基于TRIZ理論的支架卸落系統改進設計

譚健　李勇波　余昆　鎮順利

摘 要：在橋梁施工中，現澆梁施工通常采用支模架系統為承重結構，并使用支架卸落系統調節標高以及完成落架。為提高現有支架卸落系統的承載和卸落能力，增大支架卸落系統的安全性、可靠性、靈活性、經濟性，基于TRIZ理論，從組件、功能、資源等方面進行分析，對現有支架卸落系統進行改進，提出了多種改進方案。結果表明，TRIZ理論在橋梁施工領域的應用前景廣闊，解決問題全面、快速、準確，優勢明顯。因此，通過引入和應用TRIZ理論，可以提升橋梁施工的效率和效果，提高工程的安全性和可靠性。

關鍵詞：支架卸落系統；TRIZ；承載能力

中圖分類號：TU997 文獻標識碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306092

Improved Design of Support Unloading System Based on TRIZ Theory

Tan Jian，Li Yongbo，Yu Kun，Zhen Shunli

（The 7th Engineering Co.， Ltd， China Railway Major Bridge Engineering Group， Wuhan 430056， China）

Abstract：In bridge construction， when the formwork support system is used as the load-bearing structure in cast-in-place beam construction， the support unloading system is generally used to adjust the elevation and complete the fall. In order to improve the bearing capacity and unloading capacity of the existing support unloading system， and increase the safety， reliability， flexibility and economy of the support unloading system， the TRIZ theory is used to analyze the components， functions and resources. The existing support unloading system is improved， and a variety of improvement schemes are put forward. The results show that the application of TRIZ theory in the field of bridge construction has broad prospects， comprehensive， rapid and accurate problem solving， and obvious advantages.

Key Words：Support Unloading System；TRIZ；Carrying Capacity

0 引言

1956年，阿奇舒勒提出了“發明問題解決理論”，即TRIZ理論，該理論不僅提高了技術問題的解決能力，縮短了產品的研發周期，還使企業技術創新的方向具有可預見性，從而降低了企業技術創新的風險。目前，TRIZ理論不僅在工程技術領域發揮著巨大作用，成為企業創新的利器，而且已經在自然科學等多領域得到了應用[1]。

在橋梁施工中，支模架系統是現澆箱梁當中經常使用的一種用于澆筑混凝土的承重結構，支模架在設計施工當中需要考慮施工標高的調節和控制，以及在澆筑完成混凝土主體結構后支架拆除，而橋梁支架卸落系統是用于橋梁支架標高調節與落架的工具，可循環使用，標高調節方便、精度高、應用廣泛。為提高現有支架卸落系統的承載和卸落能力，增大支架卸落系統的安全性、可靠性、靈活性、經濟性，運用TRIZ理論對現有支架卸落系統從組件、功能、資源等方面進行分析并改進。

1 支架卸落系統

支架卸落系統如圖1所示，由等腰梯形形狀的上支座、下支座、左支座、右支座組成，左支座和右支座均開有供穿插對拉螺桿的通孔，對拉螺桿貫穿左、右支座，通過對拉螺桿兩端鎖入螺母將左、右支座固定，對拉螺桿與兩端螺母共同組成對拉桿件。通過對拉桿件的松緊來調節上下支座的標高，從而達到快速調節標高和支架卸落的目的。支座的承載能力主要依靠承力坡及對拉桿件強度的確定[2]，可以分塊段現場拼裝，通過對拉桿件實現支座頂部標高的調節。

2 利用TRIZ解決問題

2.1 工程系統及組件

工程系統是指能夠執行一定功能的系統，一般來說，其指的是我們整體的研究對象[3]。根據工程系統定義，對內部組件進行分析，如表1所示，組件包括上支座、下支座、左支座、右支座、對拉螺桿、左螺母、右螺母，超系統組件為人、鋼管立柱、上部鋼梁。

支架卸落系統改進的目的為：提高現有支架卸落系統的承載和卸落能力，增大支架卸落系統的安全性、可靠性、靈活性、經濟性。支架卸落系統現存的主要問題為：承載能力較低、安全性較低。對改進后的系統的要求為：能承受更大的豎向荷載、安全可靠、保證調節高度。

2.2 功能分析

功能分析是一種分析問題的工具，專用于識別系統和超系統組件的功能、特點及其成本。功能分析分為三部分，即組件分析、相互作用分析和功能模型[4]。針對支架卸落系統定義及描述對相互作用進行分析，相互作用分析的輸出是一個相互作用的矩陣，如表2所示。對這些阻件進行兩兩分析，看它們是否有相互作用，即是否有接觸，如果有相互接觸，則在矩陣單元中以“+”標記，沒有則以“-”標記。

分析完組件之間的相互作用之后，進行功能建模，功能是指一個組件改變或保持另一個組件的某個參數的行為，功能存在的三個條件分別為：功能的載體和對象都是組件；功能載體和功能對象之間必須有相互作用，即兩者必須相互接觸；功能對象至少有一個參數由于相互作用發生了改變或保持。功能分為有用功能和有害功能，有用功能指與期望方向一致的功能，有害功能指與期望方向相反的功能。其中有用功能根據性能水平分為正常功能、不足功能、過量功能[5]。

功能分析時，對表2中每一個有“+”的單元進行分析，并對分析出來的每個功能進行判斷，判斷這個功能是有用的還是有害的，對每個功能分析完之后，進行建模，其中超系統組件用六邊形框，目標使用圓角方框，系統組件用直角方框，功能為有害則為曲線箭頭，性能水平正常則為直線箭頭，性能水平不足則用虛線箭頭，性能過量則用在直線箭頭上加多條與指向線垂直的短橫線的箭頭，功能模型如圖2所示。

在支架卸落系統功能模型中，系統內組件與超系統組件之間的功能一般為支撐、限制、移動、擠壓作用，具體為鋼管立柱對下支座、下支座對左右支座、左右支座對上支座、左右支座對對拉螺桿、上支座對上部鋼梁有支撐作用，左右螺母分別對左右支座有限制作用，對拉螺桿與左右螺母之間有限制作用，左右支座對左右螺母分別有擠壓作用，上部鋼梁對上部支座有擠壓作用，人通過旋轉螺母對左右螺母有移動作用。按照改進目的，可明確現有系統中上支座對上部鋼梁的支撐作用是不足的，對拉螺桿對左右螺母的限制作用是不足的，左右支座對螺母的擠壓作用是有害的，上部鋼梁對上支座的擠壓作用是有害的。

根據功能模型對功能缺點進行匯總，并提出可能解決的方案，如表3所示。

根據功能模型對系統進行剪裁，裁剪左右支座，將左右支座對上支座的支撐作用分配給下支座，將左右支座對對拉螺桿和螺母的作用分配給上下支座，剪裁后的方案1如圖3所示，可通過對拉桿件的松緊使三角形塊產生相對位移，直接調節了上支座的標高，從而達到快速調節標高和支架卸落的目的。系統雖得到了簡化，但是卸落能力和安全性并未得到提升。

再次對系統進行剪裁，裁剪掉螺母、對拉螺桿，讓系統外新組件調整塊實現螺母與對拉螺桿相互組合的限制上下支座位移的功能，形成的方案2如圖4所示。通過調整上支座和下支座之間的調整塊的數量，使上下支座之間產生相對滑動，從而調整上支座的標高，且拆除全部調整塊后，上支座與下支座的接觸面構成自鎖結構，從而使結構穩定，較好地提高了支架卸落系統的承載和卸落能力，安全性也有了較大提升。

2.3 因果鏈分析

因果分析法可以形象、直觀地將問題以及原因串聯起來，從而根據因果分析圖，發現問題產生的根本原因[6]，進而尋找解決問題的關鍵點和突破口。在支架卸落系統中，限制承載和卸落能力并影響安全性的主要原因是螺桿與螺母連接的破壞，設定初始缺點為螺栓連接損壞，然后進行分析，因果鏈分析模型如圖5所示。

根據因果鏈分析模型和支架卸落系統的實際情況得知，關鍵缺點為螺桿與螺母的強度、硬度不夠、受力過大。通過將關鍵缺點轉化為關鍵問題，并從關鍵問題出發挖掘存在的矛盾形成解決方案，形成的對應解決方案如表4所示。方案6如圖6所示，方案6通過將上下左右支座的接觸面處處理成圓弧階梯狀，改變了原有支座內部受力形式，將上支座的力直接傳遞到下支座，使對拉桿件受力減少，增加了支架卸落系統的承載與卸落能力，安全性也得到了保證。

2.4 矛盾分析

通過前面的分析結果可以發現，為了提高螺桿和螺母的強度，會提高制造精度，增加成本，這在 TRIZ理論中是一個技術矛盾，根據矛盾矩陣，推薦使用局部質量原理進行求解，可以通過增加螺母與螺桿的連接處的局部強度，采用表面淬火或者局部采用優質的合金材料來解決（方案7）。螺母與螺桿的數目需要增加，因為要減少單個螺母與螺桿受力以提高系統承載能力，但是螺栓與螺桿的數目需要減少，因為增加數量會增加系統的復雜性，對螺桿與螺母的“數量”參數而言，這是既要“多”又要“少”，形成了物理矛盾，基于條件分離中的合并原理，可以通過方案3解決。

2.5 方案分析與評價

通過對支架卸落系統組件、功能、因果鏈、矛盾等進行分析，得到了7種解決方案，此外還可通過資源分析、物場分析等得到相關的解決方案，比如在螺母與螺桿之間加入鋼絲螺套以消除螺紋制造誤差，提高連接強度。通過運用TRIZ理論得到的7種方案，不僅可以單獨應用還可以組合使用，比如方案3與方案4組合，方案3與方案5組合，方案3與方案4與方案5組合等，形成更多的方案。在上述方案中，方案2、方案3、方案4、方案5、方案6的適用性比較廣泛，部分已在實際工程中得到了應用，方案2和方案6的具體應用案例較少，但理論效果較好，實際適用性還需要加以驗證。

3 結語

通過運用TRIZ理論，對支架卸落系統進行了改進，得到了多個可行性方案，對提升支架卸落系統的承載和卸落能力，提高支架卸落系統的安全性、可靠性、靈活性、經濟性有積極的作用和一定的創新性。通過系統的分析，能在較短時間內提出多個解決方案，體現了TRIZ理論在解決問題上具有快速、準確、高效的特點。但在實際應用中，除達到改進目的外，還應注意方案的適用性與經濟性，根據現場實際情況綜合考慮進行比選，選擇最優方案，方能增強創新方法在橋梁施工及智能建造領域施工中的生命力。

參考文獻：

[1]劉麗，陳海周，解偉民， 等. TRIZ理論在立式冷藏展示柜噪聲改進中的應用[J].科學技術創新， 2020（27）：172-173.

［2］劉磊.橋梁支架卸落裝置淺析[J].赤子，2019（21）： 164-165.

［3］孫永偉.TRIZ——打開創新之門的金鑰匙（六）[J].家電科技，2013（9）：32-33.

［4］李培培，劉雷.基于TRIZ的冰箱溫度控制分析研究[J].日用電器，2022（11）：121-124.

［5］周東亞，金燕，朱宏軒.基于TRIZ理論的榨汁機創新設計研究[J].包裝工程，2023，44（8）：402-411.

［6］林岳，史曉凌.創新思維與問題分析方法：“TRIZ理論”及其創新方法知識介紹[J].中小企業管理與科技，2013（25）： 294.

（責任編輯：張雙鈺）

基金項目：湖北省創新方法推廣應用基地服務能力建設項目（2020IM020800）

作者簡介：譚健（1996-），男，中鐵大橋局第七工程有限公司助理工程師，研究方向：橋梁工程。