任为为 王祺
摘要：本文通过文献调研、实地调查、对比分析等方法获得现有窨井盖使用过程中的痛点，转化为设计需求，遵循安全性、人性化、环保性等原则设计一款窨井盖，使用3D打印机进行实物模型制作，最后使用专家评价法进行主观安全性评估。从提高窨井盖的安全性角度出发，在色彩搭配、造型设计、功能设计、结构设计、材料选用等多方面进行优化设计，结果表明优化后的窨井盖较现有的窨井盖安全性有较大提升，达到了提升窨井盖的安全体验的目的。
关键词：窨井盖;安全;优化设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2019）08-0062-02
在城市的地面上，有大量的各种各样的窨井盖。近年来，因为窨井盖导致的安全问题频发，各种问题不断涌现，大多数窨井盖只是起到“遮羞布”的作用，没有注重安全性，更谈不上美观。窨井盖的合理设计，关系到人们的生命财产安全，因此，有必要对现有窨井盖进行优化设计，以提高人们的出行体验。
1窨井盖的设计现状分析
1）造型分析。市面上窨井盖可分为圆形和方形。圆形井盖承载级别更高，能较好地防噪音，易于滚动运输、方便加工。圆形井盖不会掉到窨井口里去，与人的体型较符，无尖角，便于工程人员进出，不易使人受伤。方形井盖面积比较大，井盖下的作业空间比较充足。方形井盖有棱角，易划伤人，不够美观。在车辆经过时会发出噪音，易产生移位，窨井盖有坠入窨井口的危险，易引发事故。
2）色彩與表面装饰分析。市面上的窨井盖的颜色为材料色，常见的几种颜色为灰色、黑色、绿色。窨井盖表面装饰多是一些简单常规的集合图案，如十字形、圆形。一些发达国家的窨井盖表面则丰富多彩，有的加入地域文化元素，使窨井盖与城市实现完美结合。
3）功能分析。窨井盖基础功能是遮蔽，为维护地下管线而预留的，方便工程人员出入的孔洞。国内的大部分窨井盖只体现了基础功能。在一些发达国家，每个窨井盖上都会显著地标明字样，甚至有地标指引图示，有的则是加入地域文化元素，起到美化城市环境的作用，做到了一职多能。
4）结构分析。从结构上来看，一般分为单层和双层。单层窨井盖是最常见的窨井盖，一般会在表面开两个小孔，雨水可通过表面的小孔流进窨井盖下面。双层窨井盖一般运用到带有精密仪表的窨井盖上。
5）材料分析。现有市面上的窨井盖材料主要为球墨铸铁、再生树脂复合材料、聚合物基复合材料、钢纤维混泥土等，具体分析如表1。
2窨井盖设计现存的问题
通过以上的实地调查及文献资料研究，发现现有的窨井盖主要存在以下方面的问题。（1）安全问题：因窨井盖被盗窃或损坏等原因导致窨井盖缺失，导致人员坠落窨井时有发生，对人们的生命财产造成极大地威胁;（2）视觉效果不佳：城市窨井盖外观千篇一律，没有融入与所处的环境，进行很好地融合，窨井盖就像城市环境中的“创口贴”一样，视觉效果不佳;（3）窨井盖智能化程度不够，窨井盖出现问题时不能及时发现和反馈，功能单一。
3基于安全性和视觉体验提升的窨井盖优化设计
3.1设计原则
新型窨井盖设计目的是提高其在整个生命周期内的安全性，减少对人们的生命财产安全的威胁，提出按照以下原则进行优化设计。
1）安全性原则。窨井盖要确保在其使用过程中的安全性，井盖的丢失可能会造成严重后果。窨井盖要防爆炸、防破坏、防被盗、防被雨水冲走，还要在即使丢失之后也要保证安全。
2）人性化原则。窨井盖是民生工程，面对城市过往的行人车辆，要在设计时充分考虑窨井盖与行人的关系。设计的人性化是本次窨井盖设计的大前提。
3）环保原则。窨井盖在材料的使用上尽量要选择可再生材料，材料要做到抗腐蚀、抗压、耐疲劳，保证使用寿命。同时，可以采用模块化设计，设计不同区域可以更换的窨井盖，也是保证绿色环保。
4）功能性原则。在设计中加入之前窨井盖没有的一些功能，例如，自动感受水压打开排水口。窨井盖是要让井盖实现不仅可以排水，还能给人们提供附加功能，充分体现功能性。
5）美观性原则。窨井盖要在造型上有所突破，不拘泥于传统风格、造型及色彩，充分考虑与所处环境的融合，彰显城市文化与特色。
3.2设计需求分析
通过对现有窨井盖的解构，及前期的现状研究，结合观察法、实地调研及文献研究等途径，获得了窨井盖生命周期中的有关痛点，在分析整理的基础之上，总结了窨井盖的痛点见表，并对痛点提出相应的优化办法，如表2。
3.3优化设计方案
基于以上设计需求分析并根据提出的优化设计方向，得到窨井盖优化设计的关键目标：提升窨井盖在全生命周期中的主动与被动安全性。设计了多款方案，并最终选定一个方案展开详细设计，最终方案爆炸图如图1。
1）材料选择。一是菱镁材质强度高，抗压、抗弯及有韧性，使用寿命长;二是菱镁材质外观美，菱镁井盖自带精细的花纹，且可以自行调颜色，可基于窨井盖所处的地方文化特色进行艺术创造与再创造，与城市环境进行完美地结合;三是质量轻，方便施工人员安装和维修;四是菱镁井盖主要原材料是水泥，无回收价值，减少窨井盖被盗的可能;五是菱镁井盖能在各种环境下正常使用，适用范围广。故选择菱镁材质作为本款窨井盖的材料。
2）结构设计。借鉴旋转式杯口，采用双层旋转结构（如图1），每一层分别有一个镂空的水口，在平时不下雨时，上下两个开口错开，避免了东西落入窨井内，在下雨时，当感应到水压时会自动旋转至上下两个口子重合，雨水就会顺着口子流入窨井内。在井盖的底部设计一圈橡胶，使窨井盖与底座贴合，防止移位。同时橡胶有很好的缓冲和弹性性能，能有效避免井盖跳动产生噪音，从而提高窨井盖的安全性。
3）外观设计。在造型上，选择使用圆形，避免窨井盖掉入井内。在色彩选择上使用与沥青路面颜色较接近的黑色，使得窨井盖城市环境能较好地融合。
4）功能设计。在该窨井盖中加入了电子传感器，当井盖移位、丢失或破损时，电子传感器能及时将相关信息发送给管理部门前来处理。在窨井的边缘增加了反光警示条（如图2），如井盖被挪走，此时下部的反光警示条会露出，无论白天黑夜都能起到警示作用。此外，在窨井还装有防坠网，即使井盖缺失，人踩进井里也不会掉下去，保证行人的安全。
现在国内窨井盖普遍存在开盖费劲的问题，在本窨井盖方案中设计了便携式拆解器，使得维修人员能轻松地将窨井盖打开。
4窨井盖优化设计的主观评价
4.1优化设计模型的制作
使用Rhino软件建模并导出为STL格式数据，然后使用Materialise Magics20对STL格式数据进行修复、建立支撑及切片，最后使用3D打印机对切片数据进行打印，打印成型如图3。
4.2评价过程及结果
基于3D打印成型的模型，利用对比法，选取国内常见的一款窨井盖与本设计方案的窨井盖，采用专家访谈法邀请某市窨井盖制造厂家经理、多名维修人员及市民，对窨井盖进行材料、结构、外形、功能设置四个方面进行主观安全评价。根据专家评价结果表明，该优化方案在材料、结构、外形、功能设置四个方面均优于现有的窨井盖。
5结语
一款设计良好窨井盖关乎人们的安全出行，对城市建设意义重大。此文通过对现有窨井盖的洞察，分析了现有窨井盖在造型、色彩及表面装饰、结构、功能、材料等方面的优缺点，并根据安全性、人性化、环保性、功能性、美观性等原则，对现有窨井盖在材料选择、结构设计、外观设计、功能设置等多方面进行优化设计，较大程度提升了窨井盖的安全性，提高了人车经过窨井盖时的体验。
