Формирование идеи проектного решения

И инженерный анализ

Идея решения инженерной задачи возникает в голове проектировщика на основе информации, содержащейся в задании на проектирование, в обзорах технической литературы по проблеме и сборников изобретений, анализа доступных проектных материалов по аналогичным объектам и нормативно-технической литературы, личного опыта проектировщика и его коллег.

На ранних стадиях формирования идеи действует, как правило, закон психологической инерции – стремление идти проторенной дорожкой (первые автомобили очень напоминали кареты для конных упряжек). Критический анализ возможных вариантов решений по старым подходам рождает необходимость принципиально новых подходов, иногда кажущихся фантастическими.

В процессе поиска необходимо мыслить широко, избегать поспешных решений, отыскивать новые идеи, радикально отличающиеся от предыдущих. Нельзя удовлетворяться первыми находками. Следует считать, что имеется лучшее решение, чем найденные.

Важнейшим видом творчества является изобретательство – воплощение научных идей в технические решения (изобретение) путем создания и внедрения принципиально новых технологических процессов, материалов, орудий труда, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения. В современных условиях изобретательство – обязательная часть творческого процесса разработки новых проектных решений.

Процесс изобретательства может быть условно разделен на пять этапов: подготовка к решению – накопление знаний и уточнение задачи; концентрация усилий – упорная работа с целью получить решение; передышка – период умственного отдыха, когда изобретатель отвлекается от решения поставленной задачи; озарение – получение искомого решения; доведение работы до конца – обобщение, логическая оценка, фиксация.

Эти этапы могут циклически повторяться полностью или отдельно, причем недооценка любого из них может оказаться вредной. Приведенная схема процесса не может научить изобретать, но помогает понять подход к творческому процессу изобретательства.

Преодоление психологической инерции на первом этапе проектирования абсолютно необходимо. Этот этап успешно может быть выполнен, если будет разрушена традиционная схема взглядов и представлений. Продуктивен при этом метод группового подхода (коллективного творчества), который может применяться при разработке новых идей и схем создания подземных сооружений. Его иногда называют методом «мозгового штурма». Группу специалистов собирают для совместной работы, формулируют задачу и начинают свободный обмен мнений о путях решения поставленной задачи. Важнейшим требованием является получение большого числа идей, каждую из которых записывают на магнитофон, стенограмму и т.п. Необходимо свободно высказывать свои мысли, не заботясь о реальности их воплощения.

После прекращения процесса «мозгового штурма» начинают предварительный анализ идей. Естественно, большая часть идей будет отклонена, а оставшаяся может быть использована для проектирования. Весьма полезен и метод инверсии, состоящий в том, что при решении задачи рассматривают традиционный метод, а поступают наоборот. Задачу пытаются решить с противоположной или измененной позиции. Например, если в рассматриваемом устройстве деталь расположена вертикально (например, затвор гидротехнического тоннеля), то следует подумать о том, нельзя ли ее расположить горизонтально. Если одна часть движется, а другая неподвижна, то следует посмотреть, нельзя ли поступить наоборот. Например, при строительстве тоннелей горным способом чаще всего вначале проходят калотту и бетонируют свод, а затем разрабатывают штроссы в шахматном порядке и бетонируют стены, подводя их под свод (метод опертого свода). Можно принять обратное решение: вначале пройти штроссу, закрепить ее стены, а затем проходить калотту и возводить свод с опиранием его на готовые стены (метод опорного ядра). Такое решение при слабоустойчивых породах и больших размерах выработки может оказаться более целесообразным. При проходке выработок буровзрывным способом вначале обычно взрывают центральную часть, затем промежуточную и периферийную. Существует и обратная схема: вначале взрывают оконтуривающие шпуры, а затем центральные. Так осуществляется предварительное контурное взрывание.

Инженерный анализ выполняют с целью получения из множества возможных решений одного – наилучшего. Анализ выполняется поэтапно.

1. Подбирают наибольшее число возможных вариантов решения задачи и устанавливают количественные показатели для их сравнения.

2. Сокращают число сравниваемых вариантов до двух-трех из наиболее представительных.

3. Разрабатывают модели решения инженерных задач и выбирают методики расчета сопоставляемых характеристик моделей.

4. Находят наилучший (оптимальный) вариант решения задачи по одному или нескольким критериям оптимизации на основании расчетов технического и экономического характера. При этом используют теоретическую и методическую базы различных научных дисциплин (математики, вычислительной техники, сопромата, строительной механики, геомеханики, механики подземных сооружений, технологии строительства, экономики и др.)

Объектами сравнительных расчетов могут быть размеры сооружения или конструкции, их прочность, производительность предприятия или сооружения, календарные сроки строительства, потребности в ресурсах, стоимостные показатели и т.п.

Расчеты могут быть выполнены по степени точности – высокоточными (строгими) или приближенными, а по характеру представления результатов – численными или графическими. Расчетную методику выбирают с учетом степени точности исходной информации, значимости объекта проектирования, имеющихся вычислительных возможностей и ряда других факторов.

Расчетные методы, как правило, применяют не к самим реальным системам, а к их математическим моделям, степень приближения которых к натуре зависит от многих факторов: напряженного состояния, происхождения, строения, структурной ослабленности и обводнения массива пород; конструкции, способа, технологической схемы строительства подземного сооружения; режима его эксплуатации и т.п.

В тех случаях, когда получение точных решений невозможно или чрезмерно сложно, применяют приближенные, графические или численные методы.

Широкое распространение получил опытно-теоретический («экспериментально-аналитический») подход, при котором создается теоретическая модель с допущениями, позволяющими получить удобные для расчетов формулы. Отход от строгого теоретического решения компенсируется введением в формулы эмпирических коэффициентов, полученных в результате натурных экспериментов или физического моделирования.

Для проектировщика важным является умение подготовить исходные данные для решения практических задач с помощью готовых стандартных программ, которые разрабатываются специалистами.

Решение, полученное любым способом, можно проверить повторением вычислений в той же последовательности, расчетом обратным ходом, применением другого способа расчета.

Очень важно проверить физический смысл результата. Во-первых, уравнение целесообразно рассмотреть на соответствие размерностей входящих в него величин. Во-вторых, следует проверить соответствие результатов физическому смыслу уравнения при устремлении параметров к предельным значениям.

После проверки необходимо оценить совпадение результатов расчета с фактическими данными, полученными экспериментально.

Кроме оценки результата следует сделать обобщения с целью выявления возможностей его использования на других объектах подобного или иного типа. Например, весьма успешный опыт строительства в Санкт-Петербурге перегонных тоннелей метро щитовым комплексом КТ 1-5,6 с блочной железобетонной обделкой, разжимаемой на породу в лотковых блоках, был не менее успешно реконструирован для строительства канализационных тоннелей меньшего диаметра (4,05).