工程设计：基于项目的介绍

引用

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

章节概要

第四版约330页，分五部分共十七章，后附原型制作、工程制图和练习题三个附录。每章标题都配有该章要回答的问题，例如"客户对这个设计有什么要求？"或"我应该选择哪个设计？"。威立称本书让学生通过做设计项目来学习设计，适用于以项目为基础的一年级课程、正式的工程设计课程以及毕业设计项目。果汁容器在第1章和第4章中作为早期例子出现；另一个项目——为一名脑瘫学生设计的"丹伯里手臂支撑架"——则出现在第3章到第11章中除第10章以外的每一章。

第1章：工程设计

第一部分从交代背景开始。本章以果汁容器、公路桥梁和为残障学生设计的设施等为例，介绍任何设计中的三种角色（客户、用户和设计者）；建立工程设计的基本词汇（定义与前提、成功的衡量标准、形式与功能、系统、沟通），并指出设计要在实践中学习，而且必须作为项目来管理。

第2章：定义设计过程与案例研究

把设计过程呈现为一个不断提问的过程，介绍描述性模型和规范性模型，以及通过策略思考、正式设计方法、设计知识、分析与测试和反馈来指导设计过程的方式。一个关于显微喉部手术稳定器设计的案例研究展示了这一过程的实际运作。

第3–6章：问题定义——细化客户需求；明确目标；识别约束；确立功能

第二部分以四章问题定义开篇。第3章澄清最初的问题陈述，把客户需求整理为属性和目标。第4章构建目标树，用成对比较表对目标排序（包括个人排序和小组汇总），并制定衡量指标。第5章识别约束。第6章用黑箱与玻璃箱、拆解（逆向工程）、列举法和功能—手段树来确立功能，再把它们转化为设计规格，其中包括质量屋。

第7–8章：概念设计——生成设计方案；概念设计——评价设计方案并选择设计

第7章用形态矩阵、隐喻与策略思考、6-3-5法、C-草图法和画廊法生成设计空间，并讨论如何扩大或缩小设计空间。第8章用数值评价矩阵、优先勾选法和同类最佳表来选定设计。

第9–11章：以图形传达设计；原型制作与设计验证；以口头和书面方式传达设计

第三部分讨论沟通：草图和各类工程图纸；原型、模型与概念验证及其制作方法；口头报告、设计评审以及通过粗略提纲和主题句提纲写成的最终报告。

第12–14章：设计中的数学建模；设计中的工程经济；面向生产、使用与可持续性的设计

第四部分加入分析。第12章介绍建模的思维习惯和工具（量纲与单位、有效数字、量纲分析、理想化、守恒与平衡定律、串联与并联、机电类比），并应用于电池驱动的载物小车以及梯子横档的刚度与强度。第13章讨论成本估算和资金的时间价值。第14章讨论面向制造和装配的设计、可靠性与可维护性，以及包括生命周期评价在内的环境问题。

第15–17章：设计团队动力学；管理设计项目；设计中的伦理

第五部分转向人：组建和领导团队、建设性地处理冲突；用团队章程、工作分解结构、团队日历和进度监控来管理范围、进度和预算；以及以伦理规范为依据的设计者对客户、公众和职业的伦理义务。

附录A–C

原型制作实务（车间安全、材料、制作技术、紧固件）、工程制图实务（尺寸标注和几何公差）以及一组练习题。

核心概念

第一、二部分：设计过程与问题定义

• 客户、用户与设计者：构成每个设计问题框架的三种角色。
• 目标、约束与功能：设计应达成什么、必须遵守哪些限制、必须做什么。
• 成对比较表：通过两两比较对目标进行排序。
• 功能—手段树：把每项所需功能与实现它的可能手段联系起来。
• 设计空间：为某一问题生成的备选设计集合，可以扩大也可以缩小。
• 评价矩阵：按加权目标给备选方案打分，从而选定设计。

第三、四部分：沟通、建模与经济

• 原型、模型与概念验证：设计的不同实物表现形式，本书加以区分，因为它们各自回答不同的测试问题。
• 主题句提纲：每个条目对应一个段落的报告提纲。
• 量纲分析与集总参数：在不丢失物理本质的前提下简化设计问题的建模习惯。
• 资金的时间价值：比较发生在不同时间的成本和收益。
• 面向制造和装配的设计：使设计能够经济地制造和装配。

第五部分：团队、管理与伦理

• 团队章程与工作分解结构：界定项目范围、划分工作的工具。
• 建设性冲突：利用团队内部的分歧改进设计，而不是损害团队。
• 对客户、公众与职业的义务：伦理规范所处理的、可能相互冲突的责任。

评析

优点

• 围绕真实项目中的问题组织内容。 每章回答学生团队在相应阶段面临的问题，丹伯里手臂支撑架这一例子把一个项目从需求一路带到目标、功能、概念、图纸和最终报告。本书可以随项目逐周使用。
• 丰富的前期设计工具。 目录列出了大量用于问题定义和概念生成的具体方法：目标树、成对比较、衡量指标、功能—手段树、质量屋、形态矩阵、6-3-5法、C-草图法、画廊法以及三种评价方法。
• 不止于方法，覆盖整个项目。 沟通、原型制作、经济、面向生产与可持续性的设计、团队合作、项目管理和伦理都有涉及，还有关于车间安全、紧固件和公差的实用附录。
• 层次灵活。 威立把同一本书定位为适合一年级项目课程、正式设计课程和毕业设计项目。第四部分的建模实例为分析性更强的课程提供了基础。

局限

• 版本较旧。 第四版出版于2013年，计算机辅助设计、快速原型和数字协作工具都没有独立的章节；制图通过草图、图纸和手工尺寸标注规范来讲授。
• 建模内容入门性强。 数学建模只有一章，以小车和梯子横档为例。它展示了分析的思维习惯，但不能替代各专业的分析课程。
• 系统工程仅有轮廓。 系统只是在第1章作为设计词汇的一部分出现，本书并未在复杂系统的规模上讨论需求管理、体系结构或验证。

在课程中的定位

在系统工程书单中，本书是先于系统工程本身的项目层面设计入门。乔恩·霍尔特的 Systems Engineering Demystified 是另一个入口：一本关于系统、生命周期以及使用SysML的基于模型的系统工程的实用入门书。戴姆、利特尔和奥尔温讲的是小团队如何定义并解决一个设计问题；霍尔特则展示这类工作如何扩展到复杂系统。如果还没有做过设计项目，应先读戴姆。

随后是生命周期类教材：布兰查德和法布里基的 Systems Engineering and Analysis，以及科西亚科夫等人的 Systems Engineering Principles and Practice。它们的需求分析、概念探索和权衡方法，是本书问题定义和评价各章的推广。布德和米勒的 The Engineering Design of Systems 借助建模语言把需求和功能架构形式化。克劳利、卡梅伦和塞尔瓦的 System Architecture 是一本研究生教材，讨论早期的架构决策，而本书第3–8章提供了其小规模的初步版本。

如何使用本书

威立把本书面向以项目为基础的一年级课程、正式的工程设计课程和毕业设计项目的学生。大多数章节不需要技术背景；第12章用到初步的力学和电学概念（梯子横档的梁模型、电池和电机特性），因此大学物理入门知识在那里会有帮助。

• 一年级项目课程： 按项目进度依次阅读第1–11章和第15–16章：项目开始时读问题定义（第3–6章），项目中期读概念设计（第7–8章），接近尾声时读沟通与原型制作（第9–11章），团队组建之初读团队与项目管理（第15–16章）。
• 正式设计课程或毕业设计： 增加第四部分（第12–14章）学习建模、经济和面向生产的设计，并阅读第17章伦理。
• 附录： 进车间之前查阅附录A，准备图纸时查阅附录B；附录C提供练习题。

把丹伯里手臂支撑架当作模板：每读完一章，就为自己的项目做出对应的成果（目标树、约束清单、功能—手段树、形态矩阵、评价矩阵、图纸、报告提纲）。这一整套成果就构成了设计报告的骨架。