高强度混凝土材料在井盖产品设计中的应用

盛传新 杨蓉 谢三山

摘要：为解决传统井盖不能满足城市道路快速发展背景下的功能性需求和审美性需求的问题。通过文献调研和案例分析，对城市井盖的问题现状进行调查，结合井盖产品的功能原理和高强度混泥土的材质特性进行设计研究。开发了一款具有警示效果和排水功能的新型高强度混凝土井盖。高强度混凝土井盖的设计应从功能，形式美学，安全性等方面上兼顾人们的使用需求，减少道路交通的安全隐患。

关键词：混凝土;井盖;产品设计

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）03-0130-03

引言

在城市发展的冲击下，市政建设也迅速发展，随之而来的市政工程设施也与日俱增。一方面，随着市政建设事业的不断发展，井盖等市政设施也不断增加，。但在增加相应的污、雨水管道的检查井后，以铸铁为材质的井盖被盗现象也越来越严重。由于井盖数量大，城市车流量和人流量密集，城市道路监管系统不够完善等原因，井盖缺失的情况下，相关部门对窨井盖进行修整需要相对较长的时间。而在道路能见度低的情况下，由于井盖缺失或维修产生的安全隐患更大。因此，对新型井盖的优化设计，提高窨井盖缺失情况下对道路的警示作用，减少道路安全隐患，是非常必要和紧迫的。另一方面，井盖作为城市基础设施的一部分，最开始是为了解决城市功能，但随着民众日益增长的审美观，基础设施缺乏美感设计，无法满足大众的精神需求。也需要重新设计为迎合大众审美需求的新型“城市名片”。一种新型井盖的设计与开发，保障道路的交通安全已成为当务之急。

一、井盖的基本作用

井盖属于城市地下管网基础设施的附属设施，为地下管网出口的安全防护装置，也是城市中最普遍的市政设施。一般来说，井盖是地面上积水的主要排出和排送口，地下井盖更多的是能有效防止路面车辆和行人在行驶过程中坠落，方便专业人员进行疏通和管道检查。井盖一般具备着很强的硬度和强度，能承受高强度的压力，也可以保证道路的平坦。

二、城市井盖的设计调查及现状

井盖在城市建设中应用广泛，市政维修人员需要在井下大量作业。一方面，随着城市经济建设的不断发展扩大，车流量增大。由于井盖数量大，城市道路监管系统不够完善等原因，相关部门对窨井盖进行修整需要相对较长的时间。特别是在道路能见度低的情况下，由于井盖缺失或维修产生的安全隐患更大。現用的钢筋混凝土井盖因强度不足而损坏严重。在检修时揭启困难，费时费力。开启井盖后，由于井盖自重重，且不易搬动，在转移时也有一定困难和危险性。而以铸铁为材料的检查井，造价高，容易丢失被盗。因此，对新型井盖的优化设计，提高窨井盖缺失情况下对道路的警示作用，减少道路安全隐患，是非常必要和紧迫的。

另一方面，井盖作为城市基础设施的一部分，最开始是为了解决城市功能，随着民众日益增长的审美观，基础设施缺乏美感设计，无法满足大众的精神需求。也需要重新设计为迎合大众审美需求的新型“城市名片”。

（一）混凝土井盖的视觉设计调查上海市政工程设计研究总院2017年受宁波市住建委前期办委托，

从基础设施的美学角度出发，对宁波东部新城市政附属设施窨井盖细节美化进行了研究。他们结合宁波东部新城的规划定位和调研现状，制订出适合新城的井盖美化提升整体框架格局和相关设计策略，设计了符合宁波文化和新区定位的独特井盖方案。将井盖的设计与城市环境，以体现当地文化和新城特色为宗旨，分区用不同主题对井盖进行再设计。

而日本，更是将井盖作为文化的一部分，成为了极具特色的城市名片。在日本，大概有百分之九十以上城市使用了设计独特的井盖。日本甚至有一个井盖协会，专门研究和保护日本各种各样的井盖文化。日本井盖的设计风潮主要来源于Yasutake;Kameda的推广，其主旨是以各式各样的井盖设计来吸引人们对路政工程和地下城市水道工程的重视。因此，他们想到了这个点子。随着他们的推广，“个性井盖”流行起来了，甚至还出现了“个性井盖”的粉丝，以追逐和发现新的井盖图案为乐。

日本的井盖设计，往往善于加入极具地区特色的要素，由于文化原因，他们一般不会使用真人头像和寺庙神社等建筑作为井盖图案，而会采用当地极具特色的特产或标志性图案。此外，历史故事，神话传说甚至怪谈也能成为井盖设计的取材源泉。而位于日本的大荣町，由于是动画《名侦探柯南》的作者青山刚昌的家乡，也在井盖上加上柯南的形象来对城市进行宣传，如图1、2。

（二）混凝土井盖的功能设计调查

水泥基材料是基础设施建设占比最多的一种基础性建筑材料，可以广泛应用于各城市的房建工程、桥梁工程、地下工程、海洋工程以及交通工程。而随着科学技术的飞速发展，已研制出强度等级超过100MPa，可以比肩钢铁的超高强混凝土材料，并已应用到桥梁，岛礁军事建设等实际工程中。

近段时间有报告称，广州市将推广使用高强度混凝土制作的井盖。这种高强度混凝土又称钢纤维混凝土，用其制成的雨水井盖，外形尺寸与铸铁井盖相同，可与原井盖框配套使用，重量是铸铁井的70%左右，价格比铸铁井盖降低1/3。

高强钢纤维水泥基材料的抗裂性与抗冲击性是非常优异的，根据相关资料显示，高强度混凝土与普通混凝土材料相比，前者具有很高的韧性，在其拉压性能，抗冲击等方面都具有优良的力学性能。并且这种材料与传统铸铁井盖相比，无回收价值，可杜绝因被盗而导致的交通安全事故。因此，可以广泛取代传统铸铁井盖用于普通道路、住宅小区和工厂的雨水口、污水井和地下管道、通信等检查井。这为我们的新型井盖设计开辟了一条新的思路。

（三）高强度混凝土井盖视觉性与功能性分析

首先，要重视井盖的安全提示性。随着城市化的迅速发展，城市道路也不断建设，随之而来的是井盖的增设，而由于设计不完善，管理不到位等原因，井盖缺损导致的行人坠井现象时有发生。因此，井盖的设计主要是起到三个方面的作用：1.方便路政人员的管理和维修，以备在洪涝天气以及线路管道故障时的维修。对于井盖的维修和管理，市政人员主要对高速公路和四个等级公路进行维修和负责，其次是各单位城建部门负责的街道范围内的井盖;2.洪涝排泄作用。城市中的井盖除了设备维修井以外，绝大部分都是排泄城市内涝的排水井盖。3.防盗。超高强混凝土井盖是一种复合材料，和传统的铸铁井盖不同，自重重，不易丢失被盗。

三、一种新型井盖的设计构想

基于以上分析，一般的井盖设计，除了需要考虑到了一般性的防滑，在设计时，应该更多考虑到如何方便维修人员更快找到维修井盖，以及如何保护行人的安全，防止因井盖缺失而导致行人坠落。

因此，新型高强混凝土井盖在设计的同时，要考虑以下几个方面：

（一）功能提示性设计

功能提示性设计主要是以市政维修人员或路人为提醒对象，在一定的场景情况下（如下雨天），提醒井盖的周边环境，井盖的方位，以及该井盖的所属功能，如图3。

（二）安全防护性加工安全防护性加工可采用以下几种方式：

1.采用高500mm左右的高出地面的警示装置或保护性装置，以示危险。在井盖下方装置防护网，防护罩等装置，以防止行人跌落井中。

2.井盖表面进行防滑纹理设计，可利用彩色混凝土来装饰井面，如红色或橙色一般有警示或提示的效果，而蓝色则带有功能提示性。另外，如采用荧光色则更能在较暗的环境下起到提醒的作用。（三）使用方式的改变

1.市政设施中井盖的常见开合方式仍然是采用“盖”的形式，可尽量利用增加零部件的形式来设计新的开合方式，减少行人坠落的风险，增加井盖的排水安全性;

2.设计内部具有二次防护效果的设施，并充分考虑其实用性，可比较一次防护设施增加内部孔洞结构，以人为本，在满足排水的同时，有效保护行人的安全。

（四）增加安全防盗性

使用高强度混凝土作为井盖主要材料，不同于传统的铸铁材质，耐腐蚀，抗老化，并无再生利用价值。可适用于多种恶劣环境，且内部设置钢筋支架，增加其抗裂性，有效防止因整体碎落而导致的安全事故。

四、高强混凝土井盖设计原理

井盖作为社会基础设施建设的一部分，在保证城市系统的正常运行方面发挥着重要作用。本设计采用高强度混凝土制作井盖部分。连接部分将采用钢材。井盖有两种打开方式，在雨水来临时，可高于地面折叠开启，并在其前后左右四个方向设置彩色警示标志。无需维修人员另外设置。而在需要维修时，则可整体开启。这种设计通过可行性折叠结构使井盖同时具备易排水，易维修，易警示以及美观的效果。因此，这种制造成本低，回收价值小，方便维修，具有警示效果的井盖设计应运而生。

（一）结构说明

主要包括底座组合，防坠铁网，折叠井盖面。井盖分为两个部分，分别为井盖和过滤网。井盖采用了两种开合方式。一种是半开合，是在需要排水时打开形成倒V形的排水口，废水经下方滤网排出去。一种是全开合，当维修人员需要维修疏通时，则合一将井盖全部打开。不论是半开合或全开合，井盖表面都有荧光色的警示标志，在井盖边缘，也会印有荧光警示条，以警示路人。这种增加打开时的警示装置方式，一方面，可以在道路恶劣环境时提醒路人，有效防止行人跌落;另一方面，可以提醒道路维修人员在安全作业后及时关闭井盖，如图4。

井盖主干结构分为两个部分。1.井盖开合的主体井面采用高强度混凝土制作，内置金属连接轴，方便折叠开合。在水量小时，可以折叠开合，利用井盖折叠开合产生的“V”形洞口进行排水。撑起的盖体表面，以及侧面涂有荧光材质的警示反光条，在高出路面的同时可以起到良好的警示效果，以提醒行人和驾驶员不要靠近井口。水量大时，则可将井盖作为支撑板座掀起，使其完全开启，达到快速排水的目的。

2.安全网位于井盖主体下方，采用扭合的方式，旋转锁定。一般情况下，由维修人员负责专门的锁定和开启。安全防护网可以有效进行二次防护，在井盖缺失的情况下，防止行人坠落井底。

（二）使用场景说明

根据前期调查分析，我国雨水天气来临时，降水量的急剧增长会导致城市路面的内涝和积水，这对地下排水系统是一个挑战。通常情况下，市政人员会完全打开井蓋以作排水，但同时也会由于积水过深，给通行的行人和车辆无法及时发现井盖完全打开，从而造成危险事故频繁发生。在这种背景下，以超高强水泥混凝土制作的折叠式井盖应运而生。该井盖的设计打破原有传统井盖的材质和造型，采用超高强混凝土制作井面，在保证其高强度，耐腐蚀、防盗特性的同时，通过可行性的折叠结构，使井盖产品具备排水工作和维修工作两种折叠状态。

在雷暴雨天气的作用下，城市积水增多，雨水大量聚集需要增加排水量，则可勾住井盖中心开关孔位，向上45o开启井盖折叠模式。当井盖折叠时，高出地面，一方面可以很好地提醒行人注意道路安全，另一方面，可使其大量排水。而井盖由于折叠显示出中心和边缘的警示符号的设计，不仅使井盖具备优良的排水功能，更充分考虑了其市政功能和安全警示功能。

而在积水不断增多，无法满足排水需求的情况下，可勾住井盖边缘孔位，以左侧轴为旋转轴心拉开井盖至完全打开，进行大水量排水。井盖下方设有防护网，一方面，可以对井口进行防护，避免行人的坠落;另一方面，设有专门的开启方式，适合专业维修人员开合维修，如图5。

结语

随着城市建设的不断发展，在生产技术、经济、安全使用等方面，传统井盖已不适应现有的功能需求和审美需求。因此结合新型高强混凝土的材料特性，从功能提示性设计、安全防护性加工、使用方式的改变和防盗功能开发等角度出发进行创意构思，所设计的井盖产品具备排水的创新结构、警示安全属性和较高的美学价值，兼顾了行人、政府道路部门、环境部门等利益相关者的综合性需求。在后期制作过程中，对设计方案进行生产过程样检、型检、批量抽样检查，以保证产品在运输、安装和使用过程中的稳定性和牢固性。未来，随着城市道路建设的不断推进，研究团队将更加关注以人文关怀为优先考虑的新型井盖产品，在产品的功能层面和美学层面上实现更具创新性的突破。

项目基金：1.中山市武汉理工大学先进工程技术研究院开放课题资助项目（编号：WUT-2018-03）;2.2016年中山市新型研发机构专项（重大研发平台建设补贴2016F2FC0008）;3.广东省普通高校青年创新人才类项目——用户体验视角下水泥基材料日用品设计研究（编号：2018GWQNCX163）。

参考文献

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