此文章為建筑門窗配套件行業(yè)技術(shù)交流會論文集所收納論文，在此推出，謹(jǐn)想通過在門窗系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)中運(yùn)用并行工程設(shè)計(jì)方法理念的論述，探討如何縮短門窗系統(tǒng)開發(fā)周期，便于門窗及配套件后續(xù)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性，加快高性能門窗的市場應(yīng)用。
前言
本文從并行工程的角度出發(fā)，對門窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出利用并行工程的方法進(jìn)行門窗系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)，以克服門窗系統(tǒng)開發(fā)周期長、成本高、通用性差的缺點(diǎn)。
1、現(xiàn)有門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
1.1、現(xiàn)有的門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
隨著我國人民生活水平的提高，功能性、操作性和裝飾性都很強(qiáng)的門窗越來越受到更多的關(guān)注，因此一大批新型門窗產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生。但現(xiàn)有的新門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，型材、五金件、玻璃、膠條等材料，基本上沿用從國外引進(jìn)的技術(shù)并逐步完善。型材廠、五金件廠、膠條廠、玻璃廠及門窗組裝廠等基本上各自獨(dú)立，不能以產(chǎn)品為中心形成一個完整的整體，進(jìn)行整體門窗的設(shè)計(jì)�，F(xiàn)有的開發(fā)過程其本上是先型材，再配五金件，再配膠條、玻璃等，采用串行的設(shè)計(jì)方式。所以存在的型材槽口及配套件雜、亂、差、不標(biāo)準(zhǔn)等狀況，導(dǎo)致門窗的整體性能得不到保證，配套件產(chǎn)品的通用性和互換性差等問題。
而在建筑設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)部門基本上是按照甲方意圖進(jìn)行門窗整體窗形的設(shè)計(jì)，流行什么設(shè)計(jì)什么，對各類門窗的性能、使用方法及制造安裝的性價比等不能綜合考慮，對門窗行業(yè)的引領(lǐng)力度較小。
在使用方面，用戶對于門窗的知識也了解不多，一般只能按開發(fā)商的規(guī)劃而來，不能自己做主。其一般只知道有塑料門窗、鋁合金門窗、木門窗等，但同樣是塑料門窗，推拉窗和平開窗在性能上要相差很大；鋁合金門窗中斷橋鋁合金門窗與普通鋁合金門窗的性能差別也很大。
1.2現(xiàn)有的門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題
1.2.1采用單一的串行設(shè)計(jì)方式，開發(fā)過程往往是型材廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)出型材后，再找五金件配套門窗五金件，找玻璃廠配套玻璃，找膠條廠配套膠條等工作，在先期設(shè)計(jì)過程中無型材、五金件等的集成和交互設(shè)計(jì)，工作陷入設(shè)計(jì)、試制、修改設(shè)計(jì)、再試制的大反饋，致使開發(fā)周期延長，成本提高，開發(fā)出的產(chǎn)品失去市場競爭力。
1.2.2設(shè)計(jì)工作雖然甩掉了圖板，但由于基礎(chǔ)技術(shù)仍然十分落后，如經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏積累、規(guī)范尚無系統(tǒng)總結(jié)、標(biāo)準(zhǔn)不夠完善齊備等，致使開發(fā)過程中仍存在大量的重復(fù)性勞動。甚至連現(xiàn)在使用多年的標(biāo)準(zhǔn)“C槽”、“U槽”等設(shè)計(jì)都不符合規(guī)范，造成五金件等無法選用，只能單獨(dú)配做。
1.2.3設(shè)計(jì)與工藝、制造、質(zhì)量等部門沒有信息集成。開發(fā)過程的局部雖然采用了一些高新技術(shù)，如CAD、CAM等，但由于信息不暢，難以形成集成制造系統(tǒng)的整體優(yōu)勢。
1.2.4門窗的試制過程計(jì)劃不周、管理不善，致使試制過程中各種更改單漫天飛，臨時的更改沒有及時進(jìn)行整理，加劇了試制過程的混亂狀態(tài)。
1.2.5開發(fā)過程工作流程不清，工作活動沒有明確的定義，影響進(jìn)度。
2、基于并行工程的門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1并行工程的含義
并行工程(CE，Concurrent Engineering)是近年來國際制造業(yè)中興起的一種新型企業(yè)組織管理哲理，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和縮短開發(fā)周期。并行工程與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式之間的本質(zhì)區(qū)別在于并行工程把產(chǎn)品開發(fā)的各個活動看成是一個集成的過程，并從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，對集成過程進(jìn)行管理和控制，同時對已有的產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行不斷的改進(jìn)和提高，以克服傳統(tǒng)串行產(chǎn)品開發(fā)過程大反饋造成的長周期與高成本等缺點(diǎn)，增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品的競爭能力。其中心思想是在產(chǎn)品開發(fā)的初始階段——設(shè)計(jì)階段，即以并行方式綜合考慮產(chǎn)品生命周期中從概念形成到報廢處理的所有因素，以達(dá)到開發(fā)周期短(Time)、產(chǎn)品質(zhì)量高(Quality)、開發(fā)成本低(Cost)、用戶滿意(Service)的目標(biāo)。統(tǒng)計(jì)表明，設(shè)計(jì)階段的成本占產(chǎn)品全部成本的70%。并行工程的特點(diǎn)在于其集成性、并行性和交互性。
本文結(jié)合并行工程思想，結(jié)合本企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)過程實(shí)際，提出了門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程模式，以供參考。
2.2基于并行工程進(jìn)行門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法
2.2.1門窗系統(tǒng)的含義
現(xiàn)今的門窗在使用中，即要滿足其性能，如保溫性、氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性、隔音性、耐腐蝕性、耐候性、防盜性、防火性、絕緣性等，又要滿足其良好的操作性、美觀性、易維護(hù)性等。
門窗系統(tǒng)是指構(gòu)成門窗的各種材料經(jīng)設(shè)計(jì)、加工、組裝成的具有一定功能的系統(tǒng)，門窗的主要功能由構(gòu)成的材料來體現(xiàn)，各種材料的制造過程相對獨(dú)立，但各自的功能最終體現(xiàn)在門窗的使用上。因此，要明確概念，所有型材、五金件等的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是為了滿足一個新的門窗系統(tǒng)，各種材料的設(shè)計(jì)均是其中的一部分，不是獨(dú)立存在的，而是和其它件的設(shè)計(jì)相輔相成的。型材的設(shè)計(jì)除自身的因素外，還要考慮五金件的安裝使用、玻璃的安裝、膠條的安裝及壓縮量等，五金件的設(shè)計(jì)要滿足門窗的正常開啟及其它功能，玻璃、膠條的設(shè)計(jì)充分滿足保溫、隔音等性能。只有對組成門窗的所有材料進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，綜合考慮發(fā)揮各自的特長，才能使門窗有很好的性能表現(xiàn)。
2.2.2基于并行工程的思想進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。
1）設(shè)計(jì)要符合相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)、建筑法律法規(guī)。從而保證設(shè)計(jì)過程中有法可依，有法必依。這些可以參考行業(yè)協(xié)會中的標(biāo)準(zhǔn)。建筑門窗配套件委員會于2005年6月初定了門窗型材槽口與配套件配合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要是確定了二部分結(jié)構(gòu)，一是鋁合金門窗型材槽口尺寸結(jié)構(gòu)的確定，二是采用現(xiàn)有的《塑料門窗及型材功能結(jié)構(gòu)尺寸》報批稿中規(guī)定的內(nèi)容。由此對門窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化方面大大提高了一步。
2）建立共同的數(shù)據(jù)庫。大型的型材廠、五金廠、玻璃廠、膠條廠等要聯(lián)合起來，在不影響各自的企業(yè)機(jī)密的情況下建立并行工程的組織機(jī)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行開放式設(shè)計(jì)和資源共享，建立共同的數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫包括標(biāo)準(zhǔn)、型材的基本結(jié)構(gòu)、五金件的結(jié)構(gòu)尺寸、玻璃的性能尺寸、膠條的性能規(guī)格等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，同時也有各種經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，為門窗的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)。如圖1、2、3所示的型材槽口圖，即為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容之一。
3）企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中要進(jìn)行集成設(shè)計(jì)、交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)。先概念設(shè)計(jì)，再型材、五金件、玻璃、膠條等交互并行設(shè)計(jì)。交互式設(shè)計(jì)可以節(jié)省總體開發(fā)時間，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以利用就少的材料發(fā)揮最大的效益。
4）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行產(chǎn)品模擬，信息交流。利用虛擬制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，在無產(chǎn)品的情況下通過圖形進(jìn)行模擬組裝等試驗(yàn)，以保證理論上的正確。同時不同地區(qū)的廠家可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流，以快速解決問題。
5）建立良好的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程，不要急于求成，過程不能省略。
6）建立良好的試驗(yàn)檢驗(yàn)制度，以減少不必要的損失。試驗(yàn)檢驗(yàn)是對設(shè)計(jì)結(jié)果的判定，在有條件的情況下盡可能先做試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，減少損失。
 2.3基于并行工程進(jìn)行門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程
2.3.1門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則
門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則按照先大后小，先型材圖形初稿后再輔件交叉設(shè)計(jì)的原則。先確定哪種門窗能符合現(xiàn)有的國家關(guān)于節(jié)能門窗的標(biāo)準(zhǔn)，同時能滿足其主要使用壽命及性能。再確定主要的型材，型材是制造門窗的關(guān)鍵載體，是主要的受力件，確定型材類型后再確定開啟方式，由開啟方式再選擇五金件、玻璃、膠條等輔件。從而進(jìn)行統(tǒng)一的過程設(shè)計(jì)。在型材設(shè)計(jì)的同時，就要交叉進(jìn)行輔件的設(shè)計(jì)，才能形成一個門窗系統(tǒng)，不要等型材開發(fā)完成后再去配輔件，那將較困難且時間較長。
按照先局部斷面再整體門窗的原則。經(jīng)過局部型材、五金件等的模擬后，再模擬整體門窗的組裝情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確定整體門窗的設(shè)計(jì)結(jié)果。
2.3.2門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程
附件是一個新門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖，僅供參考。
3、基于并行工程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用
3.1 基于并行工程的門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
1) 可以進(jìn)行信息迅速交流。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，可以將圖紙、文字等信息進(jìn)行集成。建立這樣一種環(huán)境，使參加產(chǎn)品開發(fā)的每一個人都能瞬時地相互交換信息，以克服由于地域不同，組織、產(chǎn)品的復(fù)雜化，缺乏互換性的工具等因素造成的各種問題，做到把正確的信息在正確的時間以正確的方式傳遞給正確的人。
2) 通過計(jì)算機(jī)模擬，可以將型材、五金件、玻璃、膠條等件集中在一起，組裝成門窗,利用產(chǎn)品的電子圖形，可以進(jìn)行二維或三維模擬。從而進(jìn)行集中設(shè)計(jì)。采用虛擬制造技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品制造和裝配全過程。如在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行裝配零件的干涉檢驗(yàn)、結(jié)合面的調(diào)整等，即利用電子模型代替實(shí)物模型。這樣可以快速判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，是否符合國標(biāo)或行標(biāo)要求；判斷五金件的設(shè)計(jì)安裝能否從理論上達(dá)到要求；判斷玻璃和壓條的尺寸是否符合常規(guī)要求等。有資料顯示，相對于實(shí)物模型只能對最終結(jié)果有50%的確定效果，電子模型可達(dá)到90%。
3) 可以減少重復(fù)勞動，由于大部分標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)等內(nèi)容都可以存入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找，就不需要人們再做大量的基礎(chǔ)工作，設(shè)計(jì)時只要查找數(shù)據(jù)庫進(jìn)行使用就可以了。
4) 易于建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和通用性打下基礎(chǔ)。
5) 易于進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可以利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)后能達(dá)到技術(shù)要求。
3.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法
3.2.1 二維設(shè)計(jì)組裝模擬。
通過計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行型材、五金件等的二維設(shè)計(jì)。并可以將二維視圖進(jìn)行組裝模擬，如圖4所示。直接可以看出理想狀態(tài)下，門窗關(guān)閉時型材、五金件、膠條的基本狀況，有無干涉的情況，五金件與型材配合情況，膠條的壓縮情況等。但這種模擬只能進(jìn)行二維組裝等，對于三維狀態(tài)不能保證。因此在有條件的情況下可以進(jìn)行三維模擬。
 3.2.2 三維設(shè)計(jì)組裝模擬。
三維模擬即構(gòu)成門窗的型材、五金件、玻璃等做成三維圖形，利用三維軟件的功能進(jìn)行三維組裝模擬。其優(yōu)點(diǎn)是立體感強(qiáng)，能夠在組裝過程中直接檢查零件的干涉現(xiàn)象。如圖5所示的是一個三維模擬情況。但三維模擬也有缺陷，一是對安裝后變形的產(chǎn)品如膠條等無法進(jìn)行識別，既使可行也特別復(fù)雜，這部分還是要靠試驗(yàn)得出結(jié)論。二是三維模擬較復(fù)雜，對人員素質(zhì)水平要求高，計(jì)算機(jī)配置要求也較高。對一般企業(yè)采用二維模擬設(shè)計(jì)即可。
4、基于并行工程進(jìn)行門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
新門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程應(yīng)當(dāng)是將傳統(tǒng)的串行方式轉(zhuǎn)換成并行工程方式，借助當(dāng)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將并行工程與我國制造企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況相結(jié)合的產(chǎn)物，以便較快地應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。這一模式有以下優(yōu)點(diǎn)。
1) 設(shè)計(jì)時間短。在數(shù)據(jù)庫建立好后，設(shè)計(jì)過程基本上以調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為主，加以特殊要求的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬，可以使設(shè)計(jì)更符合標(biāo)準(zhǔn)，通用性更強(qiáng)。從而使設(shè)計(jì)時間減少。
2) 產(chǎn)品質(zhì)量高。通過計(jì)算機(jī)輔助模擬設(shè)計(jì)，可以達(dá)到90%的最終結(jié)果，使設(shè)計(jì)的成功性大大提高，質(zhì)量趨于“零缺陷”，達(dá)到用戶滿意。
3)開發(fā)費(fèi)用低。采用并行工程的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，只要有素質(zhì)較高的人員和較高配置的計(jì)算機(jī)基本上就能滿足要求，而且中期不要再做多的投入。因?yàn)楝F(xiàn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更都是在產(chǎn)品整個生命周期的后半部分發(fā)生的，這時發(fā)生的成本費(fèi)用過高，流程與設(shè)計(jì)都難于改變。因此在前期設(shè)計(jì)開發(fā)階段的投入可以減少后期的更改費(fèi)用，使總過程的費(fèi)用最低。
總之，為了推動我國門窗及配套件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性，加快高性能的門窗在市場上的應(yīng)用，基于并行工程的門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是值得推廣的。
來源:北新集團(tuán)建材股份有限公司 作者:謝富冬 |
