基于FAST-FBS集成创新设计方法的玻璃幕墙清洁机设计

李翠玉, 马 鑫

(湖北工业大学 工业设计学院,武汉 430068,E-mail:m15206611566@163.com)

在城市现代化进程的推动下,高层建筑的数量和层数日益增加,玻璃幕墙作为一种新型的墙体结构正在高楼大厦中迅速崛起,同时也催生了清洁困难这一显著问题。传统的人工清洁方式危险繁重、效率低且成本高,为有效解决此类问题,机器代替人工进行自动化清洁作业已成为未来发展趋势[1-2]。

目前,关于玻璃幕墙清洁机的研究主要集中在技术原理与功能结构的探索上[3-5],关于需求分析和与产品创新方法相结合的研究较少,大多依赖设计者的主观经验进行设计创新,缺少理论与工具的支撑,因此为提高产品设计流程的客观性和高效性,需要不断探索新的设计方法。近年来,相关学者对FAST及FBS法进行了诸多研究与应用。刘付勤等[6]提出了KJ/Kano/FAST的设计模式,利用FAST法分解产品的功能,使设计方案更好的满足用户需求;苏晨等[7]通过分析用户需求、构建情境FBS模型,完成了智能床的结构与造型设计;周红宇等[8]提出一种AHP、FAST与FBS相集成的设计方法,使用户需求逐步转化为产品的功能结构,实现方案创新;孙利等[9]构建了FBS拓展模型,分析了康复机械手从“功能”到“结构”的求解策略与映射过程。

由以上文献可知,层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)[10]可以发掘用户需求,确定需求指标权重;功能分析系统技术(Function Analysis System Technique,FAST)[11]以满足用户期望为目的,把需求转变成对产品功能的描述;FBS(Function-Behavior-Structure)[12]通过“功能-行为-结构” 的逐级映射,将概念设计问题由抽象转换为具体,明确功能实现的具体途径,建立了设计概念与产品结构之间的映射机制[13]。针对于玻璃幕墙清洁机在学术理论方面较少研究,以多吸盘履带式爬壁功能样机为研究对象,构建FAST-FBS集成创新设计方法对其进行设计创新,以提高产品的实用性与合理性,优化操作人员的使用体验感,可对幕墙清洁领域的相关学术研究提供一定的参考。

1 AHP、FAST-FBS集成创新设计方法的整体流程

(1) 用户需求的获取与整理。通过用户访谈、调查问卷等方式获取用户需求。

(2) 构建层次结构模型与判断矩阵。使用KJ 法对需求进行分类,构建需求层次结构模型并分为了目标层、准则层和指标层三个层级。邀请相关专家根据判断标度量化值[14]分别对不同层级的元素进行打分,构造出判断矩阵A=(aij)n×n,i,j=(1,2,…,n),其中aij=1/aji。

式中:n—矩阵阶数;aij—矩阵第i行第j列的元素。

(3) 层次单排序与一致性检验。

采用列向量平均值法计算判断矩阵各元素的权重

(1)

求得特征向量

W=[W1,W2…,Wn]T

(2)

计算判断矩阵的最大特征值

(3)

式中:(AW)i—向量AW的第i个元素。

通过计算一致性比率系数CR,对判断矩阵进行一致性检验

(4)

CR=CI/RI

(5)

式中:CI—判断矩阵一致性指标;RI—平均随机一致性指标,当CR<0.1,说明判断矩阵较为合理且符合一致性要求,否则需要重新调整。

(4) 层次总排序与一致性检验。将待决策指标层的权重分别与其对应的上级权重相乘得到综合权重;综合一致性检验则是将各指标层的CI,RI分别与其对应的上级权重相乘得到CI总,RI总,根据公式(5)得到CR总。当CR总<0.1,表示总排序通过一致性检验。

(5) 确定产品功能要素。将用户需求导入黑箱模型进行功能求解,得到产品的基本功能。

(6) 构建FAST-FBS集成创新设计方法。利用FAST将基本功能拓展分解为诸多子功能,并对其进行整理和划分,将造型、材质、工艺等不能参与“功能-行为-结构”映射的要素筛选出来,用于指导后续方案的外观设计,其他功能要素输入FBS的前端执行映射,得到“基本功能-次级功能-子功能(F)-行为(B)-结构(S)”的设计模式。该创新方法区别于传统多方法理论的逐步运用,集成了FAST、FBS的优势,以“功能”为媒介将两种方法结合到同一步骤,避免了重复过程的堆叠,提高了产品的开发效率。

AHP、FAST-FBS集成创新设计方法的整体流程,能够帮助设计者准确获取用户关键需求并合理映射为产品的功能结构模块,实现产品设计过程“需求分析-功能获取-结构转换-概念输出”的层层递进,如图1所示,可以为设计者提供发现问题的思路与解决问题的途径,精准把握设计目标,高效输出创新方案,其合理性与可行性通过以下玻璃幕墙清洁机的设计案例进行验证。

▲图1 AHP、FAST-FBS集成创新设计方法的整体流程

2 玻璃幕墙清洁机的用户需求分析

2.1 构建需求层次结构模型

对玻璃幕墙建筑场所的管理决策人员及相关用户、机械设计制造师进行用户访谈,运用KJ法分析并整合零散的需求要点,获得了凝练度较高的原始用户需求20项。为筛选关键需求,采用七级李克特量表[15]设置调查问卷,发放给具有工业设计或机械设计背景的专业人员,共发放问卷128份,回收有效问卷124份,回收率为96.9%,经检测Cronbachα系数为0.973,说明数据信度较高,计算并统计原始需求项的得分情况,如表1所示。

表1 原始需求及得分表

对结果进一步分析最终确定玻璃幕墙清洁机的用户需求13项,利用KJ法对其整理分类,构建了需求层次结构模型,如图2所示。

▲图2 玻璃幕墙清洁机用户需求层次结构模型

2.2 构建判断矩阵

为提高评价过程的客观性,选取5名工业设计专家和5名机械设计专家共10人组成专家小组,采用1-9标度法对同一层次的因素进行两两比较,讨论得出一致性意见并构建判断矩阵如下:

2.3 需求权重计算与一致性检验

根据公式(1)-(5)计算出各级指标的权重值与一致性结果,如表2所示。

▲图3 玻璃幕墙清洁机黑箱模型

3 构建FAST-FBS集成创新设计方法

3.1 产品功能要素确定

根据需求权重和排序对各指标进行分析,得出防坠落保护、危险状况监测、幕墙实时监测和操作方便应重点解决;无水渍残留、科技现代感和后期易维护当给予考虑。把这些关键需求指标输入到玻璃幕墙清洁机黑箱模型中,通过黑箱内部的物质、能量、信息转换,输出了产品的基本功能,如图3所示。

在玻璃幕墙清洁机黑箱模型中,通过“输入-运行-输出”的模式对功能进行合理化求解得出:智能清洁、安全防护、舒适易用和美观宜人功能应在设计过程中着重考虑。

3.2 FAST-FBS集成创新设计方法的分析应用

(1) 智能清洁下的FAST-FBS集成方法应用,如图4所示。

▲图4 智能清洁下的FAST-FBS集成创新设计方法应用

① 功能分解,智能清洁作为清洁机的主要功能,在分析过程中可结合用户清洁需求有针对性的分解基本功能。

② 执行FB-BS映射,实现产品“功能-行为-结构”的转化,在此过程中需要将提取到的功能要素转化为行为的实现方式,并把行为释义为达到功能目的的结构组件。采用摄像头实时拍摄以监测幕墙的清洁状况;通过传感器感应低矮障碍物并把信息传递给控制端,再操控多吸盘履带越过障碍物;使用雾化出水口在源头减少出水量,并在擦布上安装沥水装置来保持擦布干燥达到减少水渍残留的目的;为了更好的体现节能环保性,安装污水净化装置对污水回收利用,并通过太阳能实现可再生能源的转换和利用。

(2) 安全防护下的FAST-FBS集成方法应用,如图5所示。

▲图5 安全防护下的FAST-FBS集成创新设计方法应用

① 功能分解,安全防护性是用户关注度最高的功能特性,需要结合用户安全需求因素对基本功能进行分解。

② 执行 FB-BS映射,外部辅助保护需要具备足够大的承重能力,因此可映射为安全绳;应对意外断电情况应具有一定的保护措施,而备用蓄电池可以紧急供能;风力感应和故障检测可映射为风力感应装置和故障检测系统;工作警示性通过信号灯的颜色变化来提醒操作人员,主要分为正常运行、强风提醒和故障警示三种提示状态。

(3) 舒适易用下的FAST-FBS集成方法应用,如图6所示。

▲图6 舒适易用下的FAST-FBS集成创新设计方法应用

① 功能分解,美观宜人性方面,要充分考虑产品与工作环境的融合性以及当代大众的审美需求。在舒适易用性上,为确保人机操作的便捷,符合人的使用习惯,将其分解为操作方便、易拿易放及后期维护这三个方面。

② 执行FB-BS映射,将按键简化集成,降低操作难度;在能源补充上也应符合用户的操作习惯,主要的为水源和电能的供给,由此映射为注水口和充电口;易拿易放功能主要满足用户在拿取和放置的时候更加舒适省力,可以映射为符合人体工学的把手结构与起到缓冲保护作用的橡胶支撑柱;后期维护要方便快捷,可设置检修口和拆解式的清洁机构来提高维护效率。

4 玻璃幕墙清洁机的设计方案与验证

4.1 结构整理

对结构进行汇总和梳理,把决定产品外部形态的结构提取出来,主要有安全绳、太阳能板、检修口、充电口、把手、注水口和橡胶支撑柱。其中,太阳能板将太阳能转化为电能储存在备用蓄电池中,在意外断电时可以提供备用电能;开关键控制着以电能为能源供应的摄像头、信号灯以及清洁系统,其中,清洁系统的清洁净化流程,如图7所示,清洁液与清水通过雾化出水口喷到幕墙上,使用拆卸式清洁机构(滚刷和盘刷)对幕墙进行刷洗,利用擦布进行二次清洁并吸除大部分污水,最后利用刮水板除去墙面残留的水渍;擦布经过沥水装置除水后可以持续保持吸水的状态,沥水装置所沥出的污水与刮水板除去的污水经收集后通过污水过滤器过滤,得到含有清洁剂等化学物质的干净清水,再次传入雾化出水口进行下一次清洁流程,节能环保且减小清洁剂对环境的污染。

▲图7 清洁净化流程

结合前期调研中用户对产品的现代科技感与色彩警示性需求,再根据功能分解中不能参与FBS映射的风格、造型、色彩和材质等功能要素,得到幕墙清洁机的结构框架,如图8所示,从而有效指导设计方案的输出。

4.2 设计方案

玻璃幕墙清洁机的设计方案,如图9所示,产品设计整体造型为几何轮廓,两侧为多吸盘式吸附履带,中间为清洁机主体,稳定的结构增强了机器的吸附力。硬朗的轮廓线条采用圆角过渡,配色上以浅灰和绿色为主,增加橙黄亮色,简约、洁净且有警示效果。太阳能板置于机器外层,有效提高了能源的转化率。检修口位于机器上部,采用人机扣手便于工作人员开合与检修,检修口一侧为注水口,下侧为开关键与充电口,两端设有散热口。把手置于机器前端,方便拿放,执行工作时可以作为连接安全绳的端口,如图10所示。清洁机后端设有摄像头与信号灯,靠墙的前后底部分别设有可折叠的橡胶支撑柱,工作结束后可以用来支撑机器,如图11所示。

▲图8 玻璃幕墙清洁机结构框架图

▲图9 设计方案

▲图10 玻璃幕墙清洁机前端细节图

▲图11 玻璃幕墙清洁机后端细节图

4.3 方案验证

为验证设计方案的可行性引入模糊综合评价[16],以图2的准则层作为第一级因素集U,指标层作为第二级因素集U1、U2、U3;权重集Q={0.548 5,0.240 9,0.210 6},Q1={0.548 7,0.284 0,0.088 2,0.079 1},Q2={0.454 3,0.152 8,0.250 5,0.089 1,0.053 4},Q3={0.052 6,0.460 6,0.256 6,0.230 3}。设置评语集V={优秀,较优,良好,一般,较差},赋值后β={90,80,70,60,50}[17]。邀请10位专家对第二级因素集的各指标进行评分,得到单因素评判矩阵,其中

计算得到单因素评判权重向量

E1=Q1×R1={0.529,0.255,0.144,0.072,0}

同理可得E2,E3

对第一级因素集U作综合评价,得到总评判权重向量

计算该方案总得分

N=E·β=82.18

按最大隶属度原则并参照评语集V,得出该方案满足的需求指标程度在优秀与较优之间,表明该设计方案具有一定的可行性。

5 结论

FAST-FBS集成创新设计方法合并了FAST与FBS之间的重复步骤,形成了一种简化的设计模式,可以为设计者提供一种科学、高效的问题解决工具,通过玻璃幕墙清洁机的设计案例,顺利完成了产品概念求解并获得了最终设计方案,验证了该设计方法的可行性,这对幕墙清洁领域的理论研究进行了一定的补充,同时也为其他产品的概念设计提供了新思路。但研究中仍存在一定的局限性:对于具体的技术原理与实现方式缺少深入研究,在后续设计中应在产品的操作原理等方向进一步探讨。