綠色工業(yè)設(shè)計優(yōu)化思考

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[摘要]綠色工業(yè)設(shè)計具有很強(qiáng)的綜合性和系統(tǒng)性,要使各子系統(tǒng)之間很好地耦合,就必須從系統(tǒng)整體出發(fā),以設(shè)計的總體最優(yōu)為目標(biāo),借助計算機(jī)輔助設(shè)計與虛擬實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)設(shè)計;綠色設(shè)計;系統(tǒng)性;最優(yōu)化

一股以保護(hù)環(huán)境、保護(hù)有限資源、保護(hù)人類健康為目標(biāo)的綠色浪潮,正在全球興起。相應(yīng)地,綠色產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計方法也成為工業(yè)設(shè)計師們所關(guān)注的焦點。所謂綠色設(shè)計,是指以節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境為宗旨的設(shè)計理念和方法,它強(qiáng)調(diào)保護(hù)自然生態(tài),充分利用資源,以人為本。為促進(jìn)我國綠色設(shè)計發(fā)展,本文擬就綠色工業(yè)設(shè)計系統(tǒng)及其優(yōu)化問題予以探討。

一、綠色工業(yè)設(shè)計的一般準(zhǔn)則

與傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計僅關(guān)注產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到的技術(shù)、功能、工藝以及市場等不同,綠色工業(yè)設(shè)計包含產(chǎn)品從創(chuàng)意構(gòu)思到制造、使用以及廢棄后回收、再生處理的各個過程,即包括產(chǎn)品的整個生命周期,在考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性的同時,要預(yù)先考慮如何防止產(chǎn)品及工藝對環(huán)境的負(fù)面影響。為此,綠色工業(yè)設(shè)計一般要遵循以下準(zhǔn)則:(1)盡量節(jié)約資源,即節(jié)省原材料和能源;(2)減少對環(huán)境的污染;(3)滿足功能要求,符合人機(jī)工程學(xué)原理;(4)視覺效果好;(5)產(chǎn)品使用壽命長;(6)性能價格比高。綠色工業(yè)設(shè)計準(zhǔn)則的核心是以人為本。設(shè)計的最終目的是為人服務(wù),運用藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)設(shè)計人的生活和工作所需要的物品。鑒于物與物組成環(huán)境,人與人、人與物、人與環(huán)境又組成了社會,所以綠色工業(yè)設(shè)計就是要使人與物、人與環(huán)境、人與人、人與社會相協(xié)調(diào)。

二、綠色工業(yè)設(shè)計的綜合性與系統(tǒng)性分析

1.綜合性

從綠色工業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)則和設(shè)計程序可以看出,綠色工業(yè)設(shè)計要考慮產(chǎn)品功能、材料、工藝、產(chǎn)品造型、色彩、使用方式等多個方面的問題,涉及多個學(xué)科、多種技術(shù)、多種工藝,綜合性比較強(qiáng)。

現(xiàn)代的人們對產(chǎn)品的要求不單單是物美價廉,而且還要求產(chǎn)品造型優(yōu)美,色彩宜人,具有藝術(shù)價值和文化內(nèi)涵,20世紀(jì)“功能至上”的現(xiàn)代主義風(fēng)格顯然已滿足不了當(dāng)今消費者的多種需要。消費者的年齡、性別、文化程度、職業(yè)、性格、思想觀念的不同都會導(dǎo)致個體心理結(jié)構(gòu)的差異。從市場營銷的角度講,只有使消費者產(chǎn)生“美好感覺”的設(shè)計才是有魅力的設(shè)計,才是真正有價值的設(shè)計。設(shè)計要使消費者產(chǎn)生“美好感覺”,就必須深入研究消費者的心理活動規(guī)律,最大限度地滿足消費者的心理需求。所以,設(shè)計師必須在人類學(xué)、社會心理學(xué)等領(lǐng)域做細(xì)致的研究和分析。此外,為了選擇合適的材料,必須對各種材料的性能有所了解。在能夠滿足機(jī)械性能要求的基礎(chǔ)上,首先要選擇對環(huán)境污染小、可再生、可回收、能耗低、易降解有利于提高資源利用率的綠色材料。在設(shè)計中應(yīng)首選環(huán)境兼容性好的材料及零部件,避免選用有毒、有害和輻射特性的材料。因此,設(shè)計師還應(yīng)該有材料科學(xué)方面的知識。

總之,除本專業(yè)領(lǐng)域的理論、技術(shù)和知識以外,綠色工業(yè)設(shè)計還涉及機(jī)械工程學(xué)、電氣工程學(xué)、電子學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)、塑料工程、模具工程和計算機(jī)科學(xué)等。綠色工業(yè)設(shè)計是一種綜合性的、并具有較強(qiáng)的多學(xué)科交叉特性的工程設(shè)計,是多學(xué)科知識在設(shè)計中的集成。

2.系統(tǒng)性

綠色工業(yè)設(shè)計將產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的設(shè)計、制造工藝、包裝、廢棄后的回收均作為其設(shè)計任務(wù),在保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、使用壽命、質(zhì)量等的同時,滿足環(huán)境目標(biāo)要求。它是產(chǎn)品由自然到人類社會、又回歸到自然的一個循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計。綠色工業(yè)設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計理念與方法的集成,是以人為本的設(shè)計系統(tǒng)工程。

綠色工業(yè)設(shè)計系統(tǒng)可以分為設(shè)計準(zhǔn)則系統(tǒng)、制造工藝系統(tǒng)等。就其設(shè)計流程而言,是一個帶有多路信息反饋通道的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計進(jìn)程中有多次審核,把設(shè)計結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行比較,如果符合要求則往下進(jìn)行,否則將比較結(jié)果反饋到系統(tǒng)的前端,重新修改設(shè)計,直至合格為止。設(shè)計流程中一個程序接一個程序,每一個程序都是一個子系統(tǒng)。如市場調(diào)查環(huán)節(jié),它由供需狀況的調(diào)研與分析、需求功能的調(diào)研與分析、人機(jī)關(guān)系的調(diào)研與分析、工藝調(diào)研與分析、造型色彩的調(diào)研與分析、預(yù)期成本價格的調(diào)研與分析、消費心理的調(diào)研與分析等組成一個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)中各個部分都是不可少的,又是互相聯(lián)系的。要從系統(tǒng)整體、各子系統(tǒng)相互聯(lián)系的角度來研究設(shè)計對象及有關(guān)問題,以達(dá)到設(shè)計總體最優(yōu)的目標(biāo)。

3.各子系統(tǒng)之間的耦合性

按照綠色工業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)則,設(shè)計師在力圖滿足某一項指標(biāo)要求時,往往會影響到另一個指標(biāo)。例如,在加大構(gòu)件的強(qiáng)度以延長它的壽命時,就有可能導(dǎo)致它的材料消耗增大,產(chǎn)品重量增加;為了改善零件的機(jī)械性能,對零件進(jìn)行熱處理,卻增大了制造過程的能耗,也增大了制造成本;有時為了增強(qiáng)產(chǎn)品的功能,而使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,帶來的結(jié)果是成本增加,且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜故障率越高;再如,為了解決汽車排放尾氣污染環(huán)境問題,人們研制了綠色交通工具——電動車。利用清潔的二次能源,也確實有助于改善環(huán)境空氣質(zhì)量,但是,它目前使用的電池卻帶來一些問題:一是目前使用的鉛酸電池體積大,占用了大量的車載空間,增加了車體重量;二是電池的壽命有限,如目前鉛酸電池的壽命僅為2～3年,電池更換較為頻繁,而且目前我們的電池回收管理辦法還不夠完善,廢棄的電池會對環(huán)境造成污染,這又違背了綠色工業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)則和宗旨;三是若為了減小電池的體積,提高電池的能量密度,增大一次充電的行駛里程,把鉛酸電池改為用鎳氫電池或鋰電池,則又會使電動車的成本增加。

為避免各子系統(tǒng)目標(biāo)相悖問題,綠色工業(yè)設(shè)計要求各子系統(tǒng)之間具有較強(qiáng)的耦合性。這給綠色工業(yè)設(shè)計增加了不少難度,需要做好系統(tǒng)整體優(yōu)化工作。

三、綠色工業(yè)設(shè)計的優(yōu)化

1.優(yōu)化的原則

綠色工業(yè)設(shè)計各項指標(biāo)子系統(tǒng)之間有不同程度的耦合性,產(chǎn)品設(shè)計人員在產(chǎn)品開發(fā)過程中一定要有系統(tǒng)觀念,充分把握設(shè)計系統(tǒng)整體和各子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互制約的細(xì)節(jié)問題,很好地掌控各設(shè)計因素,用系統(tǒng)分析與系統(tǒng)控制方法處理和解決,從而達(dá)到設(shè)計總體目標(biāo)和實現(xiàn)這個目標(biāo)的過程和方式的最優(yōu)。綠色工業(yè)設(shè)計就是要在技術(shù)與藝術(shù)、功能與形式、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會的聯(lián)系之中尋求一種適宜的平衡和優(yōu)化。片面地強(qiáng)調(diào)某一方面,都將最終導(dǎo)致對產(chǎn)品綠色程度的影響。因此,綠色工業(yè)設(shè)計要求產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)、管理到產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)性、包裝運輸、回收處理、安全性等方面,均從系統(tǒng)的高度加以分析,確定其各自的地位,在有序和協(xié)調(diào)的狀態(tài)下使產(chǎn)品設(shè)計達(dá)到最優(yōu)。

2.優(yōu)化的方法

按照上述從整體出發(fā)達(dá)到設(shè)計總體目標(biāo)最優(yōu)的原則,設(shè)計優(yōu)化的一般方法步驟是:設(shè)計方案一對照準(zhǔn)則比較一修改設(shè)計、全面權(quán)衡,直至找到一個相對滿意的最優(yōu)方案。這一切都是由人來完成的,設(shè)計師的理論和知識水平以及責(zé)任心將最終決定設(shè)計的優(yōu)化程度。

綠色工業(yè)設(shè)計涉及許多學(xué)科領(lǐng)域的知識,但不是這些知識簡單地組合或疊加,而是有機(jī)地融為一體,設(shè)計參量較多,各部分有較強(qiáng)的耦合性,且往往存在時變性和不確定性。顯然,利用常規(guī)的分析方法和計算方法進(jìn)行綠色工業(yè)設(shè)計,勞動量很大,而且設(shè)計周期較長,而計算機(jī)輔助設(shè)計則可以大大提高設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。在計算機(jī)輔助設(shè)計的基礎(chǔ)上,利用虛擬實現(xiàn)技術(shù),可建立起一種并行結(jié)構(gòu)的設(shè)計系統(tǒng),將設(shè)計、制造、分析優(yōu)化集成于一個三位一體的系統(tǒng),使不同專業(yè)的設(shè)計師能夠及時相互反饋信息,從而迅速接近理想的綠色設(shè)計目標(biāo)。這種方法不但工作效率高,而且可以減少生產(chǎn)過程中不必要的浪費,降低制造成本,對有效節(jié)約資源具有重要的意義。它可以將消費者也納入設(shè)計過程,使產(chǎn)品愈來愈變?yōu)橄M者與設(shè)計者共同設(shè)計的產(chǎn)物。因此,運用虛擬實現(xiàn)技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品更貼近綠色工業(yè)設(shè)計的目標(biāo),更能滿足消費者的需求。

相信隨著對綠色工業(yè)設(shè)計研究的不斷深入,新的設(shè)計理念和設(shè)計方法將會不斷被引入綠色工業(yè)設(shè)計的優(yōu)化過程,我們會擁有更多的綠色產(chǎn)品。