基于模塊化設(shè)計(jì)理念的城市消防車優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭凱恒 路鵬 王姝懿 方丹

摘要：解決城市消防車由于種類繁多導(dǎo)致的價(jià)格昂貴、體量龐大、功能單一、不易儲存等問題，并對云梯裝置進(jìn)行了優(yōu)化改良。透過專家深度訪談的方式獲取設(shè)計(jì)需求網(wǎng)狀圖，再以專家問卷的方式選擇出提及頻次較高的問題進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)提案以模塊化設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，將原本單一存在的功能轉(zhuǎn)化為數(shù)個(gè)模塊化的組合。模塊化的車體設(shè)計(jì)，提高了現(xiàn)役城市消防車的實(shí)用性及功能性，降低了研發(fā)及制造成本。專家訪談有利于獲取潛在的設(shè)計(jì)需求，模塊化的設(shè)計(jì)理念優(yōu)化了城市消防車的功能系統(tǒng)，整合的研究方法確保了設(shè)計(jì)提案的可行性，可作為后續(xù)設(shè)計(jì)研究的參考。

關(guān)鍵詞：城市消防車 模塊化設(shè)計(jì) 云梯消防車 功能優(yōu)化設(shè)計(jì) 造型設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 04-0129-03

引言

我國人口數(shù)量位居全球第一，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止到2017年，中國的人口總數(shù)約為13億9008萬，其中，城市化人口比重約占58.52%[1]。聚集區(qū)人口密度較大存在各種安全問題的隱患，據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2018年全國發(fā)生火災(zāi)23.7萬起，造成1407人死亡、798人受傷、直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)36.75億元，全國消防救援隊(duì)伍接警出動115.7萬起，出動消防救援人員1273.2萬人次，出動消防車輛219.3萬輛次[2]，由此可見，我國消防工作任務(wù)量巨大，及時(shí)提供更優(yōu)質(zhì)的消防設(shè)備迫在眉睫。其中，消防車使用頻率極高，且對于消防工作的展開至關(guān)重要。就城市消防車來說，容易受到交通、城市構(gòu)造、價(jià)格以及體積等因素影響，加之火情種類繁雜，現(xiàn)場情況多變，從而要求消防車具備多功能，以應(yīng)對各種情況。文章針對上述情況，以模塊化的設(shè)計(jì)理念對城市消防車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、專家訪談

為準(zhǔn)確把握消防員對城市消防車的功能需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)前往西安消防隊(duì)展開調(diào)研，以專家深度訪談的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采訪了西安消防隊(duì)的在役消防員，通過提問的訪談方式最終確定以城市消防車作為個(gè)案展開研究。透過訪談了解到，我國城市消防車多為進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格超過100萬元/輛，其中，云梯消防車和排煙消防車等特殊功能消防車的價(jià)格比普通城市消防車高出幾倍，同時(shí)體積龐大，以致國內(nèi)消防隊(duì)中云梯消防車的配備率極低，就西安市消防隊(duì)而言，僅有一輛云梯消防車在役。

在線下第二次調(diào)研中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)梳理了第—次訪談?wù){(diào)研中得出的幾項(xiàng)重要問題，并搜尋了如圖1右側(cè)所示的幾款不同功能不同造型的消防車再次進(jìn)行訪談?wù){(diào)研。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過訪談總結(jié)并整理出了消防員的設(shè)計(jì)需求網(wǎng)狀圖，如圖1所示，主要信息欄包括第一層（抽象形容詞）、第二層（原始評價(jià)）以及第三層（具體條件）三項(xiàng)。通過該網(wǎng)狀圖篩選出提及頻次最高的5項(xiàng)抽象形容詞，即實(shí)用性、多功能、安心感、造型感以及便利性，圍繞這幾項(xiàng)的原始評價(jià)和具體條件，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)制作了一份具有針對性的城市消防車問卷調(diào)查，通過專家填寫來收集可靠數(shù)據(jù)，從而得出設(shè)計(jì)之初所要限定的設(shè)計(jì)范圍，即重點(diǎn)關(guān)注城市消防車的實(shí)用性、功能性以及機(jī)動性等問題。同時(shí)通過對問卷調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，云梯消防車體積大不易存放等問題是主要待解決的問題，因此將此問題作為本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

二、模塊化設(shè)計(jì)理念

（一）模塊化設(shè)計(jì)的概述：模塊化設(shè)計(jì)即在一定范圍內(nèi)將具備關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)品按功能或性能進(jìn)行分析、拆解與再設(shè)計(jì)，形成一系列具備特定功能的模塊，再通過替換、升級、選擇和重組等方式來形成具有新功能的產(chǎn)品，從而滿足市場與環(huán)境的不同需求[3]。在模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，應(yīng)遵循由整體到局部的設(shè)計(jì)思路，確定不同模塊之間的主從關(guān)系，進(jìn)而對每一個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)，從而達(dá)到局部的最優(yōu)解，這樣不僅可以提高整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)保證產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性，避免了新產(chǎn)品給人帶來的拼湊感與不協(xié)調(diào)感[4]。模塊化設(shè)計(jì)具體的原則包括以下兩點(diǎn)：1）模塊應(yīng)具有更高兼容性，即使用少量模塊組成盡可能多的產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上不斷提高產(chǎn)品精度、增加性能、節(jié)約成本以及簡化結(jié)構(gòu)等;2）模塊的系列化，即使用有限的產(chǎn)品品種和規(guī)格來最大限度地兼顧經(jīng)濟(jì)合理性以及滿足用戶需求。模塊化設(shè)計(jì)的特征包括相對獨(dú)立性、互換性、通用性等。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：1）減少重復(fù)設(shè)計(jì);2）減少生產(chǎn)周期降低成本;3）可通過升級模塊提升整體功能;4）提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)范性。另外，模塊化設(shè)計(jì)也存在一定的局限性，對于部分小型或低端產(chǎn)品而言，會增加其研發(fā)、生產(chǎn)成本，應(yīng)用不當(dāng)甚至?xí)s短產(chǎn)品使用壽命，增加損壞率等[5]。國內(nèi)眾多學(xué)者以此理念為指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，例如模塊化的組合家具設(shè)計(jì)[6]、電動自行車模塊化設(shè)計(jì)研究[7]以及模塊化自主變形機(jī)器人設(shè)計(jì)探索[8]等，證實(shí)模塊化的設(shè)計(jì)理念是一科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方法，故本案亦透過此理念以城市消防車作為個(gè)案展開研究。

（二）模塊化設(shè)計(jì)對城市消防車設(shè)計(jì)的意義：使用模塊化設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)城市消防車設(shè)計(jì)，可在車體整體框架的基礎(chǔ)上將其不同的功能屬性需求進(jìn)行劃分與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)城市消防車普遍功能的繼承及其特性的提取，進(jìn)而將任意二者通過相同方式進(jìn)行連接重組，達(dá)到在特定情況下使用特定功能的目的。模塊化設(shè)計(jì)加強(qiáng)了城市消防車應(yīng)對多種特殊情況的能力，可有效減少購置成本及節(jié)約存放空間，故本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)城市消防車設(shè)計(jì)。

三、城市消防車的案例研究

（一）模塊化城市消防車整體概述：文章基于模塊化設(shè)計(jì)理念于城市消防車的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用系列化模塊劃分的設(shè)計(jì)原則，將車體分為5個(gè)模塊，包括消防車主車體模塊（Ol）、連接模塊（X）、水箱模塊（A）、排煙模塊（B）和云梯模塊（C）。假設(shè)所組成的目標(biāo)消防車為M，可以相應(yīng)的模塊化設(shè)計(jì)公式[3]表示為：M=Ol+X+A （or B，C）。上述公式中，主車體模塊（Ol）與連接模塊（X）作為構(gòu)成目標(biāo)消防車（M）的基礎(chǔ)條件，具備現(xiàn)役普通城市消防車的常規(guī)功能。另外，水箱模塊（A）、排煙模塊（B）和云梯模塊（C）是對目標(biāo)消防車功能需求的補(bǔ)充和更替，最終實(shí)現(xiàn)了消防車的功能迭代，各模塊組件如圖2所示。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念的城市消防車優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足了以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：1）提高了城市消防車應(yīng)對復(fù)雜火災(zāi)情況的能力;2）縮減了城市消防車的體積，可解決現(xiàn)有城市消防中心儲存場地空間不足的問題;3）節(jié)約了消防車的生產(chǎn)與研發(fā)成本;4）為未來城市消防車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了參考。

（二）主車體模塊：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)收集了世界上知名的消防車制造商及消防車的信息，例如：奧地利盧森堡亞公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的美洲豹機(jī)場消防車[9]、德國馬基路斯公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的云梯車、日本森田泵株式會社制造的高噴車等，此設(shè)計(jì)亦基于上述品牌旗下消防車的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)。該模塊化城市消防車整體配色以紅色、黑色和銀色為主，這幾種顏色組合更能激發(fā)斗志，讓人振奮，從而提高救援效率。主車體模塊長度為8米，高度為3米，寬度為2.7米，具有集載人、存放消防設(shè)備、儲水、噴射、照明以及行駛等功能，其中儲水量為10噸，具備獨(dú)立出警能力。造型上部分區(qū)別于現(xiàn)役城市消防車，車頭從側(cè)面看呈梯形，車身為長方體形，整體給人以堅(jiān)毅可靠的感覺，滿足了需求網(wǎng)狀圖中所提及的“安心感”與“造型感”等詞。車頭正臉部分配有兩套照明轉(zhuǎn)向燈，兩根豎式保險(xiǎn)杠，正臉中部下端配備拖拽鉤。主車體共有四條防滑輪胎，兩側(cè)各配有一高一低兩扇卷軸門，內(nèi)置便攜式滅火器、防護(hù)服、自持式呼吸器、急救工和破拆工具等裝備。車體與模塊之間以盤狀紐帶結(jié)構(gòu)相互連接，其中行駛動力來源基于車體模塊，各功能模塊無獨(dú)立行駛動力。在連接云梯模塊時(shí)，消防車車側(cè)可展開共6根支撐桿（主車體配備4根，云梯模塊配備2根），有助于云梯模塊更平穩(wěn)地運(yùn)作。主車體左側(cè)后方配備一架伸縮梯，滿足僅主車體模塊出警時(shí)消防人員正常上下車頂?shù)墓δ?。主車體頂部前端配消防警示燈，中端配備高壓水槍，后端配備兩盞照明燈。消防車主車體如圖3所示。

（三）連接模塊：連接模塊整體呈圓盤狀，由兩部分組成，分別是連接主車體模塊的固定盤（a）和連接功能模塊的抓鉤盤（b）。固定盤（a）側(cè)面具有凹槽，用于抓鉤固定，內(nèi)部有信息導(dǎo)線，用于傳輸數(shù)據(jù)及供電;抓鉤盤（b）外部由盤周八組抓鉤組成，內(nèi)部則為接收器。當(dāng)主車體模塊與功能模塊通過連接模塊對接時(shí)，導(dǎo)線與接收器結(jié)合，連接模塊接收由主車體模塊產(chǎn)生的電力從而控制抓鉤內(nèi)收，鉤住固定凹槽，實(shí)現(xiàn)連接模塊組合（c），達(dá)到將主車體模塊同功能模塊組合的目的。連接模塊如圖4所示，連接模塊使用效果如圖5所示。

（四）水箱模塊：水箱模塊呈包裹式正方體形，該模塊的長寬高分別為2.5米、2.7米和3米。模塊后部固定有攀爬梯，便于消防員攀爬至車頂作業(yè);水箱模塊可載水量為10噸，可提供消防車多于主車體一倍的消防用水。水箱模塊組合效果如圖6所示。

（五）排煙模塊：排煙模塊呈開放式方體半包平臺，該模塊的長寬高分別為2.5米、2.7米和3.2米。該模塊造型呈圓角長方體形，內(nèi)部配備六組圓柱形出風(fēng)口和兩組圓柱形水霧噴灑口;裝置底部配備液壓抬升器，可隨實(shí)際狀況改變裝置角度和高度，基于基座的可旋轉(zhuǎn)角度為60°，可抬升高度為2米，在抬升高度超過1米時(shí)，即可通過排煙裝置底部圓形轉(zhuǎn)臺進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而選擇適當(dāng)角度實(shí)施作業(yè)。模塊中攜帶的裝置正常情況下具備排煙功能，用于降低濃煙對救援的干擾。在遭遇火情范圍大或煙霧中雜質(zhì)密度高等特殊情況時(shí)，可以對裝置進(jìn)行注水并噴射水霧，對火源及煙霧進(jìn)行覆蓋，可有效冷卻燃燒反應(yīng)，稀釋火源附近氧氣濃度，同時(shí)吸附空中的灰塵顆粒和雜質(zhì)，從而達(dá)到撲滅火源及降低煙霧濃度的目的。排煙模塊組合效果如圖7所示。

（六）云梯模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.云梯消防車現(xiàn)狀分析：設(shè)計(jì)之初，通過對現(xiàn)有云梯消防車的了解，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)梳理出現(xiàn)存云梯消防車的現(xiàn)狀如下：云梯消防車大致分為兩類，即曲臂云梯消防車和直臂云梯消防車。從生產(chǎn)制造方面而言，云梯消防車主要生產(chǎn)自芬蘭、德國、日本和中國等地。云梯消防車由于抬升高度不同也分為了眾多型號，其中車體最小的云梯消防車長寬高分別為7.6米、2.6米和3.5米，但其抬升高度僅為16米，而常規(guī)大型云梯消防車抬升高度約為30-60米不等，就抬升高度為32米的云梯消防車而言，長寬高達(dá)到了12米、2.5米和4米。綜上所述，大型云梯消防車車體體積龐大，導(dǎo)致其存在不易于存放、不便于行駛以及造價(jià)昂貴等問題，致使國內(nèi)配備率低。

2.云梯模塊的概述：針對上述云梯消防車存在的問題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款區(qū)別于曲臂云梯裝置與直臂云梯裝置的云梯模塊，該模塊主要由4個(gè)部分組成，即液壓裝置（d）、支撐桿（e）、吊籃（f）以及高噴水槍（g），其工作原理是通過載體底部的液壓裝置對支撐桿進(jìn)行控制，致使模塊可以上下伸縮，再利用吊籃和高噴水槍實(shí)施作業(yè)，達(dá)到救援及消防目的。該模塊的載體造型同排煙模塊一致，搭載收回狀態(tài)的云梯裝置時(shí)長寬高分別為2.5米、2.7米和3.15米。在組裝云梯模塊后，整車車體長寬高分別為10.5米、2.7米和3.15米，其抬升高度可達(dá)32米，相當(dāng)于普通樓層的12層樓高，滿足大部分情況下的城市消防作業(yè)，就此可見模塊化消防車體積利用率大于現(xiàn)有云梯消防車，更加便于存放與行駛，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)需求網(wǎng)狀圖中的“便利性”需求。云梯模塊使用效果如圖8所示。

3.云梯模塊的結(jié)構(gòu)：云梯模塊的支撐桿由25個(gè)高為1.3米，厚度為0.04米，直徑為0.8-1.6米不等的管狀液壓軸層層嵌套組成，載體配備高強(qiáng)度液壓機(jī)并直接作用于液壓軸，可有效保障支撐桿的上下伸縮，實(shí)現(xiàn)吊籃和高噴水槍的上下抬升。云梯吊籃呈環(huán)形圓柱狀，包裹在支撐桿外圍，并采用左右分離的形式分布。云梯吊籃得以正常運(yùn)作由以下兩部分決定，第一部分是與同側(cè)支撐桿的側(cè)面滑槽相咬合，從而實(shí)現(xiàn)吊籃貼合支撐桿平穩(wěn)滑動;第二部分是由穿過頂部杠桿升降控制器的鋼線進(jìn)行拖拽，從而實(shí)現(xiàn)吊籃的上下運(yùn)作。通過這兩部分以及杠桿升降控制器對其的控制，實(shí)現(xiàn)云梯吊籃可以上下穩(wěn)定移動，達(dá)到提高被救人員疏散效率的目的。云梯吊籃由阻燃布、伸縮鋼管、折疊網(wǎng)狀金屬托盤以及伸縮梯組成，在減輕配重的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)云梯吊籃的可折疊功能，從而節(jié)約運(yùn)載空間降低整車體積。高噴水槍裝配于支撐桿最內(nèi)軸，該設(shè)備的應(yīng)用使云梯裝置可以完成更高樓層的滅火工作。以上便是對云梯模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，后期會在已提出的造型、結(jié)構(gòu)、材料和功能等方面進(jìn)行深入設(shè)計(jì)探索，充分完善與提升云梯模塊的性能，如圖8。

結(jié)論

通過對城市消防車及其相關(guān)產(chǎn)品的資料收集與分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役消防設(shè)備存在安全性低、體積大、不易儲存、價(jià)格高和普適性弱等問題。文章應(yīng)用專家深度訪談的方式聚焦于現(xiàn)役城市消防車的實(shí)用性和功能性，圍繞實(shí)際需求進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而有效地解決了所發(fā)現(xiàn)的問題。其中，專家深度訪談法可以快速鎖定潛在的設(shè)計(jì)需求，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)，對于設(shè)計(jì)初期階段是一客觀有效的調(diào)研方法?；谀K化設(shè)計(jì)理念所設(shè)計(jì)的城市消防車與現(xiàn)有消防車相比，具備實(shí)用性強(qiáng)、功能多樣、體積小和機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)勢。另外，文章特別針對云梯裝置的結(jié)構(gòu)及升降方式進(jìn)行了優(yōu)化再設(shè)計(jì)，為后續(xù)云梯消防車的設(shè)計(jì)提供了參考。綜上，針對消防類的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，應(yīng)以提高救援效率，切實(shí)保障人身安全，降低意外風(fēng)險(xiǎn)為設(shè)計(jì)前提，逐步提高消防員的消防水平，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。.

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