船舶三維總體布置設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究

陳鵬華，吳 坷

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 上海分部，上海 201108；2.上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108)

0 引 言

船舶總體布置設(shè)計(jì)，涵蓋內(nèi)容廣泛，涉及專業(yè)領(lǐng)域眾多，主要涉及包括總布置設(shè)計(jì)，型線繪制，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)力電氣系統(tǒng)配置，船舶裝置設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)等方面。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往存在某一項(xiàng)的設(shè)計(jì)影響到其他專業(yè)或方面設(shè)計(jì)的情況，進(jìn)而引發(fā)局部甚至總體的設(shè)計(jì)方案調(diào)整。更為關(guān)鍵的是，在應(yīng)用傳統(tǒng)的、經(jīng)典的二維平面設(shè)計(jì)手段過(guò)程中，布置空間不足或管路、電纜、結(jié)構(gòu)、設(shè)備發(fā)生干涉等重要問(wèn)題并不能即時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著工作的深入，問(wèn)題越晚暴露，牽涉范圍越大，對(duì)總體布置設(shè)計(jì)工作效率的影響越惡劣。為避免上述問(wèn)題，一方面對(duì)從業(yè)人員的素質(zhì)提出高要求，另一方面，設(shè)計(jì)手段的更新和提升勢(shì)在必行。

近年來(lái)，船舶行業(yè)逐漸引入三維設(shè)計(jì)手段，相比傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)，三維手段在總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中更加直觀，無(wú)論是早期的方案論證，還是工廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外開展了大量的應(yīng)用研究和實(shí)踐[1-4],[7-16]針對(duì)船舶總體布置設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容多，總體任務(wù)管理復(fù)雜的特點(diǎn)，本文開展相關(guān)研究，就傳統(tǒng)二維總體布置設(shè)計(jì)的體系進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以發(fā)揮三維化設(shè)計(jì)手段的優(yōu)勢(shì)。

1 總體布置設(shè)計(jì)基本任務(wù)分解

船舶總體，按照行業(yè)習(xí)慣，一般分為若干功能系統(tǒng)，如總（船型、航行性能和總布置）、船（船體）、機(jī)（動(dòng)力）、電（電氣）等部分[5]。為便于相關(guān)工作開展，并結(jié)合船上設(shè)備分類，進(jìn)一步將船舶總體分為總體、結(jié)構(gòu)、裝置、動(dòng)力、電氣、系統(tǒng)等，分別對(duì)應(yīng)總體性能和總布置、船體結(jié)構(gòu)、船舶裝置、船舶動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)、船舶電氣系統(tǒng)、船舶輔助系統(tǒng)。為敘述和理解方便，相應(yīng)以專業(yè)區(qū)分，即分別對(duì)應(yīng)為總體專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、裝置專業(yè)、動(dòng)力專業(yè)、電氣專業(yè)和系統(tǒng)專業(yè)。

總體布置設(shè)計(jì)工作以船舶總體的內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)，根據(jù)目前行業(yè)習(xí)慣，也按照不同專業(yè)的分工開展相關(guān)工作。

總體：總布置設(shè)計(jì)（坐標(biāo)系確定、船舶總體外形設(shè)計(jì)、線型確定、甲板分層、功能區(qū)域劃分、主隔壁劃分、艙面主要設(shè)備布置、艙室劃分）；

結(jié)構(gòu)：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（材料選用，結(jié)構(gòu)形式確定，強(qiáng)度校核）；

動(dòng)力：船舶動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)備布置和油管路布列設(shè)計(jì)；

電氣：船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)備布置和電纜布列設(shè)計(jì)；

系統(tǒng)：船舶輔助系統(tǒng)的設(shè)備布置和水、氣、風(fēng)等管路布列設(shè)計(jì)。

經(jīng)大量研究和工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，上述劃分方法目前對(duì)解決主要借助傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)手段的總體布置設(shè)計(jì)工作具有較好的效用。

而當(dāng)設(shè)計(jì)手段變革，運(yùn)用更加直觀的三維設(shè)計(jì)手段后，整船所有數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一平臺(tái)下管理，若仍以專業(yè)劃分工作體系，存在如下缺點(diǎn)：

1）不能直觀反映三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的二維平面布置設(shè)計(jì)，直觀考慮的是平面范圍內(nèi)的區(qū)域是否足夠，平面的布局往往限制了空間想象，而且平面信息畢竟有限，因此可按專業(yè)分工進(jìn)行布置設(shè)計(jì)工作。但是對(duì)于三維設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單來(lái)講，三維布置設(shè)計(jì)即是將產(chǎn)品三維可視化，由于三維布置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空間布局的全景可視化，為設(shè)計(jì)觀察者（即產(chǎn)品需方、設(shè)計(jì)者、建造者、檢驗(yàn)者等的統(tǒng)稱）帶來(lái)的總體直觀感受可以使之關(guān)心和關(guān)注更多總體信息，其首要關(guān)心的問(wèn)題往往不限于哪個(gè)特定的專業(yè)有哪些設(shè)備或者幾根管纜，而是某空間下布置了多少東西，即有什么設(shè)備、結(jié)構(gòu)尺寸怎樣、有多少管路或者有幾條電纜。

2）不能聚焦特定艙室下的布置設(shè)計(jì)

布置設(shè)計(jì)一般要解決的問(wèn)題主要就是空間利用問(wèn)題。例如某空間資源緊張的艙室，需要布放多個(gè)專業(yè)的設(shè)備及管路和電纜，按專業(yè)分工則各自為戰(zhàn)，以各自的專業(yè)需求為導(dǎo)向，一方面由于各專業(yè)設(shè)備之間沒(méi)有更多邏輯聯(lián)系，導(dǎo)致需要聚焦的特定艙室空間內(nèi)的設(shè)備種數(shù)難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，給布置設(shè)計(jì)工作帶來(lái)重大影響。另外，各設(shè)備布置和管纜布列以利于本專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)置為主要限定因素，不會(huì)優(yōu)先考慮特定艙室下的空間利用，因此按專業(yè)分工也將弱化三維布置設(shè)計(jì)的空間感，這對(duì)于發(fā)揮三維布置設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)是有失偏頗的。

3）增加干涉檢查工作量

三維布置設(shè)計(jì)應(yīng)以空間布局設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，即在既定的大框架下研究局部空間的布置設(shè)計(jì)合理性，具體可以簡(jiǎn)化為既定艙室空間內(nèi)考慮船體結(jié)構(gòu)的設(shè)備、管纜的布置設(shè)計(jì)。若以專業(yè)劃分工作體系，不同專業(yè)的設(shè)備必然從屬不同設(shè)計(jì)者，由于沒(méi)有統(tǒng)一的空間資源管控，很容易發(fā)生干涉，即每當(dāng)有新的設(shè)計(jì)者布放設(shè)備或管纜，就需要進(jìn)行一次干涉檢查（目視或計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查）。后續(xù)如有個(gè)別設(shè)備或管纜狀態(tài)變化，干涉風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步增大，對(duì)局部乃至總體布置設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。按專業(yè)分工導(dǎo)致局部空間的設(shè)計(jì)者過(guò)多，導(dǎo)致干涉檢查工作量增加，影響三維布置設(shè)計(jì)工作效率。

三維設(shè)計(jì)是以空間利用為導(dǎo)向的，傳統(tǒng)的按專業(yè)劃分的船舶總體任務(wù)分解體系不能適應(yīng)這種以空間感為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)手段。因此，需考慮對(duì)其進(jìn)行三維設(shè)計(jì)手段化的適應(yīng)性調(diào)整。有別于以往的專業(yè)優(yōu)先，為突出體現(xiàn)三維設(shè)計(jì)過(guò)程中的空間感，強(qiáng)調(diào)“艙室”這一局部空間概念，集合全船艙室布置工作并行于傳統(tǒng)的“總體”和“結(jié)構(gòu)”任務(wù)。除此之外，作為船舶的血管和神經(jīng)——管路和電纜，也作為船舶總體的另外2 個(gè)任務(wù)分支。船舶三維總體布置設(shè)計(jì)即分為總體、船體、艙室布置、管路和電纜五大組成部分。以此為基礎(chǔ)，再結(jié)合專業(yè)相關(guān)性，確定每個(gè)組成部分的工作內(nèi)容。

總體：總布置設(shè)計(jì)（建立全船坐標(biāo)系、構(gòu)建總體外形、甲板分層、功能區(qū)域劃分、主隔壁劃分、艙面主要設(shè)備布置、艙室劃分）；

結(jié)構(gòu)：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（材料選用，結(jié)構(gòu)形式確定，強(qiáng)度校核）；

艙室布置：不同艙室依專業(yè)相關(guān)性分派艙室長(zhǎng)（即艙室負(fù)責(zé)人）負(fù)責(zé)布置設(shè)計(jì)；

管路：管路的布列設(shè)計(jì)，主要分為油管路以動(dòng)力專業(yè)為主負(fù)責(zé)，水、氣、風(fēng)管路以系統(tǒng)專業(yè)為主負(fù)責(zé)；

電纜：電纜的布列設(shè)計(jì)，以電氣專業(yè)為主負(fù)責(zé)。

2 船舶總體布置設(shè)計(jì)一般流程

本文所及船舶總體布置設(shè)計(jì)主要是指基于總體設(shè)計(jì)[6]的一定成果開展的以布置設(shè)計(jì)為主的工作。顧名思義，布置即為布放、列置，狹義上是指設(shè)備的擺放，廣義上可擴(kuò)展為艙室乃至艙段的布局。但是無(wú)論狹義還是廣義，“布置”工作都需要在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行，如艙室布置需要基于相對(duì)確定的艙室空間尺寸，艙段布局需要基于相對(duì)確定的船型空間大小。因此，對(duì)于船舶總體布置設(shè)計(jì)需要的總體設(shè)計(jì)成果，也主要是指基本確定的船型，即船舶主尺度需要基本確定。

針對(duì)前述設(shè)計(jì)任務(wù)分解，船舶總體布置設(shè)計(jì)一般流程如圖1 所示。

圖1 總體布置設(shè)計(jì)一般流程Fig.1 A common process of general arrangement design

3 研究實(shí)例

3.1 準(zhǔn)備

1）船型

船型的確定需要基于船舶排水量、總體性能、總體布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多項(xiàng)總體指標(biāo)的綜合權(quán)衡循環(huán)迭代，其重要性和工作量不言而喻。為聚焦本次研究目的，利用現(xiàn)有船舶總體性能校核結(jié)果，略去船型、總體性能復(fù)核迭代的過(guò)程，采用經(jīng)評(píng)估總體性能較好的船型開展三維布置設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究。

2）軟件平臺(tái)

目前，船舶行業(yè)應(yīng)用的三維設(shè)計(jì)工具種類較多，企業(yè)、院校、研究所等不同單位的研究和應(yīng)用[7-12]也各有側(cè)重。本文從船舶總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，綜合考量建模功能、數(shù)據(jù)管理、資源庫(kù)匹配應(yīng)用和后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)等方面因素，選擇由法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的CATIA 三維設(shè)計(jì)軟件[13]作為本次研究的基本工具。為有效開展相關(guān)研究工作并為后續(xù)工程應(yīng)用提供良好支撐，對(duì)模型數(shù)據(jù)資源庫(kù)、干涉檢查、二維出圖等方面進(jìn)行二次開發(fā)。

3.2 研究?jī)?nèi)容

以某船舶確定的船體型線為基礎(chǔ)，按照?qǐng)D1 所示流程，對(duì)動(dòng)力艙段及主要設(shè)備布置、全船主要功能區(qū)域劃分、全船總體外形構(gòu)筑、甲板分層、主隔壁分隔以及艙室劃分等環(huán)節(jié)按序開展研究工作。

其間循環(huán)迭代工作紛繁復(fù)雜，如根據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)的仿真分析，該船尾段某主隔壁的初步設(shè)置將引起局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備不足。因此，結(jié)合相關(guān)區(qū)域內(nèi)功能布局以及具體艙室布置，改變?cè)撝鞲舯诘奈恢谩?/p>

對(duì)于具體艙室布置設(shè)計(jì)，由于其設(shè)備種數(shù)復(fù)雜，艙室劃分方案與該艙艙容空間需求不能匹配也時(shí)有發(fā)生，一般其影響范圍也較小，同一水密艙段內(nèi)臨近艙室的小幅布局調(diào)整即可解決。

由于設(shè)計(jì)手段和數(shù)據(jù)管理方式的變化，進(jìn)行三維總體布置設(shè)計(jì)時(shí)，以下幾點(diǎn)需著重考慮。

1）船舶總體區(qū)域劃分

為利于統(tǒng)籌資源和任務(wù)分解，首先須將整船分為若干區(qū)段。基于全船的大致功能區(qū)域劃分，并且考慮配電、通風(fēng)、防火等方面的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合對(duì)本船排水量量級(jí)、艙室數(shù)量、設(shè)備數(shù)量規(guī)模以及后續(xù)施工建造等方面因素的考慮，將全船分為五個(gè)總段區(qū)域，即全船自首至尾編號(hào)為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)。

2）艙室劃分

基于主隔壁劃分和艙室功能，對(duì)全船艙室進(jìn)行劃分。為便于后續(xù)艙室布置和三維數(shù)據(jù)管理，將全船艙室按大區(qū)域、所在甲板位置按序編號(hào)：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為A，B，C，D，E，則位于Ⅱ區(qū)域3 甲板自首數(shù)為12 號(hào)的艙室編號(hào)為B312。按此規(guī)則，編制艙室名稱編號(hào)對(duì)照表。

3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹建立

由于船舶三維總體布置設(shè)計(jì)分為總體、船體、艙室布置、管路和電纜五大組成部分，因此三維總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹第一層即為總體、船體、艙室布置、管路和電纜，如圖2 所示。

圖2 三維總體布置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹第1 層Fig.2 The first layer of structure tree for tridimensional general arrangement design

基于總體布置設(shè)計(jì)任務(wù)分解，以及全船大區(qū)和艙室劃分，“總體”分為坐標(biāo)系、主船體型面、上建型面、甲板分層、主隔壁、甲板及艙室劃分，“船體”、“艙室布置”、“管路”和“電纜”都依全船大區(qū)分為5 部分，結(jié)構(gòu)樹如圖3 所示。每個(gè)區(qū)域內(nèi)一般根據(jù)甲板及艙室名稱為依據(jù)進(jìn)一步劃分其具體任務(wù)組成。

4）基礎(chǔ)資源庫(kù)配置

進(jìn)行三維總體布置設(shè)計(jì)，全船區(qū)域和艙室分隔完成后，不僅要進(jìn)行主機(jī)等大型、唯一型設(shè)備設(shè)施的布置設(shè)計(jì)，還需要具體落實(shí)到結(jié)構(gòu)件、設(shè)備、管路及電纜的布置設(shè)計(jì)，這些基本構(gòu)件不僅數(shù)量巨大、種類繁多，而且經(jīng)常有不同設(shè)計(jì)者反復(fù)調(diào)用相同基本件的情況，復(fù)雜的布置設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)基本構(gòu)件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理提出了很高的要求。因此，這些基本構(gòu)件應(yīng)分別以合理的材料庫(kù)的形式配置在服務(wù)器中以備方便使用。

參考文獻(xiàn)[11-12]等的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，建立船體結(jié)構(gòu)件、管路及附件、電纜及附件等多個(gè)公共基礎(chǔ)資源庫(kù)。

另一方面，坐標(biāo)系、船型等全船總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中最為基本和重要的文件，也一般配置于通用幾何圖形資源庫(kù)。

5）干涉檢查

三維模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理使得程序自動(dòng)控制的干涉檢查[14]成為可能，提高了設(shè)計(jì)效率。根據(jù)預(yù)期輸出需求，對(duì)干涉檢查結(jié)果做出部分適應(yīng)性調(diào)整。

6）二維出圖

船舶行業(yè)作為傳統(tǒng)制造業(yè)，二維圖仍是其現(xiàn)場(chǎng)施工建造過(guò)程中主要的指導(dǎo)和參考依據(jù)，因此三維的總體布置設(shè)計(jì)手段需要擁有二維出圖[15-16]功能。

以某型滾柱導(dǎo)纜器為例，其三維模型如圖4（a）所示，應(yīng)用CATIA 出圖模塊可生成方向視圖如圖4（b）所示。根據(jù)視圖成像實(shí)際以及出圖需求，對(duì)CATIA 二維出圖功能進(jìn)行二次開發(fā)，修繕圖4（b）所示的切面連接線，得到如圖4（c）所示的二維工程圖。

圖3 三維總體布置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)樹Fig.3 The data management of structure tree for tridimensional general arrangement design

圖4 二維出圖示例Fig.4 An example of a two-dimensional drawing

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)三維設(shè)計(jì)手段在船舶總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行探討和研究，提出了三維總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本任務(wù)分解方案以及設(shè)計(jì)工作的一般流程，通過(guò)示例研究提出三維總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮的幾個(gè)環(huán)節(jié)。主要結(jié)論如下：

不同于傳統(tǒng)二維總體布置設(shè)計(jì)工作中以專業(yè)分工為基本任務(wù)的分解原則，三維總體布置設(shè)計(jì)工作的基本任務(wù)分解應(yīng)以空間利用為導(dǎo)向，全船總體布置設(shè)計(jì)基本任務(wù)分為總體、結(jié)構(gòu)、艙室布置、管路及電纜；

總體布置設(shè)計(jì)一般以基本確定的船型為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行主機(jī)等主要設(shè)備布置設(shè)計(jì)、全船主要功能區(qū)域劃分、全船總體外形構(gòu)筑、甲板分層、主隔壁劃分、艙室劃分、各專業(yè)仿真計(jì)算試驗(yàn)分析、甲板面積艙室容積計(jì)算等工作的循環(huán)迭代，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總布置的固化和總體布置設(shè)計(jì)工作的完成；

三維總體布置設(shè)計(jì)過(guò)程中全船數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)管理應(yīng)以全船的空間大區(qū)域的分解為基礎(chǔ)，再按一定規(guī)則對(duì)所及任務(wù)進(jìn)行組織編排，對(duì)艙室進(jìn)行編號(hào)，對(duì)通用、重要的數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行資源庫(kù)配置，并合理運(yùn)用和改善干涉檢查、二維出圖等重要的設(shè)計(jì)手段。

綜上所述，本文所述內(nèi)容對(duì)三維設(shè)計(jì)手段在船舶總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。