工程设计方法及其在人才培养中的实施

罗印升 俞洋 陶为戈 刘晓杰 宋伟

摘 要：在阐述工程设计内涵、特点的基础上，以工程设计方法及其应用为核心，归纳总结了工程设计的基本流程及其各环节的任务和分析评价方法，为工科大学生学习和运用好工程设计方法提供了方法上的指导，从而使工科大学生在学校教育阶段能够熟练掌握工程设计的基本方法，培养初步的工程设计能力，为走上工作岗位后通过工程项目的历练、持续提升工程设计能力奠定坚实基础，为我国实施创新驱动发展战略提供强大的人才支撑。

关键词： 设计；工程设计；工程设计方法；人才培养

中图分类号：C969 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0073-07

当前我国正在加快转变经济发展方式，由要素驱动转变为创新驱动发展，确保到中国共产党成立100年时全面建成小康社会，建国100年时基本实现现代化。以设计促进产业创新是现代工业化国家的共同战略，提升创新设计能力，推动中国制造向中国创造转变，不仅能够提升产品的功能、市场竞争力和附加值，还可以创造和引领新的产业。因此，贯彻实施系统化的工程设计方法并不断创新，对工程科技人才培养意义重大。

1 设计与工程设计

辞海[1]对“设计”一词的内涵解释是：“根据一定的目的要求，预先制定方案、图样等，如厂房设计”。也就是说，设计是有目的性的、基于某种需求，需要有创意构思和设想计划，是一种创造性活动。根据工作对象，设计可分为工程设计、工业设计、环境设计、视觉传达与媒体设计、信息与交互设计和手工艺设计等。工程设计注重于功能、性能、结构、材料、环境、成本、程序和工艺设计等。工程设计的内涵通常是指对工程项目的周密计划。“在工厂、矿山、铁路、桥梁及其建筑工程建设之前，按照国家标准，结合生产实践、科学技术及经济发展情况，经过调查研究和科学分析，进行周密思考及其计算绘图工作，最后提供出作为建设施工依据的设计文件及图纸的过程。一般分为初步设计和施工图设计两个阶段进行。对技术特别复杂的工程项目，有时采取三阶段设计（初步设计、技术设计和施工图设计）的方式”[1]。辞海中关于工程设计概念的含义侧重于建造性工程设计，实际上除建造性工程设计外，还有大量的不断延伸和拓展的制造性工程设计。所谓制造性工程设计就是需要将多种源材料经过多个复杂的加工处理过程，从而做出一种新的复合材料或者产品、设备、装置、装备和系统来的工程设计工作。美国工程和技术认证委员会（ABET）在教学大纲中对工程设计的定义是：为满足目标需求而创造某种系统、部件和方法的过程[2]。这样，工程设计的内涵就可以概括为，工程设计本质上是求解一个工程问题的构思和实现构思的过程。也就是在一定的初始状态和各种约束条件下，经过构思和创造，以解决有關系统参数的选择与优化问题、设备工具与工序的选择、各种界面的衔接与匹配问题、工程组织管理问题，效率、效力和功能的提升与优化问题等，从而确立一个能够从初始状态、经过一系列中间环节转化为现实目标的设计结果的活动过程。该设计结果可以是工程设计图纸、运作方案、工程规划（计划）、工程规范和工程标准等，更为显著的是在工程实践中依据这些工程设计结果可以建造出人造物来[3]。伴随着人类社会文明的发展，工程设计进程大体可分为传统工程设计、现代工程设计和创新设计三个阶段[4]。工程设计方法的教授与学习就成为了高等工程教育培养工程科技人才的最重要的核心内容。

2 工程设计的特点

工程设计要求设计者（工程师）以工程可实现性为前提，为具体的工程问题提供切实可行的、可操作性的实施方案。它是工程师的职业核心能力，也是现代工程教育的核心内容。工程设计把工程和科学明显的区分开来了，工程教育和科学教育是有区别的，工程设计方法和科学方法之间的比较见表1。George E. Dieter在《工程设计》文献中用四个“C”概括了工程设计的显著特点：创造性（Creativity）。工程设计需要创造出先前不存在的、甚至不存在于人们观念中的新东西；复杂性（Complexity）。工程设计总是涉及多变量、多参数、多目标和多重约束下的复杂问题求解；选择性（Choice）：在不同的层次和范围上，工程设计都必须在多个不同的解决方案中做出合理选择；妥协性（Compromise）。工程设计者常常需要在多个相互冲突的目标及约束条件之间进行权衡、协调和折中[3]。

3 工程设计方法

从工程活动的全过程看，工程设计是其中一个影响全局的关键性阶段或者环节，工程设计方法本身有其科学合理的基本流程，工程设计的结果应该是明晰和规范的图纸、程序或者操作流程等。虽然不同的工程领域、不同的产业，在设计方法上各有特点，但是综合各个方面的共性，在一般意义上讨论工程设计的基本环节、内容要求，对工程设计教育特别是我国实施的创新驱动发展战略是有重大意义的。工程设计教育可使工科大学生获得工程设计的专门训练，遵循一个系统化的方法来完成工程设计活动。一般的工程设计过程须包括：需求调查与分析、制定设计方案、模型制作、方案测试评估与优化和编制用户手册等基本环节，是一个反复的动态过程。工程师在进行工程设计时，在不同环节之间需要不断反复循环，改进和完善各环节的局部方案，最终才能获得一个比较满意的全局设计结果。基本的工程设计方法流程如图1所示[5]，其各个环节的内容要求如下。

3.1 需求调查与分析

即就是获取设计任务，发现与明确工程设计问题。工程设计是求解一个工程问题的思维和实践过程，工程设计是以需求为驱动力。从需求调查开始，进行信息分析、发现与明确需要解决和值得解决的工程设计问题，进而准确明晰的描述设计任务，将设计任务转化为设计要求，形成设计要求说明书。

（1）发现问题的途径与方法。问题来源于人们的生存、生产和生活之中，可以是人们面临的共同问题，也可以是需求者（或者称客户）提出的问题，也可以是对已有设计的升级改进、形成系列化产品的设计问题，也可以是设计者本人有针对性的发现的问题等等。这些都需要我们独具慧眼去观察、发现。发现问题的方法和途径包括：我们日常生活中的一个偶然事件、一个器物和一个偶然现象都能够启发激励一个问题的发现，有目的、有计划地长期观察也能够发现问题；有目的性通过互联网络大数据挖掘和分析或者其他途径以问卷调查法、询问法，或者文献分析法等方法作为基本方法，收集并分析信息也能够发现有意义的问题；此外，有目的性的技术研究与技术试验也是发现问题的重要途径和方法。

（2）准确明晰描述问题。即就是要给出发现问题的定性界定和定量描述，包括明确问题的具体内容、研究的必要性与可行性、受到的约束和限制等，以确立具体的设计要求，进而形成工程设计计划。设计的问题是否清晰、具体和明确，可以从三个方面来进一步考察和确认。问题本身表述是否清楚，产生问题的原因是否明确，解决问题的目标是否明确；问题研究的必要性与可行性，通常可以通过如下几个方面进行判断：问题是否符合基本的科学原理和工程伦理道德？该问题目前已经解决的程度和技术水平如何？（市场信息）现有技术条件能否解决该问题？解决该问题的各方面成本是多少？性价比如何？投入产出比是否可以接受？等等；设计问题所受的约束和限制主要有两方面：一是设计对象的特点和问题解决的标准。对不同的设计对象而言，其功能、性能、结构、材料、大小、外观、安全性、可靠性、可维护性、耐用性、制造工艺等方面的设计标准也不同，还有成本和环境的限制。二是工程师（设计师）所拥有的能力和条件。这些包括，工程师（设计师）是否具有解决问题所需要的工程知识和技能，及一定的材料、资料、仪器、设备和空间作支撑的人力、物力、财力与时间条件。若这些条件不具备，再有价值的设计也难以实现。

在完成上述需求调查与分析的基础上，工程师就可以根据设计任务提出具有一定可行性的具体的设计要求，主要内容包括：设计对象的总体目标、功能要求，性能要求（技术指标或总体技术水平的要求），结构外观要求，环境目标要求、安全性、可靠性要求，成本要求和时限要求等等。

为了保证设计工作有目的、有计划的进行，必须制定设计进程计划表。设计进程计划表典型方式是采用甘特图（Gantt chart），如表2所示[2]。一维以设计工作各个环节的任务为序，即需求调查与分析→制定设计方案→模型制作→方案测试、评估和优化→编制用户手册。另一维以时间片为单位（天、周、月等），在此二维表中并行或者连续的安排各项任务及其所需要的时间片段。

3.2 制定设计方案

设计方案是实现工程设计要求的总体思路和概要，是全局性概念设计（Conceptual design）的开始。因此，必须紧紧围绕上述工程设计要求说明书，收集设计所需要的信息并进行归纳与分析——设计分析；抓住设计的主要因素，发现那些最能取得希望效果的构思，提出尽可能多的设计构思并以合理方式呈现出来——方案构思与呈现；进而对各种构思进行筛选，最终决策出比较满意的设计方案。

（1）设计分析。设计的最终目标是为了满足人的需求，合理的设计分析可以使得设计工作少走弯路。因此，必须以人、物和环境之间的关系作为工程设计的大背景，以上述形成的设计要求中各个要素为中心，如：功能要求，性能要求，结构外观要求，环境目标要求、安全性、可靠性要求，成本要求和时限要求等，详尽分析并提出尽可能多的实现各项功能的解决办法。这是设计分析的主要内容和任务。形态结构图[6]是一个很好的以功能要求来描述实现方法的工具，实际上是一個二维图表。一维（左列）的内容是设计要求中确定的每一项功能要求，另一维（首行）的内容是对应左列每一项功能要的可能的解决方法，通常保持在5个左右。解决办法可以采用草图+文字说明或者文字描述方式填写，如表3所示。这样，这张形态结构图就包含了本次设计中理论上的各种可行办法的基本信息。

（2）方案构思与呈现。在设计分析的基础上，每次从表3的一行中选取一个解决办法，然后结合成合集，这些合集就组成了完整的方案信息。理论上实现方案数是相当大的，但是大部分的方案是不可行的。进一步将主要功能、性能等要求实现方法转化为不同的实体结构，然后将设计分析中的各要素按照一定的规律架构起来，就会形成一个抽象的人造物。进而采用功能结构图、模型、语言和文字等方式表达出来，从而产生比较具体的方案。此即为设计方案的构思与呈现过程。在方案构思过程中，启发方案构思的方法有构思草图法、仿形和组合模仿法、联想法和奇思妙想构思法等。构思草图是有效的技术设计交流语言，它以具体图形的形式记录和描绘设计师的想法，能够将设计构想比较明确的表达出来，并可以激发灵感。仿形和组合模仿法是在已有构思方案的基础上重组、改进或者基于仿生技术构建新的设计方案。联想构思法需要工程师（设计师）有丰富的实践经验和想象力由彼及此、广泛联系。奇思妙想构思法可能会产生当前条件下无法实现的构思，但是对开阔构思是非常有用的。此外，也常常采用综合创造性技术法帮助寻找思路，如头脑风暴法、5W-2H提问法等等。其中5W2H 提问法[5]的主要要义是：Why——为什么要研究该问题？为什么要采用这个原理、结构和方法？What——研究什么问题？任务是什么？目的是什么？方法是什么？约束是什么？问题与哪些要素有关？Who——谁来决策？谁来组织实施？Where——工程系统边界和环境约束在哪里？何处可做？何处最适宜？When——分析的是何时的状况？何时开始？何时完成？何时最适宜？How to——如何实现工程设计的目标？怎样做效果好？怎样改进？How much——需要多少人力、物力和财力？成本多少？有多少功能？有多少利益？有多大效率？

初步的构思方案需要进行综合和以视觉形象呈现。技术图样是将工程设计构思用图样的方式呈现出来的设计交流语言，适合于较复杂产品设计方案的呈现和详细说明。图表包括相关表格、草图和效果图，也是呈现构思方案的有效方式。通过草图、功能结构图、效果图呈现设计的构思方案，通过表格对各种方案进行比较分析。当前计算机辅助设计系统已经成为工程师进行工程设计强有力的助手，它能够准确表达设计师的设计意图、修改方便、工作效率高，已经深入到各个设计领域和设计的各个环节，是工程设计的发展方向。

（3）方案筛选。经过构思形成多个概念设计方案后，需要进行方案筛选，以设计要求说明书（设计任务中的要素）和设计中遵循的基本原则为核心，采用表格的方式对各方案进行比较和评价。由上述形态结构图所产生的概念设计方案的数量是很大的，设计师根据自身的工程经验需要否定一些技术难以实现的概念设计方案，方案数可以精简。在此基础上选择出5～6个概念设计方案，然后采用决策矩阵法产生一个比较满足的方案。决策矩阵是一个二维表，一维是设计要求说明书中的各个要素，由设计师或者团队成员根据重要性程度赋予1～10的权重（1：最不重要或最不需要的；3：较不重要或较不需要的；5：中等重要或中等需要的；8：很重要或很需要的；10：最重要或最需要的；等等）；另一维是备选的概念设计方案。设计师或者团队成员必须选择基准概念，可以是可用的产品或者早期的产品或者问题的明显解决方案。这样，判断概念设计方案对应于设计要求的各项要素的优劣情况，也就是判断它是好于基准或者大体相当或者比基准差。若好于基准，则标记为+分；若大体相当，则标记为0分；若比基准差，则标记为-分。计算总分：加分数（总计+）=标记为+分数之和（Σ+分数），减分数（总计-）=标记为-分数之和（Σ-分数），总分数=加分数-减分数，加权总计=Σ每一个分数乘以权重系数。然后，把当前最好的概念设计方案作为基准，重新迭代。如表4所示[2]。

其中方案的技术、经济可行性分析要素作为项目要素是需要的。技术分析是对方案中采用技术的先进性（就是使实现给定任务的技术水平处于该技术领域的前沿。注意，设计中的使用的技术常常是多项组合集成的）、实用性（实现给定任务所采用的技术既符合需求方的具体条件又能取得最大的效果）和可靠性（指产品在规定时间内和规定条件下无故障工作时间）；经济分析就是经济可行性，看经济效果。从生产规模、价格和投资等要素做出大略估算。综合上述迭代结果，最后选出比较满意的方案或者集中各个方案的优点进行改进、产生新方案。

3.3 模型（原型）制作

方案筛选完成后，下一步的工作是模型（原型）制作或者开发原型机环节。该环节是发展构思的创造性过程，通过该环节来检验产品的造型、结构以及零部件的装配关系，对产品的设计进行调整和修改，主要工作包括图样绘制和制作模型两个阶段。

图样绘制，包括工作原理图、整体和局部结构图（包括加工要求）、装配图等等，可以使用计算机辅助制图工具软件完成。对于简单、小型的产品设计可以在图样的基础上直接制作原型。原型可以是产品本身，也可以是与产品大小相同、功能一致的实体。复杂、大型的产品需要先制作模型，模型是根据构思、设计图样，按比例、生态或其他特征制作的与实物相似的实体。模型制作的主要步骤有：选择合适的材料，装备合适的使用工具和加工设备，按设计图样划线，对材料进行加工，装配，模型表面处理，对外观、造型和色彩进行评价、对产品功能性能进行检测和试验，对设计方案进行修改、做成展示模型。在不同的设计阶段实体模式的种类有：草模、概念模型、结构模型、功能模型和展示模型等，它们的主要用途如表5所示。现代设计技术使用计算机辅助设计制造技术，模型或原型、连接、装配和试验全部在计算机系统中完成，制造业的网络化、智能化是发展方向。

3.4 方案测试、评估与优化

模型或者原型制作完成后，一方面需要对其进行测试以检验产品在操作、使用过程中，在结构、功能和技术性能等方面是否达到了预定的设计要求；另一方面对设计方案和产品进行全面的评估。长期以来的工业生产中，一直是通过一定的训练，强求工人适应他所处的环境，这种状况随着工程设计水平的提高将改观。工程设计是为人服务的，因此，工程设计中要充分考虑到人的能力，进而设计环境适应人的能力，使人机之间协调一致。此外，也要听取制造、销售人员、客户和潜在客户的意见，以便进一步优化设计方案。统计资料显示，设计成果质量的60%-70%是由设计过程的质量决定的，必须加强设计过程评价。设计过程评价的主要内容有：设计过程是否完备，分工是否合理，采用的方法是否合理，各个环节的任务是否完成，其中间结果是否符合要求，全過程是否有质量控制和监督改进措施等。设计的一般原则包括：创新性原则，实用性原则，经济性原则，美观性原则，道德性原则（产品设计必须以人为本），技术规范性原则（设计标准、规范、规则等，有关设计开发、生产技术的知识、领域、方法和规定的总和），可持续发展原则。设计是一项综合创新活动，各项原则之间相互制约、相互影响，必须针对不同的产品合理定位各项原则的地位，在综合分析的基础上采取折中或妥协的办法加以平衡。

最终工程设计评价需要将设计的一般原则和设计任务结合起来进行评价。在设计的最后阶段需要根据设计规范、标准、公式、算法、手册进行大量的认真细致的计算、制图和审核，避免失误和遗漏。

3.5 编制用户手册

产品说明书也称为用户手册，是由生产单位编写的向消费者介绍产品性能、结构、使用方法、操作方法、维护和保养等方面知识，以及产品部件名称、数量、材料成分等，以帮助消费者正确使用、保养产品，有效发挥产品使用价值的文书。产品说明书一般由标题，正文和标记等组成。要求语言准确、通俗、简洁、内容条理清楚。

4 在人才培养中实施

目前我国仍然处在工业化建设、迈向现代化的关键阶段，仍然迫切需要大量的工程科技人才，工程设计方法是工程科技人才必须掌握的第一重要的方法，工程设计能力是工程科技人才永恒的第一位的实践能力。在学校工程教育阶段必须把工程设计理论、知识和方法很好的贯彻到工程科技人才培养过程中。

（1）以“工程设计方法”导论课程为先导，结合典型的工程项目和产品制造过程，将一般意义系统化的工程设计理论和方法教授给学生，授人以渔。

（2）以掌握现代工程设计理论、方法、工具和手段为核心内容，结合专业领域的设计知识，设置由基础实践技能、初步设计能力、综合创新设计等组成的逐层深化的工程设计实践训练体系。突出系列化课程设计、科技创新训练、毕业设计等的设计特色。在系列化课程设计中，通过明晰需求、设计优选方案、硬软件设计与制作、安装（装配）、综合调试、撰写设计报告与汇报交流等环节，以掌握工程设计方法与现代设计工具，培养工程实践能力与创新意识；在毕业设计中综合运用多方面知识、技术方法和工具，提出并实现解决实际工程问题的满意方案，撰写规范的设计总结报告，答辩和交流。

（3）在工程设计方法的实施过程中，着力培养学生的工程实践能力、工程设计能力和创新设计能力。在设计满足任务的系统、结构、流程、控制单元（部件）技术方案中体现创新意识，并综合考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等因素。

5 结语

本文以如何掌握和运用工程设计方法为主要内容，在介绍工程设计内涵、特点的基础上，归纳和概括了工程设计方法的基本流程及其各环节的任务和分析评价方法，为工科大学生学习和运用工程设计方法提供了方法上指导，为培养实现中国制造向中国创造转变的工程科技人才提供了有效途径。

参考文献：

[1] 辞海[M]. 上海：上海辞书出版社，1989.

[2] HAIK Y. 工程设计过程[M].李熠，译.北京：清华大学出版社，2005.

[3] 殷瑞钰， 汪应洛，李伯聪.工程哲学[M]. 2版.北京：高等教育出版社，2013.

[4] 路甬祥. 设计的进化与面向未来的中国创[J].全球化，2014（6）：5-13.

[5] 顾建军.技术与设计1[M].3版.//普通高中课程标准实验教科书.南京：江苏教育出版社， 2009.

[6] 冯厚植，平申.工程设计方法导论[M]. 北京：航空工业出版社，1988.