TRIZ 功能分析在解决屋面发泡聚氨酯保温层硬化空鼓问题中的应用

易嘉

（上海朗诗规划建筑设计有限公司，上海 200092）

TRIZ 理论按照创新的流程分为问题识别、问题解决和概念验证3 大板块[2]，其中问题识别板块包括创新标杆分析、功能分析、流分析、因果链分析、进化趋势分析、关键问题分析等工具和方法，通过识别系统或超系统的功能、特点、各组件之间的相互作用，评估各组件执行功能的性能，形成功能模型图，从各原因中找到可能存在的矛盾[3]，进而解决问题。

1 工程概况和技术矛盾

该项目的屋面保温采用90 mm 厚的现场发泡聚氨酯，硬化成型后出现局部空鼓、边缘上翘情况严重的现象。施工现场如图1 所示。

图1 屋面发泡聚氨酯保温层空鼓翘曲

屋面主要构造及做法包括：①（最上层）40 mm厚C20 细石混凝土（内配Φ6@150 mm 双向）随打随抹，设间距小于等于3 m 分格，分缝处钢筋断开，缝宽12 mm，嵌密封胶，在女儿墙与交接处留缝（宽30 mm），嵌密封胶；②喷涂90 mm 厚B1 级发泡聚氨酯保温层；③无纺布隔离层；④3.0 mm+2.0 mm 厚防水卷材（SBS）；⑤20 mm 厚1∶3 水泥砂浆找平，设间距小于等于6 m 分格缝，缝宽25 mm，嵌聚苯乙烯泡沫条，密封膏填缝；⑥最薄50 mm 厚泡沫混凝土找坡层（找坡3%，抗压强度不小于3 MPa）；⑦（最下层）钢筋混凝土屋面板，清理剔平，1∶2 水泥砂浆修补凹处。

2 TRIZ 功能分析

TRIZ 功能分析包含组件分析、相互作用分析和功能建模3 个步骤[4]，最后在功能模型图中获取问题可能的解决方案。针对该工程问题，逐步剖析如下。

2.1 组件分析：区分系统组件和超系统组件

组件是指工程系统或超系统的某一组成对象，该对象可以是拥有静止质量的对象（如桌子、飞机等）或无静止质量的场（如引力场、机械场、化学场、热场、声场、电场、磁场等）。本工程问题中，选取包含各构造层次的屋面作为待研究的系统组件，与屋面可能存在相互作用的外部环境对象作为超系统组件。其中，多次使用的同一种材料不论其厚度是否相同，均视作同一种组件；同时，为使分析更具有通用性，忽略各构造层次的厚度参数，如图2 所示。

图2 保温屋面系统组件分析

2.2 相互作用分析：分析各组件之间的相互作用

相互作用分析输出的是一个相互作用矩阵，该矩阵将系统组件和超系统组件分别罗列于行和列且顺序完全相同。在矩阵每2 个组件的行、列交点的单元格中判别2 个组件是否有“接触”，如果有，则标记为“+”；如果没有，则标记为“-”。不断重复操作，直至将整个矩阵表填满，对角线的单元格为空，表示物体不会与自身相互作用。

需注意以下几点：①相互作用是2 个组件之间直接的相互作用，不能是隔了1 个或多个组件“隔山打牛”似的传递作用；②有的组件之间是通过“场”来相互作用的，不能忽略，如手放在装有热水的水杯附近，会感觉到热，是因为水杯和手之间通过热力场进行相互作用；③相互作用矩阵在原理上应是对称矩阵，但为了增加分析的可靠性，暂时忽略对称性，先对每2个组件进行逐一分析，最后再复核是否对称。

对于本工程，共有11 个组件，将生成1 个11×11的相互作用矩阵，如表1 所示，整个矩阵是对称阵。

表1 保温屋面工程系统的相互作用分析

2.3 功能建模：找出系统可能存在的缺陷

功能是指一个组件改变或保持另外一个组件某个参数的行为，一般是有限的若干个“动词”或“谓词”，如支撑、分解、去除、反射、加热、冷却等共30 个左右。定义2 个组件之间的功能时需要遵循非负面、非陈述性、尽可能具体、因果关系等原则，采用“主+谓+宾”的描述方式，如描述一杯咖啡这个简单系统的杯子对咖啡的功能为“杯子支撑咖啡”。

2 个组件之间存在功能的前提条件有3 个：功能载体和对象都是组件（物质或场）、功能载体和对象之间存在相互作用和功能对象的参数由于相互作用发生了改变（或保持不变）。仅有相互作用不代表一定有功能，但是如果有功能，则一定有相互作用。

功能建模通过描述工程系统和超系统组件的不同性质的功能，包括正常的功能、不足的功能、过量的功能、有害的功能4 种，来剖析各组件之间存在的影响，呈现出潜在的解决问题的方法。

在保温层空鼓翘曲问题中，“②发泡聚氨酯保温层”与“①细石砼保护层”“③无纺布隔离层”“（c）机械场”“（d）化学场”存在直接相互作用，用TRIZ功能语言描述分别是：“（a）室外空气”固化“①细石砼保护层”，属于正常功能；“②发泡聚氨酯保温层”支撑“①细石砼保护层”，属于正常功能；“①细石砼保护层”压缩“②发泡聚氨酯保温层”，属于正常功能；“③无纺布隔离层”支撑“②发泡聚氨酯保温层”，属于不足功能；“（c）机械场”压缩“②发泡聚氨酯保温层”，属于正常功能；“（d）化学场”拉伸“②发泡聚氨酯保温层”，属于有害功能；“（d）化学场”拉伸“③无纺布隔离层”，属于过量功能。

功能模型图如图3 所示。

图3 屋面保温系统的功能模型图

通过上述功能建模，可以发现3 处主要的系统缺陷：“（d）化学场”破坏性地拉伸了“②发泡聚氨酯保温层”，“（d）化学场”过度拉伸了“③无纺布隔离层”，“③无纺布隔离层”不能很好地支撑“②发泡聚氨酯保温层”。因此，要设法消除“②发泡聚氨酯保温层”和“③无纺布隔离层”之间的化学场。

3 采用矛盾矩阵表获取解决方案

“矛盾矩阵表”是阿奇舒勒在进行大量专利分析的基础上，将构成技术矛盾的绝大部分参数归纳为39个物理参数，该39 个物理参数分别作为改善的参数和恶化的参数，形成一个行×列=39×39 的方阵，称之为“矛盾矩阵”[5]，该矩阵的每个单元格列举出能解决该对矛盾的40 条发明原理中的若干个，如分割、局部质量、预先反作用等，作为概念方案，最后由工程师根据概念方案设计出工程上可以实施的技术方案。

3.1 分析技术系统和描述最终理想解（IFR）

本工程问题中，因为无纺布隔离层偏软，现场发泡聚氨酯硬化后拉扯下部的无纺布隔离层，导致局部聚氨酯局部空鼓和卷曲。如果直接将聚氨酯喷涂在防水卷材上，又会收缩拉坏卷材。

如果喷涂聚氨酯在刚性结构层上，则不会出现空鼓现象。此处出现了1 处物理矛盾，隔离层（或是聚氨酯与基层之间）既要硬（防止空鼓）又要软（防止拉坏基层）。

本工程问题最终理想解（IFR）为：设法使发泡聚氨酯硬化收缩后相对平整，不致拉坏下部隔离层和空鼓。

3.2 定义工程参数并查矛盾矩阵表获得解决方案

通过初步判断，拟选用的工程参数及相应潜在的工程解决方案如表2 所示。

表2 矛盾矩阵表和工程技术方案

4 结束语

按照上文的分析，本工程最终采用的解决方案为：在无纺布隔离层上浇筑40 mm 厚的素混凝土随打随抹，女儿墙根部和出屋面管井根部需用20 mm 厚的低标号水泥砂浆上翻200 mm，避免发泡聚氨酯直接与无纺布隔离层及防水卷材接触，素混凝土能够很好地保护其下方的无纺布隔离层，并且固结后能够承受发泡聚氨酯的收缩应力，不会产生变形，很好地解决了屋面发泡聚氨酯保温层硬化空鼓的问题。