第七章工程设计的原则和方法

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1、第六章 工程设计的原则和方法,4.1 工程设计概述,工程设计是工程设计师根据拟建工程的要求，用科学的方法统筹规划、制订方案，最后通过设计图纸与设计说明书等方式来完整表达设计理念、设计原理、产品外形和内部结构、设备安装等一系列过程。 工程设计是工程建设中的重要环节。通过工程设计，可以进一步证明拟建工程在技术上的可行性和经济上的合理性。,4.1 工程设计概述,工程设计的特征： 特殊性。工程设计是一种复杂的脑力劳动，最终成果是设计图纸，是一种知识产品，是区别于其他工作的显著特征。 社会性。工程设计任务来源于社会，其成果要服务于社会。 创造性。工程设计的对象是不可能完全相同的，设计的内容也会根据需要不

2、断改变、不断创新。 科学性。工程设计是运用科学的原理去实现某种社会需求的技术活动，它必须严格遵循科学规律。 专业性。工程设计的对象不同，所涉及的学科范围也不同，有较强的专业性。 综合性。一项工程设计，往往涉及多方面的专业知识，一般需要多方面专业的设计人员来共同完成。 约束性。工程设计要受到科学技术条件的限制；受资金、物力、人力等经济条件的限制；受主管部门、建设单位、当地文化风俗、社会意识等社会条件的限制，等等。,4.2 工程设计的一般程序,1提出设计要求 通常由用户以设计任务书形式或订货合同形式提出。常包括项目内容、设计用途、各项性能指标、使用环境、使用条件等，另外还包括相关设备的情况及彼此之

3、间的配合关系和信息交换方式等。 2初步分析 运用基础理论知识及多方面实践经验，进行综合分析，发挥想象和创造性思维，初步提出几种可行的设计方案。 3调查研究 针对各种初步设计方案进行调查研究，以便为确定一个最合理、可行的方案提供依据。调查研究可从两个方面进行：一是检索文献资料(已有的设计档案、期刊、专利文献等)；二是对同类工程或产品进行考察和研究，并与现行方案比较。 4初步设计 以信息和资料为依据，对初步提出的各种设计方案做进一步的研究分析，并相互比较，修正不足，综合优点，最终确定出最适当的方案作为设计的基础，并进行工程的概预算。,4.2 工程设计的一般程序,5. 建模与计算分析 对基本方案的主

4、要参数进行分析和计算。为此，可以为设计对象建立计算模型(通常为算机仿真)，必要时也可采用实物模型；对所提出的设计模型进行性能分析，如果性能指标达不到要求，应对现有方案进行修改。 6. 详细的设计计算 转入结构尺寸、结构材料和加工等方面的参数设计计算。 7. 绘图与编制技术文件 绘制完整的图纸，编制各种有关的技术文件。 8. 施工图设计 施工图是工程建设或产品试制的依据，包括全部工程的图样、尺寸、结构、形状、尊造、设备等，以及施工安装的图纸、说明书、计算书和预算书。施工图是为施工建设服务的，要求详尽、细致、准确、简明、清晰，以保证设计意图从技术上、经济上、施工方法上均能合理实现。 实际中，工程设

5、计是一个需要反复论证、不断完善的过程，往往需要花费很多的时间和人力才能完成。,4.3 工程设计的原则,1实事求是原则 按客观规律办事是工程设计师起码的职业道德，也是工程设计的基本原则。 2精益求精原则 工程设计质量的一个重要指标就是设计图纸中的错误率。只要在工作中努力做到精益求精，就可以使设计出错率减少到最低限度，提高工程设计的质量。 3. 安全可靠原则 把安全性与可靠性贯穿到每个设计阶段和每个环节，除了保证在正常使用情况下的安全可靠性以外，还要留有一定的安全裕度，即应考虑非常情况下的安全措施。 4. 经济性原则 工程建设中的浪费现象，有一半是工程设计不合理造成的，因此，在工程设计中，应以经济

6、、合理为原则，在确保安全可靠及方便使用的基础上，尽量使建设时间最短、耗费人力和物力最少，使工程取得最大的效益。,4.3 工程设计的原则,5可持续发展原则 要注重设计项目的长远经济效益和社会效益，使其不仅能综合地、客观地、科学地满足当代的需要，而且在未来一段时间内也不会落后。 6方便使用原则 广义地讲，工程建设的目的就是为了满足人类需要，为人所用，因此，要站在用户的角度进行设计，将方便使用原则贯穿于工程设计始终。 7观赏性原则 在满足功能要求、使用方便、经济合理的前提下，要尽量从整体上、局部配套上全面体现观赏性原则。观赏性原则包含三层含义：一是尽量将工程与艺术有机地结合起来；二是不仅要强调局部外

7、形设计美观，还要强调整体美；三是美观大方并不是要求增加造价、装饰豪华。 总之，工程设计不仅是科学技术，也是艺术的创造。,4.4 工程设计中的分工与协作,每项工程的设计工作都是由专业不同、分工不同的工程设计师群体共同完成的。工程设计工作一般有四种分工： 项目负责人(总设计师)：工程设计的第一责任人。 专业负责人(专业设计师)：工程设计的第二责任人。 设计人：承担具体设计工作的设计师。 校审人：工程设计质量的最后把关人。 不同的分工，其工作任务和职责各不相同。当然，大型工程项目设计中的分工远远不止上述四种，往往会形成一个设计人员分工网络或系统，共同完成设计任务。,4.5 工程设计中的方法,4.5.

8、1 创造性思维的方法 创造性思维就是通过对过去的经验和知识的分解与综合，使之成为新事物的过程。工程设计本身就是创造性的工作，没有创造性思维，就谈不上设计。下面介绍三种创造性思维方法。 1. 输入、输出式 把设计对象的初始状态看成“输入”，把对象的目的看做“输出”。创造构思方案时，以给定的制约条件为前提，首先研究输入与输出有无直接关系、通过什么手段才能达到目的，最终把输入、输出联系起来。在构思过程中，每进一步，都要进行必要的分析与评价，逐步舍弃不可行的设想，向可行的方案目标迈进。 一项复杂的工程方案的设计，输入、输出式思维要循环往复多次。每次循环，不是思维的简单重复，而是思维由浅入深、由低层次向

9、高层次的发展。,4.5 工程设计中的方法,4.5.1 创造性思维的方法 2动态思维式 动态思维即思维的变通性。它是一种超常的构思方法，通过创造性思维提出不同凡俗的新观念、新方案。 创造性思维的本质在于“变”。当代许多设计大师，正是以“变”为本，适应时间、地域和客观世界各种条件的变迁，才创造了许多使人惊叹的工程，显示了他们的创造力。 以变通性为特征的动态思维，是辩证的思维方法。工程设计师一旦实现了由静态思维向动态思维转化，就是设计思维的一次新的飞跃。,4.5 工程设计中的方法,4.5.1 创造性思维的方法 3发散与收敛式 思路越开阔，即思维的发散量越大，有价值的答案出现的概率就越大。思维活跃的设

10、计师面对复杂的设计任务一般不会局限于一种思路、一个方案，常常寻找几种思路、设想几个方案。然后通过比较、筛选、择优，确定最佳方案。 所谓思维收敛，就是遵循逻辑推理，进一步完善发散思维设想的方案。收敛的过程，也就是综合、评价、鉴别的过程。 发散与收敛是对立统一的辩证关系，往往是以发散开始，以收敛结束。在思维过程中，由于工程的矛盾性、复杂性和差异性，不容易一次完成，往往需要进行多次循环，直到设计方案满意为止。,4.5 工程设计中的方法,4.5.2 优化设计的方法 工程设计的优化设计，应以数学最优化理论为基础，在满足给定的各种约束条件的前提下，合理地选择设计变量值，使工程设计方案尽量满足设计原则的各项

11、要求，以获得最佳方案。优化设计方法主要体现在以下几个方面： 1直觉优化 分直觉选择性优化和直觉判断性优化。前者是设计师根据有限的几个方案，经过分析计算，选择其中最佳方案；后者是设计师根据经验和专业知识，无需经过分析计算就做出判断，并选择最佳方案。 2进化优化 这是产品设计常用的方法，适用于机械设备专业的设计师。设计的进化优化与生物的进化优化相似，是依赖于“自然力”的一种优化。这种“自然力”主要来自市场的商品竞争，促使产品设计不断更新换代。,4.5 工程设计中的方法,4.5.2 优化设计的方法 3探索试验优化 当对设计对象的机理不很清楚，或者对它的加工经验不足，或者各个参数对设计指标的影响主次难

12、以分清时，探索试验优化是一种可行的优化设计方法。首先需要建立试验模型，对于复杂的工程项目，探索试验要进行多次或多层次（由小试到中试，或者从多方面进行，然后根据试验结果，推测出最优方案）。 4数值计算优化 指用数学的方法来求最优方案的方法，适用于参数与指标明确且呈现函数关系的结构、工艺流程等的优化设计，这种方法的有效性和灵活性比较突出，是分析和解决重要技术矛盾的手段。 首先要建立数学模型，然后以最优化理论为基础、以计算机为手段而去求解数学模型。设计师除了要掌握专业知识外，还要掌握数学最优化方法和电子计算机的应用。,4.5 工程设计中的方法,4.5.3 系统设计的方法 系统设计方法是设计师进行工程

13、设计时的一种重要的思维方法和工作方法。指从系统的观点出发，从事物的整体与元素之间及整体与外部环境之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系中，综合地、精确地考察和研究对象，以达到最佳解决效果的一种方法。 系统方法具有整体性、相关性、有序性、动态性和最佳化的特点。 系统设计是按所要求的目标，运用最优化的方法建立一个最佳系统的过程。采用系统设计的方法进行工程设计，首先要了解系统的全貌。在设计过程中，要同时考虑设计对象(内部)及其周围的环境，如社会因素、自然条件等(外部)的影响，以便正确处理各种关系；其次，要对系统进行分解与综合。,4.5 工程设计中的方法,4.5.3 系统设计的方法 系统的分解与综合，是系统设计的重要方法之一。 系统的分解是将具有比较密切的结合关系的要素分组化，对整体来说，是归纳出相对独立、层次不同的子系统。系统的综合是完成新系统的实践过程。 系统设计的流程：确定目标之后，先进行系统设想，从系统整体的角度出发，按照设计原理进行分解和全面分析，按最佳方案进行综合，选出方案后请用户、专家按指定指标进行评价，然后转入具体设计.,