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基于模块化设计理念的城市消防车优化设计

范文

郑凯恒路鹏王姝懿方丹

摘要：解决城市消防车由于种类繁多导致的价格昂贵、体量庞大、功能单一、不易储存等问题，并对云梯装置进行了优化改良。透过专家深度访谈的方式获取设计需求网状图，再以专家问卷的方式选择出提及频次较高的问题进行优化创新设计。设计提案以模块化设计理念为指导，将原本单一存在的功能转化为数个模块化的组合。模块化的车体设计，提高了现役城市消防车的实用性及功能性，降低了研发及制造成本。专家访谈有利于获取潜在的设计需求，模块化的设计理念优化了城市消防车的功能系统，整合的研究方法确保了设计提案的可行性，可作为后续设计研究的参考。

关键词：城市消防车模块化设计云梯消防车功能优化设计造型设计

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 04-0129-03

引言

我国人口数量位居全球第一，据国家统计局数据显示，截止到2017年，中国的人口总数约为13亿9008万，其中，城市化人口比重约占58.52%[1]。聚集区人口密度较大存在各种安全问题的隐患，据应急管理部消防救援局统计，2018年全国发生火灾23.7万起，造成1407人死亡、798人受伤、直接财产损失达36.75亿元，全国消防救援队伍接警出动115.7万起，出动消防救援人员1273.2万人次，出动消防车辆219.3万辆次[2]，由此可见，我国消防工作任务量巨大，及时提供更优质的消防设备迫在眉睫。其中，消防车使用频率极高，且对于消防工作的展开至关重要。就城市消防车来说，容易受到交通、城市构造、价格以及体积等因素影响，加之火情种类繁杂，现场情况多变，从而要求消防车具备多功能，以应对各种情况。文章针对上述情况，以模块化的设计理念对城市消防车进行优化设计。

一、专家访谈

为准确把握消防员对城市消防车的功能需求，设计团队前往西安消防队展开调研，以专家深度访谈的方式进行数据采集。设计团队采访了西安消防队的在役消防员，通过提问的访谈方式最终确定以城市消防车作为个案展开研究。透过访谈了解到，我国城市消防车多为进口，进口价格超过100万元/辆，其中，云梯消防车和排烟消防车等特殊功能消防车的价格比普通城市消防车高出几倍，同时体积庞大，以致国内消防队中云梯消防车的配备率极低，就西安市消防队而言，仅有一辆云梯消防车在役。

在线下第二次调研中，设计团隊梳理了第—次访谈调研中得出的几项重要问题，并搜寻了如图1右侧所示的几款不同功能不同造型的消防车再次进行访谈调研。设计团队通过访谈总结并整理出了消防员的设计需求网状图，如图1所示，主要信息栏包括第一层（抽象形容词）、第二层（原始评价）以及第三层（具体条件）三项。通过该网状图筛选出提及频次最高的5项抽象形容词，即实用性、多功能、安心感、造型感以及便利性，围绕这几项的原始评价和具体条件，设计团队制作了一份具有针对性的城市消防车问卷调查，通过专家填写来收集可靠数据，从而得出设计之初所要限定的设计范围，即重点关注城市消防车的实用性、功能性以及机动性等问题。同时通过对问卷调查结果的统计分析，云梯消防车体积大不易存放等问题是主要待解决的问题，因此将此问题作为本文创新设计的目标。

二、模块化设计理念

（一）模块化设计的概述：模块化设计即在一定范围内将具备关联性的产品按功能或性能进行分析、拆解与再设计，形成一系列具备特定功能的模块，再通过替换、升级、选择和重组等方式来形成具有新功能的产品，从而满足市场与环境的不同需求[3]。在模块化设计的应用中，应遵循由整体到局部的设计思路，确定不同模块之间的主从关系，进而对每一个模块进行详细分析与设计，从而达到局部的最优解，这样不仅可以提高整体的设计质量，同时保证产品的协调性，避免了新产品给人带来的拼凑感与不协调感[4]。模块化设计具体的原则包括以下两点：1）模块应具有更高兼容性，即使用少量模块组成尽可能多的产品，并在此基础上不断提高产品精度、增加性能、节约成本以及简化结构等;2）模块的系列化，即使用有限的产品品种和规格来最大限度地兼顾经济合理性以及满足用户需求。模块化设计的特征包括相对独立性、互换性、通用性等。模块化设计的优点包括：1）减少重复设计;2）减少生产周期降低成本;3）可通过升级模块提升整体功能;4）提高了设计生产规范性。另外，模块化设计也存在一定的局限性，对于部分小型或低端产品而言，会增加其研发、生产成本，应用不当甚至会缩短产品使用寿命，增加损坏率等[5]。国内众多学者以此理念为指导进行设计实践，例如模块化的组合家具设计[6]、电动自行车模块化设计研究[7]以及模块化自主变形机器人设计探索[8]等，证实模块化的设计理念是一科学有效的设计方法，故本案亦透过此理念以城市消防车作为个案展开研究。

（二）模块化设计对城市消防车设计的意义：使用模块化设计理念指导城市消防车设计，可在车体整体框架的基础上将其不同的功能属性需求进行划分与重构，实现对传统城市消防车普遍功能的继承及其特性的提取，进而将任意二者通过相同方式进行连接重组，达到在特定情况下使用特定功能的目的。模块化设计加强了城市消防车应对多种特殊情况的能力，可有效减少购置成本及节约存放空间，故本设计采用模块化设计理念指导城市消防车设计。

三、城市消防车的案例研究

（一）模块化城市消防车整体概述：文章基于模块化设计理念于城市消防车的创新优化设计，利用系列化模块划分的设计原则，将车体分为5个模块，包括消防车主车体模块（Ol）、连接模块（X）、水箱模块（A）、排烟模块（B）和云梯模块（C）。假设所组成的目标消防车为M，可以相应的模块化设计公式[3]表示为：M=Ol+X+A （or B，C）。上述公式中，主车体模块（Ol）与连接模块（X）作为构成目标消防车（M）的基础条件，具备现役普通城市消防车的常规功能。另外，水箱模块（A）、排烟模块（B）和云梯模块（C）是对目标消防车功能需求的补充和更替，最终实现了消防车的功能迭代，各模块组件如图2所示。应用模块化设计理念的城市消防车优化设计满足了以下设计目标：1）提高了城市消防车应对复杂火灾情况的能力;2）缩减了城市消防车的体积，可解决现有城市消防中心储存场地空间不足的问题;3）节约了消防车的生产与研发成本;4）为未来城市消防车的创新设计提供了参考。

（二）主车体模块：设计团队收集了世界上知名的消防车制造商及消防车的信息，例如：奥地利卢森堡亚公司设计生产的美洲豹机场消防车[9]、德国马基路斯公司设计生产的云梯车、日本森田泵株式会社制造的高喷车等，此设计亦基于上述品牌旗下消防车的特点进行优化再设计。该模块化城市消防车整体配色以红色、黑色和银色为主，这几种颜色组合更能激发斗志，让人振奋，从而提高救援效率。主车体模块长度为8米，高度为3米，宽度为2.7米，具有集载人、存放消防设备、储水、喷射、照明以及行驶等功能，其中储水量为10吨，具备独立出警能力。造型上部分区别于现役城市消防车，车头从侧面看呈梯形，车身为长方体形，整体给人以坚毅可靠的感觉，满足了需求网状图中所提及的“安心感”与“造型感”等词。车头正脸部分配有两套照明转向灯，两根竖式保险杠，正脸中部下端配备拖拽钩。主车体共有四条防滑轮胎，两侧各配有一高一低两扇卷轴门，内置便携式灭火器、防护服、自持式呼吸器、急救工和破拆工具等装备。车体与模块之间以盘状纽带结构相互连接，其中行驶动力来源基于车体模块，各功能模块无独立行驶动力。在连接云梯模块时，消防车车侧可展开共6根支撑杆（主车体配备4根，云梯模块配备2根），有助于云梯模块更平稳地运作。主车体左侧后方配备一架伸缩梯，满足仅主车体模块出警时消防人员正常上下車顶的功能。主车体顶部前端配消防警示灯，中端配备高压水枪，后端配备两盏照明灯。消防车主车体如图3所示。

（三）连接模块：连接模块整体呈圆盘状，由两部分组成，分别是连接主车体模块的固定盘（a）和连接功能模块的抓钩盘（b）。固定盘（a）侧面具有凹槽，用于抓钩固定，内部有信息导线，用于传输数据及供电;抓钩盘（b）外部由盘周八组抓钩组成，内部则为接收器。当主车体模块与功能模块通过连接模块对接时，导线与接收器结合，连接模块接收由主车体模块产生的电力从而控制抓钩内收，钩住固定凹槽，实现连接模块组合（c），达到将主车体模块同功能模块组合的目的。连接模块如图4所示，连接模块使用效果如图5所示。

（四）水箱模块：水箱模块呈包裹式正方体形，该模块的长宽高分别为2.5米、2.7米和3米。模块后部固定有攀爬梯，便于消防员攀爬至车顶作业;水箱模块可载水量为10吨，可提供消防车多于主车体一倍的消防用水。水箱模块组合效果如图6所示。

（五）排烟模块：排烟模块呈开放式方体半包平台，该模块的长宽高分别为2.5米、2.7米和3.2米。该模块造型呈圆角长方体形，内部配备六组圆柱形出风口和两组圆柱形水雾喷洒口;装置底部配备液压抬升器，可随实际状况改变装置角度和高度，基于基座的可旋转角度为60°，可抬升高度为2米，在抬升高度超过1米时，即可通过排烟装置底部圆形转台进行360°旋转，进而选择适当角度实施作业。模块中携带的装置正常情况下具备排烟功能，用于降低浓烟对救援的干扰。在遭遇火情范围大或烟雾中杂质密度高等特殊情况时，可以对装置进行注水并喷射水雾，对火源及烟雾进行覆盖，可有效冷却燃烧反应，稀释火源附近氧气浓度，同时吸附空中的灰尘颗粒和杂质，从而达到扑灭火源及降低烟雾浓度的目的。排烟模块组合效果如图7所示。

（六）云梯模块的优化设计

1.云梯消防车现状分析：设计之初，通过对现有云梯消防车的了解，设计团队梳理出现存云梯消防车的现状如下：云梯消防车大致分为两类，即曲臂云梯消防车和直臂云梯消防车。从生产制造方面而言，云梯消防车主要生产自芬兰、德国、日本和中国等地。云梯消防车由于抬升高度不同也分为了众多型号，其中车体最小的云梯消防车长宽高分别为7.6米、2.6米和3.5米，但其抬升高度仅为16米，而常规大型云梯消防车抬升高度约为30-60米不等，就抬升高度为32米的云梯消防车而言，长宽高达到了12米、2.5米和4米。综上所述，大型云梯消防车车体体积庞大，导致其存在不易于存放、不便于行驶以及造价昂贵等问题，致使国内配备率低。

2.云梯模块的概述：针对上述云梯消防车存在的问题，设计团队设计了一款区别于曲臂云梯装置与直臂云梯装置的云梯模块，该模块主要由4个部分组成，即液压装置（d）、支撑杆（e）、吊篮（f）以及高喷水枪（g），其工作原理是通过载体底部的液压装置对支撑杆进行控制，致使模块可以上下伸缩，再利用吊篮和高喷水枪实施作业，达到救援及消防目的。该模块的载体造型同排烟模块一致，搭载收回状态的云梯装置时长宽高分别为2.5米、2.7米和3.15米。在组装云梯模块后，整车车体长宽高分别为10.5米、2.7米和3.15米，其抬升高度可达32米，相当于普通楼层的12层楼高，满足大部分情况下的城市消防作业，就此可见模块化消防车体积利用率大于现有云梯消防车，更加便于存放与行驶，实现了设计需求网状图中的“便利性”需求。云梯模块使用效果如图8所示。

3.云梯模块的结构：云梯模块的支撑杆由25个高为1.3米，厚度为0.04米，直径为0.8-1.6米不等的管状液压轴层层嵌套组成，载体配备高强度液压机并直接作用于液压轴，可有效保障支撑杆的上下伸缩，实现吊篮和高喷水枪的上下抬升。云梯吊篮呈环形圆柱状，包裹在支撑杆外围，并采用左右分离的形式分布。云梯吊篮得以正常运作由以下两部分决定，第一部分是与同侧支撑杆的侧面滑槽相咬合，从而实现吊篮贴合支撑杆平稳滑动;第二部分是由穿过顶部杠杆升降控制器的钢线进行拖拽，从而实现吊篮的上下运作。通过这两部分以及杠杆升降控制器对其的控制，实现云梯吊篮可以上下稳定移动，达到提高被救人员疏散效率的目的。云梯吊篮由阻燃布、伸缩钢管、折叠网状金属托盘以及伸缩梯组成，在减轻配重的同时，实现云梯吊篮的可折叠功能，从而节约运载空间降低整车体积。高喷水枪装配于支撑杆最内轴，该设备的应用使云梯装置可以完成更高楼层的灭火工作。以上便是对云梯模块的优化设计，后期会在已提出的造型、结构、材料和功能等方面进行深入设计探索，充分完善与提升云梯模块的性能，如图8。

结论

通过对城市消防车及其相关产品的资料收集与分析，发现现役消防设备存在安全性低、体积大、不易储存、价格高和普适性弱等问题。文章应用专家深度访谈的方式聚焦于现役城市消防车的实用性和功能性，围绕实际需求进行了优化创新设计，从而有效地解决了所发现的问题。其中，专家深度访谈法可以快速锁定潜在的设计需求，为产品设计提供可靠的数据，对于设计初期阶段是一客观有效的调研方法。基于模块化设计理念所设计的城市消防车与现有消防车相比，具备实用性强、功能多样、体积小和机动性强等优势。另外，文章特別针对云梯装置的结构及升降方式进行了优化再设计，为后续云梯消防车的设计提供了参考。综上，针对消防类的产品设计，应以提高救援效率，切实保障人身安全，降低意外风险为设计前提，逐步提高消防员的消防水平，减少人员伤亡和财产损失。.

参考文献

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