0 前言

展望當(dāng)代水利工程，“同質(zhì)化”的傳統(tǒng)水利正在逐步向新型水利過度，水利工程不再唯防洪、發(fā)電、灌溉、航運、供水等純工程目標(biāo)開發(fā)建設(shè)，而是需要兼顧美學(xué)、景觀、生態(tài)等要求建設(shè)。峽江水利樞紐工程是以防洪、發(fā)電、航運為主，兼有灌溉、供水等綜合利用的水利工程，也是目前我省投資最大的水利工程，更是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重點水利工程之一。

水利工程離不開建筑，而建筑的發(fā)展從來就離不開“技術(shù)”與“藝術(shù)”的統(tǒng)一。峽江攔河大壩的建筑設(shè)計兼顧了美觀新穎、突破傳統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)，一座包含多項創(chuàng)新設(shè)計的建筑作品隨著工程施工進(jìn)程正逐漸在贛江江面上誕生。

如何創(chuàng)新？王大珩、劉東生、葉篤正3位老科學(xué)家提出：“自主創(chuàng)新，方法先行，創(chuàng)新方法是自主創(chuàng)新的根本之源”。創(chuàng)新方法很多，對創(chuàng)新成果都應(yīng)用了哪些創(chuàng)新方法，有必要歸納總結(jié)，以便提高創(chuàng)新效率。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論是由蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒在研究了世界各國250萬份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，提出的一套完整的發(fā)明問題解決理論?？偨Y(jié)了發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)創(chuàng)新矛盾過程中的方法和原理，形成一套具有辯證思想的理論體系，并揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解[1]。本文試圖運用TRIZ理論對峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計中的創(chuàng)新點加以述評，以促進(jìn)TRIZ理論在水利工程設(shè)計創(chuàng)新中的應(yīng)用。

1.1 理想解

理想解是指一個解決方案能帶來各種效益而且不會增加成本或帶來任何壞處。TRIZ理論中，在邁向解決問題的流程上須先拋開各式各樣客觀的限制因素，通過理想化來定義問題的理想解，以明確理想解所存在的方向和位置，并獲得最終理想解。

1.2 發(fā)明創(chuàng)造原理

在對全世界250萬件發(fā)明專利分析研究的基礎(chǔ)上，抽取了發(fā)明創(chuàng)造的40條具有規(guī)律性的原理。本文案例涉及的6個發(fā)明原理是：分割、抽取、非對稱性、反向作用、維數(shù)變化、改變顏色。

1.3 物理矛盾與技術(shù)矛盾

在生活的方方面面都充斥著矛盾，當(dāng)兩個完全對立的看法在相同的時間、相同的地點、相同的條件下都被認(rèn)為是正確的時候，就產(chǎn)生了一對矛盾。在技術(shù)體系中矛盾是系統(tǒng)發(fā)展和進(jìn)化的主導(dǎo)力量，分析這些矛盾要發(fā)揮創(chuàng)造性的想象力。

在TRIZ理論中，工程中所出現(xiàn)的種種矛盾可以歸結(jié)成兩類：技術(shù)矛盾和物理矛盾。

1.4 物－場模型分析

物-場模型是由兩個物和一個場組成的與已存在的系統(tǒng)或技術(shù)系統(tǒng)問題相關(guān)聯(lián)的功能模型。構(gòu)建物-場模型的目的是為闡明兩物質(zhì)與場之間的相互關(guān)系，為進(jìn)一步解決問題創(chuàng)造條件。物-場模型分析方法是TRIZ理論中一個重要的發(fā)明創(chuàng)造問題的分析工具。TRIZ理論提出了物-場模型類型對應(yīng)的一般解法，共有6種。

2 物理矛盾及技術(shù)矛盾的實例分析

2.1 物理矛盾的解決案例

形式美法則是人類在創(chuàng)造美的形式、美的過程中對美的形式規(guī)律的經(jīng)驗總結(jié)和抽象概括[2]。根據(jù)形式美法則中對稱與均齊的原則，建筑藝術(shù)要求建筑既不對稱，又不能完全不對稱，這是因為一方面對稱的形式在視覺上可以讓我們感受到自然、均勻、整齊、協(xié)調(diào)的樸素美感，符合人類的視覺習(xí)慣與規(guī)律；另一方面在構(gòu)圖中又要避免絕對對稱與絕對均齊，過分的對稱會產(chǎn)生單調(diào)、呆板的感覺。這是一對非對稱與對稱的物理矛盾，可以應(yīng)用空間分離原理解決?？臻g分離原理與40個創(chuàng)新發(fā)明原理中的10個創(chuàng)新原理有對應(yīng)關(guān)系，即：分割、抽取、局部質(zhì)量、非對稱性、嵌套、反向作用、維數(shù)變化、中介物、復(fù)制和柔性殼體或薄膜等發(fā)明原理，其中非對稱性原理可較好地解決建筑不對稱與對稱的物理矛盾。非對稱性原理告訴我們：如果物體不是對稱的，則加強(qiáng)它的不對稱程度。

峽江水利樞紐工程攔河大壩左右建筑是不對稱的，左岸壩頂?shù)墓靶螛蚺c右岸電站廠房的平頂屋面呈現(xiàn)弧面與平面的非對稱性（見圖1）。經(jīng)多方案比選，廠房屋面增設(shè)了“波浪”造型（見圖2）。用TRIZ理論解釋，“波浪”造型增強(qiáng)了與“拱形”的不對稱性，同時左右岸具曲面對稱性，使得整體的構(gòu)造更富生動性和美感，避免了單調(diào)和呆板，達(dá)到了“既不對稱，又不完全不對稱的”的藝術(shù)效果。

2.2 技術(shù)矛盾的解決案例

技術(shù)矛盾是兩個參數(shù)之間的矛盾，即改善系統(tǒng)的某個參數(shù)，導(dǎo)致另一個參數(shù)惡化[3]。TRIZ理論將經(jīng)常遇到技術(shù)矛盾的技術(shù)通用參數(shù)劃分為48個，將其對應(yīng)解決的法則整理成矩陣，矩陣為48×48，共有2304個通用工程參數(shù)關(guān)系，每個矩陣關(guān)系對應(yīng)相應(yīng)解決方法的發(fā)明原理，使得人們可以更高速、有效的解決技術(shù)矛盾。使用矛盾矩陣表時，先從技術(shù)通用參數(shù)中找出“欲改善的參數(shù)”，接著找出“避免惡化的參數(shù)”，再查出包含多項發(fā)明原理的解決方案，最后選取合適的發(fā)明原理用來解決矛盾，技術(shù)矛盾解決流程如圖3所示。

圖1 峽江水利樞紐攔河大壩建筑設(shè)計初始方案

圖2 峽江水利樞紐攔河大壩建筑設(shè)計中間方案

圖3 技術(shù)矛盾解決流程圖

2.2.1 大壩右岸電站廠房建筑屋面設(shè)計的分析

大壩右岸電站廠房屋面“波浪”造型設(shè)計可帶來視覺美觀，然而造型物的重量加大了屋面的荷載，解決“美觀”改善與“靜物重量”惡化這對技術(shù)矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案：改變特征（物理/化學(xué)參數(shù)變化）、復(fù)合材料、局部質(zhì)量、質(zhì)量補(bǔ)償、維數(shù)變化。其中維數(shù)變化原理可以將在二維空間中的物體變成三維空間中的物體。從圖4中可以看出，“波浪”造型是一個二維起伏曲面（鋁鎂錳板曲面）、同時曲面又有一個錯位變化 （面積減小可減輕重量），形成從二維過度到三維的強(qiáng)烈對比效果。維數(shù)變化原理很好地解決了既要美觀又要重量輕的矛盾。

屋面造型設(shè)計還有提升的空間要求，即需要在不改變原有形狀的基礎(chǔ)上，再增加美觀效果。繼續(xù)運用矛盾矩陣，解決“美觀”改善與“形狀”惡化這對技術(shù)矛盾。TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案：動態(tài)化、抽取、改變顏色、用多孔材料、反過來做、合并、組合、分割?？梢赃\用抽取原理和改變顏色原理，即在原有的基礎(chǔ)上，移走鋁鎂錳板、在鋼網(wǎng)架上著以赤、橙、黃、綠漸變色，運用形式美法則中諸如節(jié)奏與韻律、比例與尺度、對比與調(diào)和等有規(guī)律的進(jìn)行融合。最終效果如圖4所示。

圖4 大壩右岸電站廠房建筑屋面設(shè)計效果圖

可以看出，赤、橙、黃、綠四色漸變將“波浪”造型勾畫得空間感、質(zhì)感和運動感十足，如翻騰追逐的浪花，亦似展翅騰飛的雄鷹，呈向上無限延伸之勢，讓人仿佛感受到“鳥兒自由飛翔，浪花盛情翻騰”的蓬勃朝氣。

2.2.2 廠房外墻裝飾設(shè)計分析

外墻混凝土墻面需要美觀裝飾，但墻面面積大、施工操作難度高，解決“美觀”改善與“可制作性”惡化這對技術(shù)矛盾，TRIZ（2003版）矛盾矩陣給出的答案是：部分超越、預(yù)先作用、抽取、多用性、變害為利、分割、自服務(wù)、反向作用。其中分割原理可以是增加物體被分割的程度，反向作用原理可以是將規(guī)定的操作改為相反的操作。

廠房外墻原設(shè)計是采用大面積涂裝淺藍(lán)灰色氟碳漆，輔以白色氟碳漆和深灰色氟碳漆作為裝飾帶。由于外墻面積大，平整度很難控制，實施外墻漆后不平整更加凸顯。設(shè)計變更方案之一是：將墻面分割成小格，采用噴涂真石漆飾面（見圖5）?？梢姴捎梅指钤韺⒋髩γ娣指畛尚「?，便于平整度控制。同時采用反向作用原理，在原本需要平整的墻面上用砂壁狀的真石漆作用其上，很好地解決“美觀”改善與“可制作性”惡化的矛盾。

圖5 廠房外墻混凝土墻面真石漆裝飾效果圖

3 物-場模型的分析案例

研究發(fā)現(xiàn)，很多案例是先用矛盾矩陣方法解決問題，再用物-場模型分析是否存在有效、不足、過度、有害與尚未確定等問題。以下僅對上述廠房外墻裝飾問題用物-場模型分析：

（1）識別元件：S1—墻面，S2—裝飾物，F(xiàn)—光線。

（2）建立物-場模型：墻面平整度、顏色等需要通過裝飾加以美化，當(dāng)裝飾方案選擇不佳，對墻面的美觀是不利的。本問題屬于有害效應(yīng)的完整模型（如圖6所示）。

圖6 加入S3阻止有害作用模型圖

（3）一般解法：有害效應(yīng)的完整模型有兩個一般解法是2、3，本問題選擇的是一般解法2。即加入第3種物質(zhì)S3用來阻止有害作用，S3可以通過S1/S2共同改變得到。

（4）進(jìn)一步發(fā)展這種概念：廠房外墻裝飾引入第3種物質(zhì)S3，也就是將大面積墻面S1改變?yōu)樾〉拈L方塊（分割原理），將光面的氟碳涂料S2改變?yōu)樯氨跔钫媸幔ǚ聪蜃饔迷恚?。從而起到阻止“光面”（光亮）對“大面積平面”（不夠平整）的有害作用，實現(xiàn)“真石漆”對“小塊”的有效作用。

物-場模型分析可見：采用分格噴涂真石漆對大面積混凝土墻面裝飾美觀改善是有效的。

4 結(jié)論

TRIZ理論以其良好的可操作性、系統(tǒng)性和實用性在全球的創(chuàng)新和創(chuàng)造學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)著獨特的地位。本文運用TRIZ理論中的發(fā)明創(chuàng)造原理、物理矛盾和分離原理、技術(shù)矛盾和矛盾矩陣、物—場模型分析方法等主要內(nèi)容，分析和評述了峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計中的創(chuàng)新點，對以后水利樞紐工程建筑設(shè)計創(chuàng)新有著一定的參考作用。

峽江水利樞紐工程攔河大壩建筑設(shè)計中的創(chuàng)新點，不經(jīng)意間運用到TRIZ理論，如果我們事先掌握了TRIZ理論，有利于創(chuàng)新的效果、效率的提高；TRIZ理論適用范圍廣泛，它來源于對創(chuàng)新成果的總結(jié)，也將服務(wù)于創(chuàng)新實踐，應(yīng)學(xué)習(xí)TRIZ理論，掌握該項創(chuàng)新方法。

［1］趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論TRIZ及應(yīng)用 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］尹定邦.設(shè)計學(xué)概論［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［3］常衛(wèi)華.TRIZ理論在建筑工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2011.