基于TRIZ理論的高樓外墻保溫施工設備的設計*

李 航, 袁 遠, 李煒倫

(1.內蒙古工業大學 機械工程學院，內蒙古 呼和浩特市 010051； 2.內蒙古工業大學 經濟管理學院，內蒙古 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節，它不僅有利于房屋的保暖還具有節能環保的作用[1-2]。外墻保溫施工技術分為多種[3]，其中，外墻保溫的外掛式保溫技術應用最為廣泛，該技術是以聚苯板、巖棉、玻璃棉氈等作為保溫材料，通過鋪貼網格布、抹灰固定于外墻表面。由于其工藝繁瑣與工況復雜，現階段主要通過工人乘載吊籃方式進行施工操作，施工速度慢、效率低并且存在安全隱患。如果能設計一款代替人工鋪網、抹灰等操作的施工設備，可有效緩解工人施工壓力，提升施工效率。

雖然現階段還很少有關于外墻保溫施工設備的研究，但建筑物墻體抹灰設備得到了一定的推廣與使用。國內外學者相繼設計了螺旋扇葉狀抹灰的手持型抹灰機[4]；設計了聯動裝置，集成了抹灰過程的盛灰、抹灰、抹平、壓實等工序[5]；結合傳感技術，設計了對墻體陰角實施抹灰作業的無死角半自動抹灰機[6]；以及對現有建筑施工設備進行仿真、優化設計、可靠性分析等研究[7]。上述研究設計可以為外墻保溫設備的研發提供借鑒指導。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；鋪網與抹灰同步進行。因此對如何實現高質量抹灰和施工設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備設計的根本問題，為后續設備制造研發，提供理論依據。

1 基于TRIZ理論的方案分析

1.1 TRIZ理論簡述

TRIZ理論(即“發明問題解決辦法”)是前蘇聯發明家根里奇.阿奇舒勒帶領一批學者對200多萬專利文獻加以收集、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]。包含了技術系統進化法則，最終理想解，40個發明原理，39個工程參數與矛盾矩陣，物理矛盾的分離原理，物-場模型，標準解法，發明問題的解決算法，科學效應和知識庫。合理使用上述原理可加快發明創造的進程，實現產品整個生命周期的創新與優化。

1.2 因果鏈分析

因果鏈分析是辨識解析工程系統關鍵原因的分析手段[9]，它是通過建立因果鏈的缺陷而完成的，將目標問題和關鍵問題聯系起來。根據關鍵原因提取關鍵問題，針對關鍵問題提出初始解決方案的假設，或者將關鍵問題轉化成技術矛盾、物理矛盾等工具進行解決。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、機械、環境三個方面。總結如下：①室外施工環境不同于室內，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定性好等優勢，但是受限于安裝與拆卸，無法應用于外墻，鋼纜升降廣泛應用于室外施工，但是穩定性較差；③外墻保溫施工過程中，鋪貼網格布與抹灰同時進行，鋪網之前還需進行預抹灰操作，制約了現階段抹灰設備的使用；④聚苯板質脆，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致有用及有害的兩種結果，TRIZ理論將39個工程參數與40個發明原理以及它們所對應的關系組成矛盾矩陣，當改善參數和惡化參數不同時，定義為技術矛盾，使用矩陣中推薦的發明原理解決問題，當改善參數和惡化參數相同時，定義為物理矛盾，可通過4大分離原理進行解決[11]。

通過因果鏈分析，結合TRIZ理論中的39個工程參數可以得出該系統的矛盾沖突。本設備以降低工人勞動強度、提高生產效率、增加施工過程安全性為設計宗旨，對應的工程參數分別為自動化程度、生產率、穩定性，但是需要用復雜的機構代替人工操作，系統較為復雜；設備進行抹灰操作時，不能破壞聚苯板，即需通過改變抹灰機構的形狀來改善聚苯板受力情況；設備具備鋪貼網格布、抹灰壓實等功能，使得設備的體積很大，導致設備安裝、運輸起來不方便，所以減小設備的體積是設計過程重要環節，但是某些部件可能因減小體積導致可靠性降低；設備不但要對平整工作面進行施工，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。根據分析得到改善/惡化的參數，得到沖突矩陣，如表1所列。

表1 沖突矩陣

利用矛盾矩陣提供的發明原理，并結合設計經驗，最終篩選發明原理2(抽取原理)、10(預先作用原理)、14(曲面化原理)、15(動態化原理)、24(借助中介物原理)、35(物理或化學參數改變原理)作為解決外墻保溫施工問題的指導思路。根據選用發明原理的釋義，并結合設計經驗、生產難度，得到解決方案，如表2所列。

表2 發明原理分析與應用

2 施工設備關鍵部件的創新設計

2.1 抹灰壓實機構設計

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，由電機帶動齒輪組提供動力，抹灰漿料由螺桿擠壓至抹灰扇葉，進而涂抹至墻面。采用原理35(物理或化學參數改變原理)改變抹灰扇葉的物理參數，由單扇葉抹灰變為三個抹灰扇葉，扇葉呈平行分布，提高了抹灰效率，扇葉下方設置壓實輥子與刮板，伴隨設備提升，完成壓實與刮平操作。抹灰壓實機構如圖2所示。

圖2 抹灰壓實機構圖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 鋪貼網格布機構設計

外墻保溫施工過程中，為增加網格布與聚苯板之間的抗拉強度，鋪網之前需要進行預抹灰操作，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，網格布卷筒通過彈性卡夾固定在傳動軸上，施工前將網格布自由端固定于墻面，隨著設備提升，網格布鋪貼于保溫板。通過傳動軸將鋪貼網格布時產生的拉力轉化為扭矩傳遞至鏈輪，鏈傳動使預抹灰滾筒轉動，進而實現鋪網與預抹灰聯動。預抹灰滾筒的設計運用原理2(抽取原理)，以外墻水泥拉毛滾筒為研究對象，內部設置成空腔，空腔與滾筒外壁之間設置有出料小孔，利用螺旋擠壓原理，漿料由輸料管運輸至滾筒空腔，進而通過纖維毛涂抹于聚苯板。鋪貼網格布機構如圖3所示。

2.3 移動與升降機構的設計

設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，所以整個機構分為升降部分與水平移動部分。水平移動部分運用原理15(動態化原理)進行設計，將傳統的固定式支架設計為小車結構，軌道與施工墻面平行布置，小車安裝在軌道上，并且利用護欄防止小車側翻。

施工設備完成一個工作面時，電機驅動絲杠使小車沿軌道移動，對下一個工作面進行施工。當施工設備上傳感器接收到障礙的信號時，液壓缸調節滑塊位置，使其遠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定性較差等缺陷，文中采用原理10(預先作用原理)在鋼纜與移動滑塊的連接處增加緊固器裝置，對升降鋼纜進行預緊處理，增加設備運行的穩定性。移動與升降機構如圖4所示。

3 外墻保溫施工設備設計最終方案

通過對上述設計方案的整合，設計高樓外墻保溫施工設備，結構如圖5所示。

圖5 外墻保溫施工設備結構圖1.鋪貼網格布機構 2.網格布 3.抹灰機構 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

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

外墻保溫施工時，鋪貼網格布結構進行預抹灰操作，將網格布鋪貼于聚苯板上；出料電機驅動擠壓螺桿旋轉，漿料被擠壓到抹灰扇葉側部，螺桿與抹灰扇葉同軸，扇葉旋轉將漿料涂抹于網格布上；利用抹灰扇葉下方設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，從而完成鋪貼網格布、抹灰壓實過程。

設備的移動裝置分為平移機構與升降機構，制動電機通過主軸驅動爬繩輪在鋼纜上轉動，設備運行時，當激光測距傳感器與超聲波傳感器檢測到上方有障礙時，控制器調節移動機構進行避障，避障的同時控制器關閉出料電機，停止供料。設備完成一個單位施工面積時，觸動平移按鈕，使設備平移，進行下一個單位面積鋪網抹灰。

4 可行性分析

通過對國家設計標準的詳細了解與外墻保溫施工設備的最終設計方案的分析，完成了設備主體結構的主要參數的計算：機械總重(含漿料)：400 kg，抹灰寬度：800nmm(n為正整數)，主軸直徑：50 mm，制動電機額定功率：3 kW，制動電機額定轉速：960 r/min。最后利用SolidWorks對施工設備進行建模。三維模型如圖6所示。

圖6 外墻保溫施工設備三維模型

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

上述高樓外墻保溫施工設備相對其他相似產品具備以下創新點：①采用螺桿擠壓出料結構，出料穩定，扇葉設計有效防止旋轉時破壞聚苯板；②結構設計簡單，功能完善，易于操作與維護；③升降系統安裝有緊固裝置，穩定性高，結合傳感技術，可完成自動避障，有效克服外墻保溫工況復雜等因素的影響，提高了施工效率，降低工人的勞動強度。

5 結 語

文中基于TRIZ理論對外墻保溫施工現狀進行了因果鏈分析，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備的關鍵件進行創新設計，最終確定了設計方案。通過運動仿真分析，外墻保溫施工設備可完成鋪貼網格布、抹灰、壓實刮平以及避障等功能，實現高層樓體的施工操作，對促進保溫行業發展具有重要意義。