基于CMF的高层消防无人机设计研究

王晓娜 王泽阳 孙赫

摘要：近年来，随着我国城市建设规模的快速扩张，城市中心街区的建筑日渐朝着高层、大型化、多功能、地下化的方向发展。同时新兴的建筑材料与技术不断更新升级，虽然为城市中的居民提供了更好的工作和办公场所，但是高层建筑消防和灭火等工作愈加困难。针对高层消防问题，文章运用CMF设计方法设计以无人机为载体、以动态消防炮为喷射装置的消防无人机。灭火的高效性和人员的安全性是本次设计的主要考虑因素，基于本次设计的主要目的，充分分析高层建筑消防救援的主要问题，旨在设计出一款能够在消防救援中发挥巨大作用的高层建筑消防产品。

关键词：CMF；高层建筑；消防；无人机

中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）20-0-04

0 引言

高层建筑内部存在装饰材料可燃物较多、内部结构复杂、人员聚集及疏散逃生等专业技术知识普及率较低等问题，而高层建筑外部道路资源短缺、空间有限且往往被其他资源占用，一旦高层建筑发生火灾，不能及时进行扑救，将会对整个社会与居民的生命安全造成巨大损失。目前高层建筑的火灾扑救工作已成为一个具有社会意义的难题。高层建筑主要是指建筑高度大于27米的住宅建筑和建筑高度大于24米的非单层厂房、仓库和其他民用建筑。随着现代经济社会的进步，我国各类城市中高层建筑的数量不断增多，这在很大程度上增强了火灾的危险性。

1 CMF设计概念

CMF是指色彩、材料和表面处理工艺，是工业设计中必不可少的流程。CMF设计是一种结合了材料学、设计学、心理学等多个领域的新兴专业学科，专注于产品色彩的搭配和确定、材料的选取与应用、表面装饰与工艺，以此来支持产品的功能属性与情感属性。它是一个与产品的物理和技术设计并行的整体设计过程，只有将产品功能与视觉美感进行结合，才能创造绝佳的用户体验。

1.1 色彩

产品的色彩能够给用户带来最直观的感受，顾客对商业产品形成看法大约需要90秒，90%的视觉时间直接受到色彩变化的影响。色彩是任何一个设计师的许多工具中不可缺少的表达手段，涵盖了色彩的心理。它是设计中影响用户情感和视觉能力的主要因素，包括外在感受和内在感受，即色彩具有物理和心理两种属性。色彩给人的外在感受是指颜色的色相、明度和纯度，使人直观地感受到产品的空间感，色彩的冷暖、兴奋与温和等不同的情感语义则给人带来不同的心理感受。

1.2 表面处理工艺

表面工艺的处理是CMF设计中必不可少的一个环节，产品表面的色泽、纹理赋予了产品质感，呈现出工艺与美学并行的设计感。

1.3 材质

产品的材质是色彩与表面处理工艺的载体，材质的选取不仅要符合产品设计的理念，而且与色彩和表面工艺进行搭配会使产品更有视觉冲击力。

2 消防救援产品现状

随着科学技术的发展，现代的消防设备已经有了长足的进步，但大部分消防装备还处于开发和试验阶段，尚未移交给消防部门。现有新型消防设备总结为以下三种。

2.1 高压消防炮灭火系统

载有高压水炮的消防车（见图1）具有装载量大的优点，可以在不进入火场的情况下在外围进行灭火，但它的极限消防高度不足50米，面对高于15层的建筑无法有效灭火。

2.2 消防直升机

消防直升机（见图2）具有机动性强、装载量大等特征。除了可以进行消防作业外，消防直升机还可以迅速向现场运送救援人员和救援物资。消防直升机除了可以作为上空的消防装置之外，还可以作为国防部队装备，应用于反恐行动、镇压犯罪集团和掩护部队人员力量等。

2.3 四旋翼消防无人机

四旋翼消防无人机（见图3）具有机动性强、安全性强等特点。四旋翼消防无人机通常装备15～25公斤的药物，飞行高度最大可达3000米，7级强风以下平稳飞行时间可以保持45分钟以上。所持的灭火药大约30秒就可以熄灭100立方米左右的大火。四旋翼消防无人机可以在早期及后期监控、控制高楼大厦初期、中期的火灾状况并迅速扑灭，但火势较大的情况下它的消防效果明显不足［1］。

3 消防问题概述

3.1 目前高层建筑消防存在的问题

虽然如今固定消防系统不断更新迭代，但其发展速度远远落后于城市化进程和高水平消防救援工作的需要。同时，高层建筑中有许多固定设施，而完好率不高，直接导致消防救援队伍无法了解建筑物内部的具体情况，无法充分利用现有的固定结构发挥更好的效果。虽然大部分城市的高层建筑都设置了火灾自动报警系统、喷淋系统等自动消防设施，但由于完好率不高、操作人员水平有限，在现实操作中很难达到预期的效果，甚至影响消防救援队伍的灭火消防救援工作，增加火灾的危险性及损失［2］。

3.2 防火灭火的基本原理及主要措施

我国的消防工作可以分为“消”和“防”，这也是实施消防安全措施的重要手段。“防”是“消”的前提，“消”（见表1）为“防”（见表2）的发展提供了附加条件。

4 CMF无人机设计过程

4.1 设计构思

随着科技的进步，人类自古就有的“征服天空”的精神被貫彻到建筑学上。自摩天大楼诞生以来，人类就在努力与其斗争。但随着楼层的提高，传统灭火手段的效果逐渐减弱，常见的云梯车受到结构、通行性等方面的阻碍，无法跟上高楼“增高”的步伐。传统的消防水管受到水管长度、水压的限制，而楼内自备的消防系统在火灾来临时往往效果有限［3］。

无人机不需要人类亲自驾驶，规避了大多直升机需要顾忌的危险，而且无人机灵活小巧的身躯更容易贴近高楼，乃至从窗口深入火场，提高灭火效率。就反应速度、通过性、出动效率来看，无人机在现今高楼消防中是一个较好的选择。

4.2 CMF在高层消防无人机中的应用

CMF作为工业设计过程中不可或缺的一部分，已在各个领域得到应用，产品的设计离不开色彩、材料、表面工艺的处理，但是在消防无人机领域经过CMF系统设计的产品较少［4］。

4.2.1 无人机色彩

消防装备都是以鲜艳的红色为主色，例如消防车、消防栓、灭火器等，黄色则作为辅色。这是因为红色最为显眼，能在非常远的距离辨认出来，而且穿透力强，在烟雾中也能被人们看见，黄色作为辅色是因为它有极强的反光性，在火灾中比较容易辨认。但对进入高层建筑的消防无人机来说，红色的警示作用显得有些力不从心，火场中的火焰会掩盖无人机的红色，导致其辨识度降低。再加上楼道里没有灯光的昏暗环境，红色与火焰颜色极为接近，对受困人员的引导性不强，并且在这种环境中，受困人员由于求生心理，看见与火焰颜色相近的红色会产生恐惧情绪，这会对救援产生消极影响。消防无人机在高层建筑消防救援中的应用，产品应该给人一种冷静、安全的感觉，同时还应起到一定的警示作用，因此无人机最终采用白色与红色相间的配色。具体色彩表达效果见图3。

4.2.2 无人机材质与表面处理工艺

材质的选用对于消防无人机来说至关重要，机身材料要具有质量轻、强度高、耐火耐高温、防水的特性。在火场中，轻便的机身可以使其携带更多的灭火材料，提高灭火的效率，复杂的火场环境中坚硬的外壳能保护无人机内部的复杂零部件及线路；合适的材料选用能确保无人机在高温环境中正常作业，增强无人机的耐火性和防水性，延长无人机的使用寿命，降低成本。传统的材料是无法同时具有这些特性的，只有采用新型复合材料才能同时满足轻便、强度高、耐火性、防水性等要求。

碳纤维复合材料可以很好地满足消防无人机的性能需求，它的核心是碳纤维，用它制作无人机机身可以确保无人机在高温环境中仍能维持正常形态并保护内部零件不受到损伤，具有较强的耐腐蚀性和耐高温性，在火场环境中能很好地抵消热膨胀效应对机身的破坏，这种材料还兼具轻便和坚硬的特性，能携带更多的灭火材料。

在恶劣的火场环境中，表面处理工艺会直接影响无人机的使用寿命，其最方便有效的方式是在表面镀覆涂层，在消防无人机表面喷涂一层阻热膜能减缓高温对机身的灼烧，使无人机作业时间更长、效率更高。

4.2.3 无人机旋翼选择

多旋翼飞机的稳定性排序是八旋翼＞六旋翼＞四旋翼，其原因很容易解释。对于具有一定机动性特性的飞机而言，参与控制的部件数量越多，就越容易获得良好的控制效果，但是，旋翼数量的增加会对飞机的几何结构产生负面影响，因为旋翼数量越多，每个旋翼之间的距离就会减小，一个旋翼在四个轴向面上每隔90°放置一个转子，在六个轴向面上每隔60°放置一个转子，在八个轴向面上每隔45°放置一个转子，假设在相同的牵引力下，多个转子的总面积是相同的，很容易获得不同结构的转子直径（见表4）。

同样，多旋翼无人机旋翼的旋转位置在设计时不能相互干预。因此很容易求出几个结构形态中旋翼的中心点距无人机飞行器的几何中心点的距离（见表5）。

随着旋翼结构直径的减少，旋翼中心和飞行器中心的距离增长得更快。因此，旋翼的数量越多，飞行器的规模和尺寸就可能会做得越大［5］。

考虑到无人机在高层建筑的复杂环境中的灵活性和高效性，最终选择四旋翼飞行器作为设计方案。

4.3 设计实践

采用四旋翼结构，机身呈流线型，体积较小，能够在复杂环境中灵活飞行；机身下方的消防喷口对火源进行精确灭火（见图4）。

起初一般都是用水灭火，但是水的灭火原理是通过冷却来灭火。中大型火灾中，用水灭火的效果不佳。消防泡沫液除了降低温度灭火外，最大的效果是覆盖可燃物表面，隔绝火源与空气，灭火速度快、效果好。因此，消防无人机使用消防泡沫液作为灭火剂。灭火剂储存在两侧的水箱中，中间接口可与消防车水箱相连，保证在消防作业时不会中断（见图5）。

环包式外壳能保护扇叶不会在复杂环境中被损坏，另外，环包式的设计能够使旋翼旋转产生的气流保持相对稳定，确保飞行中无人机的稳定性和准确性（见图6）。

消防水炮炮身与喷嘴连接处有一个消防水炮稳流器，起到稳流的作用，确保对火源喷射消防液时能保持稳定的状态（见图7）。

5 结语

文章结合了高层火灾的特点和消防系统的发展状况，基于CMF设计这款高层消防无人机，用于火灾紧急救援，该装置实现了在高层建筑对火源的有效控制，降低了救援难度，降低了消防员和被困人员遇到危险的概率，减少人员伤亡和财产损失。

参考文献：

［1］ 祝智强.无人直升机机载灭火装置的研究与设计［D］.长春：吉林大学，2020.

［2］ 郑金松，谷海红.无人机在高层消防灭火救援中的应用分析［J］.石河子科技，2021（2）：33-35.

［3］ 罗彦鹏.无人机在消防灭火救援工作中的运用［J］.中国科技信息，2019（13）：56，58.

［4］ 史耀軍，周慧，王新宇.基于CMF的火灾救援无人机研究［J］.设计，2020，33（20）：106-108.

［5］ 钱明楼.基于饱和方法的四旋翼携带载荷系统的控制研究［D］.南京：南京邮电大学，2019.

作者简介：王晓娜（1979—），女，河北石家庄人，硕士，讲师，研究方向：产品创新设计。

王泽阳（1998—），男，山东潍坊人，硕士在读，研究方

向：产品设计。

孙赫（1998—），男，山东潍坊人，硕士在读，研究方向：产品设计。