基于三維設計軟件的電纜管協同設計

黃 夏，高麗浚

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海200129）

1 前言

船舶電纜應盡量避免在易燃、易爆和有腐蝕性氣體影響的場所（如蓄電池室、油漆間、直升機機庫、加油站等）、易受機械損傷的場所（如貨艙、錨鏈艙、露天甲板、艙底花鋼板下等）敷設，對于必須進入或穿越這些場所的電纜，必須設置電纜保護管。目前在電纜管協同設計中，設計人員通過二維平面圖樣進行信息交流，經過復雜、繁瑣的設計協調，才能完成電纜管的設計出圖工作。

本文以電氣專業與管系專業之間的電纜管協同設計為研究對象，研究在三維軟件中實現電纜管協同設計的流程與管理方法；通過構建三維環境下電纜管設計管理系統，實現跨專業信息傳遞、模型數據轉換以及設計狀態管理。研究成果在實船中得到驗證，表明該設計流程模式的革新有效提高了電纜管的設計質量與效率。

2 電纜管協同設計現狀

目前電纜管協同設計的流程是：電氣設計人員在三維模型中創建電纜通道模型并完成與結構、管系、外舾等專業間的綜合布置平衡，將最終確定的電纜通道模型以CAD 二維圖樣形式導出，提交給管系專業協同出圖。二維圖樣中需詳細標注電纜管的安裝位置、外徑、材料等信息；管系專業以遞交的二維圖樣信息和設計管理協作單為依據，在三維模型中進行二次建模，完成電纜管設計工作；電纜管設計過程中，電氣專業與管系專業之間的信息傳遞、協調是非數字化的，只能通過一定的信息交換和協同機制，分別各自完成電纜管的協作設計[1]；設計過程中涉及到大量的溝通協調，存在諸多影響設計效率的因素，其中主要有以下兩個問題：

（1）線下數據傳遞效率低。管系專業與電氣專業之間的信息交互是循環迭代的[2]，二維平面圖樣只提供平面投影，無法直觀反映電纜管在空間中的立體結構；協同設計過程中電氣專業與管系專業需要對電纜管的結構、物資信息以及空間布置不斷地進行線下交流。因此，基于二維平面圖樣的靜態數據信息，不能保證設計的實效性與連續性；

（2）電纜管協同設計不能實現自動化、批量化。電纜管信息龐雜，如何利用電氣專業已建立的模型數據信息，解決跨專業信息傳遞與模型快速構建，實現電氣專業與管系專業的模型信息共享和重用，有效減少不同專業設計人員重復錄入模型數據信息的工作量，是提升電纜管設計效率的主要因素。

3 電纜管數字化協同設計方案

目前在三維設計系統中，管系專業與電氣專業以區域為對象進行建模，產生的模型數據按照區域為單位進行保存，不同專業之間的模型數據無法直接調用，因此要實現數字化協同設計，必須解決以下關鍵技術：產品建模、工作流程管理[3]。

3.1 電纜管協同設計技術路線

在分析三維設計軟件現有技術功能的基礎上，采用以電纜通道為中間對象，完善模型信息和三維建模功能，作為電氣和管系兩個專業間協同設計的依據。采用的電纜管協同設計技術路線，如圖1 所示。

圖1 電纜管協同設計技術路線圖

3.2 電纜通道建模

在管路定義系統和電纜通道建模系統中，增加關聯電纜管信息的管理系統：

（1）電氣與管系兩個專業之間的設計人員，協商添加管子系統原理定義。在管系原理中，需增加獨立的電纜管系統名稱并制定系統代號；

（2）電氣專業增加電纜管定義功能，即在電氣纜通道屬性中增加管子系統的管路原理代號、材質、通徑、壁厚等信息，用于保存設計人員選擇管路原理記錄號；

（3）電氣專業根據設備的電纜型號和規格，獲取電纜截面面積信息，通過管子系統中定義的管路原理，選擇相匹配的管子通徑大小；根據電氣設備模型的三維坐標，結合船體結構、艙室屬性、相關舾裝件等布置情況，繪制電纜通道連接兩個設備，并標識電纜在三維空間中的走向，以上信息保存在電纜通道數據結構中。

3.3 管路自動生成

在電纜通道中設定管路屬性后，管系設計人員指定電氣模型文件，應用程序自動搜索模型文件中的電纜通道，對通道中有標識的模型進行處理：根據管路原理號設定管子通徑、壁厚，根據通道節點自動生成管子路徑。在此基礎上，管路可以批量自動處理，設計人員后期只需在管路上添加支架、管夾等管附件。

管系專業負責定義管路原理數據，以及交互建模界面中的控件顯示（包括系統、材質、通徑、壁厚）的初始化工作。

3.4 協同設計申請管理

電纜管協同設計申請管理，是為了實現專業間電纜管數據共享和技術狀態管理。電纜管協同設計申請管理，主要有以下幾個步驟：創建、遞交、接受、新增或修改、再次遞交、接受、完成；當電氣設計人員完成電纜通道創建后，遞交管系專業，管系專業接受并完成電纜設計，管系專業可以鎖定區域電纜管提交功能，表示該電纜管設計工作已閉環。

4 功能實現及應用

基于三維體驗平臺，對電纜管數字化協同設計技術進行二次開發，得到可交互的電纜管協同設計系統，主要包括以下幾方面：

（1）管系專業根據管路規格，在三維系統中定義管路原理；管系專業根據電纜管所在場所的環境性質，定義電纜管路的材質。如儲存危險物品的場所、易受機械損傷的場所，選用無縫鋼管（20#）；特殊類型電纜（如消磁電纜）需要穿越水艙的，選用無縫不銹鋼管（316L）等；根據管路不同的材質，定義相應的電纜管通徑范圍和管路代碼，以及與電纜管配套管附件等信息；

（2）電氣設計人員根據電氣系統圖關聯兩個設備的電纜型號和規格，獲取電纜截面面積信息；通過管系系統定義的管路原理及管路所處的環境，選擇相匹配的管路屬性（包括系統、材質、通徑）；結合船體結構、管子管路、通風系統等各舾裝件的布置情況，用電纜通道標識兩個設備之間在三維空間中電纜走向，如圖2 所示。

圖2 電氣專業創建的電纜通道

（3）電氣設計人員標識已完成的電纜通道，并向管系專業提交電纜通道的模型數據，明確需要提交管系專業的電纜管的詳細信息；

（4）管系設計人員在三維軟件中指定電氣模型文件，應用程序將自動搜索模型文件的電纜通道數據，對通道中有標識的模型進行處理，根據電纜通道設定的管路原理信息和電纜通道路徑數據自動生成電纜管路徑；

（5）當電纜管設計狀態發生變化時，電氣設計人員通過電纜管協同設計申請單標記需要修改的電纜管號，并再次向管系設計人員執行提交電纜管信息的操作，管系設計人員接收電纜管修改內容并重新生成新的電纜管路；

（6）對于彎頭多、管路長的電纜管，設計人員采用電纜通道切斷的方式，來約定此處需要設置氣密伸縮套管；在后續的設計工作中，管系設計人員只需完成進添加彎頭、支架等設計工作；電纜管的零件生成、托盤編輯以及出圖出表要求和方式，與其他系統管子的處理方式一致，生成的托盤管理表和安裝圖也與其他系統的管子在一起，不做特殊處理；管系設計人員通過鎖定該區域電纜管協同設計申請功能，表示對于該區域電纜管協同設計狀態已完成。

5 應用效果

在某船的生產設計中采用了三維設計軟件電纜管協作功能，進行電纜管的生產設計工作，高效完成全船34 間艙室2 568 路電纜排管設計。應用該方法不僅節約了三維數據轉化二維圖紙再轉化成三維模型的工作時間，提高了工作效率，并且還大大提高了設計圖紙的正確率。

（1）提高設計效率與質量

由于省去了二維圖樣轉化的過程，在三維設計系統中將電纜通道直接轉化為電纜管，電纜管的設計直觀簡潔，避免了設計人員之間的溝通，電纜管設計質量有效提高；設計建模過程中的排管修改和優化方案，電氣設計師直接在三維模型中修改，并實時反饋于管系設計人員，反饋及時率提高2 倍，減少了人力資源投入和工作量。

（2）具有廣泛適用性

通過電纜管數字化協同設計功能的應用，實現了從模型數據到設計過程的全新集成鏈路；電纜管設計建模中間狀態數據全程記錄、可追溯，有效實現了協同設計過程的跟蹤管理；數字化協同設計流程，適用于各種不同船型的電纜管設計，具有較高的推廣價值。

6 功能改進及建議

（1） 功能改進

在已實現的電纜管協同設計功能基礎上,可以進一步優化該設計流程中排管申請狀態管理。如在排管申請單中，增加執行步驟（新增、刪除、修改、完成等過程）的狀態顯示，避免電纜管重復提交等問題，減少后續的交互環節。目前針對相關功能的優化正在進行研究開發，相信電纜管協同設計系統將會更加完善,為專業協同設計提供更好的技術支撐。

（2）建議

對于三維軟件系統來說，跨專業協同設計模式的開發和應用具有通用性。船舶數字模式里面的項目數據基礎，可以被多數部門一起分享，通過二次開發，建立更多的關系型數據庫，將基礎工程知識融入已有專業建模技術[4]，為今后多專業協同設計的策劃與應用提供參考依據。

7 結語

在船舶大型化發展趨勢下，船上特殊環境中電纜管的數量越來越多，傳統的電纜管協同設計流程已不能滿足大量電纜管協作設計的需求。經過實船驗證，基于三維軟件的電纜管協同設計，突破了專業間數據共享的障礙，省去了二維圖樣轉換成三

維模型的過程，電氣與管系專業間的協調與溝通直觀簡潔，并且實現了批量電纜管設計，為設計人員提供了更便捷、高效的設計操作，有效縮短電纜管協同設計周期，為有序推進電纜管協同設計提供了有力的技術保障。[5]