2 老舊小區巷道寬度百分位數值

Tab.2 Table of percentile width of old community laneways

為實現救援產品更大的適應性，以第99百分位數為參考值，綜合考慮在巷道中通過性和必要作業體量等要求，取火災救援產品寬度為1 000 mm，依據黃金分割比例原則，設定其長度為1 618 mm，計算轉彎半徑R如下。

a、b分別為車體寬度和長度的一半即500 mm、809 mm，計算轉彎半徑R=951 mm<1059 mm（第99百分位數），能完成通行并轉彎。其高度取值與寬度相等，長高比同樣符合黃金分割美學原則，且設備整體重心穩定，見圖5。

在路面承重方面，多數老舊小區路面建造規格遠低于目前C30混凝土施工標準，即抗壓閾值30 MPa≤fcu，<35 MPa（“fcu”指混凝土抗壓強度，“”指標準值），僅能適應對路面壓強小于7×105Pa的車輛通行，目前各類標準型消防車對路面壓強均高于該值。通過盡可能地減小消防車自重，并增大與地面接觸面積的方式，來減小壓強，以減少破壞路面的發生。結合確定的長寬高尺寸，設計微型火災救援車，其滿載總質量約為1 000 kg，在水平面上壓力即重力== mg，取9.8 N/kg，即壓力為9 800 N；微型救援車與地面接觸面積為0.28 m2，得壓強=3.5×104Pa，遠低于C30混凝土的壓強標準，老舊小區絕大多數路面均可承受。

3.1.2 水源問題

很多老舊小區無法達到標準型消防車通行的條件，且未能配備足夠的消防栓，無法在接管允許長度范圍內為現有微型消防機器人提供水源供給，而改裝的微型消防車靈活度和滅火能力均顯不足，現有產品無法有效解決老舊小區消防問題，因此，需要一種通過性強、能自帶水罐且續水方便的消防產品，為老舊小區火災救援提供保障。

在保證上述通過性問題所設定的尺度、總質量和壓強范圍內，設計儲水式微型火災救援車，其能與消防栓或大型消防車水箱連接進行充水。水罐體尺寸為1 300 mm×700 mm×700 mm，容積為600 L，可裝載消防水600 kg，使用單相流背負式細水滅火裝置，工作壓力12 MPa時流量為40 L/min，射程為30 000 mm，可以確保15 min以上的有效消防，火勢較大時，根據火場離消防栓或大型消防車距離，調配2～4輛該火災救援車進行交替使用，空水罐經SN65消防栓進行水源補給，其具體管徑為65 mm，壓力為1 MPa，流量為5 L/s，130 s內即可補充完畢，確保持續作業。消防水罐在車體中的位置及充水接口，見圖6。

圖6 方案草圖

3.2 火災救援產品核心問題導入及解決方案

在解決因老舊小區基礎條件所產生的基本問題后，如何切實有效地發揮產品的火災救援能力成為實現其價值的核心問題，具體涉及消防車到達火場前的行進問題及其處于火場中的作業問題。

3.2.1 行進問題

消防車行進時，需要考慮因消防水和泡沫噴灑等造成的路面濕滑甚至泥濘的狀況。當遭遇臺階、陡坡等路況時，普通的輪式消防設備移動速度快，然而其對臺階、壕溝等障礙物的越障性能差，很難自如地進入火場[5]。老舊小區巷道復雜不通暢，拐角眾多，消防設備可能需要行進至離火源極近的位置才能滅火，高溫下普通橡膠輪胎容易爆胎，影響施救進程。常見的履帶類型有金屬履帶和橡膠履帶，橡膠履帶相對于金屬履帶質量較輕，且目前生產的橡膠履帶大多采用高分子復合材料，具有耐高溫特性[6]。結合實際要求，設計微型火災救援車行進輪為橡膠履帶式，其與地面接觸面大，附著力強，牽引力大，可以在泥濘、積水

中行走，具有良好的通過性[7]，能在上述各種特殊環境下通行。

另外，滿載的微型火災救援車總質量高達1 t左右，人力難以操控，必須采用機械動力進行驅動，電力驅動因其高扭矩、低能耗、易維護、不占空間、可實現自驅動等優勢而作為首選。電動機具有扭矩恒定的優勢，在低速情況下可以輸出更大的扭矩，確保設備在各種路面上穩定行進，工作效率更高，系統發熱量小，且更加節能[8]。遇到陡坡或階梯路段時，微型火災救援車背負水罐會產生重心轉移，造成前后摩擦力不均，導致整體牽引力下降，在動力裝置中設計小型液壓桿以減震緩沖，同樣由電動機提供動力，使車身高度根據環境進行自行升降。在上坡時車體前部高度降低，后部高度增加，下坡時反之，使車體傾斜角度減小，增加在坡面上的最大牽引力，見圖7。自驅動履帶式火災救援車結合可自行升降的液壓桿，可以滿足其抵達老舊小區任意著火點的要求，從而解決了相應的行進問題，見圖8。

圖7 履帶升降

圖8 自驅動履帶

3.2.2 作業問題

對于較為復雜的火情，需要在濃煙或雜物遮擋中對火源進行精準地勘測和定位，以制定最為有效的救援策略。消防員在此類環境中憑借經驗判斷，固然也能保證一定的準確率，但高熱輻射的影響使誤判的幾率更大，且有安全隱患。

設計的微型火災救援車帶有熱感檢測和水炮裝置，運用了圖像型火源定位技術，包括可見光視頻火源探測和紅外視頻火源探測[9]，可以自行進行火源、火情勘測，根據溫度探測值與輻射量對照，并過濾虛假火源，見圖9。檢測裝置通過TCP/IP無線網絡與控制臺上位機通信，采用無線傳輸設備接收手動控制器的控制信息，并以無線圖傳設備及無線網絡回傳圖像[10]，將鎖定的火源坐標數據傳至手持控制器上，火勢狀況分析和趨勢預測均可清晰呈現，由操作員在安全地點遙控操作，從而引導救援車行進至最佳距離，精準發射水炮，及時撲滅中心火源，消除二次復燃隱患。水炮設置于車頂，亦可由手柄控制，通過轉盤與車體內部增壓裝置連接，車體轉盤可在160°范圍內水平旋轉，水炮在上下方向可從85°調節至–5°，以適應各種停放坡度下的噴射角度，并可控制水炮流速，全面覆蓋有效范圍內所有的著火點，水炮為伸縮式結構，啟動前呈隱藏狀態，見圖10。感應裝置及遙控方式使微型火災救援車有更廣泛的作業范圍、更高效的作業方式、更安全的作業條件。

圖9 探測裝置安裝效果

圖10 水炮效果

3.3 火災救援產品延伸問題導入及解決方案

火災救援車在解決基本問題和核心問題后，需要綜合考慮設置必要的附屬功能，以使其更加完善，發揮更大的價值，具體可從工效、美學角度進行設計。

3.3.1 工效問題

基于使用功能，將典型結構運用到設備中去，以確定形體輪廓[11]，微型火災救援車體量最大的部件即為水罐，經吊架固定在車體中部，造型為兩端收窄的圓柱體，便于自動快速更換。水罐前端為空心結構的耐火石棉纖維，可應對碰撞與高溫。整個動力機構分布在履帶行進輪內，即使在水罐滿載狀態下，綜合重心也處于整車偏下1/3處，確保了火災救援產品的穩定性。車體上部設有噴淋裝置和消防套裝接口，前者可對全車進行噴淋降溫，當車體處于高熱輻射環境時，工作環境溫度會急劇上升，為減少高溫對車體工作的不利影響[12]，噴淋裝置使水霧與周圍熱空氣的熱交換速率加快，水霧蒸發效率越高，降溫范圍越大，降溫效果越明顯[13]，這可以有效保護零部件不受損。火災環境是一個復雜的、多狀況共存的動態系統，僅依靠單一功能并不能完成救援任務[14]，因此可根據不同需求選擇消防套裝，救援前可使用火源探測裝置進行火情確認，消滅明火時啟動水炮設備，當明火被撲滅后，則置換成排煙裝置，及時排除燃燒產生大量的有毒煙霧，一方面便于消防員排查火情，另一方面可以減輕對附近居民身心造成的危害，使火災救援任務能夠圓滿完成，見圖11。

在配套方面，微型火災救援車需要依賴大中型消防車作為專用運輸補給車。在專用消防車內配備固定底板，設置4個自鎖裝置，可根據履帶位置自行調整方位，以防止運送途中因顛簸產生碰撞，見圖12。在專用消防車上層設置隔板，放置水帶、遙控設備，以及配套的探測設備、排風設備、檢修裝備和備用件等，以最大化利用有限空間，見圖13。專用運輸補給車抵達火場附近后，其側門板打開形成坡道，微型火災救援車自行從車內開出，并行進至火場展開滅火作業，并可以多次返回補充水源，最大化地實現自給自足。人性化的配套設施設計，為微型火災救援車在實現救援全流程的準備、保障和維護等工作中提供了有效支持。

圖11 排煙裝置安裝效果

圖12 自鎖裝置

圖13 消防車內效果

3.3.2 美學問題

消防設備是特殊行業產品，設計師通常只注重其使用效能，忽略了其形態美感，從而使其與大眾審美需求相去甚遠。對火災救援車進行形態設計，遵循形式美法則，曲面流暢自然，統一風格中有變化，兩側支架運用鏤空元素，在確保結構強度的前提下進行輕量化設計，并打破面的整體感和沉悶感，體現出靈動感和通透感。在主體與懸掛之間運用形體穿插方式，增加了形態的豐富性和律動性，體現其韻律。主體形態采用黃金分割比例，協調而自然，整體效果模擬科幻影視中準備降落的運輸機，充滿現代感和科技感。在色彩設計中采用火警專用紅為主體色，以黑色和白色為調節色，以安全色結合對比色，對比中有調和，能快速引起周圍人群的警覺，主動讓出通道。該火災救援產品將形態、功能、結構、語意有機融合，整體布局緊湊，配合科技元素，給人帶來安全感。整體與局部、局部與局部之間的和諧統一，體現出機械穩重與穩定的特性[15]，見圖14。

圖14 老舊小區火災救援機器人

雖然火災救援設備與人們生活難有交集，但仍屬于公共產品的組成部分，注重其美學屬性展現，可以增強大眾對消防行業的認知度和關注度，進而提升人們的消防意識，其價值不容忽視。

3.4 設計評價

將方案進行動畫展示，并完成3D打印模型制作，運用用戶評價法，將通過性、水源補給能力、行進性、作業能力、功效性和美學性等6個方面的問題作為評價標準，每項滿分設置為10分，邀請10名消防隊員進行體驗，對設計方案和現有設備進行對比評價，分別計算各項內容得分，得到比較序列，見表3。

設理想方案參考序列為0={10,10,10,10,10,10}，其綜合得分為60分；現有設備比較序列為1={4.7, 3.4,4.6,4.3,5.6,2.7}，其綜合得分為25.3分；本方案比較序列為2={7.6,8.1,7.5,8.5,8.9,9.2}，其綜合得分為49.8分。

本設計方案在6個方面的得分遠高于現有相關設備，更加接近理想設計方案，能有效解決現有老舊小區存在的消防需求問題，符合設計預期。

表3 設計評價

Tab.3 Design evaluation results

4 結語

老舊小區火災救援產品因其作業環境的特殊性，涉及諸多問題，將其按照基本問題、核心問題和延伸問題進行分類，并分別對應于基礎條件、核心功能和附屬功能進行定向導入，將問題重新定義，逐一分解，各個突破，最終形成能解決實際問題的火災救援產品方案。以問題為導向的老舊小區火災救援產品設計，圍繞本質問題進行分析，使每個環節的解決思路都有據可循，方案恰到好處，不遺留問題，也不至于功能過剩，為在今后相當長時間內仍會存在的、火災頻發又無法以常規方法施救的老舊小區，提供高效、周全的滅火救援服務，從而保障當地市民的生命財產安全。

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Problem-Oriented Design of Fire Rescue Products in Old Communities

HAN Jun, CHEN De-run, DENG Cheng-feng

(Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China)

The old community is prone to fire because of the imperfect construction planning and the non-standard community management, and it is not easy to organize rescue, which poses a huge threat to the safety of the lives and property of the local residents. Therefore, this paper aims to explore the fire rescue solution adapted to this special environment. Based on the problem-oriented analysis of the old community environment disorder, the lack of supporting facilities, and the weakness of the existing rescue products, such as their pertinence and poor adaptability, specific problems are introduced from the aspects of basic conditions, core functions and ancillary functions, etc. Then, the problem is divided, locked and solved from the aspects of trafficability, water source, travel, operation, work efficiency and aesthetics. The problem-oriented design thinking can clearly show the essence of the design object. In the design process of fire rescue products applied to old community, the problems are divided into three levels: the basic problems to adapt to the design premise, the core problems to ensure the implementation of functions, and the extension problems to promote the perfection of the scheme. All kinds of problems can be solved systematically, without excessive design, and new problems can be avoided. Finally, practical and feasible product solutions can be obtained.

problem-oriented; essence; old community; fire rescue; product design

TB472

A

1001-3563(2022)06-0110-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.06.015

2021-12-15

2017年湖北省教育廳人文社會科學研究（17Y046）；湖北省高校重點人文社科基地——生態環境設計研究中心項目

韓軍（1978—），男，碩士，副教授，主要研究方向為工業設計。