此文章為建筑門窗配套件行業(yè)技術交流會論文集所收納論文，在此推出，謹想通過在門窗系統(tǒng)集成設計和交互設計中運用并行工程設計方法理念的論述，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)的標準化、通用性，加快高性能門窗的市場應用。
前言
本文從并行工程的角度出發(fā)，對門窗系統(tǒng)的設計現(xiàn)狀進行分析，并提出利用并行工程的方法進行門窗系統(tǒng)的集成設計和交互設計，以克服門窗系統(tǒng)開發(fā)周期長、成本高、通用性差的缺點。
1、現(xiàn)有門窗系統(tǒng)設計的現(xiàn)狀
1.1、現(xiàn)有的門窗系統(tǒng)設計的現(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的門窗越來越受到更多的關注，因此一大批新型門窗產(chǎn)品也應運而生。但現(xiàn)有的新門窗系統(tǒng)設計中，型材、五金件、玻璃、膠條等材料，基本上沿用從國外引進的技術并逐步完善。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立，不能以產(chǎn)品為中心形成一個完整的整體，進行整體門窗的設計�，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，采用串行的設計方式。所以存在的型材槽口及配套件雜、亂、差、不標準等狀況，導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。
而在建筑設計方面，設計部門基本上是按照甲方意圖進行門窗整體窗形的設計，流行什么設計什么，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)設計存在的問題
1.2.1采用單一的串行設計方式，開發(fā)過程往往是型材廠設計生產(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，在先期設計過程中無型材、五金件等的集成和交互設計，工作陷入設計、試制、修改設計、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設計工作雖然甩掉了圖板，但由于基礎技術仍然十分落后，如經(jīng)驗數(shù)據(jù)缺乏積累、規(guī)范尚無系統(tǒng)總結、標準不夠完善齊備等，致使開發(fā)過程中仍存在大量的重復性勞動。甚至連現(xiàn)在使用多年的標準“C槽”、“U槽”等設計都不符合規(guī)范，造成五金件等無法選用，只能單獨配做。
1.2.3設計與工藝、制造、質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，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，影響進度。
2、基于并行工程的門窗系統(tǒng)設計
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)，對集成過程進行管理和控制，同時對已有的產(chǎn)品開發(fā)過程進行不斷的改進和提高，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，增強企業(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——設計階段，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，以達到開發(fā)周期短(Time)、產(chǎn)品質量高(Quality)、開發(fā)成本低(Cost)、用戶滿意(Service)的目標。統(tǒng)計表明，設計階段的成本占產(chǎn)品全部成本的70%。并行工程的特點在于其集成性、并行性和交互性。
本文結合并行工程思想，結合本企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)過程實際，提出了門窗系統(tǒng)設計開發(fā)過程模式，以供參考。
2.2基于并行工程進行門窗系統(tǒng)設計的方法
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、易維護性等。
門窗系統(tǒng)是指構成門窗的各種材料經(jīng)設計、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成的材料來體現(xiàn)，各種材料的制造過程相對獨立，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)品設計都是為了滿足一個新的門窗系統(tǒng)，各種材料的設計均是其中的一部分，不是獨立存在的，而是和其它件的設計相輔相成的。型材的設計除自身的因素外，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，五金件的設計要滿足門窗的正常開啟及其它功能，玻璃、膠條的設計充分滿足保溫、隔音等性能。只有對組成門窗的所有材料進行集成設計，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行產(chǎn)品設計的方法。
1）設計要符合相應的行業(yè)標準和國家標準、建筑法律法規(guī)。從而保證設計過程中有法可依，有法必依。這些可以參考行業(yè)協(xié)會中的標準。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構系統(tǒng)，主要是確定了二部分結構，一是鋁合金門窗型材槽口尺寸結構的確定，二是采用現(xiàn)有的《塑料門窗及型材功能結構尺寸》報批稿中規(guī)定的內容。由此對門窗系統(tǒng)的設計標準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)機密的情況下建立并行工程的組織機構和開發(fā)環(huán)境，進行開放式設計和資源共享，建立共同的數(shù)據(jù)庫，以便進行集成設計。數(shù)據(jù)庫包括標準、型材的基本結構、五金件的結構尺寸、玻璃的性能尺寸、膠條的性能規(guī)格等一系列相關數(shù)據(jù)，同時也有各種經(jīng)驗數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)等，為門窗的設計標準化提供依據(jù)。如圖1、2、3所示的型材槽口圖，即為標準數(shù)據(jù)庫的內容之一。
3）企業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中要進行集成設計、交互式優(yōu)化設計。先概念設計，再型材、五金件、玻璃、膠條等交互并行設計。交互式設計可以節(jié)省總體開發(fā)時間，優(yōu)化設計可以利用就少的材料發(fā)揮最大的效益。
4）采用計算機輔助設計的方法進行產(chǎn)品模擬，信息交流。利用虛擬制造技術和計算機網(wǎng)絡通信，在無產(chǎn)品的情況下通過圖形進行模擬組裝等試驗，以保證理論上的正確。同時不同地區(qū)的廠家可以通過計算機進行信息交流，以快速解決問題。
5）建立良好的產(chǎn)品開發(fā)設計流程，不要急于求成，過程不能省略。
6）建立良好的試驗檢驗制度，以減少不必要的損失。試驗檢驗是對設計結果的判定，在有條件的情況下盡可能先做試驗，驗證設計的準確度，減少損失。
 2.3基于并行工程進行門窗系統(tǒng)設計的流程
2.3.1門窗系統(tǒng)設計的原則
門窗系統(tǒng)設計的原則按照先大后小，先型材圖形初稿后再輔件交叉設計的原則。先確定哪種門窗能符合現(xiàn)有的國家關于節(jié)能門窗的標準，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。從而進行統(tǒng)一的過程設計。在型材設計的同時，就要交叉進行輔件的設計，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行設計，從而確定整體門窗的設計結果。
2.3.2門窗系統(tǒng)設計的流程
附件是一個新門窗系統(tǒng)設計流程圖，僅供參考。
3、基于并行工程的計算機輔助設計的應用
3.1 基于并行工程的門窗系統(tǒng)設計中采用計算機輔助設計的優(yōu)點
1) 可以進行信息迅速交流。通過計算機網(wǎng)絡通信，可以將圖紙、文字等信息進行集成。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) 通過計算機模擬，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，可以進行二維或三維模擬。從而進行集中設計。采用虛擬制造技術，在計算機上模擬產(chǎn)品制造和裝配全過程。如在計算機上進行裝配零件的干涉檢驗、結合面的調整等，即利用電子模型代替實物模型。這樣可以快速判斷產(chǎn)品設計中結構尺寸是否合理，是否符合國標或行標要求；判斷五金件的設計安裝能否從理論上達到要求；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，相對于實物模型只能對最終結果有50%的確定效果，電子模型可達到90%。
3) 可以減少重復勞動，由于大部分標準及法規(guī)等內容都可以存入計算機的數(shù)據(jù)庫中進行查找，就不需要人們再做大量的基礎工作，設計時只要查找數(shù)據(jù)庫進行使用就可以了。
4) 易于建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，為產(chǎn)品系統(tǒng)的標準化、模塊化和通用性打下基礎。
5) 易于進行優(yōu)化計算，可以利用計算機軟件進行產(chǎn)品的結構力學計算，從而保證產(chǎn)品設計后能達到技術要求。
3.2 計算機輔助設計的方法
3.2.1 二維設計組裝模擬。
通過計算機可以進行型材、五金件等的二維設計。并可以將二維視圖進行組裝模擬，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行三維模擬。
 3.2.2 三維設計組裝模擬。
三維模擬即構成門窗的型材、五金件、玻璃等做成三維圖形，利用三維軟件的功能進行三維組裝模擬。其優(yōu)點是立體感強，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)品如膠條等無法進行識別，既使可行也特別復雜，這部分還是要靠試驗得出結論。二是三維模擬較復雜，對人員素質水平要求高，計算機配置要求也較高。對一般企業(yè)采用二維模擬設計即可。
4、基于并行工程進行門窗系統(tǒng)設計的優(yōu)點
新門窗系統(tǒng)設計開發(fā)過程應當是將傳統(tǒng)的串行方式轉換成并行工程方式，借助當代先進的計算機輔助設計(CAD)及網(wǎng)絡通信技術，將并行工程與我國制造企業(yè)生產(chǎn)實際情況相結合的產(chǎn)物，以便較快地應用于企業(yè)生產(chǎn)實際。這一模式有以下優(yōu)點。
1) 設計時間短。在數(shù)據(jù)庫建立好后，設計過程基本上以調用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為主，加以特殊要求的設計和計算機模擬，可以使設計更符合標準，通用性更強。從而使設計時間減少。
2) 產(chǎn)品質量高。通過計算機輔助模擬設計，可以達到90%的最終結果，使設計的成功性大大提高，質量趨于“零缺陷”，達到用戶滿意。
3)開發(fā)費用低。采用并行工程的方法進行設計開發(fā)過程中，只要有素質較高的人員和較高配置的計算機基本上就能滿足要求，而且中期不要再做多的投入。因為現(xiàn)行的產(chǎn)品設計變更都是在產(chǎn)品整個生命周期的后半部分發(fā)生的，這時發(fā)生的成本費用過高，流程與設計都難于改變。因此在前期設計開發(fā)階段的投入可以減少后期的更改費用，使總過程的費用最低。
總之，為了推動我國門窗及配套件的標準化、通用性，加快高性能的門窗在市場上的應用，基于并行工程的門窗系統(tǒng)設計方法是值得推廣的。
來源:北新集團建材股份有限公司 作者:謝富冬 |
