船舶全程3D一體化設計流程研究與實現

吉春正，趙 勇，田正軍，沈 杰，李 晨

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

船舶工程是復雜的系統工程，由許多功能不同的部分組成，各部分既相對獨立又聯系密切。相應地，船舶設計需要各專業多頭并進、綜合協調，過程非常復雜，需要有合適的設計模式支撐。3D一體化設計模式是用一個三維模型貫穿始終，實現數據同源、平臺統一，能有效解決復雜系統工程中的數據繼承和綜合協調問題。我國船舶行業對3D一體化設計模式開展了研究，如：袁俊等、沈童偉等、徐思豪等對NAPA、NUPAS、CADMATIC、TRIBON、CATIA等三維建模軟件在3D一體化設計中的應用或組合應用進行了深入研究，劉春華等、張繼勛等對船舶全程3D一體化設計或平臺搭建進行了深入研究。

但受設計理念、設計軟件或設計鏈限制，與真正貫通基本設計、詳細設計和生產設計的全流程3D一體化還有差距。2018年，工信部裝備司印發了《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃(2019—2021年)》，再次提出推進全三維數字化設計，實現基于統一三維模型數據庫的基本設計、詳細設計與生產設計協同。

為全面提升船舶設計質量、縮短周期、低成本，本文從新舊船舶設計模式對比入手，揭示全程3D一體化設計模式的核心特征和必要條件，然后以某系列客滾船實船成功應用為例，從實施基礎、設計流程和實船成效等方面系統闡述如何實現全程3D一體化設計，并指出未來的努力方向。

1 全程3D一體化設計模式的特點

傳統的船舶設計模式基于亞當·斯密的勞動分工理論，采用串行工程方法，一般將船舶設計分為幾個階段后按部就班地推進。該模式各設計階段割裂，信息傳遞2D-3D存在交替問題，易產生設計周期長、人為錯誤多、建造成本高的后果。全程3D一體化設計模式，不僅是設計手段的完善，更是設計理念的轉變，是一種基于“并行工程”理論的新模式。其特點如下：實現一個三維模型貫穿始終、不斷細化，避免重復勞動；實現重大技術協調前移，盡早解決施工問題，避免后期返工；實現設計階段搭接，交叉并行，縮短設計周期。

“并行工程”的完整概念于1988年提出，在航空、航天、汽車、電子、機械等領域取得了顯著收益，但在船舶與海洋工程領域推進緩慢，是因為全程3D一體化設計模式實現需要具備3個必要條件：

(1)需要先進設計軟件支撐。需要在CAD、CAM、CAPP等技術支持下，將原來分別進行的工作打破時間和空間的隔閡，實現并行交叉和盡早開始。

(2)需要集中式技術管理。往往需要實施單位幾乎掌控全設計鏈，以統一協調設計資源，實現全局優化。

(3)需要集中式項目管理。需要強化供應鏈管理，以保證資料納期和設計輸入；需集中式項目管理，以便對糅合技術、商務、采購的項目風險快速決策，推進項目進程。

2 實船全程3D一體化設計的實現

設計某復雜的客滾船系列(5型9艘)項目時，一方面空間狹小，造成設備、管線布置比較困難，需要各專業在設計中盡早協調；另一方面由于安全返港要求，核心系統環線或冗余布置要求各專業各區同步推進。因此，為解決上述問題，決定在該系列船設計中推進全程3D一體化設計模式。因為該項目結構設計工作量更大、支撐軟件更成熟、受資料輸入影響更小，所以首先推進結構3D一體化設計。

2.1 設計軟件的選擇

著眼船舶設計全流程，對目前主流的船舶3D設計軟件(NAPA、NUPAS、CATIA、AVEVA MARINE等)進行了調研并分析對比，最終為實現完全由一個結構3D模型貫穿始終，選擇AVEVA MARINE作為軟件平臺。

2.2 集中式項目管理的建立

為管控好該項目，建立了集中式項目管理體系，包括監管層、管理層和執行層，見圖1。該體系監管層為督導委員會，負責重大戰略決策；管理層為項目管理中心，負責項目集中式管理；執行層為各系列項目組，負責項目具體實施。

圖1 集中式項目管理團隊示意圖

2.3 集中式技術管理團隊的成立

在擁有完整的設計鏈基礎上，成立了集中式技術管理團隊，統籌協調集團內設計資源，最大程度地控制計劃、進度、成本、質量和風險，以實現全局優化。設計團隊從世界各地通過AVEVA的Global功能在統一平臺上并行工作，見圖2。

圖2 集中式技術管理團隊示意圖

同時成立集中式3D一體化工作組，形成了體系完整的技術保障和實施團隊，見圖3。其中：各一體化小組負責項目的具體實施；部件庫小組負責統一全設計流程的標準部件庫、命名規則、設計節點和施工基準；二次開發組負責提升建模出圖效率的工具開發；技術支持小組負責全流程三維設計平臺搭建。

圖3 集中式3D一體化設計組示意圖

2.4 結構3D一體化設計流程的實現

經充分測試，建立了完善的結構3D一體化設計流程：系統配置及區域劃分等前期策劃→基本設計3D建模→基本設計3D模型拆分(生成有拓撲關系的生產設計3D模型)→基本設計和生產設計3D模型交互設計(引入船東船檢意見和船廠各專業重大協調)→斷開基本設計和生產設計3D模型鏈接→基本設計模型作為后續改型船的基礎，生產設計模型增加工藝信息完成生產設計。結構3D一體化的設計流程見圖4。

圖4 結構3D一體化設計流程

該流程實現了各設計階段互相搭接，交叉并行。需要注意的是，傳統的生產設計被分為交互設計和工藝設計兩個階段，交互設計主要完成詳細送審設計關注的結構形式、構件尺寸、重大協調等內容。

2.5 電氣3D一體化設計流程

經過測試，初步建立了電氣3D一體化流程，實現了1D→2D→3D的一體化設計模式。各設計階段互相承接，不斷細化，設計流程見圖5。

2.6 管系(含通風)3D一體化設計流程

目前，由于AVEVA軟件功能及二次開發能力的限制，管系(含通風)3D一體化設計效率較低，但設計流程清晰：實現從1D→2D→3D系統設計模型→3D生產設計模型。詳細設計流程見圖6。

圖5 電氣3D一體化設計流程

圖6 管系(含通風)3D一體化設計流程

3 實船實施過程

3.1 結構3D一體化設計

結構專業的并行設計，是按照設計區域分工進行的。全船結構根據功能區劃分為若干設計區域，再分為若干基本設計模型總段(根據船廠總段劃分圖)。每個基本設計總段模型可隨后拆分成若干的生產設計分段模型。拆分后，2個模型具有拓撲關系，任一模型修改，另一模型會收到更新通知，確認后可同步更新，實現交互并行設計。

3.2 大舾裝并行設計

受設計軟件不成熟和設備資料納期滯后限制，除電氣專業，舾裝、管裝、通風專業并未采用1D→2D→3D的真正3D一體化模式，而是利用各設計階段大舾裝數據庫共源的特點，提前進行3D建模和瓶頸空間協調。

3.3 實施效果

相比傳統設計模式，3D一體化設計模式的優勢如下：

(1)節約結構建模工作量約1/2，約占總工作總量的1/18。

(2)節約生產設計協調工作量約1/6，約占總工作總量的1/18。

(3)實現一個模型貫穿始終，避免了重復勞動，避免了人為錯誤，減少了生產返工。

(4)多方異地協同，設計協調提前，避免重大失誤和返工等。

(5)設計標準統一，模型數據繼承，各階段設計搭接，設計周期縮短約2個月。

4 結論

根據實踐經驗，對未來努力方向有如下建議：

(1)全三維數字化設計應涵括所有專業，建議3D一體化設計實施順序：結構→舾裝→通風→電氣→輪機。

(2)要貫徹全程3D一體化設計“并行交叉、盡早開始”的精髓，必須打破專業內各階段的隔閡，實現各階段模型繼承；必須打破同階段專業間的隔閡，實現專業間設計同步；必須打破設計本身與外部的隔閡，實現設計輸入及時、項目決策高效。

(3)初步建立全程3D一體化流程后，重點在于強化集中式項目管理體系和技術管理體系，以達到設計/生產/管理一體化，實現精益造船。