峡江水利枢纽工程拦河大坝建筑设计中的TRIZ理论应用评析

0 前言

展望当代水利工程，“同质化”的传统水利正在逐步向新型水利过度，水利工程不再唯防洪、发电、灌溉、航运、供水等纯工程目标开发建设，而是需要兼顾美学、景观、生态等要求建设。峡江水利枢纽工程是以防洪、发电、航运为主，兼有灌溉、供水等综合利用的水利工程，也是目前我省投资最大的水利工程，更是鄱阳湖生态经济区建设的重点水利工程之一。

水利工程离不开建筑，而建筑的发展从来就离不开“技术”与“艺术”的统一。峡江拦河大坝的建筑设计兼顾了美观新颖、突破传统的目标任务，一座包含多项创新设计的建筑作品随着工程施工进程正逐渐在赣江江面上诞生。

如何创新？王大珩、刘东生、叶笃正3位老科学家提出：“自主创新，方法先行，创新方法是自主创新的根本之源”。创新方法很多，对创新成果都应用了哪些创新方法，有必要归纳总结，以便提高创新效率。

1 TRIZ理论简介

TRIZ理论是由苏联科学家阿奇舒勒在研究了世界各国250万份高水平发明专利的基础上，提出的一套完整的发明问题解决理论。总结了发明创造、解决技术创新矛盾过程中的方法和原理，形成一套具有辩证思想的理论体系，并揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解[1]。本文试图运用TRIZ理论对峡江水利枢纽工程拦河大坝建筑设计中的创新点加以述评，以促进TRIZ理论在水利工程设计创新中的应用。

1.1 理想解

理想解是指一个解决方案能带来各种效益而且不会增加成本或带来任何坏处。TRIZ理论中，在迈向解决问题的流程上须先抛开各式各样客观的限制因素，通过理想化来定义问题的理想解，以明确理想解所存在的方向和位置，并获得最终理想解。

1.2 发明创造原理

在对全世界250万件发明专利分析研究的基础上，抽取了发明创造的40条具有规律性的原理。本文案例涉及的6个发明原理是：分割、抽取、非对称性、反向作用、维数变化、改变颜色。

1.3 物理矛盾与技术矛盾

在生活的方方面面都充斥着矛盾，当两个完全对立的看法在相同的时间、相同的地点、相同的条件下都被认为是正确的时候，就产生了一对矛盾。在技术体系中矛盾是系统发展和进化的主导力量，分析这些矛盾要发挥创造性的想象力。

在TRIZ理论中，工程中所出现的种种矛盾可以归结成两类：技术矛盾和物理矛盾。

1.4 物－场模型分析

物-场模型是由两个物和一个场组成的与已存在的系统或技术系统问题相关联的功能模型。构建物-场模型的目的是为阐明两物质与场之间的相互关系，为进一步解决问题创造条件。物-场模型分析方法是TRIZ理论中一个重要的发明创造问题的分析工具。TRIZ理论提出了物-场模型类型对应的一般解法，共有6种。

2 物理矛盾及技术矛盾的实例分析

2.1 物理矛盾的解决案例

形式美法则是人类在创造美的形式、美的过程中对美的形式规律的经验总结和抽象概括[2]。根据形式美法则中对称与均齐的原则，建筑艺术要求建筑既不对称，又不能完全不对称，这是因为一方面对称的形式在视觉上可以让我们感受到自然、均匀、整齐、协调的朴素美感，符合人类的视觉习惯与规律；另一方面在构图中又要避免绝对对称与绝对均齐，过分的对称会产生单调、呆板的感觉。这是一对非对称与对称的物理矛盾，可以应用空间分离原理解决。空间分离原理与40个创新发明原理中的10个创新原理有对应关系，即：分割、抽取、局部质量、非对称性、嵌套、反向作用、维数变化、中介物、复制和柔性壳体或薄膜等发明原理，其中非对称性原理可较好地解决建筑不对称与对称的物理矛盾。非对称性原理告诉我们：如果物体不是对称的，则加强它的不对称程度。

峡江水利枢纽工程拦河大坝左右建筑是不对称的，左岸坝顶的拱形桥与右岸电站厂房的平顶屋面呈现弧面与平面的非对称性（见图1）。经多方案比选，厂房屋面增设了“波浪”造型（见图2）。用TRIZ理论解释，“波浪”造型增强了与“拱形”的不对称性，同时左右岸具曲面对称性，使得整体的构造更富生动性和美感，避免了单调和呆板，达到了“既不对称，又不完全不对称的”的艺术效果。

2.2 技术矛盾的解决案例

技术矛盾是两个参数之间的矛盾，即改善系统的某个参数，导致另一个参数恶化[3]。TRIZ理论将经常遇到技术矛盾的技术通用参数划分为48个，将其对应解决的法则整理成矩阵，矩阵为48×48，共有2304个通用工程参数关系，每个矩阵关系对应相应解决方法的发明原理，使得人们可以更高速、有效的解决技术矛盾。使用矛盾矩阵表时，先从技术通用参数中找出“欲改善的参数”，接着找出“避免恶化的参数”，再查出包含多项发明原理的解决方案，最后选取合适的发明原理用来解决矛盾，技术矛盾解决流程如图3所示。

图1 峡江水利枢纽拦河大坝建筑设计初始方案

图2 峡江水利枢纽拦河大坝建筑设计中间方案

图3 技术矛盾解决流程图

2.2.1 大坝右岸电站厂房建筑屋面设计的分析

大坝右岸电站厂房屋面“波浪”造型设计可带来视觉美观，然而造型物的重量加大了屋面的荷载，解决“美观”改善与“静物重量”恶化这对技术矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩阵给出的答案：改变特征（物理/化学参数变化）、复合材料、局部质量、质量补偿、维数变化。其中维数变化原理可以将在二维空间中的物体变成三维空间中的物体。从图4中可以看出，“波浪”造型是一个二维起伏曲面（铝镁锰板曲面）、同时曲面又有一个错位变化 （面积减小可减轻重量），形成从二维过度到三维的强烈对比效果。维数变化原理很好地解决了既要美观又要重量轻的矛盾。

屋面造型设计还有提升的空间要求，即需要在不改变原有形状的基础上，再增加美观效果。继续运用矛盾矩阵，解决“美观”改善与“形状”恶化这对技术矛盾。TRIZ（2003版）矛盾矩阵给出的答案：动态化、抽取、改变颜色、用多孔材料、反过来做、合并、组合、分割。可以运用抽取原理和改变颜色原理，即在原有的基础上，移走铝镁锰板、在钢网架上着以赤、橙、黄、绿渐变色，运用形式美法则中诸如节奏与韵律、比例与尺度、对比与调和等有规律的进行融合。最终效果如图4所示。

图4 大坝右岸电站厂房建筑屋面设计效果图

可以看出，赤、橙、黄、绿四色渐变将“波浪”造型勾画得空间感、质感和运动感十足，如翻腾追逐的浪花，亦似展翅腾飞的雄鹰，呈向上无限延伸之势，让人仿佛感受到“鸟儿自由飞翔，浪花盛情翻腾”的蓬勃朝气。

2.2.2 厂房外墙装饰设计分析

外墙混凝土墙面需要美观装饰，但墙面面积大、施工操作难度高，解决“美观”改善与“可制作性”恶化这对技术矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩阵给出的答案是：部分超越、预先作用、抽取、多用性、变害为利、分割、自服务、反向作用。其中分割原理可以是增加物体被分割的程度，反向作用原理可以是将规定的操作改为相反的操作。

厂房外墙原设计是采用大面积涂装浅蓝灰色氟碳漆，辅以白色氟碳漆和深灰色氟碳漆作为装饰带。由于外墙面积大，平整度很难控制，实施外墙漆后不平整更加凸显。设计变更方案之一是：将墙面分割成小格，采用喷涂真石漆饰面（见图5）。可见采用分割原理将大墙面分割成小格，便于平整度控制。同时采用反向作用原理，在原本需要平整的墙面上用砂壁状的真石漆作用其上，很好地解决“美观”改善与“可制作性”恶化的矛盾。

图5 厂房外墙混凝土墙面真石漆装饰效果图

3 物-场模型的分析案例

研究发现，很多案例是先用矛盾矩阵方法解决问题，再用物-场模型分析是否存在有效、不足、过度、有害与尚未确定等问题。以下仅对上述厂房外墙装饰问题用物-场模型分析：

（1）识别元件：S1—墙面，S2—装饰物，F—光线。

（2）建立物-场模型：墙面平整度、颜色等需要通过装饰加以美化，当装饰方案选择不佳，对墙面的美观是不利的。本问题属于有害效应的完整模型（如图6所示）。

图6 加入S3阻止有害作用模型图

（3）一般解法：有害效应的完整模型有两个一般解法是2、3，本问题选择的是一般解法2。即加入第3种物质S3用来阻止有害作用，S3可以通过S1/S2共同改变得到。

（4）进一步发展这种概念：厂房外墙装饰引入第3种物质S3，也就是将大面积墙面S1改变为小的长方块（分割原理），将光面的氟碳涂料S2改变为砂壁状真石漆（反向作用原理）。从而起到阻止“光面”（光亮）对“大面积平面”（不够平整）的有害作用，实现“真石漆”对“小块”的有效作用。

物-场模型分析可见：采用分格喷涂真石漆对大面积混凝土墙面装饰美观改善是有效的。

4 结论

TRIZ理论以其良好的可操作性、系统性和实用性在全球的创新和创造学研究领域占据着独特的地位。本文运用TRIZ理论中的发明创造原理、物理矛盾和分离原理、技术矛盾和矛盾矩阵、物—场模型分析方法等主要内容，分析和评述了峡江水利枢纽工程拦河大坝建筑设计中的创新点，对以后水利枢纽工程建筑设计创新有着一定的参考作用。

峡江水利枢纽工程拦河大坝建筑设计中的创新点，不经意间运用到TRIZ理论，如果我们事先掌握了TRIZ理论，有利于创新的效果、效率的提高；TRIZ理论适用范围广泛，它来源于对创新成果的总结，也将服务于创新实践，应学习TRIZ理论，掌握该项创新方法。

［1］赵新军.技术创新理论TRIZ及应用 ［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］尹定邦.设计学概论［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2004.

［3］常卫华.TRIZ理论在建筑工程中的应用［M］.北京：中国科学技术出版社，2011.