基于TRIZ的新型钢筋骨架机设计

基于TRIZ的新型钢筋骨架机设计

丁新兵1，张明勤1，韩丽芳2

(1. 山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101)(2. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

摘要：首先介绍了TRIZ理论中的物理冲突、技术冲突、分离原理、发明原理及其相互关系。指出物理冲突发生在1个参数上，用四大分离原理解决问题；技术冲突发生在2个参数上，用由39个工程参数组成的冲突矩阵来确定其所对应的40条发明原理来解决工程问题。然后结合TRIZ理论，研究一种矩形截面的骨架成型机，在把螺旋箍筋吊装入箍筋箱时，结合TRIZ理论用时间分离原理解决了典型的物理冲突问题——箍筋箱的宽窄。

关键词：TRIZ；物理冲突；钢筋骨架机

伴随着国家相关产业政策的发布，钢筋的工厂化、专业化的加工制作已经成为建筑施工生产技术发展的必然趋势。今后我国要建立的现代装配式建筑标准化体系，包括建筑模数、建筑构造及建筑构配件的标准化，以及工厂化生产和配送技术要求。建筑节能、环保和清洁施工将成为今后建筑业发展的主题，这都要求钢筋混凝土结构的标准化、工厂化生产和制作。配合建筑标准化生产的要求，传统的现场制作绑扎混凝土结构成型钢筋将发展成为工厂化制作的焊接钢筋骨架，运至现场即可进行混凝土浇灌作业，或者直接为建筑产品装配式构件生产单位提供钢筋骨架，形成生产流程，分工合作，集成管理。

建筑施工领域已基本实现混凝土和大型模板商品化、产业化，唯独钢筋工程仍然处于现场制作、手工现场绑扎钢筋的落后阶段，制约了我国建筑施工行业的标准化、机械化和产业化，亟待改善和发展。

我国已经是世界上仅次于美国的第二大经济体，如何才能保障国民经济稳步、持续、快速地向前发展，首当其冲就是创新，勇于创新是一个国家和民族持续发展的源泉和动力。创新也需要方法，主要有头脑风暴法、TOC法、QFD法、AD法、TRIZ法等，毫无疑问，TRIZ是目前300多种创新设计理论与方法里面最有效的，号称世界级的创新方法。

1 TRIZ简介

1.1 TRIZ理论基本内容

TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的词头缩写,其英文全称为Theory of Inventive Problems Solving，是由前苏联专家阿奇舒勒及他领导的研究人员，通过对超过250万项出色的专利进行研究的基础上，提炼出解决各种问题的方法，形成的一套规模庞大的结构体系。

TRIZ包含着许多系统、科学而又富有可操作性的创造思维方法和发明问题的分析方法与解决工具，经过半个多世纪的发展，形成了九大经典理论体系：技术系统进化法则；最终理想解(IFR)；40个发明原理；39个工程参数和阿奇舒勒冲突矩阵；物理冲突和分离原理；物-场模型分析；发明问题的标准解；发明问题解决算法(ARIZ)；科学效应和现象知识库。

经典TRIZ所包含的内容表述如图1所示。

在工程设计中遇到的许多问题都可以用TRIZ体系进行透彻的分析，从而把复杂的问题变得简单，把不可能变为可能。TRIZ理论体系解决问题的流程如图2所示。由于本篇内容有限，笔者只以冲突解决原理为例，介绍TRIZ理论在工程实践中的应用。

1.2 冲突理论解决原理

1)什么是冲突。

图1 经典TRIZ所包含内容的经典表示

图2 TRIZ解决问题模式

无论是设计新产品还是改进已有产品，设计人员在设计过程中首先要保证或提高产品的某些性能，但这种提高往往会影响到产品其他的内部性能。如果这些影响是负面的，则设计出现了冲突。冲突的种类多种多样，但与产品创新有关的冲突可以分为3类，即物理冲突、技术冲突和管理冲突。TRIZ主要研究前两种冲突及解决原理。

2)物理冲突及其解决原理。

物理冲突是发生在一个参数上的冲突，即对系统中的某一个参数提出了完全相反或不同的需求，也就是为了满足某种需求，一个系统或物体应该具有某种参数特性，但为了满足别的需求，系统又要具有另外一种参数特性。因此，两种参数特性相互之间产生了矛盾，也就是物理冲突。表1为常见的物理冲突。

表1 常见的物理冲突

几何类材料及能量类功能类长与短多与少强与弱对称与不对称密度大与小软与硬平行与交叉导热率高与低冷与热厚与薄温度高与低快与慢圆与非圆时间长与短运动与静止大与小高与低成本高与低窄与宽功率大与小水平与垂直摩擦系数大与小

解决物理冲突有四大分离原理[2]和11种分离方法。分离原理为时间分离、空间分离、条件分离以及系统分离。11种分离方法分别为：①相反需求的空间分离；②相反需求的时间分离；③系统转换(1a)；④系统转换(1b)；⑤系统转换(1c)；⑥系统转换(2a)；⑦相变1；⑧相变2；⑨相变3；⑩相变4；⑩物理-化学转换。

在工程中，只要确定了物理冲突的种类，同时又能找到相应的分离原理，就能利用物理冲突发明原理及其实例来解决实际问题。

3)冲突矩阵及其发明原理。

技术冲突常常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。技术冲突出现的几种情形：在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害功能，或加强了已存在的一种有害功能；消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏；有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得太复杂。从1946年至1969年，阿奇舒勒及其团队先后总结、提炼出用来解决发明问题的常用40种方法，即40个发明原理，见表2。

表2 40个发明原理

序号名称序号名称1分割21紧急行动2分离22变害为益3局部质量23反馈4不对称24中介物5组合25自服务6多用性26复制7嵌套27廉价品替代8补偿28机械系统替代化9预加反作用29气动与液压结构10预操作30柔性壳体或薄膜11预补偿31多孔材料12等势性32改变颜色13反向33同质性14曲面化34抛弃或修复15动态化35参数变化16未达到或超过的作用36相变17维数变化37热膨胀18振动38加速强氧化19周期性作用39惰性环境20有效作用的连续性40复合材料

4)技术冲突与物理冲突的关系[3]。

从冲突矩阵表1可知，技术冲突可以转化为物理冲突，他们的解决原理存在着一定关系。英国Bath大学的Mann进行深入研究后得出结论：一条解决物理冲突的分离原理，可以有多条解决技术冲突的发明原理与之对应。分离原理与发明原理之间的关系见表3[4]。

表3 分离原理与发明原理之间的对应关系

解决物理冲突的分离原理解决技术冲突的发明原理空间分离1，2，3，4，7，13，17，24，26，30时间分离9，10，11，15，16，18，19，20，21，29，34，37条件分离1，7，25，37，5，22，23，33，6，8，14，35，13系统分离12，28，31，32，35，36，38，39，40

2 工程应用实例

本文将以应用冲突矩阵和发明原理创新改进MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机为例，阐述其具体应用。

2.1 圆形钢筋骨架机

目前国内外普遍使用的是圆形截面的钢筋骨架机[5]，主要生产圆形截面的焊接钢筋骨架，如图3所示，从设计到施工都已注入成品定型骨架的概念，但圆形截面的骨架机居多，矩形截面的很少，且圆形截面的钢筋骨架机的技术已经相当成熟[6]。

图3 圆形截面钢筋骨架机

在我国有一类钢筋骨架成型机又被称为钢筋骨架焊接机，其是一种机械化生产钢筋骨架的机器。根据工程的要求钢筋骨架利用人工通过相应的模板孔移动固定在基座上的旋转盘，板肋(缠绕增强)端焊接在主筋上，然后通过固定的旋转盘转动带动主杆运动，同时焊接，从而形成钢筋骨架。对于长方形与正方形截面的梁或柱的钢筋骨架，由于其本身实现回转比较困难，成为焊接钢筋骨架的难点[7]。针对这一难点及现有的施工情况，笔者研发了一种经济实用的长方形与方形截面的梁或柱钢筋骨架成型机。

2.2 矩形截面钢筋骨架

为了满足市场的不同需求，在TRIZ理论的指导下，本课题组联合有关单位一同研制了一款方形截面的钢筋骨架成型机，其研制过程如图4所示。

图4 矩形截面骨架机研究进展

目前最新的MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机正处在试用阶段，在实践的基础上再对其进行改良，如图5所示。其主要由箍筋箱、纵筋托架、纵筋端部支架、纵筋定位模架、自动支撑成型骨架托架、螺旋箍筋释放擒纵机构、轨道底盘总成、控制与操作系统等部分组成。其主要技术参数见表4。

图5 MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机

由表4可知，其可以加工截面尺寸为300mm×300mm到1 200mm×1 200mm之间的钢筋骨架，加工好的钢筋骨架如图6所示。

图6 加工好的钢筋骨架

表4 主要技术参数

序号项目技术要求备注1成型骨架截面尺寸/mm(250×250)～(1200×1200)成型骨架截面尺寸由夹具支架移动位置决定2成型骨架最大长度/mm≥9000成型骨架最大长度=设备轨道长度-箍筋箱长度3可适用主筋直径/mm16～30可适用主筋直径由端部夹具内孔尺寸决定4可适用箍筋直径/mm8，10，12可适用箍筋直径由箍筋传动链的齿轮齿距决定5变幅速度/(m·min-1)0．3±0．056箍筋输送速度/(m·min-1)2．7±0．27箍筋箱移动速度/(m·min-1)2．7±0．28电机标识额定功率/kW变幅电机0．06箍筋输送电机0．37箍筋箱移动电机0．75电机铭牌标识额定功率9整机尺寸/mm1524×1783×13820(±5)

在研制期间，主要矛盾是需要把螺旋箍筋吊装入箍筋箱内(如图7所示)，那么螺旋箍筋与箍筋箱之间应该存在一定的间隙，保证吊装的顺利完成。但在实际工作中，箍筋箱上的链条齿需要卡位到螺旋箍筋的内部，以驱动螺旋箍筋，从而实现有序的放筋、收筋。也就是说螺旋箍筋与箍筋箱之间存在着矛盾，一方面既要求箍筋箱足够宽，实现吊装方便：另一方面又要求箍筋箱足够窄，窄到卡紧螺旋箍筋。

图7 将箍筋吊入箍筋箱

1)分析问题。

由于螺旋箍筋的尺寸一旦确定是不能改变的，要想实现箍筋箱与螺旋箍筋的良好配合，只能改变箍筋箱的宽度。现在冲突已经很清晰了，箱的宽窄是典型的物理冲突问题。

2)四大分离原理的选用。

对于物理冲突，直接用分离原理求解即可。结合实际情况具体分析，在MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机工作之前要完成螺旋箍筋的吊装，MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机工作时箍筋箱上的链条齿是要与螺旋箍筋紧密配合的，很明显可以把整个过程分为两个时间段：①把螺旋箍筋吊入箍筋箱；②MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机工作。因此可以选用时间分离原理来解决箍筋箱的宽窄问题。

3)时间分离原理的使用。

第一步，分析系统存在的问题，定义物理冲突。

①明确冲突参数：箍筋箱的宽窄。

②明确第一种要求，即箍筋箱与螺旋箍筋的间隙要大。

③明确第二种要求，即箍筋箱与螺旋箍筋的间隙要小。

第二步，在理想状态下，对箍筋箱与螺旋箍筋的间隙提出两种不同的要求，应该分别在什么时间得以实现？

实现第一种要求的第一时间段T1：吊装过程中。

实现第二种要求的第二时间段T2：吊装完成后。

第三步，判断两时间段T1,T2是否交叉。

T1,T2不交叉，可以应用时间分离原理解决问题。使箍筋箱在不同的时间段宽度不同，吊装时宽度大，吊装完成后宽度小，因此固定箍筋箱的一端，另一端在电机的驱动下可以横向自由移动。在吊装时，箍筋箱可以移动的一端正向移动使箍筋箱间距增大，方便螺旋箍筋的吊入；吊装完成后，箍筋箱可以移动的一端反向移动，减小箍筋箱间距，使箍筋箱上的链条齿与螺旋箍筋紧密结合，从而保证MSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机正常工作。箍筋箱如图8所示。

图8 箍筋箱

该设备是一种可压储并有序释放螺旋连续箍筋的箍筋箱，可将压缩成“弹簧状”的螺旋连续箍筋存储起来，并能控制箍筋有序释放，箍筋按设定要求自动拉伸排布在主筋上形成钢筋骨架，该箍筋箱符合流程化生产要求，可生产不同螺旋箍筋形式的钢筋骨架，改变了传统钢筋骨架自动成型作业方式。

3 结束语

MSFMSF1200 型变螺旋多肢箍钢筋骨架成型机解决了普通圆形截面钢筋骨架机不能加工方形截面梁或柱的问题，其可以加工较大范围的箍筋截面尺寸，操作简便，自动化程度高，加工用时短，符合装配式建筑发展的理念，无需运输到施工现场，在工厂即可实现钢筋笼的预制焊接。但该设计目前还存在一定的不足，还需结合TRIRZ进行优化创新，使其更加完善，向着最终理想解靠近。

参考文献：

[1] 张明勤，范存礼，王日君，等.TRIZ入门100问——TRIZ创新工具导引[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 张明勤. TRIZ1141之四类模型——物理冲突与分离原理[J]. 科技创新与品牌，2010(5):23.

[4] 韩立芳，张明勤，李海青，等.TRIZ技术研究及在教学工具创新设计中的应用[J].山东建筑大学学报，2007，22(1):89-92.

[5] 顾万黎.钢筋焊接网的最新发展[J].施工技术, 2004, 33(8):15-21.

[6] 杨大金，李勇涛，秦强国.滚焊机在施工中的应用研究[J].公路交通科技(应用技术版),2012(3):150-151.

[7] 关萍.钢筋焊接网的技术特点及应用[J].大连理工大学学报，2004,25(8)：46-47.

The development of a type of steel frame machine based on TRIZ

DING Xinbing1,ZHANG Mingqin1,HAN Lifang2

(1.Institute of Electrical and Mechanical Engineering, Shandong Construction University, Shandong Jinan, 250101, China) (2.China Construction Eighth Engineering Co., Ltd., Shanghai, 200135, China)

Abstract：It mainly introduces the physical conflict, the technical conflict, the separation principle, the principle of the invention and the mutual relations between TRIZ theory. Physical conflict occurs in a parameter, with the four separation principle to solve the problem. Technical conflict occurs in two parameters, the conflict matrix composes of 39 engineering parameters to determine the corresponding 40 principles of the invention to solve the engineering problems. Combining with TRIZ theory it designs a rectangular cross section frame machine, solves the typical physical conflict - the narrow size of box at the taking the spiral hoop stirrup into the box.

Key words：TRIZ; physical conflict; steel frame machine

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.02.014

收稿日期：2016-09-08

作者简介：丁新兵(1990—)，男，山东济南人，山东建筑大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：2095-509X(2017)02-0069-05