地下工程裝備造型設(shè)計(jì)約束分析

李 良

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100)

1 引言

地下工程裝備可廣泛用于鐵路、公路、煤礦巖巷、地下管廊等隧道開挖、出渣和支護(hù)作業(yè)，能夠大量提升隧道開挖效率，為大型地下工程實(shí)現(xiàn)智能化建造提供高效施工[1]。

地下工程裝備按照施工工法可以分為兩大類:一類是盾構(gòu)法施工，以掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、矩形頂管機(jī)等為代表的全斷面隧道掘進(jìn)裝備；另一類是鉆爆法施工，以多功能鉆機(jī)、鑿巖臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、濕噴臺(tái)車、多功能作業(yè)車、除塵臺(tái)車等為代表的全工序裝備。

技術(shù)領(lǐng)先、高效智能一直是地下工程裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[2]。隨著技術(shù)差距不斷縮小，大眾審美及消費(fèi)觀念的不斷升級(jí)，以及在國(guó)家要求地下工程實(shí)現(xiàn)智能化建造，增加機(jī)械施工比例的背景下，5G、人工智能、無(wú)人駕駛、新能源等眾多新技術(shù)在地下工程裝備產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。如何運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)的方法打造差異化、數(shù)智化的產(chǎn)品，是企業(yè)面對(duì)的重要問(wèn)題。

工業(yè)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性解決問(wèn)題的活動(dòng)[3]，具有跨工程學(xué)科與藝術(shù)學(xué)科的特性。地下工程裝備產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的意義絕不僅是單純地提升產(chǎn)品顏值，而是可以有效提高產(chǎn)品附加值[4]，提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)行業(yè)變革的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[5]。因此，地下工程裝備領(lǐng)域的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)應(yīng)用及研究至關(guān)重要。

2 造型約束分析

2.1 產(chǎn)品屬性對(duì)造型的約束

不同的功能、使用環(huán)境、用戶需求造就了多樣化的產(chǎn)品，并隨著時(shí)間的推移形成了獨(dú)特的類別屬性和造型特征。地下工程裝備是功能技術(shù)主導(dǎo)型產(chǎn)品[6]，要在復(fù)雜甚至極端的地下工況下，高效、安全地完成開挖、排渣、支護(hù)等作業(yè)，造型設(shè)計(jì)需凸顯牢靠、干練、穩(wěn)重的產(chǎn)品行業(yè)屬性，展現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)重、有力的設(shè)計(jì)語(yǔ)義，傳遞強(qiáng)烈的機(jī)械美感[7]。

另外，地下工程裝備的涂裝不僅要滿足功能和安全，更要使產(chǎn)品區(qū)分于昏暗的地下環(huán)境。鐵建重工的地下工程裝備產(chǎn)品進(jìn)行了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，鉆爆法裝備系列產(chǎn)品車身采用對(duì)比強(qiáng)烈的黑灰色與灰黃色進(jìn)行色彩搭配；全斷面隧道掘進(jìn)裝備的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件及軌道類部件使用明度較高的灰黃色，主要包括盾構(gòu)設(shè)備中的管片拼裝及其他吊運(yùn)系統(tǒng)，見圖1；TBM 設(shè)備中的鋼拱架安裝系統(tǒng)、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、噴混系統(tǒng)等部件；扶手、護(hù)欄、爬梯、走臺(tái)等部件顏色為油菜黃。

圖1 管片拼裝系統(tǒng)

2.2 品牌對(duì)造型的約束

品牌是產(chǎn)品形象識(shí)別及理念識(shí)別的綜合體現(xiàn)，品牌造型特征是企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中不斷繼承、延續(xù)、積累形成的一系列造型基因的集合。獨(dú)特且鮮明的造型特征在家族產(chǎn)品設(shè)計(jì)上持續(xù)應(yīng)用，會(huì)形成差異化的產(chǎn)品形象，增進(jìn)用戶對(duì)品牌的記憶和認(rèn)同。例如，巨大夸張的大嘴前臉造型一直是奧迪汽車重要的品牌識(shí)別特征之一。以礦山與巖石開挖機(jī)械行業(yè)巨頭安百拓(Epiroc)的產(chǎn)品為例，相同或相似的造型特征以及規(guī)范的涂裝標(biāo)識(shí)在系列產(chǎn)品中反復(fù)強(qiáng)調(diào)，形成了安百拓(Epiroc)的品牌造型特征，見圖2。

圖2 安百拓鑿巖臺(tái)車

隨著市場(chǎng)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)加劇，地下工程裝備產(chǎn)品不但要具備卓越的性能，還需要差異化的品牌形象[8]。企業(yè)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)企業(yè)的家族系列產(chǎn)品和典型標(biāo)桿產(chǎn)品進(jìn)行特征分析和提煉，考慮品牌造型特征的延續(xù)和品牌標(biāo)識(shí)的應(yīng)用原則。

以鐵建重工鉆爆法裝備產(chǎn)品為例，硬朗、簡(jiǎn)潔的直斜面，收縮上揚(yáng)的尾部形態(tài)等家族產(chǎn)品造型基因，持續(xù)沿用在不同產(chǎn)品的車身造型設(shè)計(jì)中，塑造統(tǒng)一且獨(dú)有的品牌識(shí)別特征；在涂裝設(shè)計(jì)方面，鐵建重工擁有一套特點(diǎn)鮮明的產(chǎn)品涂裝識(shí)別系統(tǒng)。車身下部底盤采用黑灰色，工作臂及上部覆蓋件采用灰黃色的色彩搭配，車身關(guān)鍵位置布置醒目的文字標(biāo)識(shí)及紅藍(lán)色輔助圖形，提高品牌辨識(shí)度，見圖3。

圖3 全液壓三臂鑿巖臺(tái)車

2.3 材料工藝對(duì)造型的約束

材料和工藝是產(chǎn)品形態(tài)實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，產(chǎn)品造型過(guò)程中要充分考慮材料性能、制造工藝等約束條件。合理的材料選擇和良好的工藝既能保證產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)，又能有效地豐富和提高產(chǎn)品的外觀品質(zhì)[9]。

地下工程裝備需要在高溫、高濕、高強(qiáng)度等極限復(fù)雜工況下工作，一般車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件多采用金屬材料，另外大多地下工程裝備屬于非標(biāo)個(gè)性化產(chǎn)品，批量小，定制化程度高，企業(yè)基于成本及制造周期等方面考慮，不會(huì)大量采用昂貴的金屬模具沖壓工藝，加工工藝多采用激光切割、鈑金折彎、焊接等方法，所以受材料、加工工藝及部件尺寸的限制，地下工程裝備產(chǎn)品造型限制較大，多為折面、單曲面。少數(shù)結(jié)構(gòu)件或覆蓋件可采用沖壓成型、鑄造工藝、玻璃纖維增強(qiáng)塑料手糊工藝，來(lái)尋求造型的變化多樣。

隨著傳統(tǒng)制造工藝的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用以及3D打印等快速成型技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，大幅減少模具開發(fā)、樣機(jī)試制等成本，使得材料及成型工藝等關(guān)鍵因素對(duì)造型設(shè)計(jì)的約束限制在逐步減小。

2.4 工程結(jié)構(gòu)對(duì)造型的約束

產(chǎn)品的工程結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)有著相輔相成、互相制約的辯證關(guān)系，工程約束下的工業(yè)設(shè)計(jì)是“形式追隨功能”設(shè)計(jì)理念的具體實(shí)踐[10]。地下工程裝備的許多關(guān)鍵形態(tài)特征是由其自身的工程結(jié)構(gòu)因素驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的，不同裝備為實(shí)現(xiàn)其不同的特定使用功能，工程結(jié)構(gòu)有著巨大的差異，形成了形態(tài)各異的體量特征。工程約束下的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)也可以體現(xiàn)優(yōu)秀且獨(dú)特的審美語(yǔ)義，地下工程裝備產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)是這一理論代表性的體現(xiàn)。由于裝備類產(chǎn)品高度重視性能、效率、安全、易用等因素，其造型設(shè)計(jì)絕大部分都是其工程結(jié)構(gòu)的外在設(shè)計(jì)表現(xiàn)。因此，工程結(jié)構(gòu)約束下的造型特征是地下工程裝備工業(yè)設(shè)計(jì)的重要組成部分，并形成了裝備類產(chǎn)品強(qiáng)烈的工程結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品類別、使用功能等語(yǔ)義特征。

地下工程裝備的工程結(jié)構(gòu)主要包括車身底盤總布置和功能結(jié)構(gòu)布局:

(1)車身底盤總布置

總布置規(guī)劃在地下工程裝備設(shè)計(jì)開發(fā)流程中處于優(yōu)先地位，直接影響著產(chǎn)品的體量特征。與工業(yè)設(shè)計(jì)密切相關(guān)的總布置參數(shù)主要包括:整機(jī)的基本尺寸(總長(zhǎng)寬高、軸距、接近角、離去角、離地間隙等)；整機(jī)的基本構(gòu)造(底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、工作裝置、駕駛室、操作室等)。造型設(shè)計(jì)人員也可以從工業(yè)設(shè)計(jì)視角對(duì)局部結(jié)構(gòu)布置給出合理性建議。工業(yè)設(shè)計(jì)師通過(guò)車身總布置信息了解并分析整機(jī)的體量、形態(tài)和比例，關(guān)注重點(diǎn)設(shè)計(jì)部件，進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)活動(dòng)。

(2)功能結(jié)構(gòu)布局

地下工程裝備的結(jié)構(gòu)布局主要由其自身獨(dú)特的功能決定。對(duì)于地下工程裝備工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，不同功能部件的運(yùn)動(dòng)空間、裝配關(guān)系、檢修位置及頻率、散熱位置及面積等都有不同的造型約束條件。通過(guò)對(duì)整機(jī)體量特征和功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將產(chǎn)品內(nèi)在的工程結(jié)構(gòu)需求轉(zhuǎn)化為外在的造型語(yǔ)言。例如為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣排氣需要，覆蓋件需要設(shè)計(jì)開孔或格柵形式，同時(shí)也表達(dá)了此處造型的工程語(yǔ)義。車輛離去角的角度限制，兩側(cè)的尾板及結(jié)構(gòu)要上揚(yáng)；為電纜卷筒和水管留出轉(zhuǎn)動(dòng)空間，造型局部做切角處理，見圖4。

圖4 鑿巖臺(tái)車功能結(jié)構(gòu)布局

2.5 人機(jī)交互對(duì)造型的約束

用戶體驗(yàn)一直以來(lái)都是地下工程裝備產(chǎn)品的硬傷，由于太過(guò)于專注對(duì)產(chǎn)品性能的追求，忽視以人為中心的理念，而導(dǎo)致產(chǎn)品舒適性差、學(xué)習(xí)成本高昂，這些都是可以歸結(jié)為用戶體驗(yàn)的問(wèn)題。

人機(jī)工程學(xué)研究的核心是人、產(chǎn)品及其工作環(huán)境之間的相互協(xié)調(diào)[11]，它將人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)作為統(tǒng)一的整體來(lái)研究，以創(chuàng)造舒適愉悅的設(shè)備和工作空間。地下工程裝備領(lǐng)域的用戶體驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注人機(jī)工程約束，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)等方法，以用戶為中心，對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的操作、維護(hù)等方面進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，以保證駕駛及操作人員操作的安全、準(zhǔn)確、快捷。主要影響造型設(shè)計(jì)的人機(jī)工程約束有:

(1)作業(yè)環(huán)境

地下工程裝備的使用場(chǎng)景多為惡劣、復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)伴隨高熱、高濕、照明條件差、噪聲大、強(qiáng)振動(dòng)、粉塵以及有毒物質(zhì)等不利因素。地下工程裝備產(chǎn)品的駕駛室通常集成行走及操作功能，一般選擇封閉式駕駛室，可有效隔絕噪聲、粉塵等，改善操作人員的工作條件；內(nèi)置空調(diào)系統(tǒng)，提升操作舒適性；同時(shí)駕駛室會(huì)采用增強(qiáng)玻璃的強(qiáng)度，頂部增設(shè)防砸金屬網(wǎng)板等設(shè)計(jì)方法，來(lái)應(yīng)對(duì)隧道落石及巖爆等突發(fā)狀況。

另外，由于隧道中光線較弱，為保證清晰的操作視野及良好的照明環(huán)境，駕駛室前方都會(huì)設(shè)置工作照明燈。

(2)駕駛室及操作臺(tái)的人機(jī)工程

地下工程裝備產(chǎn)品的駕駛室、控制室、操作平臺(tái)是用戶操作最頻繁的部分。舒適安靜的內(nèi)飾氛圍、清晰的功能分區(qū)、合理的儀表布局、及時(shí)的操作反饋能給操作者帶來(lái)安全、舒適、友善的使用感受。駕駛室及操作臺(tái)的人機(jī)工程主要包括:內(nèi)部布置、操作裝置設(shè)計(jì)，儀表板布置，視野。

良好的視野是直接影響駕駛及作業(yè)過(guò)程中準(zhǔn)確性和安全性的重要因素。鉆爆法隧道裝備駕駛室一般采用增大前后窗和側(cè)窗面積，降低窗沿高度，減小駕駛室支撐立柱尺寸等設(shè)計(jì)改善操縱者的操作視野。有些駕駛室頂部還需開設(shè)天窗，保證操作者觀察到工作裝置在最高位置的狀態(tài)。

(3)易用性

地下工程裝備需要在復(fù)雜的地下工況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)，爬梯、走臺(tái)、踏板的設(shè)計(jì)要滿足人機(jī)尺寸要求，設(shè)計(jì)具有凹凸或鋸齒狀的網(wǎng)孔等防滑形式；在潛在危險(xiǎn)處增設(shè)扶手及防護(hù)欄、升降登車梯子等，保證操作者安全，傳達(dá)產(chǎn)品安全、可信任的意象感受；產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)要為用戶提供最便捷的維護(hù)檢修路徑，最省力的開啟方式，使用戶通過(guò)產(chǎn)品形態(tài)特征的引導(dǎo)做出正確的判斷和操作，進(jìn)一步提高效率。

3 產(chǎn)品造型的工程銜接

優(yōu)良的產(chǎn)品是工業(yè)設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)設(shè)計(jì)流程中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)造型設(shè)計(jì)與工程技術(shù)的順利銜接，針對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)展開的關(guān)鍵設(shè)計(jì)流程[12]。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)方案會(huì)因?yàn)橹T如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、板材拼焊、空間位置干涉、排風(fēng)散熱、開啟方式、配件通用化、裝配關(guān)系等工程因素需要做出適當(dāng)?shù)耐庥^設(shè)計(jì)調(diào)整，來(lái)保證工業(yè)設(shè)計(jì)方案落地實(shí)現(xiàn)，以滿足后續(xù)的制造加工和裝配等工序。為了保障外觀設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的轉(zhuǎn)化率，此階段的所有設(shè)計(jì)優(yōu)化都以遵循整體造型設(shè)計(jì)風(fēng)格為前提。

外觀件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及背后的工程結(jié)構(gòu)調(diào)整由機(jī)械結(jié)構(gòu)工程師來(lái)執(zhí)行，工業(yè)設(shè)計(jì)師提供及時(shí)的工業(yè)設(shè)計(jì)支持，并保持持續(xù)且良好的溝通與互動(dòng)。另外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段也會(huì)涉及到部分外觀采購(gòu)件的選型，這部分工作也需要工業(yè)設(shè)計(jì)師的參與，以保證部件與整體設(shè)計(jì)風(fēng)格協(xié)調(diào)。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)階段如果缺乏有效的工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)支持，或是雙方溝通不暢，很容易導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)方案被結(jié)構(gòu)工程師調(diào)整得面目全非。

4 結(jié)束語(yǔ)

地下工程裝備產(chǎn)品的特殊性決定了其工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程不同于其他行業(yè)。在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，企業(yè)及工業(yè)設(shè)計(jì)師應(yīng)充分了解地下工程裝備的產(chǎn)品特點(diǎn)和屬性，分析造型設(shè)計(jì)中的象征性和工程結(jié)構(gòu)性兩大類約束條件。造型結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)階段充分利用三維建模軟件，自上而下地處理好造型與工程結(jié)構(gòu)的配合問(wèn)題，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配工藝等各專業(yè)人員保持良好設(shè)計(jì)溝通，最終促成產(chǎn)品落地。