Podstawy teoretyczne projektowania inżynierskiego

Podstawowe pojęcia

Terminem pierwotnym w stosunku do „projektowania” jest słowo „projekt”, wywodzące się z łacińskiego proiectus = wysunięty ku przodowi (pro- = „przed”). W języku polskim termin „projekt” stosowany jest w bardzo szerokim zakresie, z tym, że najczęściej używany jest w trzech znaczeniach, jako:

1. wynik wymyślania, robienia planów (np. w pracy rolnika, lekarza, nauczyciela, działacza sportowego itd.);

2. szkic lub wzór służący do wykonania określonego obiektu (domu, odlewu pomnika, urządzenia itd.);

3. zamierzone złożone przedsięwzięcie specjalnego rodzaju (np. rozbudowa albo budowa zakładu, reorganizacja struktur przedsiębiorstwa itd.).

Osoba, która wykonuje projekt, to „projektant”, a czynność, którą podejmuje w celu otrzymania projektu, to „projektowanie”.

Projektowanie, będąc terminem wieloznacznym, ma jednak wyraźne powinowactwo techniczne, co oznacza, że gdy brak jest sprecyzowania jego rodzaju, zwykle jest rozumiane jako „projektowanie techniczne”, zwane też „inżynierskim”.

Projektowanie techniczne oznacza obmyślanie (koncypowanie) zamierzonego przedmiotu technicznego i wykonanie jego wzorca oraz podanie wskazówek dotyczących realizacji.

Tak sformułowana definicja dotyczy projektowania zorientowanego obiektowo. Projektowanie zorientowane obiektowo ma na celu stworzenie lub zmianę obiektów materialnych, takich jak produkty, obiekty budowlane, systemy techniczne (maszyny, urządzenia, linie technologiczne, zakłady przemysłowe) itd. Drugi typ projektowania to projektowanie zorientowane procesowo. Ten typ projektowania ma na celu stworzenie lub zmianę procesów, takich jak procesy technologiczne, procesy obróbki montażu, procesy kontroli itd. Projektowanie obiektów jest nieodłącznie związane z projektowaniem procesu ich wykonania, ponieważ projektuje się zarówno obiekt, jak też sposób jego wykonania.

Pomocne w zrozumieniu istoty projektowania technicznego (inżynierskiego) może okazać się wyjaśnienie terminów: technika, inżynieria oraz projektowanie, rozpatrywane w kontekście zaspokajania potrzeb.

Technika oznacza tworzone przez człowieka środki materialne i, składające się na wiedzę techniczną, reguły posługiwania się tymi środkami, stosowane dla zdobywania, przekształcania i wykorzystywania dóbr materialnych.

Inżynieria natomiast to oparta na podstawach naukowych metoda (technologia) przekształcania rzeczywistości dla dobra człowieka i otoczenia.

Inżynier przekształca rzeczywistość, aby dostosować ją do potrzeb człowieka. Impulsem do działania jest zatem wystąpienie potrzeby, a celem - zaspokojenie potrzeby.

Proces, który prowadzi działalność ludzką od stanu początkowego (problem do rozwiązania - potrzeba do zaspokojenia) do stanu końcowego, którym jest pożądany wynik nosi nazwę projektowania.

Podobną w sensie merytorycznym definicję podaje Tarnowski. Projektowaniem nazywa on całokształt działań zmierzających do obmyślenia sposobu zaspokojenia określonej potrzeby. Proces projektowania zaczyna się w chwili uświadomienia sobie określonej potrzeby i podjęcia decyzji o próbie jej zaspokojenia, a kończy w chwili, gdy wypracowana jest szczegółowa i wiarygodna informacja o tym, w jaki sposób i za pomocą jakich środków ta potrzeba może być zaspokojona.

Rola projektowania w zaspokajaniu potrzeb

Potrzeba jest definiowana jako „stan odczuwania braku zaspokojenia”. Potrzeby ludzkie są liczne i różnorodne. Wśród wielu prób ich klasyfikacji, największą popularność zdobyła klasyfikacja amerykańskiego psychologa A.H. Maslov´a, na którą powołuje się wielu autorów. Maslov podzielił potrzeby ludzkie na trzy grupy:

• fizjologiczno - bytowe (pożywienie, zdrowie, wypoczynek, mieszkanie itd.);

• psychiczne (wiedza, rozwój osobowy, bezpieczeństwo);

• społeczne (akceptacja, integracja, przynależność do grupy społecznej).

Potrzeby mogą być indywidualne, tzn. odczuwane przez jedną osobę lub społeczne, tzn. wspólne dla grupy ludzi, przy czym niektóre potrzeby indywidualne mogą być zaspokajane poprzez działanie indywidualne, pozostałe wymagają uczestnictwa innych podmiotów działania.

Charakterystyczna jest zmienność potrzeb, co oznacza, że pewne potrzeby zanikają, a pojawiają się inne, wcześniej nie obserwowane; może zmieniać się też intensywność ich odczuwania, co powoduje przesunięcia w hierarchii ich ważności.

Ponieważ nadrzędnym celem projektowania jest zaspokojenie potrzeb, to proces projektowania musi być poprzedzony ich rozpoznaniem (zidentyfikowaniem) w celu określenia między innymi:

• jakie potrzeby występują,

• jakie są składowe tych potrzeb,

• jak długo utrzyma się dana potrzeba,

• jakie są tendencje w zakresie zmian charakteru danej potrzeby.

W celu ustalenia rodzaju potrzeb stosuje się różne metody, np.:

• metodę ankietowania, w której losowo wybrana grupa potencjalnych użytkowników odpowiada na pytania opracowane przez specjalistów z udziałem psychologa;

• badanie motywacji wyboru, poprzez specjalnie prowadzone wywiady;

• metodę prób rynkowych, poprzez testowanie wyrobów wypuszczanych na rynek w krótkich seriach.

Aktywna postawa projektanta przejawia się tym, że nie tylko bada on potrzeby uświadomione, ale modyfikuje te, które są niekorzystne, jak też szuka możliwości kształtowania i zaspokajania potrzeb nowych, nieuświadomionych i społecznie pożądanych.

Odczuwanie napięcia z powodu niezaspokojenia potrzeby jest bodźcem motywującym ludzi do podjęcia działania, którego celem jest zmiana stanu A, w którym odczuwana jest potrzeba, na stan B, w którym potrzeba jest zaspokojona (rys. 1).

Rys. 1. Sekwencja działań na drodze od wystąpienia do zaspokojenia potrzeby

W miarę rozwoju społecznego zaspokojenie potrzeb staje się coraz trudniejsze, gdyż wymaga podjęcia coraz bardziej złożonego działania. Jest to już nie jedno działanie, a kilka działań (na rys. 1 oznaczone jako I, II, III), występujących w pewnej sekwencji, przy czym działanie poprzedzające umożliwia lub ułatwia podjęcie działań następnych.

Działanie poprzedzające nosi nazwę działania preparacyjnego (na rys. 1 działanie I ma charakter preparacyjny w stosunku do działań II i III).

Ogół działań zmierzających do zaspokojenia określonej potrzeby za pomocą określonego wytworu technicznego nosi nazwę procesu realizacyjnego. Przedstawiono go na rys. 2.

W procesie realizacyjnym występują działania koncepcyjno - projektowe, realizacyjno - wytwórcze oraz eksploatacyjno - użytkowe. Nadrzędną funkcję pełnią prace koncepcyjno- projektowe, gdyż ich rezultatem jest informacja wystarczająca do fizycznej realizacji (wytworzenia) przedmiotu.

Wytworzony przedmiot jest dostarczany do użytkownika, po czym następuje jego eksploatacja (utrzymanie w stanie funkcjonowania, np. przez dostarczenie energii, konserwacje, naprawy) oraz użytkowanie.

Użytkowanie nie jest ostatnim działaniem w procesie realizacyjnym, gdyż ze względu na ochronę środowiska, istotny jest też sposób likwidacji przedmiotu. Likwidacja może polegać na złomowaniu, czyli zwróceniu materiałów do otoczenia lub recyklingu, tzn. powtórnym wykorzystaniu pewnych jego elementów.

Działania składające się na proces realizacyjny zachodzą w określonych przedziałach czasowych i poza eksploatacją i użytkowaniem, które zwykle przebiegają równolegle (w tym samym czasie), występują sekwencyjnie, tzn. działanie następne zaczyna się dopiero po zakończeniu działania poprzedniego, przy czym działania te są czasem bardzo odległe w czasie.

Projektant powinien wyobrazić sobie jak przedmiot projektowany będzie wytwarzany, eksploatowany i użytkowany, czasem również jakie będą możliwości jego likwidacji za kilkanaście, czy kilkadziesiąt lat.

Takie kompleksowe podejście wynika w dużej mierze z nadrzędnego celu projektowania (szczególnie nowoczesnego), jakim jest zaspokojenie potrzeb. Ponieważ tylko właściwie wykonany i eksploatowany przedmiot zaspokaja potrzebę, zadaniem projektowania jest nie tylko przedmiot o określonych walorach użytkowych, zgodnych z oczekiwaniami odbiorców, ale też każdorazowa analiza warunków techniczno - ekonomicznych jego realizacji i eksploatacji. Proponowane rozwiązania projektowe powinny być nowoczesne, na miarę rozwoju inżynierii materiałowej, technologii wytwarzania i eksploatacji, ale zgodne z dysponowanymi środkami finansowymi.

Cykl życia produktu

Każdy produkt ma ograniczoną długość życia; jest moment kiedy pojawia się na rynku oraz moment, kiedy zanika. Wymiernym efektem zainteresowania danym produktem jest wartość jego sprzedaży. Jeśli przedstawi się ją w funkcji czasu otrzyma się krzywą obrazującą cykl życia produktu, tzn. czas trwania produktu w wymianie z otoczeniem. Kształt krzywej oraz jej długość są różne (jeden z możliwych przebiegów przedstawiono na rys. 3), ale cechą charakterystyczną, wspólną dla większości produktów jest występowanie w każdym cyklu czterech podstawowych faz:

1. wprowadzenia,

2. wzrostu,

3. dojrzałości,

4. spadku.

Pozarynkową, piątą fazą (chronologicznie najwcześniejszą) jest faza rozwoju produktu, rozpoczynająca się w momencie powstania idei nowego produktu i polegająca na opracowywaniu i przygotowywaniu go do wdrożenia.

Wprowadzenie to okres umieszczenia produktu na rynku i stopniowego wzrostu jego sprzedaży. Produkt występuje w tej fazie wyłącznie w wersji podstawowej, bez ulepszeń.

Jeśli produkt zostanie zaakceptowany następuje faza wzrostu, czyli okres intensywnego zwiększania się liczby nabywców i wielkości sprzedaży. W tej fazie możliwe i celowe jest już ulepszanie bądź usprawnianie pierwotnej wersji produktu.

Po okresie wzrostu nadchodzi etap dojrzałości, w którym tempo wzrostu sprzedaży maleje. Można temu przeciwdziałać poprzez różne zabiegi marketingowe, ale też jest to ostatni moment, w którym określone efekty ekonomiczne może przynieść modyfikacja produktu. Faza dojrzałości trwa zwykle dłużej niż pozostałe, ale ważne jest, aby pod koniec jej trwania był już opracowywany i istniał w fazie wzrostu produkt kolejnej generacji. Spowoduje to minimalizację strat związanych z ostatnią fazą cyklu życia produktu, tj. fazą spadku. Spadek, czyli zmniejszenie się sprzedaży powodowany jest wieloma czynnikami, m.in. postępem technologicznym, działaniem konkurentów lub zmianą gustów konsumentów. Może on pojawić się nagle; może też następować powoli i utrzymywać się na niskim, ale względnie stabilnym poziomie przez wiele lat.

Czynniki projektowania

Proces projektowania, jako działanie (czynność) jest elementem systemu projektowania, w którym wyróżnia się też podmiot działania, przedmiot działania, sposób działania. Te i pozostałe elementy tego systemu noszą nazwę „czynników projektowania”.

W projektowaniu technicznym wyróżnia się zwykle osiem czynników projektowania:

1. zadanie projektowe,

2. podmiot projektujący,

3. narzędzia projektowania,

4. proces projektowania,

5. wytwór projektowania (projekt),

6. podmiot realizujący projekt,

7. proces wytwarzania,

8. przedmiot projektowany.

Zadanie projektowe określa zasadnicze wymagania stawiane przedmiotowi projektowanemu oraz istniejące ograniczenia. Czasem ujmuje również wymagania stawiane podmiotowi projektującemu. Zadanie projektowe powinno być tak sformułowane, aby stworzyć podmiotowi projektującemu warunki początkowe niezbędne do podjęcia procesu projektowania. Gasparski postać ogólną zadania projektowego formułuje w następujący sposób: „dla danego przedmiotu projektowanego znajdź taką jego postać oraz taki sposób realizacji, aby osiąg tego przedmiotu był największy, zaś związane z tym koszta były najniższe”. Jest to jedna z możliwych postaci zadania projektowego, ale może być też ono sformułowane inaczej, np. dla danego przedmiotu znajdź jego najlepsze zastosowanie Zadanie projektowe może obejmować tylko wykonanie projektu (wytworu projektowania) lub też może dotyczyć przedmiotu realizacji. Pierwszy rodzaj projektowania nosi nazwę projektowania otwartego (partykularnego). Wytworem projektowania jest wówczas zbiór informacji niezbędnych do technicznego opracowania i wykonania przedmiotu projektowanego.

Drugi rodzaj, charakterystyczny dla gospodarki rynkowej to projektowanie zamknięte (integralne). Wytworem projektowania jest w tym wypadku postać materialna przedmiotu projektowanego, tj. funkcjonujący obiekt lub proces.

Podmiotem projektującym może być indywidualny projektant lub zespół projektowy. Ze względu na znaczną pracochłonność, złożoność i ograniczony czas projektowania obserwuje się powstawanie zintegrowanych zespołów specjalistów różnych branż i włączanie, w miarę potrzeby, projektantów (czasem o bardzo rzadkich specjalnościach) spoza zasadniczego zespołu do procesu projektowania. Zadaniem kierownika zespołu projektantów jest koordynacja i wymiana informacji wewnątrz zespołu, jak i pomiędzy zespołem a jego otoczeniem, nadanie właściwego kierunku pracy, optymalny rozdział zadań oraz troska o wysoki poziom wykonania projektu w warunkach, gdy spełnione muszą być trzy podstawowe ograniczenia, tj. krótki czas, niski koszt oraz spełnienie wymagań technicznych obiektu.

Osoby z zespołu projektującego powinna cechować umiejętność pracy grupowej, komunikatywność oraz inicjatywa. Oczekuje się też, aby były zainteresowane nie tylko poprawnym wykonaniem projektu, ale też materialną jego realizacją spełniającą korzyści użytkowe i ekonomiczne.

Narzędzia projektowania obejmują metody projektowania oraz narzędzia właściwe, czyli tzw. pomoce projektowe. Metody projektowania dotyczą procedur projektowania, a więc dokładnie określonych sposobów działania prowadzących do rozwiązania problemu projektowego. Narzędzia właściwe to wszelkiego rodzaju urządzenia, które wspomagają pracę podmiotu projektującego - deska kreślarska, komputer wraz z oprogramowaniem, model fizyczny, katalog, itd.

Proces projektowania jest uporządkowanym (logicznie i organizacyjnie) ciągiem czynności projektowych o charakterze twórczym. Wiąże on podmiot projektujący z przedmiotem projektowanym w ten sposób, że w wyniku działań podmiotu projektującego, w procesie projektowania powstaje wytwór projektowania, według którego realizowany jest przedmiot projektowany.

Wytwór projektowania (projekt) jest etapem pośrednim w procesie realizacyjnym, gdyż kończy proces projektowania i stanowi punkt wyjścia do działań w sferze materialnej. Jest wzorem umożliwiającym i ułatwiającym wykonanie zamierzonego przedmiotu, powinien więc spełniać wymagania określone w zadaniu projektowym i zawierać wyczerpujące informacje niezbędne do jego fizycznej realizacji. Projekt jest przedstawiany w postaci dokumentacji projektowej, w dostępnych sposobach porozumiewania się, a ponieważ jest dziełem wspólnym powinien być wewnętrznie spójny, skoordynowany we wszystkich aspektach oraz optymalny w rozwiązaniach funkcjonalno - użytkowych, materiałowych, technologicznych i w zakresie kosztów.

Podmiot realizujący projekt to osoba, zakład lub przedsiębiorstwo wraz z materiałami i energią niezbędne do wykonania wytworu projektowania (projektu).

Proces wytwarzania to ciąg czynności podejmowanych w celu fizycznej (materialnej) realizacji wytworu projektowania.

Przedmiot projektowany powstaje po wykonaniu, czyli materialnym zrealizowaniu wytworu projektowania.

2.5. Czynnik czasu w projektowaniu

Projektowanie ma charakter antycypacji przyszłości w zakresie stanu czy wyposażenia; jego istotą jest więc przewidywanie zdarzeń i sytuacji, które dopiero zaistnieją. Przewiduje się i antycypuje sam przedmiot, ale też warunki, w jakich będzie funkcjonował po wytworzeniu. Oczywiście te przewidywania, z natury rzeczy, mają charakter probabilistyczny i jeśli przewidywania są błędne, to zdarzenia, o których mowa, nie zajdą.

Projektant czerpiąc z doświadczeń z przeszłości oraz z informacji bieżących, przewiduje przyszłość i aktywnie ją kreuje. Tę zależność czasową można określić następująco: istotą projektowania jest zawarcie elementów teraźniejszości w tworzonych na przyszłość rozwiązaniach projektowych, które mają zaspokoić określone potrzeby społeczne.

Ponieważ w procesie projektowania należy obmyśleć coś unikalnego, coś, czego jeszcze nie było, co nie istniało, bardzo istotne znaczenie mają prace o charakterze twórczym. Ich udział jest niewielki, gdyż stanowią one około 5 do 25 % ogółu prac (pozostałą część stanowią czynności inżyniersko - rutynowe), ale to właśnie te prace decydują o poziomie i nowoczesności opracowań projektowych.

Od inżyniera - projektanta oczekuje się w związku z tym posiadania nie tylko wiedzy ogólnej z zakresu przedmiotów ścisłych i tzw. wiedzy fachowej w danej dziedzinie inżynierskiej, ale też kreatywności, wyobraźni, umiejętności przewidywania, kojarzenia oraz poprawnego wnioskowania. Jest to szczególnie ważne w przypadku projektowania twórczego, w którym należy znaleźć koncepcję nowego przedmiotu technicznego, zasadniczo różną od dotychczasowych jego realizacji.

Czas w projektowaniu można również rozpatrywać w aspekcie ekonomicznym, gdyż jest on istotnym czynnikiem decydującym o efektywności przedsięwzięć inwestycyjnych. W warunkach gospodarki rynkowej żąda się coraz krótszych terminów wprowadzania nowych produktów do sprzedaży. Wprowadzenie na rynek nowego produktu o 6 miesięcy wcześniej przed konkurentem może przynieść wzrost rentowności przedsięwzięcia produkcyjnego o 25-30%; przy czym zwiększenie nakładów na rozwój produktu o 50% (co znacznie przyspiesza termin wprowadzenia go na rynek), obniża rentowność przedsięwzięcia tylko o 5-10%. Przedsiębiorstwa, które chcą istnieć na rynku i uzyskiwać zadowalające efekty ekonomiczne są zmuszone do skracania czasu trwania całego cyklu realizacyjnego, w tym szczególnie etapu projektowania. Przy szybkim postępie technicznym długi cykl projektowania powoduje bowiem dezaktualizowanie się projektu i proponowanie przestarzałych materiałów, wycofywanych z użytku maszyn i urządzeń oraz nie najnowszych technologii.

Proces projektowania można skrócić poprzez właściwą organizację pracy zespołu, w tym szczególnie właściwy obieg informacji i koordynację działań poszczególnych projektantów, właściwe przydzielanie zadań (utalentowani pracownicy powinni wykonywać prace twórcze, osoby o mniejszym talencie i uzdolnieniach - prace rutynowe), współpracę ze specjalistami spoza zespołu, wykorzystanie najnowszych metod projektowania, itd.

Również współpraca z przyszłymi wykonawcami pozwala na skrócenie zarówno etapu projektowania, jak i całego cyklu realizacyjnego. Wśród stosowanych rozwiązań znajduje się m.in. równoczesne projektowanie wytworu i procesu wytwarzania, tzw. projektowanie współbieżne CE (ang. Concurrent Engineering). Ta metoda oznacza równoległy rozwój produktu w obszarze konstrukcji, technologii, planowania procesów wytwarzania i zaopatrzenia w materiały, półprodukty i elementy kooperacyjno - handlowe. Zespół projektantów pracuje zadaniowo, zgodnie z przyjętym harmonogramem realizacji projektu prowadząc konsultacje dotyczące wprowadzania zmian i poprawek w dokumentacji. Taka organizacja pracy w sposób znaczący skraca cykl rozwoju produktu, obniża koszty przygotowania produkcji oraz w pełni wykorzystuje potencjał biur projektowych i planistycznych zakładu.

Podobna wieloznaczność występuje w języku angielskim. Angielski termin project odpowiada pojęciowo polskiemu „planowaniu przedsięwzięć”; może też oznaczać „działanie” lub „zadanie”. Odpowiednikiem polskiego „projektowania” jest design, pochodzące od łacińskiego designo = określać, podać, wskazać, odznaczyć, odrysować, ukształtować. Na przykład industrial plants design oznacza kompleksowe projektowanie zakładów przemysłowych; jeśli w projektowaniu zakładu zaakcentowana jest strona techniczna to zostanie użyty zwrot plant design engineering. Z kolei design for manufacturing to projektowanie zorientowane na wytwarzanie.

Koncypowanie jest wstępnym etapem projektowania polegającym na obmyślaniu przedmiotu.

Cykl projektowania zakładu przemysłowego może trwać 1 rok, cykl realizacji 2-3 lata, eksploatacja rozpoczyna się więc po 3-4 latach i może trwać 15-20 lat [5]).

Aspekt kosztów jest w projektowaniu bardzo istotny, ale wykracza poza ramy niniejszego opracowania.

Wśród autorów opracowań z zakresu projektowania [1,5,6,12,22] występują pewne rozbieżności w wyróżnianiu tych czynników i ich definiowaniu.

Zamiennie stosuje się akronim SE (ang. Simultaneous Engineering).

11

---