李 良

(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100)

1 引言

地下工程装备可广泛用于铁路、公路、煤矿岩巷、地下管廊等隧道开挖、出渣和支护作业，能够大量提升隧道开挖效率，为大型地下工程实现智能化建造提供高效施工[1]。

地下工程装备按照施工工法可以分为两大类:一类是盾构法施工，以掘进机、盾构机、矩形顶管机等为代表的全断面隧道掘进装备；另一类是钻爆法施工，以多功能钻机、凿岩台车、锚杆台车、湿喷台车、多功能作业车、除尘台车等为代表的全工序装备。

技术领先、高效智能一直是地下工程装备的核心竞争优势[2]。随着技术差距不断缩小，大众审美及消费观念的不断升级，以及在国家要求地下工程实现智能化建造，增加机械施工比例的背景下，5G、人工智能、无人驾驶、新能源等众多新技术在地下工程装备产品广泛应用。如何运用工业设计的方法打造差异化、数智化的产品，是企业面对的重要问题。

工业设计是一种创造性解决问题的活动[3]，具有跨工程学科与艺术学科的特性。地下工程装备产品造型设计的意义绝不仅是单纯地提升产品颜值，而是可以有效提高产品附加值[4]，提升品牌竞争力，推动行业变革的关键驱动力[5]。因此，地下工程装备领域的产品造型设计应用及研究至关重要。

2 造型约束分析

2.1 产品属性对造型的约束

不同的功能、使用环境、用户需求造就了多样化的产品，并随着时间的推移形成了独特的类别属性和造型特征。地下工程装备是功能技术主导型产品[6]，要在复杂甚至极端的地下工况下，高效、安全地完成开挖、排渣、支护等作业，造型设计需凸显牢靠、干练、稳重的产品行业属性，展现产品的稳重、有力的设计语义，传递强烈的机械美感[7]。

另外，地下工程装备的涂装不仅要满足功能和安全，更要使产品区分于昏暗的地下环境。铁建重工的地下工程装备产品进行了有针对性的设计，钻爆法装备系列产品车身采用对比强烈的黑灰色与灰黄色进行色彩搭配；全断面隧道掘进装备的关键运动部件及轨道类部件使用明度较高的灰黄色，主要包括盾构设备中的管片拼装及其他吊运系统，见图1；TBM 设备中的钢拱架安装系统、锚杆钻机系统、喷混系统等部件；扶手、护栏、爬梯、走台等部件颜色为油菜黄。

图1 管片拼装系统

2.2 品牌对造型的约束

品牌是产品形象识别及理念识别的综合体现，品牌造型特征是企业长期发展过程中不断继承、延续、积累形成的一系列造型基因的集合。独特且鲜明的造型特征在家族产品设计上持续应用，会形成差异化的产品形象，增进用户对品牌的记忆和认同。例如，巨大夸张的大嘴前脸造型一直是奥迪汽车重要的品牌识别特征之一。以矿山与岩石开挖机械行业巨头安百拓(Epiroc)的产品为例，相同或相似的造型特征以及规范的涂装标识在系列产品中反复强调，形成了安百拓(Epiroc)的品牌造型特征，见图2。

图2 安百拓凿岩台车

随着市场同质化竞争加剧，地下工程装备产品不但要具备卓越的性能，还需要差异化的品牌形象[8]。企业设计师在进行造型设计时，需要对企业的家族系列产品和典型标杆产品进行特征分析和提炼，考虑品牌造型特征的延续和品牌标识的应用原则。

以铁建重工钻爆法装备产品为例，硬朗、简洁的直斜面，收缩上扬的尾部形态等家族产品造型基因，持续沿用在不同产品的车身造型设计中，塑造统一且独有的品牌识别特征；在涂装设计方面，铁建重工拥有一套特点鲜明的产品涂装识别系统。车身下部底盘采用黑灰色，工作臂及上部覆盖件采用灰黄色的色彩搭配，车身关键位置布置醒目的文字标识及红蓝色辅助图形，提高品牌辨识度，见图3。

图3 全液压三臂凿岩台车

2.3 材料工艺对造型的约束

材料和工艺是产品形态实现的物质基础，产品造型过程中要充分考虑材料性能、制造工艺等约束条件。合理的材料选择和良好的工艺既能保证产品的功能实现，又能有效地丰富和提高产品的外观品质[9]。

地下工程装备需要在高温、高湿、高强度等极限复杂工况下工作，一般车身结构件及覆盖件多采用金属材料，另外大多地下工程装备属于非标个性化产品，批量小，定制化程度高，企业基于成本及制造周期等方面考虑，不会大量采用昂贵的金属模具冲压工艺，加工工艺多采用激光切割、钣金折弯、焊接等方法，所以受材料、加工工艺及部件尺寸的限制，地下工程装备产品造型限制较大，多为折面、单曲面。少数结构件或覆盖件可采用冲压成型、铸造工艺、玻璃纤维增强塑料手糊工艺，来寻求造型的变化多样。

随着传统制造工艺的不断进步，复合材料的广泛应用以及3D打印等快速成型技术的不断涌现，大幅减少模具开发、样机试制等成本，使得材料及成型工艺等关键因素对造型设计的约束限制在逐步减小。

2.4 工程结构对造型的约束

产品的工程结构与造型设计有着相辅相成、互相制约的辩证关系，工程约束下的工业设计是“形式追随功能”设计理念的具体实践[10]。地下工程装备的许多关键形态特征是由其自身的工程结构因素驱动产生的，不同装备为实现其不同的特定使用功能，工程结构有着巨大的差异，形成了形态各异的体量特征。工程约束下的产品造型设计也可以体现优秀且独特的审美语义，地下工程装备产品的造型设计是这一理论代表性的体现。由于装备类产品高度重视性能、效率、安全、易用等因素，其造型设计绝大部分都是其工程结构的外在设计表现。因此，工程结构约束下的造型特征是地下工程装备工业设计的重要组成部分，并形成了装备类产品强烈的工程结构、产品类别、使用功能等语义特征。

地下工程装备的工程结构主要包括车身底盘总布置和功能结构布局:

(1)车身底盘总布置

总布置规划在地下工程装备设计开发流程中处于优先地位，直接影响着产品的体量特征。与工业设计密切相关的总布置参数主要包括:整机的基本尺寸(总长宽高、轴距、接近角、离去角、离地间隙等)；整机的基本构造(底盘、发动机动力系统、液压系统、电气系统、工作装置、驾驶室、操作室等)。造型设计人员也可以从工业设计视角对局部结构布置给出合理性建议。工业设计师通过车身总布置信息了解并分析整机的体量、形态和比例，关注重点设计部件，进行创新性的设计活动。

(2)功能结构布局

地下工程装备的结构布局主要由其自身独特的功能决定。对于地下工程装备工业设计项目，不同功能部件的运动空间、装配关系、检修位置及频率、散热位置及面积等都有不同的造型约束条件。通过对整机体量特征和功能结构进行分析，将产品内在的工程结构需求转化为外在的造型语言。例如为满足发动机系统进气排气需要，覆盖件需要设计开孔或格栅形式，同时也表达了此处造型的工程语义。车辆离去角的角度限制，两侧的尾板及结构要上扬；为电缆卷筒和水管留出转动空间，造型局部做切角处理，见图4。

图4 凿岩台车功能结构布局

2.5 人机交互对造型的约束

用户体验一直以来都是地下工程装备产品的硬伤，由于太过于专注对产品性能的追求，忽视以人为中心的理念，而导致产品舒适性差、学习成本高昂，这些都是可以归结为用户体验的问题。

人机工程学研究的核心是人、产品及其工作环境之间的相互协调[11]，它将人-机-环境系统作为统一的整体来研究，以创造舒适愉悦的设备和工作空间。地下工程装备领域的用户体验需要重点关注人机工程约束，运用人机工程学等方法，以用户为中心，对工程机械产品的操作、维护等方面进行科学系统的分析和设计，以保证驾驶及操作人员操作的安全、准确、快捷。主要影响造型设计的人机工程约束有:

(1)作业环境

地下工程装备的使用场景多为恶劣、复杂的施工现场，同时伴随高热、高湿、照明条件差、噪声大、强振动、粉尘以及有毒物质等不利因素。地下工程装备产品的驾驶室通常集成行走及操作功能，一般选择封闭式驾驶室，可有效隔绝噪声、粉尘等，改善操作人员的工作条件；内置空调系统，提升操作舒适性；同时驾驶室会采用增强玻璃的强度，顶部增设防砸金属网板等设计方法，来应对隧道落石及岩爆等突发状况。

另外，由于隧道中光线较弱，为保证清晰的操作视野及良好的照明环境，驾驶室前方都会设置工作照明灯。

(2)驾驶室及操作台的人机工程

地下工程装备产品的驾驶室、控制室、操作平台是用户操作最频繁的部分。舒适安静的内饰氛围、清晰的功能分区、合理的仪表布局、及时的操作反馈能给操作者带来安全、舒适、友善的使用感受。驾驶室及操作台的人机工程主要包括:内部布置、操作装置设计，仪表板布置，视野。

良好的视野是直接影响驾驶及作业过程中准确性和安全性的重要因素。钻爆法隧道装备驾驶室一般采用增大前后窗和侧窗面积，降低窗沿高度，减小驾驶室支撑立柱尺寸等设计改善操纵者的操作视野。有些驾驶室顶部还需开设天窗，保证操作者观察到工作装置在最高位置的状态。

(3)易用性

地下工程装备需要在复杂的地下工况下进行现场调试和维护，爬梯、走台、踏板的设计要满足人机尺寸要求，设计具有凹凸或锯齿状的网孔等防滑形式；在潜在危险处增设扶手及防护栏、升降登车梯子等，保证操作者安全，传达产品安全、可信任的意象感受；产品造型设计要为用户提供最便捷的维护检修路径，最省力的开启方式，使用户通过产品形态特征的引导做出正确的判断和操作，进一步提高效率。

3 产品造型的工程衔接

优良的产品是工业设计与工程设计紧密结合的产物。工业设计流程中的产品结构细化设计是实现造型设计与工程技术的顺利衔接，针对设计细节展开的关键设计流程[12]。

在优化设计阶段，设计方案会因为诸如结构强度、板材拼焊、空间位置干涉、排风散热、开启方式、配件通用化、装配关系等工程因素需要做出适当的外观设计调整，来保证工业设计方案落地实现，以满足后续的制造加工和装配等工序。为了保障外观设计方案在结构设计阶段的转化率，此阶段的所有设计优化都以遵循整体造型设计风格为前提。

外观件的结构设计以及背后的工程结构调整由机械结构工程师来执行，工业设计师提供及时的工业设计支持，并保持持续且良好的沟通与互动。另外结构设计阶段也会涉及到部分外观采购件的选型，这部分工作也需要工业设计师的参与，以保证部件与整体设计风格协调。

在产品结构细化设计阶段如果缺乏有效的工业设计技术支持，或是双方沟通不畅，很容易导致最终设计方案被结构工程师调整得面目全非。

4 结束语

地下工程装备产品的特殊性决定了其工业设计过程不同于其他行业。在工业设计过程中，企业及工业设计师应充分了解地下工程装备的产品特点和属性，分析造型设计中的象征性和工程结构性两大类约束条件。造型结构细化设计阶段充分利用三维建模软件，自上而下地处理好造型与工程结构的配合问题，与结构设计、装配工艺等各专业人员保持良好设计沟通，最终促成产品落地。