概念設(shè)計(jì)

高速列車，又稱為動車組。它的工業(yè)設(shè)計(jì)，首先是確定整體造型的創(chuàng)意思路。這是從感性入手的一個過程，我們采用了仿生學(xué)的設(shè)計(jì)原理。

高速列車的整體造型應(yīng)充分體現(xiàn)速度的特征，車頭是最為關(guān)鍵的部分。我們通過收集自然界在速度方面具有優(yōu)勢的動物，挖掘其流體動力學(xué)方面的關(guān)鍵特征，進(jìn)行抽象化，再將之提煉成車頭造型的主體設(shè)計(jì)要素。

我們挑選了在速度方面具有優(yōu)勢的若干種動物，從中縮小范圍在5種：海豚，鯊魚，蛇，豹，鷹。這5種動物除了在動力學(xué)方面的造型特點(diǎn)不同之外，在對應(yīng)“品格氣質(zhì)”方面也各不相同，海豚體現(xiàn)了智慧、親和，鷹對應(yīng)專注、精確，鯊魚對應(yīng)果斷，蛇對應(yīng)忍耐、冷靜，豹對應(yīng)著強(qiáng)悍。

我們做了10個概念設(shè)計(jì)方案，選出有代表性的5個方案，進(jìn)行概念模型構(gòu)建。很多人都坐過高速列車，但未必知道高速列車是怎么設(shè)計(jì)出來的。下文是“250公里城際動車組”主設(shè)計(jì)師、中國北車集團(tuán)唐山車輛廠工業(yè)設(shè)計(jì)中心主任劉慧軍在這篇文章中簡述了動車組的設(shè)計(jì)從創(chuàng)意構(gòu)想到工程實(shí)現(xiàn)的過程。

5個設(shè)計(jì)方案的數(shù)字模型出來后，只能在計(jì)算機(jī)上評估模型?，F(xiàn)在公司引進(jìn)3D打印機(jī)后，能直接打印比例模型，可以很方便地將模型帶到公司高層的辦公室或客戶手中進(jìn)行評估。

概念細(xì)化

將5個車頭模型進(jìn)行空氣動力學(xué)模擬計(jì)算，以頭車+中間車+中間車+頭車進(jìn)行編組。計(jì)算列車在正線運(yùn)行狀態(tài)、側(cè)風(fēng)狀態(tài)下、過隧道狀態(tài)下的空氣動力學(xué)性能。并進(jìn)行隧道壓力波計(jì)算，列車交會壓力波計(jì)算。

找出其中對空氣動力學(xué)影響較大的不利造型因素，對數(shù)字模型進(jìn)行修正。例如模型中現(xiàn)代感較強(qiáng)的鋒邊造型容易引起車體表面的氣體流動不順暢，產(chǎn)生渦流阻力，增加了列車的運(yùn)行阻力，于是把硬朗挺拔的鋒邊做了平滑柔化處理。修改后的模型如下圖：

由于觀念上認(rèn)為造型的特征是創(chuàng)意的亮點(diǎn)，因而工業(yè)設(shè)計(jì)師對于空氣動力學(xué)仿真工程師提出的意見開始時是有抵觸情緒的。但是，作為工業(yè)設(shè)計(jì)師在創(chuàng)意的同時也要站在經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能環(huán)保的立場考慮問題。

由于工業(yè)設(shè)計(jì)師對流體力學(xué)的理解不夠，在修正模型時往往修改不到位，造成多次修改。每修改一次，改后都要重新進(jìn)行空氣動力學(xué)性能比較評估。

制作風(fēng)洞試驗(yàn)用的比例模型，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，選出空氣動力學(xué)較優(yōu)的兩個方案。

最后，在綜合考慮整體的視覺效果并符合空氣動力學(xué)后，確定了鯊魚方案為最終方案。但鯊魚的腮部造型不利于空氣動力學(xué)和工藝造型。設(shè)計(jì)師覺得這個部位應(yīng)該用造型來體現(xiàn)，對于面的起伏和轉(zhuǎn)折可以小一些，應(yīng)該不會對空氣動力學(xué)有大的影響，但建議未被采納，于是改用了涂裝設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

工程轉(zhuǎn)化

在空氣動力學(xué)方案確定后，在工程化階段碰到了問題，包容車鉤及開閉機(jī)構(gòu)的鼻錐前端設(shè)計(jì)無法收起開閉機(jī)構(gòu)罩，這種狀況下又需要重新局部修正模型。為了保證車頭的曲面連續(xù)性，再次進(jìn)行了曲面的重新構(gòu)建（如下圖）。由于車頭造型不同于以往普通的圓錐形鼻尖，考慮兩列動車組聯(lián)掛狀態(tài)過曲線時，車鉤有18度的擺角，開閉罩收起后需讓出車鉤擺動空間。鼻錐曲面要適應(yīng)易于收起，于是對曲面進(jìn)行了再造修正。

在進(jìn)入工程階段時，碰到的問題就越來越多了。在進(jìn)行司機(jī)室內(nèi)部布局和造型設(shè)計(jì)時，先安排好車體骨架，布好駕駛臺，定好駕駛員座椅后，發(fā)現(xiàn)在滿足駕駛員觀看高低信號與駕駛員距離觀測窗的位置限定（500-1200毫米）之間有沖突，不能同時滿足必備的兩個條件：

按照GB5914.1-2000設(shè)計(jì)要求，機(jī)車司機(jī)室嘹望條件應(yīng)同時具備的兩個條件是：其一，司機(jī)應(yīng)能看見從車鉤連接線算起前方10米處或10米以外的高柱信號，高柱信號機(jī)應(yīng)置于軌道中心右側(cè)或左側(cè)2.1米處，高度距軌面8.2米；其二，司機(jī)應(yīng)能看見從車鉤連接線算起前方15米以內(nèi)的矮型信號，矮型信號機(jī)應(yīng)置于軌道中心右側(cè)或左側(cè)2.1米處，高度距軌面0.2米。

按照GB/T 6769-2000機(jī)車司機(jī)室布置規(guī)則，從司機(jī)眼睛到觀察窗的距離應(yīng)為500—1200MM，如下圖。

為了滿足駕駛員能夠同時觀看到高低信號的要求，最后的解決方案是，將風(fēng)擋玻璃稍微凹進(jìn)一點(diǎn)（如圖）。

在設(shè)計(jì)車燈時，采用LED大面積光源，方案如圖所示。

但是，這樣造成的工程困擾是，光線投射不夠集中。進(jìn)行光照分析發(fā)現(xiàn)，滿足不了軌面照度要求的大面積光帶（長1.3米，最寬處0.8米，最窄處0.4米）。主要問題是，駕駛員能夠看到部分光源，從而產(chǎn)生眩光。光帶采用大面積的LED陣列也可以達(dá)到要求，但不便于調(diào)整（為了照射軌面和對準(zhǔn)焦距）和維護(hù)（這么大數(shù)量的LED陣列從概率上講容易出現(xiàn)個別滅燈情況）。

在工程轉(zhuǎn)化過程中，還有其它的問題，例如由于在工程設(shè)計(jì)細(xì)化階段有所懈怠，結(jié)果造成檢查門造型太大、太過方正，未跟隨車頭形態(tài)的流動，如下圖檢查門位置。

動車組的設(shè)計(jì)，從創(chuàng)意構(gòu)想到工程實(shí)現(xiàn)，克服了很多困難。但同時，我們也收獲了很多經(jīng)驗(yàn)。

D： 250公單城際動車組的工業(yè)設(shè)計(jì)包括哪些方面？

劉慧軍：有外觀，有內(nèi)飾，但是內(nèi)飾設(shè)計(jì)被采用的不多。如果內(nèi)飾全部采用我們的方案，就會對引進(jìn)的德國設(shè)計(jì)改動很大。而我們的方案很難超越德國設(shè)計(jì)，他們的設(shè)計(jì)是經(jīng)過了十年的充分驗(yàn)證，而我們沒有那么多的時間去做，因此在內(nèi)飾設(shè)計(jì)上我們基本沿用了引進(jìn)的設(shè)計(jì)。但是，在整體外觀設(shè)計(jì)上，我們必須自己做，因?yàn)槲覀円鲎约旱钠放?。這款車的動力系統(tǒng)等主要方面是我們自主研發(fā)的。我們的外觀造型設(shè)計(jì)是成功的，我們的車在降低風(fēng)阻上比德國的車提高了很多，這是因?yàn)槲覀兊木€路運(yùn)行環(huán)境比他們的運(yùn)行環(huán)境要好，我們的車在高度上比他們的矮一些。

D：在250公里城際動車組的造型設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師與工程師的小同職責(zé)是什么？

劉慧軍：設(shè)計(jì)師的職責(zé)是要保持確定的創(chuàng)意感覺、形象特征保留下來。如果讓工程師來設(shè)計(jì)的話，設(shè)計(jì)出來的形象可能會都—樣。工程的特點(diǎn)是求唯一解，設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是求多解。所以，作為設(shè)計(jì)師我們要保證多解的可能性。比如工程師會從空氣動力學(xué)的角度要求把一些特征的東西抹平，而設(shè)計(jì)師會堅(jiān)持保留特征的意見，這種情況下，就需要工程師和設(shè)計(jì)師彼此理解和尊重，在可能的范圍內(nèi)達(dá)成一種平衡。其實(shí)，這也是一個相互學(xué)習(xí)的過程。比如動車設(shè)計(jì)的鋒邊處理，設(shè)計(jì)師就尊重工程師對空氣動力學(xué)上的要求，把最初設(shè)計(jì)的立體造型的鋒邊做了抹平處理，因?yàn)榭諝鈩恿W(xué)證明，如果不做這樣的處理，立體造型的鋒邊形成的側(cè)風(fēng)渦流會使列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下有翻車的危險。再比如，最初設(shè)計(jì)的仿鯊魚腮的造型是有立體形狀的，最后徹底取消了立體造型，改為涂裝條紋圖案處理，也是考慮到工程師提出的空氣動力學(xué)的原因。

作為工業(yè)設(shè)計(jì)師，如果你就局限在造型方面的話，那你就是個造型師了。作為一個工業(yè)設(shè)計(jì)師，要學(xué)會換位思考，一個產(chǎn)品如果不安全不舒適，就是再好看也不行，在指標(biāo)的優(yōu)先率上，安全是擺在第一位的。

D：您認(rèn)為設(shè)計(jì)師在創(chuàng)意時要同時考慮科學(xué)原理和工程實(shí)現(xiàn)的問題嗎？

劉慧軍：要考慮是一定的。但是，要先放開去想，不能一開始就去想工程實(shí)現(xiàn)、科學(xué)原理的問題，那可能很多東西就被抹殺掉了。在企業(yè)里面，有很多想法工程師會去幫你集中。在我們這里，有300多個工程師，我們設(shè)計(jì)師只有6個人。如果我們都不能放開思維，那產(chǎn)品的創(chuàng)意性就很小了。

D：請您就設(shè)計(jì)方法談?wù)劷?jīng)驗(yàn)或體會。

劉慧軍：我們的方法是，以工科的方法把藝術(shù)融合進(jìn)來。在我們這里，以前的方式就是畫圖，你畫的就是即時靈感。但怎樣把一個方案做多樣化呈現(xiàn)呢？現(xiàn)在我們是用理性的方法去做。對外形和特征的問題，我們用功能化的方法去分解。先把造型元素打散，再去找出他們的關(guān)聯(lián)關(guān)系，哪些地方可以分解、哪些地方可以穿插、哪些地方可以融合，然后根據(jù)不同的語義特征要求，比如跳躍的、彈性的、柔和的，再把這些元素組合出多種方案。這就是把“藝術(shù)”拆解了。

現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會有評審，評審時就不是只有設(shè)計(jì)師了，會有領(lǐng)導(dǎo)和工程師.他們會問方案好在哪兒？過去沒有計(jì)算機(jī)，說好就好?，F(xiàn)在有計(jì)算機(jī)了，有眼動儀可以證明人們的關(guān)注點(diǎn)會在哪里，可以給出理性的依據(jù)。

D：這個動車組設(shè)訃完后您有什么感受？

劉慧軍：就設(shè)計(jì)流程來說，從工業(yè)設(shè)計(jì)到工程實(shí)現(xiàn)，我們是邊做邊摸索，其中涉及到的東西太多，空氣動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)反復(fù)做，有時做完之后都有被否定。因?yàn)闋砍兜臇|西太多，事前制定流程時，有些東西是沒有想到的。項(xiàng)目開始時，我們覺得設(shè)計(jì)完成了就可以告一段落，繼續(xù)下一步了，其實(shí)沒有，可能只是到了1/10。在做風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時，正風(fēng)運(yùn)行、側(cè)風(fēng)運(yùn)行、兩輛車對開、隧道里面運(yùn)行、隧道里面對開等等都要做。其實(shí)有很多要素是相互制約的，比如開始時覺得車頭和車內(nèi)是沒有關(guān)系的，其實(shí)是有關(guān)系的，這些在做完實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)之后才認(rèn)識到的。因?yàn)椴粷M足，重新再來一遍的事情是常有的。

我們在引進(jìn)德國的技術(shù)時，設(shè)計(jì)原理他們是不告訴你的。所以，我們稍有改動，就要做很多實(shí)驗(yàn)。這個系統(tǒng)太龐大了，要把它做好，想不到的事情太多了，要做的工作太多了。我感覺最大的收獲是，我們獲得了很多非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)，很多經(jīng)驗(yàn)不做是不知道的。