綠色工業設計系統

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[摘要]綠色工業設計具有很強的綜合性和系統性,要使各子系統之間很好地耦合,就必須從系統整體出發,以設計的總體最優為目標,借助計算機輔助設計與虛擬實現技術進行設計的優化。

[關鍵詞]工業設計;綠色設計;系統性;最優化

一股以保護環境、保護有限資源、保護人類健康為目標的綠色浪潮,正在全球興起。相應地,綠色產品的開發與設計方法也成為工業設計師們所關注的焦點。所謂綠色設計,是指以節約資源和保護環境為宗旨的設計理念和方法,它強調保護自然生態,充分利用資源,以人為本。為促進我國綠色設計發展,本文擬就綠色工業設計系統及其優化問題予以探討。

一、綠色工業設計的一般準則

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

二、綠色工業設計的綜合性與系統性分析

1.綜合性

從綠色工業設計的準則和設計程序可以看出,綠色工業設計要考慮產品功能、材料、工藝、產品造型、色彩、使用方式等多個方面的問題,涉及多個學科、多種技術、多種工藝,綜合性比較強。

現代的人們對產品的要求不單單是物美價廉,而且還要求產品造型優美,色彩宜人,具有藝術價值和文化內涵,20世紀“功能至上”的現代主義風格顯然已滿足不了當今消費者的多種需要。消費者的年齡、性別、文化程度、職業、性格、思想觀念的不同都會導致個體心理結構的差異。從市場營銷的角度講,只有使消費者產生“美好感覺”的設計才是有魅力的設計,才是真正有價值的設計。設計要使消費者產生“美好感覺”,就必須深入研究消費者的心理活動規律,最大限度地滿足消費者的心理需求。所以,設計師必須在人類學、社會心理學等領域做細致的研究和分析。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。在能夠滿足機械性能要求的基礎上,首先要選擇對環境污染小、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。在設計中應首選環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,設計師還應該有材料科學方面的知識。

總之,除本專業領域的理論、技術和知識以外,綠色工業設計還涉及機械工程學、電氣工程學、電子學、材料力學、流體力學、心理學、管理學、塑料工程、模具工程和計算機科學等。綠色工業設計是一種綜合性的、并具有較強的多學科交叉特性的工程設計,是多學科知識在設計中的集成。

2.系統性

綠色工業設計將產品整個生命周期內的設計、制造工藝、包裝、廢棄后的回收均作為其設計任務,在保證產品應有的功能、使用壽命、質量等的同時,滿足環境目標要求。它是產品由自然到人類社會、又回歸到自然的一個循環系統的設計。綠色工業設計是現代設計理念與方法的集成,是以人為本的設計系統工程。

綠色工業設計系統可以分為設計準則系統、制造工藝系統等。就其設計流程而言,是一個帶有多路信息反饋通道的閉環系統。在設計進程中有多次審核,把設計結果與設計目標進行比較,如果符合要求則往下進行,否則將比較結果反饋到系統的前端,重新修改設計,直至合格為止。設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。如市場調查環節,它由供需狀況的調研與分析、需求功能的調研與分析、人機關系的調研與分析、工藝調研與分析、造型色彩的調研與分析、預期成本價格的調研與分析、消費心理的調研與分析等組成一個子系統。子系統中各個部分都是不可少的,又是互相聯系的。要從系統整體、各子系統相互聯系的角度來研究設計對象及有關問題,以達到設計總體最優的目標。

3.各子系統之間的耦合性

按照綠色工業設計的準則,設計師在力圖滿足某一項指標要求時,往往會影響到另一個指標。例如,在加大構件的強度以延長它的壽命時,就有可能導致它的材料消耗增大,產品重量增加;為了改善零件的機械性能,對零件進行熱處理,卻增大了制造過程的能耗,也增大了制造成本;有時為了增強產品的功能,而使得產品結構復雜化,帶來的結果是成本增加,且結構越復雜故障率越高;再如,為了解決汽車排放尾氣污染環境問題,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境空氣質量,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,廢棄的電池會對環境造成污染,這又違背了綠色工業設計的準則和宗旨;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。

為避免各子系統目標相悖問題,綠色工業設計要求各子系統之間具有較強的耦合性。這給綠色工業設計增加了不少難度,需要做好系統整體優化工作。

三、綠色工業設計的優化

1.優化的原則

綠色工業設計各項指標子系統之間有不同程度的耦合性,產品設計人員在產品開發過程中一定要有系統觀念,充分把握設計系統整體和各子系統之間相互聯系、相互制約的細節問題,很好地掌控各設計因素,用系統分析與系統控制方法處理和解決,從而達到設計總體目標和實現這個目標的過程和方式的最優。綠色工業設計就是要在技術與藝術、功能與形式、環境與經濟、環境與社會的聯系之中尋求一種適宜的平衡和優化。片面地強調某一方面,都將最終導致對產品綠色程度的影響。因此,綠色工業設計要求產品從設計、生產、管理到產品的經濟性、維護性、包裝運輸、回收處理、安全性等方面,均從系統的高度加以分析,確定其各自的地位,在有序和協調的狀態下使產品設計達到最優。

2.優化的方法

按照上述從整體出發達到設計總體目標最優的原則,設計優化的一般方法步驟是:設計方案一對照準則比較一修改設計、全面權衡,直至找到一個相對滿意的最優方案。這一切都是由人來完成的,設計師的理論和知識水平以及責任心將最終決定設計的優化程度。

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

相信隨著對綠色工業設計研究的不斷深入,新的設計理念和設計方法將會不斷被引入綠色工業設計的優化過程,我們會擁有更多的綠色產品。