PROCES PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNY I JEGO STRUKTURA (Wykład 1 i 2)

(Wykład 1)

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].

• 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.

(Wykład 2)

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).

Tabela 1

Autor	Krok l	Krok 2	Krok 3	Krok 4	Krok 5
E.V. Krick	Ogólne sformułowanie problemu	Analiza i dokładne sformułowanie problemu	Wyznaczenie rozwiązań	Ocena rozwiązań i decyzja	Opis rozwiązania
J.R. Alger C.V. Hayes	Rozeznanie (ana1iza)	Sprecyzowanie problemu	Synteza	Ocena wariantu i decyzja	Wprowadzenie w życie
M. Asimov		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. Rosenstein	Zdefiniowanie problemu	Zbieranie informacji, określenie warunków granicznych, ustalanie kryteriów oceny	Synteza	Ocena, decyzja, optymalizacja, iteracja	Prezentacja wyników
IG. Wilson ME. Wilson	Koncepcja	Przygotowanie założeń	Synteza	Analiza, decyzja, optymalizacja, weryfikacja

Sekwencja działań podstawowych według różnych autorów

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.

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 podstawowe 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

Fazy procesu rozwiązywania problemu

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.

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

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).

Formułowanie problemu projektowego

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.