PROCES PROJEKTOWO-
KONSTRUKCYJNY I JEGO
STRUKTURA
PROCES PROJEKTOWO-
KONSTRUKCYJNY I JEGO
STRUKTURA
Pojęcie projektowania
Projektowanie (łac. proiicere, proiectus
„rzucić naprzód; wyciągnąć”) jest twórczą
działalnością związaną z powstawaniem
produktu zróżnicowanego, powodująca jego
zróżnicowanie wynikające z:
• cech,
• parametrów użytkowych,
• zgodności ze standardami,
• trwałości,
• niezawodności,
• łatwości naprawy,
• stylu itd.
Projektowanie
Przez projektowanie rozumieć będzie
się będzie wszystkie czynności i
działania, począwszy od określenia i
opisania potrzeby a skończywszy na
szczegółowym obmyśleniu jak ta
potrzeba ma być zaspokojona.
Zazwyczaj wiąże się to z koniecznością
zaprojektowania jakiegoś urządzenia
(np. maszyny, pojazdu, aparatu itp.) i
pomieszczenia, w którym to urządzenie
będzie eksploatowane.
Projekt jest to:
1. wymyślony plan działania; pomysł,
zamysł, zamiar wykonania czegoś,
2. ogólny zapis pomysłu na
wykonanie czegoś; szkic, plan
obiektu, przedsięwzięcia itp.
Niektóre firmy lub nawet całe kraje zdobyły
sobie pozycję lidera w zakresie
projektowania, w szczególności urządzeń
technologicznych, artykułów trwałego użytku,
odzieży, usług, a nawet produktów
pakowanych. Należą do nich: Francja i
Włochy - na rynku odzieży, obuwia i mebli,
kraje skandynawskie - w zakresie
funkcjonalności, estetyki i ochrony
środowiska, Niemcy - dzięki prostocie i
solidności rozwiązań technicznych. Japonia
jest liderem wśród krajów
uprzemysłowionych pod względem wielkości
środków przeznaczanych na projektowanie,
dlatego też w coraz większym stopniu
dystansuje konkurentów w wielu dziedzinach,
jak np. elektronice i motoryzacji.
Projektowanie jako obmyślanie sposobów
realizacji zadań jest jedną z najstarszych
czynności intelektualnych człowieka, gdyż
radykalnie zmienia ono świat i kształtuje
cywilizację techniczną.
W drugiej połowie XX wieku zainicjowano
systematyczne badania naukowe nad
metodami projektowania (prace: M.
Asimova, J.Ch. Jonesa, G. Nadlera,
Gregory'ego i innych). Istnieje bardzo wiele
różnych definicji projektowania, dlatego
interesujące jest porównanie definicji
sformułowanych przez różnych autorów w
różnych latach, a oto niektóre z nich:
• Proces stosowania rozmaitych technik i zasad
naukowych w celu takiego opisania urządzenia, procesu
lub systemu, które umożliwi jego realizację [E.S. Taylor,
1959],
• Naczelna robota nauk praktycznych [T. Kotarbiński,
1961],
• Podejmowanie decyzji w obliczu niepewności i przy
wysokiej karze za błąd [Asimow, 1962].
• Znajdowanie właściwych składników fizycznych struktury
fizycznej [Alexander, 1963].
• Projektowanie inżynierskie polega na zastosowaniu
metod naukowych, informacji technicznej i wyobraźni dla
zdefiniowania mechanicznej struktury lub maszyny lub
systemu służących wykonaniu z góry określonych funkcji
najbardziej ekonomicznie i skutecznie [Fielden, 1963].
• Symulowanie tego, co chcemy wykonać (lub zrobić),
zanim to wykonamy (lub zrobimy) tylekroć, ile potrzeba
dla uzyskania poczucia ufności w ostateczny wynik
[Booker, 1964].
• Celowo ukierunkowane działanie, polegające na
rozwiązywaniu problemów [Archer, 1965].
• Działanie twórcze - powołanie do istnienia czegoś
nowego i użytecznego, czegoś co poprzednio nie
istniało [Reswick, 1965].
• Czynnik decydujący dla tych części produktu, które
wchodzą w styczność z ludźmi [Farr, 1966].
• Satysfakcjonujące powiązanie produktu z
istniejącymi warunkami [Gregory, 1966].
• Realizacja bardzo złożonego aktu wiary [Jones,
1966].
• Przeskok wyobraźni od współczesnych faktów do
przyszłych możliwości [Page, 1966].
• Iteracyjny proces decyzyjny zmierzający do
sformułowania planów, wedle których zasoby są
przekształcane w systemy lub urządzenia
zaspokajające potrzeby człowieka [T.T. Woodson, 1966],
• Twórczy proces decyzyjny skierowany ku zaspokojeniu
potrzeb ludzkich [G.C. Beakley, 1967],
• Optymalne rozwiązanie sumy prawdziwych potrzeb
określonego zespołu okoliczności [Matchett, 1968],
• Kolejne czynności począwszy od zidentyfikowania
problemu, a skończywszy na opracowaniu rozwiązania
zadowalającego pod względem funkcjonalnym,
ekonomicznymi itd. [E.V. Krick, 1969],
• Proces tworzenia artefaktów dla osiągnięcia celów [H.A.
Simon, 1969],
• Działalność intelektualna pomagająca w tworzeniu
sztucznych obiektów materialnych [H.A. Simon, 1969],
• Proces podejmowania decyzji [R.L. Ackoff, 1970],
• Proces wytwórczy, w którym własności podmiotu
(...), przy właściwym korzystaniu z dostępnych
metod i narzędzi pracy w danych warunkach,
zmierzają do zawarcia w wytworze projektowania
wzoru przedmiotu projektowanego o własnościach
odpowiadających wymaganiom ustalonym w
zadaniu projektowym [Cz. Babiński, 1972],
• Dobieranie sposobu działania jakiegokolwiek
układu [J. Dietrych, 1974].
• Tworzenie odpowiedniego systemu mającego
zaspokoić taką to a taką potrzebę lub spełnić taką
to a taką funkcję [G. Nadler, 1975],
• Wieloetapowy proces przetwarzania informacji [B.
Kirów, 1976],
• Koncepcyjne przygotowanie zmiany relewantnej
[W. Gasparski, 1978],
Definicji projektowania (zwłaszcza
sensu largo) można znaleźć w literaturze
znacznie więcej. Powyższy wybór zawiera
tylko te definicje, które są
charakterystyczne dla kontekstu
technicznego oraz dla fazy rozwoju
metodologii projektowania, dlatego przy
poszczególnych definicjach i nazwiskach
autorów podano daty.
Na podstawie analizy przytoczonych
definicji projektowania można wysnuć
następujące wnioski:
• pojęcie projektowania jako czynności
intelektualnej człowieka zależy od przyjętej
perspektywy badawczej: kierunku naukowego,
stopnia ogólności rozważań, szerokości
spojrzenia,
• istniejące definicje projektowania technicznego
nie są względem siebie sprzeczne, lecz
uzupełniające,
• można wyróżnić pewne elementy muszące
zaistnieć zawsze, aby zrealizować proces
projektowania, czyli niezmienniki projektowania
.
Niezmiennikami projektowania są:
•potrzeba społeczna - mogąca się przejawiać w różny
sposób, jako impuls inicjujący proces projektowania,
•kompetentny sprawca procesu projektowania - tzw.
system projektujący, może to być zorganizowany zespół
projektantów lub pojedynczy projektant,
•określony system wartości uznawany przez system
projektujący, ważne są m.in. relacje pomiędzy względną
ważnością kryteriów technicznych, ekonomicznych i
humanistycznych,
•zasoby warunkujące poprawność przebiegu
procesu:
»
metodologiczne (strategie projektowe, metody),
» informacyjne (ilość i jakość potrzebnych informacji),
» techniczne (wyposażenie w sprzęt techniczny),
» ekonomiczne (finanse, kapitał),
» czasowe (projektowanie musi trwać odpowiednio
długo),
• wynik projektowania, pojawiający się w postaci
zweryfikowanej dokumentacji technicznej, często -
prototypu lub modelu funkcjonalnego.
Początek projektowania tkwi w
życzeniach zleceniodawcy i ciągnie
się przez działania projektantów,
wytwórców, dystrybutorów i
konsumentów aż do ostatecznych
efektów, jakie wywiera nowo
zaprojektowana rzecz w świecie, w
szerokim rozumieniu tego słowa.
Proces projektowania
charakteryzują następujące cechy:
• projektowanie jest procesem projektowania
przetwarzania informacji i jak również generowania
informacji,
• obmyślenie czegoś czego jeszcze nie było;
• podporządkowanie procesowi zaspokajania potrzeb,
• mimo znacznego udziału elementów twórczych, proces
projektowania może być badany, opisany i powinien być
uczony,
• brak jednoznacznych modeli samego procesu
projektowania,
• informacja wejściowa projektowania jest niepełna,
• najczęściej brak pełnego matematycznego modelu
projektowania obiektu i procesów z nim związanych co
powoduje, że proces projektowania daje się tylko
częściowa algorytmizować,
• ekonomiczne i poza ekonomiczne skutki złych rezultatów
projektowania mogą powodować wielkie straty.
Projektowanie techniczne i jego podział
Projektowanie sensu stricto często jest
określane przez dodanie przymiotnika lub
określenia opisującego dziedzinę, której
dotyczy, jak np. projektowanie
architektoniczne, urbanistyczne,
inżynierskie, wnętrz, wzornicze, form
przemysłowych itd.
Ogólnie projektowanie można
definiować jako opracowanie informacji o
sposobie zaspokajania potrzeby.
Opracowaniem sposobów zaspokojenia
potrzeb w wyniku działań technicznych
zajmuje się projektowanie techniczne.
Projektowanie techniczne
Jest to jeden z bardzo istotnych etapów
działalności inżynierskiej, którego głównym
celem jest projektowanie obiektów
technicznych, w tym procesów i środków
produkcji. Na tym etapie dobiera się idee
działania technicznego, rozwija się je w
koncepcje systemów technicznych i tu
zapadają istotne decyzje, rzutujące potem na
skuteczność, ekonomiczność i niezawodność, a
tym samym na wydajność i użyteczność
społeczną całego przedsięwzięcia.
Każde projektowanie obiektów
technicznych, wymaga
zaangażowania zdolnych inżynierów o
najwyższych kwalifikacjach, głębokiej
wiedzy i dużym doświadczeniu.
Skonkretyzowanym wynikiem
działalności projektowej jest
dokumentacja techniczna w postaci
rysunków, opisów, instrukcji i
zestawień obiektów oraz kosztorysy.
Projektowanie procesów
technologicznych polega na obmyśleniu i
opracowaniu informacji o sposobie i kolejności
działań, o potrzebnych narzędziach,
maszynach, urządzeniach i pomieszczeniach
oraz o sposobie sterowania tymi działami.
Projektowanie urządzeń polega na
obmyśleniu koncepcji działania urządzenia,
doborze układów przetwarzania energii,
materii i informacji, odpowiednim
wykorzystaniu i kojarzeniu właściwości materii
oraz zjawisk fizycznych, opracowaniu struktur
mechanizmów oraz tworzeniu pożądanych
sprzężeń i relacji pomiędzy obiektami.
Projektowanie ergonomiczne
Projektowanie, którego celem jest
tworzenie ergonomicznie
poprawnych obiektów technicznych,
wyróżniające się od tradycyjnego
projektowania inżynierskiego
położeniem nacisku właśnie na
ergonomiczną jakość projektowanego
obiektu, traktowanego jako system
złożony z dwóch komponentów:
ludzkiego i technicznego, nazwa się
projektowaniem ergonomicznym.
W literaturze polskiej, zwłaszcza
o tematyce technicznej, na ogół
rozróżnia się pojęcia:
• projektowania,
• konstruowania,
choć czasem traktuje się je jako
synonimy.
Z przytoczonymi wcześniej definicjami
projektowania można porównać definicje
konstruowania:
• J. Dietrych określa konstruowanie jako
dobieranie cech konstrukcyjnych
stanowiących logiczną podstawę
identyfikacyjną konstrukcji,
• W. Gasparski powołuje się na źródła
semantyczne i wyjaśnia, że
„konstruowanie” (łac. construo -
układać warstwami razem, gromadzić,
spiętrzać, budować) jest używane przez
specjalistów zajmujących się budową
maszyn oraz wznoszeniem konstrukcji
(łac. constructio - łączenie, budowa)
mostowych, budowlanych itp.
• W. Tarnowski definiuje konstruowanie jako tę część
procesu projektowania technicznego, której
bezpośrednim celem jest uszczegółowienie postaci
części składowych projektowanego obiektu oraz
wartości cech konstrukcyjnych. Określenie cech
konstrukcyjnych projektowanego obiektu
umożliwia właściwe jego wykonanie i
eksploatowanie. Projektowanie szczegółowe,
określane w budowie maszyny jako konstruowanie,
polega na dobieraniu cech konstrukcyjnych
(materiałowych, geometrycznych i dynamicznych)
projektowanej maszyny, jej zespołów i elementów.
Projektowanie wyprzedza fazę konstruowania, ale
już w pewnym stadium zaawansowania prac działania
o charakterze projektowania i konstruowania mogą
się przeplatać wzajemnie. Pewne wcześniejsze
ustalenia projektowe mogą być korygowane w celu
uzyskania konstrukcji spełniającej postawione
wymagania w sposób możliwie najlepszy.
Rozróżnienie projektowania i konstruowania
okazuje się pożyteczne, dla uporządkowania pewnych
pojęć oraz przy ustalaniu zakresu i kolejności działań
w procesie projektowo-konstrukcyjnym. Nie należy
jednak nazbyt formalnie traktować tych dwóch
określeń ani szukać granicy pomiędzy nimi i można
czasem przez projektowanie jak i konstruowanie
rozumieć całość prac projektowo-konstrukcyjnych.
W zależności od stopnia wprowadzenia nowych
rozwiązań można wyróżnić następujące rodzaje
projektów:
• Projekt oryginalny dotyczy wykonania wyrobu
mającego funkcjonować według nowej zasady. W
takim przypadku, projektant musi pozwolić sobie na
wyjątkowo nieskrępowane myślenie, wziąć pod uwagę
wszystkie pomysły przychodzące mu do głowy, aż
wreszcie, kierując się jakimiś sensownymi kryteriami,
zdecydować się na jeden z nich. Na powstawanie
oryginalnych projektów duży wpływ mają nowe
materiały o specjalnych właściwościach. Niekiedy
użycie nowego materiału może być inspiracją do
zaprojektowania nowego produktu, lecz często bywa
tak, że nowy produkt wymaga stworzenia nowego
materiału. Nowe rozwiązania w technice lotniczej i
rakietowej stały się możliwe po wynalezieniu super
wytrzymałych i bardzo lekkich materiałów
kompozytowych, podobny wpływ ma rozwój nowych
stopów metalicznych, cermetów oraz tworzyw
sztucznych.
• Projekt adaptacyjny, czyli rozwojowy - jest
projektem, w którym poprawia się właściwości
użytkowe działającego dotąd urządzenia
przez stosowne projektowanie wykorzystujące
postęp w inżynierii materiałowej. Od sposobu
wykorzystania nowych materiałów w
projektowanych wyrobach zależą ich
właściwości i atrakcyjność rynkowa.
• Projekt alternatywny jest projektem, w
którym zmieniono skalę, wymiary lub jakieś
szczegóły rozwiązania bez zmiany funkcji lub
sposobu jej osiągnięcia, np. zwiększenie
pojemności silnika spalinowego, cysterny na
płyny itp.
Projektowanie urządzeń w zależności od
stopnia nowości opracowywanej
konstrukcji można podzielić następująco:
• podpatrzone - naśladownicze,
odtwarzające,
• kompilacyjne - dobór i dostosowanie
istniejących konstrukcji do pełnienia
nowych, innych zadań,
• ewolucyjne - rozwój i doskonalenie
istniejących konstrukcji,
• innowacyjne - nowatorskie, oryginalne.
W zależności od sposobu podejścia do
projektowania można wyróżnić
projektowanie:
• rutynowe,
• intuicyjne,
• metodologiczne, czyli oparte na
działaniach logicznych, naukach
podstawowych i konstrukcyjnych,
• eksperymentatorskie - tworzenie i
weryfikacja informacji
konstrukcyjnych za pomocą prób i
badań.
W zależności od sposobu ujęcia
tematu można wyróżnić projektowanie:
• systemowe - rozwiązywanie tematu
realizowane jest na tle rozwiązywania
problemu całościowego w ujęciu
systemowym,
• cząstkowe - wąskie ujęcie tematu
sprowadzające się w zasadzie do
szczegółowego zadania.
W zależności od sposobu ujęcia tematu
projektowanie można podzielić na:
• integralne - rozwiązuje problemy
części całości ze względu na całość,
do której ma należeć,
• cząstkowe - część traktuje się
niezależnie od całości.
W zależności od dynamiki rozwoju
metod można wyróżnić projektowanie:
• statyczne – wykorzystujące utarte
sposoby, powtarzające się działania i
prace typowe,
• dynamiczne – stosujące
nowoczesne i rozwijające się techniki
oraz metody projektowania.
Wszystkie wymienione sposoby
projektowania są potrzebne, jeśli są
wykorzystane odpowiednio do zadań i
kryteriów oceny.
Projekty nowatorskie tworzą coś
nowego dla dobra człowieka, zaś
projekty o charakterze kompilacyjnym i
ewolucyjnym umożliwiają szybkie i
tanie zaspokojenie potrzeby przez
nowe wykorzystanie sprawdzonych
konstrukcji, które czasem przez
pomysłowe zmiany spełniają nowe
zadania.
W projektowaniu przydają się:
• wszystkie umiejętności,
• praktyka i doświadczenie,
• inwencja i intuicja,
• zdolności eksperymentowania,
• a przede wszystkim dobre podstawy
naukowe.
Wymagania stawiane projektantowi urządzeń
technicznych
Podstawowe zadanie projektanta urządzeń polega na
opracowaniu
konstrukcji technicznych najlepiej odpowiadających potrzebom
klienta,
wykazujących najwyższe wskaźniki techniczno-ekonomiczne i
eksploatacyjne, z których najważniejszymi są:
• duża wydajność,
• ekonomiczność,
• wytrzymałość,
• niezawodność,
• mała masa i zużycie materiału,
• odpowiednie gabaryty,
• niskie zapotrzebowanie na energię,
• zakres i koszt remontów,
• niski koszt wykonawstwa,
• duża trwałość,
• długie okresy międzyremontowe,
• wysoki poziom nowoczesności i automatyzacji,
• łatwość i bezpieczeństwo obsługi,
• wygodne sterowanie,
• łatwy demontaż i montaż,
• estetyka.
Wymogi, które powinno spełniać
urządzenie techniczne, szczegółowo
określone są
w założeniach projektowych.
Są jednakże pewne
zasady podstawowe
,
które powinny być zawsze
uwzględniane podczas projektowania
urządzenia technicznego.
Takimi podstawowymi wymaganiami są:
• funkcjonalność - poprawne spełnianie
przez projektowane urządzenie funkcji, do
których zostało przeznaczone,
• niezawodność i trwałość - uzyskanie
żądanego prawdopodobieństwa
niezawodnej pracy przy danych
obciążeniach w okresie nie krótszym od
założonego,
• sprawność – najwyższy stosunek energii
użytecznej do wprowadzonej, czyli
zmniejszenie kosztów eksploatacji
• lekkość - zmniejszenie masy materiałów
konstrukcyjnych, ułatwienie transportu i
montażu,
• taniość, dostępność materiałów i
technologiczność - stosowanie
najkorzystniejszych technologii,
umożliwiających wykonanie przy minimalnych
kosztach,
• łatwość eksploatacji - najprostsza w obsłudze
eksploatacyjnej i zdolności do naprawy,
• względy ergonomiczne i estetyczne -
powinna być przystosowana do potrzeb
obsługującego człowieka, zaś estetyka wpływa
na konkurencyjność wyrobu,
• zgodność z obowiązującymi normami i
przepisami z zakresu ochrony środowiska.
Tak więc, poprawne zaprojektowanie urządzenia
technicznego wymaga spełnienia większej ilości
wymagań, które można podzielić na
następujące grupy:
• eksploatacyjne - nadanie konstrukcji cech
koniecznych z punktu widzenia właściwych
możliwości eksploatacyjnych danego urządzenia
technicznego,
• ekonomiczne - ekonomiczność budowy samego
urządzenia technicznego, procesu jego wytwarzania,
eksploatacji i wycofywania z eksploatacji,
• technologiczne – projektowane urządzenie
techniczne musi stanowić odpowiednie rozwiązanie,
ale technologia jego wytworzenia powinna zapewnić
najniższą pracochłonność i końcowy koszt,
• produkcyjne - należy uwzględnić potrzeby zakładu
produkcyjnego i mieć na względzie uproszczenie i
potanienie produkcji, a więc również podłoże
ekonomiczne.
Podczas projektowania szczególnie
obowiązujące są dwie zasady:
1. projekt musi co najmniej spełniać
wstępne warunki i wymagania określone
w założeniach do projektu,
2. projekt powinien być w danych
warunkach rozwiązaniem optymalnym ze
względu na przyjęte kryteria
optymalizacji.
Projektowanie wyrobu musi łączyć w
sobie trzy ważne i nierozdzielne elementy:
• projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest
opracowanie kształtu i cech geometrycznych
produktów zaspokajających ludzkie potrzeby,
• projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania
wymaganej trwałości produktu lub jego elementów
wytworzonych z materiałów inżynierskich o
wymaganych właściwościach fizykochemicznych i
technologicznych,
• projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego
nadanie wymaganych cech geometrycznych i
właściwościowości poszczególnym elementom
produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po
zmontowaniu, przy uwzględnianiu wielkości produkcji,
poziomu automatyzacji i komputerowego
wspomagania, jak również przy zapewnieniu
najmniejszych możliwych kosztów tego produktu.
W literaturze z zakresu metodologii
projektowania opisano wiele metod i
procedur projektowania technicznego.
Różnią się one między sobą głównie
stopniem szczegółowości, podziałem na
poszczególne etapy, kroki lub fazy,
przeznaczeniem, strategią, stopniem
formalizacji itd. We wszystkich
przypadkach można jednak wyodrębnić
pewne cechy wspólne.
Poszczególne działania podstawowe są
powiązane pętlami iteracyjnymi. Oznacza to,
że w przypadku otrzymania
niesatysfakcjonującego wyniku cząstkowego, z
każdego etapu procedury można wrócić do
dowolnego wcześniejszego działania dowolną
ilość razy i kontynuować procedurę
projektowania.
Różni autorzy dość różnie nazywają
sekwencje działań podstawowych w
projektowaniu, jednak można dostrzec
znaczną merytoryczną jednorodność poglądów
(tabl. 1).
Sekwencja działań podstawowych według
różnych autorów
Autor
Krok l
Krok 2
Krok 3
Krok 4
Krok 5
E.V. Krick
Ogólne
sformułowani
e
problemu
Analiza i dokładne
sformułowanie
problemu
Wyznaczeni
e
rozwiązań
Ocena
rozwiązań i
decyzja
Opis
rozwiązan
ia
J.R. Alger
C.V.
Haye
s
Rozeznanie
(ana1iza)
Sprecyzowanie
problemu
Synteza
Ocena wariantu
i
decyzja
Wprowadzenie
w życie
M.
Asim
ov
Analiza
Synteza
rozwiązań
Ocena i decyzja,
optymalizacja i
weryfikacja
Wdrożenie
AD. Hali
Definicja
problemu
Selekcja celów
Synteza
wariantów
Analiza
wariantów,
wybór
Prezentacja
wyników
G. Nadler
Określenie
celu i
przeznaczenia
Poszukiwanie
systemu idealnego,
zbieranie infonnacji
Synteza
wstępna
Ocena i decyzja
Synteza i
weryfikacja
projektu
A B.
Rosenstei
n
Zdefiniowanie
problemu
Zbieranie informacji,
określenie warunków
granicznych,ustalanie
kryteriów oceny
Synteza
Ocena, decyzja,
optymalizacja,
iteracja
Prezentacja
wyników
IG.
Wilso
n
ME.
Wilso
n
Koncepcja
Przygotowanie
założeń
Synteza
Analiza,
decyzja,
optymalizacja,
weryfikacja
Przebieg procesu projektowania
technicznego zależny jest przede
wszystkim od przyjętej tzw. strategii
projektowania, czyli ogólnych
sposobów podejścia do rozwiązywania
problemów projektowych.
Można wyróżnić trzy zasadnicze czynniki
różnicujące strategie projektowe:
1. postawa metodologiczna projektanta,
2. stopień zaprogramowania procesu
projektowania,
3. wzorzec poszukiwań rozwiązania problemu.
Istnieją dwie skrajnie różne postawy
metodologiczne, które mogą uznawać
projektanci podczas rozwiązywania
problemów. Pozwalają one wyróżnić dwie
odmiany strategii projektowych:
• strategia przyrostowa - polega na poszukiwaniu
zazwyczaj drobnych ulepszeń w obrębie istniejących
już rozwiązań i jest charakterystyczna dla
projektowania tradycyjnego.
• strategia rozwiązania idealnego - polega na
określeniu cech idealnego rozwiązania projektowego,
zwykle nierealnego w istniejących warunkach
technicznych i ekonomicznych, zbadaniu warunków
realizacji koncepcji, zaś w wyniku przyjmowania
kolejnych niewielkich odstępstw od ideału -
uzyskania realnego projektu. W rezultacie otrzymuje
się oryginalne projekty nowatorskie, stanowiące
początek nowej, jakościowo wyższej generacji
urządzeń technicznych.
Z punktu widzenia wzorca poszukiwań można
rozróżnić strategie:
• rozwiązań pojedynczych - jest to mało
efektywna metoda „prób i błędów”,
• wyznaczania zbioru dopuszczalnych
rozwiązań - jest to metoda efektywniejsza, gdyż
pozwala na wybór rozwiązania zadowalającego
lub optymalnego (w określonym sensie) oraz
stosowanie programowania matematycznego,
jeśli możliwa jest kwantyfikacja wymagań.
Struktura procesu
projektowania
Projektowanie jest procesem iteracyjnym, w
którym punktem wyjścia jest potrzeba rynkowa
lub pomysł na wykreowanie potrzeby, finałem
zaś - produkt zaspokajający tę potrzebę lub
urzeczywistniający ideę.
Wykonawstwo
Projektowanie
Konstruowanie
Eksploatacja
Pomysł
Wyrób
Rys. 1. Podstawowe działania techniczne oparte o proces projektowo-konstrukcyjny
Między punktami skrajnymi znajduje się cały szereg
stadiów pośrednich, np. projekt koncepcyjny,
wstępny i szczegółowy – konstruowanie (rys. 2).
Rys. 2. Ogólny schemat procesu projektowania: od
rozpoznania zadania, przez stadia koncepcji, projekt
ogólny i szczegółowy, aż do otrzymania wyrobu
Proces projektowo-konstrukcyjny
powinien rozwijać się zgodnie z
pewnym planem, określającym zakres
i kolejność działań zmierzających do
uzyskania najlepszego rozwiązania.
Plan taki określa się mianem
algorytmu procesu projektowo-
konstrukcyjnego, obrazującego
zwykle postulowaną logikę działania
projektanta.
W fazie projektu koncepcyjnego są możliwe
wszelkie opcje; w projekcie ma się na względzie
alternatywne rozwiązania zarówno co do zasady
działania, jak i struktury funkcjonalnej systemu.
Bierze się pod uwagę wpływ różnych wariantów na
właściwości użytkowe i koszt wyrobu.
Tworzenie projektu ogólnego, przy
uwzględnieniu struktury funkcjonalnej, obejmuje
analizę funkcjonowania wyrobu na niższym
poziomie – na poziomie części. Wyroby w tej fazie
mają zdefiniowany kształt, wielkość i materiał.
Brane są pod uwagę zakresy naprężeń,
temperatur oraz inne czynniki środowiska ich
pracy. W wyniku powstaje konkretny projekt
ogólny, który jest punktem wyjścia do stworzenia
projektu szczegółowego.
Realne procesy projektowania technicznego,
przeprowadzane w profesjonalnych biurach
projektów, mają bardzo różne struktury
logiczne uzależnione od typu rozwiązywanych
zadań oraz od struktury organizacyjnej biura.
Wspólne ich elementy powinny się
pokrywać z głównymi fazami projektowania:
• fazą studialną,
• opracowaniem założeń do projektu,
• projektowaniem wstępnym,
• projektowaniem szczegółowym.
Proces projektowania jest złożonym
kompleksem działań, realizowanym zazwyczaj
przez wielu ludzi, wymagającym dużych
nakładów produkcyjnych i czasowych,
angażującym kosztowny sprzęt i trwającym
przez dłuższy czas. Koniecznością staje się
więc podział pracy, harmonogramowanie w
czasie i koordynacja. Aby to było możliwe,
należy zbadać strukturę procesu
projektowania, czyli porządek działań
procesu projektowania, wyróżnionych ze
względu na określone kryterium. Do struktury
procesu projektowania wchodzą pewne fazy,
zwane fazami rozwiązywania problemu (tabl.
2).
Tablica 2
Fazy procesu rozwiązywania problemu
Fazy
podstawo
we wg
Bartee’a
(1968)
Fazy procesu badawczego
wg Ackoffa (1969)
Fazy projektowania
inżynieryjnego
wg Asimowa (1967)
A. Analiza
l. Sformułowanie problemu
a. Analiza potrzeb
b. Zebranie i
systematyzacja
informacji
c. Identyfikacja i analiza
problemów
projektowania oraz
układu zmiennych
B. Synteza
2. Budowa modelu
d. Badanie kryteriów (wraz
z całym systemem
wartości)
e. Synteza możliwych
rozwiązania
C. Ocena
3. Sprawdzanie modelu
4. Uzyskanie rozwiązania na
podstawie modelu
5.Sprawdzanie i sterowanie
rozwiązania
6. Wdrażanie rozwiązania
f. Optymalizacja
g. Podjecie decyzji
h. Sprawdzanie, ocena i
przewidywanie
zachowania się
Można również wyróżnić inną, bardziej
rozbudowaną strukturę procesu
projektowania:
• formułowanie i analiza problemu,
• poszukiwanie koncepcji,
• specyfikacja wymagań i ograniczeń,
• kryteria wartościowania,
• ocena i wybór rozwiązań.
T. Kotarbiński wytyczył pewien ramowy plan
postępowania, istotny przy rozwiązywaniu każdego
problemu projektowego. Te uniwersalne kroki
działalności projektanta określił on następująco:
1. zdefiniowanie funkcji, które ma spełniać
projektowany obiekt,
2. narysowanie wstępnego schematu obiektu,
3. zgromadzenie potrzebnej wiedzy,
4. nakreślenie możliwych wariantów rozwiązania
obiektu,
5. wybranie rozwiązania, które najlepiej nadaje się do
realizacji,
6. wyznaczenie szczegółów wybranego rozwiązania,
7. zbadanie modelu skonstruowanego obiektu,
8. sprawdzenie działania części i podzespołów obiektu,
9. określenie warunków, w jakich należy zainstalować i
użytkować obiekt,
10.podjęcie środków niezbędnych do realizacji obiektu.
Według tego schematu proces
projektowania kończy się z chwilą
rozpoczęcia fizycznej realizacji
obiektu zgodnie z opracowaną
dokumentacją zawierającą rysunki,
obliczenia, opisy, kosztorysy itp.
dotyczące wykonania danego
urządzenia, przedmiotu czy też
obiektu budowlanego.
Główne przyczyny, dla których badanie struktury
procesu projektowania jest jednym z podstawowych
problemów są następujące:
• planowanie „makro”, czyli rozłożenie w czasie całego
przedsięwzięcia projektowego, jego kontrola,
rozliczenie, kierowanie, rozdział prac pośród
wykonawców, kierowanie, hierarchizacja zadań,
podejmowanie na czas decyzji i dostarczenie na czas
potrzebnych informacji,
• aspekt decyzyjny: wskazanie głównych decyzji i ich
uwarunkowań,
• planowanie „mikro”, tzn. dla jednego zadania lub
jednego wykonawcy; ustalenie kolejności i uwarunkowań
poszczególnych działań, co ma pomóc w zorganizowaniu
wysiłku indywidualnego projektanta,
• racjonalny formalny opis procesu, wykrywanie
prawidłowości, tworzenie nowych metod szczegółowych,
doskonalenie metod istniejących,
• znajdowanie działań poddających się wspomaganiu
komputerowemu i poddających się pełnej algorytmizacji,
• uporządkowanie badań nad procesem projektowania
oraz obmyślenia nowych metod projektowania.
W procesie projektowania po zakończeniu
jednej fazy podejmuje się decyzję akceptującą
otrzymane rezultaty lub nakazujące uzupełnienie
niektórych działań. Jeśli otrzymane rezultaty są
niezadowalające, istnieje możliwość zatrzymania
dalszych prac projektowych.
Początkową fazą poprzedzającą rozwiązywanie
problemu projektowego jest wcześniejsze
formułowanie problemu (tabl. 3).
Tablica 3
Formułowanie problemu projektowego
Jak formułować problem
projektowy?
Uzasadnienie
Formułuj szeroko
Istnieje wtedy możliwość rozważania
maksymalnej liczby wariantów
Pomijaj szczegóły, zajmij się jego
właściwym sformułowaniem
Szczegóły przeszkadzają w formułowaniu
problemu;
będą one ważne w dalszych etapach
Nie sugeruj się na tym etapie
rozwiązaniami
istniejącymi, nie analizuj
istniejącego rozwiązania w celu
eliminowania jego wad;
formułuj problem!
Właściwie sformułowany problem, przed
którym stoisz, może dać ci później
rozwiązanie nie tylko lepsze od istniejących,
ale takie, których sobie teraz nie
uświadamiasz. Nie przestrzegając tej zasady
gubisz niepotrzebnie wiele korzystnych
rozwiązań
Nie postępuj schematycznie
Każdy problem może wymagać innego,
właściwego sobie,
sformułowania
Nie bież pod uwagę czasu jaki
dano ci na
rozwiązanie
Dopóki problem nie jest sformułowany
należycie nie wiadomo przecież ile czasu
potrzeba będzie na jego rozwiązanie
Nie sugeruj się możliwościami
rozwiązania
problemu z technicznego i
ekonomicznego punktu widzenia;
formułuj problem!
Nie należy wikłać się w proces wynajdywania
rozwiązań (na co przyjdzie czas później).
Analiza problemu następuje po
znalezieniu
i
sformułowaniu
problemu,
zwłaszcza w zakresie danych sytuacyjnych,
danych ilościowych, informacji o dostępnych
materiałach i systemach wytwarzania oraz
ograniczeniach w tym względzie, jak również
o możliwościach finansowych. Identyfikacja
sytuacji problemowej przekształca się w
rozważanie danych opisujących problem. Jest
to
analiza
otrzymanych
wymagań,
prowadzona w taki sposób, aby już na
wstępie mieć wizję przyszłego rozwiązania.
Jednym słowem trzeba zdawać sobie sprawę,
w jakich warunkach ma być realizowane całe
przedsięwzięcie, w jaki sposób i za ile.
Istotne więc będą tu informacje o zasięgu
przewidywanej produkcji: czy będą to np. wytwory
jednostkowe, czy też produkowane seryjnie lub masowo,
jakie
są
możliwości
kooperacji,
wykorzystania
półfabrykatów, zespołów gotowych itp. Bardzo ważne są
też informacje o środkach finansowych, jakie można
przeznaczyć na rozwiązanie postawionego problemu,
jaka powinna być opłacalność projektowanego działania
technicznego i jaki powinien być okres amortyzacji
nakładów inwestycyjnych.
Potrzebne będą wstępne analizy kosztów i
informacje, ile będzie wynosił lub powinien wynosić
końcowy koszt i za ile będzie można sprzedawać
realizowane wytwory lub usługi. Wyniki analizy problemu
posłużą do opracowania ogólnych założeń projektowych,
które będą pomocą w ustaleniu kryteriów oceny i wyboru
koncepcji oraz zadecydowaniu czy problemem tym warto
się nadal zajmować i kontynuować rozpoczęte prace.
Założenia projektowe powinny więc zawierać następujące
informacje:
• przeznaczenie urządzenia, jego miejsce, zadania i relacje w
rozpatrywanym systemie technicznym;
• uzasadnienie celowości technicznej i ekonomicznej
budowania takiego urządzenia;
• wymagane osiągi i podstawowe parametry urządzenia;
• warunki eksploatacyjne, wymagania dotyczące obsługi,
trwałości, napraw itp. oraz ograniczenia wynikające z
przepisów państwowych;
• zasięg i wielkość produkcji według przewidywanego
zapotrzebowania (jednostkowa, seryjna, masowa);
• możliwości i ograniczenia wynikające z dostępnych systemów
wytwarzania;
• ograniczenia lub zalecenia dotyczące tworzyw potrzebnych
do budowy;
• możliwości i zalecenia kooperacyjne w zakresie wytwarzania,
wykorzystania zespołów gotowych, półfabrykatów itp.;
• orientacyjny lub graniczny koszt wytwarzania urządzenia;
• warunki finansowania i terminy opracowania dokumentacji;
• porównanie z innymi konstrukcjami i wymagane relacje;
• wstępne informacje rozeznania patentowego oraz wynikające
stąd ograniczenia konstrukcyjne.
Poszukiwanie koncepcji, specyfikacja
wymagań i ograniczeń należą do najważniejszych
etapów w procesie rozwiązywania problemów.
Uproszczony model tego procesu polega na
dostrzeżeniu lub formatowaniu problemu. Człowiek
układa listę danych oraz listę operacji i przystępuje
do wytwarzania pomysłów, gdy wytworzone
pomysły uznane są za zadowalające, praca zostanie
zakończona, jeśli nie - poszukiwanie zaczyna się od
początku.
W fazie poszukiwania koncepcji stosuje się
różne techniki koncepcyjnej pracy zespołowej, np.
„burzę mózgów”, analizę morfologiczną, syntetykę i
inne techniki heurystyczne.
Ocena i wybór rozwiązań następuje po
opracowaniu pomysłów rozwiązania problemu (tabl.
4).
Tabela 4 Ocenianie rozwiązań projektowych
Jak oceniać rozwiązanie i wybierać
optymalne?
Uzasadnienie
(Krick 1971; Asimow 1967, Hali 1968)
Dokonując wyboru spośród wielu
możliwych wersji rozwiązania, wybieraj
rozwiązanie rzeczywiście najlepsze i to
tak...
. . . aby etap ten był logiczną konsekwencją twych
twórczych poszukiwań
Mając kilka rozwiązań, co do których
wyczuwasz, że są dobre porównaj je
ścisłymi metodami tak...
... aby wybrać rozwiązanie najlepsze z tych
dobrych
Ocenę rozwiązań poprzedzaj
uświadomieniem sobie i
wyspecyfikowaniem kryteriów, jakim
muszą odpowiadać rozwiązania
Jest to pewniejsze, niż poleganie na praktycznej
znajomości rzeczy, rozsądku, doświadczeniu,
intuicji
Posługuj się nie tylko własną skalą
wartości kryteriów
Potrzebna jest znajomość rzeczywistej ważności
kryteriów i antycypacja wartości przypisywanej
kryteriom przez innych
Uwzględnij przede wszystkim
realizowalność techniczną i
ekonomiczną, a oprócz tego potrzeby
społeczne, akceptację społeczną i skutki
społeczne wytworów swojej pracy
Rozwiązanie, które chcesz zaprojektować musi być
realizowalne i to tak, aby zaspokoiło potrzebę,
która wywołała projektowanie
Dokonuj ciągłych zmian w proponowanym
rozwiązaniu, aż zrównoważysz sprzeczne
kryteria
Masz wtedy pewność, że uwzględniasz w równym
stopniu wszystkie parametry opisujące problem, że
nie wybierasz rozwiązania tylko dlatego, że jest w
nim najmniej sprzeczności
Nie oceniaj przez porównanie z
rozwiązaniami istniejącymi
Rozwiązania istniejące wcale nie muszą być
optymalne
Stosuj sformalizowane metody
optymalizacji, lecz tam, gdzie to jest
niemożliwe nie rezygnuj z metod mniej
sformalizowanych: w mniejszym stopniu
ilościowych i mniej obiektywnych
Zawsze lepsze są metody precyzyjnie określające
rozwiązanie optymalne, ale duża liczba kryteriów
nie poddających się ujęciu ilościowemu, duża
liczba zmiennych oraz brak czasu usprawiedliwia
posługiwanie się metodami mniej precyzyjnymi
Nie sugeruj się możliwościami zawarcia
rozwiązania w obowiązującej
dokumentacji projektowej
Wierz, że każdy wariant da się opisać
Dokonując weryfikacji należy brać pod uwagę następujące
wskazówki:
• nie trzymaj się uporczywie swoich pomysłów, które okazały
się nieskuteczne; jeżeli hipoteza jest sprzeczna z wynikami
twoich doświadczeń, porzuć ją,
• w każdym przypadku staraj się podporządkować hipotezy
faktom stwierdzonym w badaniach; unikaj myślenia po linii
swoich życzeń,
• krytycznie oceniaj pomysły; nie uważaj za dobry każdego
pomysłu sformułowanego przez siebie, gdyż oczywiście
rozwiązania po dokładniej analizie okazuje się błędne i lub
niewystarczające,
• unikaj fałszywych hipotez, które utrudniają poznanie
rzeczywistości i hamują postęp wiedzy.
Wynikiem końcowym procesu projektowania
jest finalizacja rozwiązania, czyli opracowanie
dokumentacji.
Proces projektowania jest trudny zarówno
w realizacji jak i trudny do opisania. Ostateczny
wynik projektowania musi zostać założony z
góry, zanim zostaną zbadane środki dla jego
realizacji, gdyż projektanci muszą działać
rozpoczynając od założonego efektu. Jeśli
projektowanie napotka na nieprzewidziane
trudności i pojawią się nowe zadania, to
struktura planowanego postępowania może
ulec zasadniczym zmianom.