工学設計：プロジェクトベース入門

引用

Dym, C. L., Little, P., & Orwin, E. J. (2013). Engineering Design: A Project-Based Introduction (4th ed.). Wiley.

章の要約

第4版は約330ページで、五部17章からなり、試作、工学製図、演習問題の付録が続く。各章の題には、その章が答える問い、たとえば「クライアントはこの設計に何を求めているのか」「どの設計を選ぶべきか」が添えられている。ワイリーは本書を、学生が設計プロジェクトを実際に行うことを通じて設計を学ぶための本と説明し、プロジェクト型の1年次科目、正規の設計科目、キャップストーン・プロジェクトのいずれにも適しているとしている。ジュースの容器が第1章と第4章で初期の例として使われ、ひとつのプロジェクト、すなわち脳性まひのある生徒のための「ダンベリー・アームサポート」が、第3章から第11章まで第10章を除くすべての章に登場する。

第1章：エンジニアリングデザイン

第1部は文脈を設定することから始まる。この章は、あらゆる設計における三つの役割（クライアント、ユーザー、設計者）を、ジュースの容器、高速道路の橋、障害のある生徒のための施設といった例とともに導入する。工学設計の語彙（定義と前提、成功の尺度、形態と機能、システム、伝達）を築き、設計は実際にやってみることで学ばれ、プロジェクトとして管理されなければならないと論じる。

第2章：設計プロセスの定義と事例研究

設計プロセスを問いかけのプロセスとして示し、記述的モデルと規範的モデル、そして戦略、正式な設計手法、設計知識、解析と試験、フィードバックによってプロセスに情報を与える方法を扱う。微細喉頭手術用スタビライザーの設計という事例研究が、プロセスの実際を示す。

第3〜6章：問題定義――顧客要求の詳細化／目的の明確化／制約の特定／機能の確立

第2部は問題定義の4章で始まる。第3章は最初の問題記述を明確にし、顧客要求を属性と目的として整理する。第4章は目的ツリーをつくり、一対比較表で目的に順位をつけ（個人とグループの両方について）、評価指標を開発する。第5章は制約を特定する。第6章はブラックボックスとグラスボックス、分解（リバースエンジニアリング）、列挙、機能―手段ツリーによって機能を確立し、それを品質の家（ハウス・オブ・クオリティ）を含む設計仕様へと変える。

第7〜8章：概念設計――設計代替案の生成／概念設計――設計代替案の評価と設計の選択

第7章は、形態チャート、比喩的・戦略的思考、6-3-5法、Cスケッチ法、ギャラリー法によって設計空間を生成し、設計空間の広げ方と狭め方を論じる。第8章は、数値評価マトリクス、優先チェックマーク法、ベスト・オブ・クラス表によって設計を選ぶ。

第9〜11章：図による設計の伝達／設計の試作と検証／口頭と文書による設計の伝達

第3部は伝達を扱う。スケッチと工学図面の諸形式、試作品・モデル・概念実証とその製作方法、そして口頭発表、デザインレビュー、最終報告書（大まかなアウトラインとトピックセンテンス・アウトラインを経て書かれる）である。

第12〜14章：設計における数学的モデル化／設計における工学経済／生産・使用・持続可能性のための設計

第4部は解析を加える。第12章はモデル化の考え方と道具（次元と単位、有効数字、次元解析、理想化、保存則と収支則、直列と並列の接続、機械―電気のアナロジー）を展開し、電池駆動の運搬台車と、はしごの横木の剛性と強度に適用する。第13章はコスト見積もりと貨幣の時間価値を扱う。第14章は製造と組立のための設計、信頼性と保守性、ライフサイクルアセスメントを含む環境問題を扱う。

第15〜17章：設計チームのダイナミクス／設計プロジェクトの管理／設計における倫理

第5部は人に目を向ける。チームの形成と統率、建設的な対立の扱い方。チーム憲章、作業分解構成（WBS）、チームカレンダー、進捗の監視による範囲・日程・予算の管理。そして倫理綱領に基づく、クライアント、公衆、専門職に対する設計者の倫理的義務である。

付録A〜C

試作の実際（工作室での安全、材料、製作技法、締結具）、工学製図の実際（寸法記入と幾何公差）、そして演習問題集。

主要概念

第1〜2部：設計プロセスと問題定義

• クライアント、ユーザー、設計者：あらゆる設計問題の枠組みとなる三つの役割。
• 目的、制約、機能：設計が達成すべきこと、守るべき限界、しなければならないこと。
• 一対比較表：目的を二つずつ比較して順位をつけること。
• 機能―手段ツリー：必要な各機能を、それを実現しうる手段と結びつけること。
• 設計空間：ある問題について生成された代替案の集合。広げることも狭めることもできる。
• 評価マトリクス：重み付けした目的に照らして代替案を採点し、設計を選ぶこと。

第3〜4部：伝達、モデル化、経済

• 試作品、モデル、概念実証：設計の異なる物理的表現。それぞれが異なる試験上の問いに答えるため、本書は区別している。
• トピックセンテンス・アウトライン：各項目が一段落に相当する報告書の構成案。
• 次元解析と集中定数要素：物理を失わずに設計問題を単純化するモデル化の考え方。
• 貨幣の時間価値：異なる時点で生じる費用と便益を比較すること。
• 製造と組立のための設計：経済的に製造・組立ができるように設計を形づくること。

第5部：チーム、管理、倫理

• チーム憲章と作業分解構成：プロジェクトの範囲を定め、作業を分割する道具。
• 建設的な対立：チーム内の意見の相違を、集団を損なうのではなく設計を改善するために使うこと。
• クライアント、公衆、専門職への義務：倫理綱領が扱う、競合しうる責務。

批判的分析

長所

• 実際のプロジェクトの問いに沿った構成。 各章は学生チームがその段階で直面する問いに答え、ダンベリー・アームサポートの例が、要求から目的、機能、概念、図面、最終報告書まで一つのプロジェクトを運ぶ。プロジェクトと並行して週ごとに使うことができる。
• 初期設計のための豊富な道具。 目次には問題定義と概念生成のための具体的な手法が数多く並ぶ。目的ツリー、一対比較、評価指標、機能―手段ツリー、品質の家、形態チャート、6-3-5法、Cスケッチ法、ギャラリー法、そして三つの評価手法である。
• 手法を超えてプロジェクト全体へ。 伝達、試作、経済、生産と持続可能性のための設計、チームワーク、プロジェクト管理、倫理がすべて扱われ、工作室での安全、締結具、公差についての実用的な付録もある。
• 柔軟なレベル。 ワイリーは同じ本を、1年次のプロジェクト科目、正規の設計科目、キャップストーン・プロジェクトに適したものとして示している。第4部のモデル化の例は、より解析的な科目の土台になる。

短所

• 古い版。 第4版は2013年のもので、CAD、ラピッドプロトタイピング、デジタルな協働ツールには独立した章がない。製図はスケッチ、図面、手作業での寸法記入の約束事を通じて教えられる。
• モデル化は入門的。 数学的モデル化は、台車とはしごの横木に基づく1章だけである。解析の習慣は示すが、各分野の解析科目に代わるものではない。
• システム工学は輪郭だけ。 システムは第1章で設計の語彙の一部として登場するが、複雑なシステムの規模での要求管理、アーキテクチャ、検証は扱わない。

コースにおける位置づけ

システム工学の書目のなかで、本書はシステム工学そのものに先立つ、プロジェクトレベルの設計入門である。ジョン・ホルトの Systems Engineering Demystified がもう一つの入口で、システム、ライフサイクル、SysMLを用いたモデルベースシステムズエンジニアリングへの実践的な入門書である。ダイム、リトル、オーウィンは小さなチームが一つの設計問題をどう定義し解くかを教え、ホルトはその作業が複雑なシステムへとどう拡大されるかを示す。まだ設計プロジェクトを経験していない場合は、ダイムを先に読むとよい。

その後にライフサイクルの教科書が続く。ブランチャードとファブリッキーの Systems Engineering and Analysis と、コシアコフらの Systems Engineering Principles and Practice である。これらのニーズ分析、概念の探索、トレードオフの手法は、本書の問題定義と評価の章を一般化したものにあたる。ビューデとミラーの The Engineering Design of Systems は、モデリング言語を使って要求と機能アーキテクチャを形式化する。クローリー、キャメロン、セルヴァの System Architecture は、初期のアーキテクチャ上の決定を扱う大学院向けの教科書で、第3〜8章はその小規模な最初の形を与えている。

本書の使い方

ワイリーは本書を、プロジェクト型の1年次科目、正規の工学設計科目、キャップストーン・プロジェクトの学生に向けている。ほとんどの章は技術的な予備知識を必要としないが、第12章は初歩的な力学と電気の考え方（はしごの横木の梁モデル、電池とモーターの特性）を使うので、そこでは入門物理が役に立つ。

• 1年次のプロジェクト科目： 第1〜11章と第15〜16章を、プロジェクトの進行に合わせて順に読む。始めに問題定義（第3〜6章）、中盤に概念設計（第7〜8章）、終盤に伝達と試作（第9〜11章）、そしてチームが結成される最初の時期にチームとプロジェクト管理（第15〜16章）。
• 正規の設計科目やキャップストーン： モデル化、経済、生産のための設計について第4部（第12〜14章）を、倫理について第17章を加える。
• 付録： 工作室での作業の前には付録Aを、図面を準備するときには付録Bを参照する。付録Cには演習問題がある。

ダンベリー・アームサポートを手本として使うこと。各章を読んだら、自分のプロジェクトについて対応する成果物（目的ツリー、制約リスト、機能―手段ツリー、形態チャート、評価マトリクス、図面、報告書のアウトライン）をつくる。完成した一式が設計報告書の骨格になる。