垂直旋转式立体车库的创新设计

李丽，丛东升，李贞，孔令义，李昊

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

垂直旋转式立体车库的创新设计

李丽1，2，丛东升1，2，李贞1，孔令义1，李昊1

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

近年来，随着城市停车难问题的显现，垂直旋转式立体车库是“停车难”问题的解决和改善城市静态交通的重要手段和途径，但因其存在承载能力弱、设备复杂性高、库容利用率低等缺陷而影响其广泛应用。文章利用发明问题解决理论（TRIZ）、公理设计（AD）的独立公理等创新设计方法，对垂直旋转式立体车库设计方案进行了创新设计，进而解决其存在的耦合问题，获得单吊点式垂直旋转立体车库和双环圆形分体式垂直旋转立体车库满足用户需求的两种建议方案。

发明问题解决理论；独立公理；垂直旋转式；机械式立体车库

0 引言

随着经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，汽车作为常用的交通工具逐步进入寻常百姓人家，随之而来的停车难问题越来越显现，尤其是北上广等一线城市也同样面临着这样的问题［1］。机械式立体车库作为改善城市静态交通的有效停车设备，具有占地面积少、造价相对低、可移动拆卸、安全防盗等优点，在国外得到广泛应用［2］。20世纪20年代，美国学者开始研发机械式停车设备（立体车库），用于有效解决大城市“停车难”问题，并于1920年建成了世界上第一座机械式停车设备［3-5］。之后，德国、韩国、日本等一些国家，相继开始研发、制造机械式停车设备，并形成了研发、制造、安装、维护为一体的行业［3-5］。我国20世纪80年代开始研发立体车库，主要是仿制韩国、日本等国家的产品，并于1989年建造了第一台垂直循环类机械式立体车库［3-5］。之后，我国立体车库行业进入了十几年的低迷期。由于在我国机械式立体车库还处在发展初期阶段，存在着技术落后、推广难度大、成本高等缺点，其大范围的推广与应用还处于停滞不前状态［6］。近年来，随着汽车保有量的增加和“停车难”问题的凸显，立体车库市场正以突飞猛进的态势发展［3-5］。国家标准把机械式停车设备（立体车库）分为8种类型［7］。垂直旋转式立体车库［3-8］是“停车难”问题的解决和改善城市静态交通的重要手段和途径，但因其存在承载能力弱、设备复杂性高、库容利用率低等缺陷而影响其广泛应用。因此，针对我国现有垂直旋转式立体车库存在的缺陷，融合发明问题解决理论（TRIZ）、公理设计（AD）的独立公理等创新设计方法，对垂直旋转式立体车库设计方案进行创新设计，进而解决其存在的耦合问题，获得单吊点式垂直旋转立体车库和双环圆形分体式垂直旋转立体车库是满足用户需求的两种建议方案，对“停车难”问题的解决和改善城市静态交通具有一定的参考和应用价值［9-16］。

1 产品方案创新设计方法简述

发明问题解决理论（TRIZ）是基于知识的、面向人的、系统化的、解决发明问题的方法学；其最终目标是完全解决矛盾，获得最终理想解，而非折衷或者妥协［9-13］。独立公理是公理设计（AD）中的重要设计公理之一，其在设计中要求保持产品各项功能的独立性［14-16］。对TRIZ与独立公理结合的产品创新设计方法进一步深化，将耦合参数进行问题属性分类，并选择合理的解题模型，从而创新性的改进了基于TRIZ与独立公理的产品方案创新设计方法，有效地提高了解耦合的效率和高品质创新产品的获得［3-4］。其步骤为:首先，获取用户需求，确定设计参数；即，通过市场调查分析，获取产品的用户需求，确定产品的功能需求，利用公理设计的“之”字形映射法则，对产品的功能域与结构域间进行相互映射，确定最终产品的设计参数。其次，构造设计矩阵，确定耦合参数；即，依据“之”字形映射过程和设计参数构造产品的设计矩阵，判断设计矩阵的耦合性，并确定耦合参数。再次，区别问题属性，选择解题模型；即对相互耦合的设计参数进行问题属性分类，对照TRIZ解题模式，选择不同的解题模型。然后，选择解题工具，获取建议方案；即，依据解题模型，应用TRIZ解题工具（工具、原理、知识库）对产品的耦合矩阵进行解耦，参照工程实际，获取产品的多种建议方案。最后，评价建议方案，优选最佳方案；即，应用独立公理对每种建议方案设计矩阵的独立性进行评价，判断是否满足功能的独立性，优选产品最佳的设计方案。

2 垂直旋转式立体车库方案创新设计

2.1 确定设计参数

对“停车难”问题的解决方法进行市场调查与分析，用户所需求的产品属性｛CNs｝为有效地解决大城市和旅游风景区的“停车难”问题，且不影响城市市容和静态交通；映射到功能域（FR0）为库容量大、效率高的机械式停车设备；映射到结构域，对应的设计参数（DP0）为垂直旋转式立体车库；再按照功能域与结构域间的“之”字形映射，对垂直旋转式立体车库的功能需求（功能域｛FRS｝）与设计参数（结构域｛DPS｝）之间进行相互映射，直到设计参数不能再分为止。表1为垂直旋转式立体车库功能域和结构域间的映射层次表。

表1 垂直旋转式立体车库功能域和结构域间的映射层次表

2.2 确定耦合参数

依据表1所知，垂直旋转式立体车库功能域与结构域间映射的第一层、第二层、第三层设计方程分别为

其设计矩阵分别为

则A1为下三角矩阵，不需要解耦合；而A2、A3则为一般矩阵（耦合矩阵），不满足独立公理条件，需要解耦合；即设计参数DP21和DP22与FR12之间存在耦合，设计参数DP12与FR111、FR112之间存在耦合。

2.3 选择解题模型

设计参数DP21（电机）和DP22（控制装置）与FR12（库容面积）之间存在耦合，即DP2（存取效率高）与FR12（库容面积）之间存在耦合；设计参数DP12（设备结构）与FR111（承载）、FR112（平衡）之间存在耦合。参照TRIZ解题工具，这两组耦合问题为参数问题，即参数之间存在冲突。

2.4 选择建议方案

2.4.1 存取效率与库容率

（1）问题描述

高效地进行车辆存取的立体车库与立体车库的库容面积之间存在冲突，即存取车效率与库容面积之间存在冲突。当存取车效率提高时，必然引起车库库容面积的减小。因此，上述两参数间是一对技术冲突。

（2）问题分析

参照TRIZ工具的39个通用工程技术参数进行描述:改善的参数是25＃时间损失，恶化的参数是4＃静止物体的尺寸，查找冲突矩阵［8］（如表2所示）找到相应的发明原理。

2.4.2 载车台与设备结构

（1）问题描述

载车台和设备结构之间存在着冲突，即，当提高载车台面积时，必然引起设备复杂程度的加大。因此，此两参数间为技术冲突。

（2）问题分析

参照TRIZ工具的39个通用工程技术参数进行描述:改善的参数是5＃运动物体的面积，恶化的参数是36＃系统的复杂性，查找冲突矩阵［8］（如表2所示）找到相应的发明原理。

2.4.3 车库平衡性与设备

（1）问题描述

车库平衡性与设备之间存在着冲突，即，提高垂直旋转式立体车库平衡性的同时，必然引起设备复杂程度的加大。因此，上述两个参数间为技术冲突。

（2）问题分析

参照TRIZ工具的39个通用工程技术参数进行描述:改善的参数是13＃稳定性，恶化的参数是36＃系统的复杂性，查找冲突矩阵［8］（如表2所示）找到相应的发明原理。

表2 冲突矩阵（部分）

（3）综合问题分析

分析上述三对技术冲突，结合实际工程情况，初步选取14＃曲面化、13＃反向作用、1＃分割、5＃组合、2＃抽取、24＃借助中介物等六种发明原理作为解决垂直旋转式立体车库耦合问题的工具。表3为所选发明原理的含义。

依据表3发明原理的含义，结合工程实际经验，获取垂直旋转式立体车库建议方案步骤为:（1）选用曲面化原理将立体车库设计成球形结构，即立体车库的外形为圆形；依据反向作用原理将立体车库设计为垂直旋转式，改进了现有立体车库固定不动，仅有载车台运动的运行方式；（2）选用分割和组合原理将载车台设计为分体式载车台形式，并作为垂直旋转式立体车库的一部分；（3）依据抽取原理和借助中介物原理，由立体车库系统抽取出搬运器系统，借助搬运器进行汽车的存放和取用。因此，参照工程实例（摩天轮）获得两种垂直旋转式立体车库建议方案，其中，方案一为单吊点式垂直旋转立体车库（配套搬运器）（如图1（a）所示）和方案二为双环圆形分体式垂直旋转立体车库（配套搬运器）（如图1（b）所示）。

表3 发明原理的含义

图1 垂直旋转立体车库（配套搬运器）方案原理图

（4）建议方案分析

两种方案都为半地上、半地下式立体车库；车库采用整体垂直旋转方式；利用行星链传动方式，使载车台随立体车库公转的同时也产生自转，从而达到自动防摆和自平衡调节的效果。方案一的载车台采用的是单环单吊点悬挂式设计；而方案二的载车台采用的是双环单吊点双支撑式设计，增加了垂直旋转式立体车库的可靠性、安全性和容积率，另外，该方案同时存放和取用四辆汽车，大大提高了存取车效率。

2.5 评价建议方案优选最佳方案

根据表1垂直旋转式立体车库功能域和结构域间的映射层次表，结合两种垂直旋转式立体车库建议方案的功能结构特点得到垂直旋转式立体车库功能要求和设计参数之间的设计矩阵（如表4所示）。

由表4可知，设计矩阵为下三角矩阵，即准耦合矩阵，所以上述的两种方案满足功能的独立性。因此，两种建议方案都满足用户需求的设计方案。

表4 垂直旋转式立体车库功能要求和设计参数之间的设计矩阵

3 结语

文章将发明问题解决理论（TRIZ）与公理设计（AD）的独立公理相融合，通过获取立体车库的用户需求、确定其设计参数、构造设计矩阵、确定立体车库的耦合参数与问题属性、选择解题模型和工具等步骤，对机械式立体车库（垂直旋转式）进行创新设计，获得了两种满足用户需求的最佳设计方案—单吊点式垂直旋转立体车库（配套搬运器）和双环圆形分体式垂直旋转立体车库（配套搬运器），解决了现有垂直旋转式立体车库存在的承载能力弱、设备复杂性高、库容利用率低等技术缺陷，对旅游风景区停车难问题的解决及新型立体车库的研制具有较高的参考价值和应用价值。

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（责任编辑：李雪蕾）

Creative design in the vertical turn stereo garage

Li li1，2，Cong Dongsheng1，2，Li zhen1，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

At present，with the appearance of the problem of parking in the metropolis，the vertical turnmechanical stereo garage does exert such a profound effect on our daily life.However，in order to solve the technical defect in the vertical turn mechanical stereo garage with the weakness of carrying capacity and the high of equipment complexity and the low of the high capacity.In this article，its design scheme is creative and its coupling problems are solved with the theory of inventive problem solving（TRIZ）and the independent axiom of axiomatic design（AD）.Finally，two kinds of the vertical turn stereo garage of proposal scheme-monotone point vertical turn stereo garage and double ring circular partial vertical turn stereo garage are obtained to satisfy users'demands.

TRIZ；independent axiom；vertical turn；mechanical stereo garage

TH218

A

1673-7644（2014）06-0569-05

2014-06-06

国家级大学生创新创业训练计划项目（201210430045）

李丽（1982-）女，讲师，硕士，主要从事工程机械创新设计方法、产品绿色设计等方面的研究.E-mail:lili8249＠126.com