船用工裝腳手架三維模擬搭設技術

馬 川

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

工裝腳手架在船舶海工領域應用廣泛，其低成本、高效率、高循環利用率等特點都為船舶建造和生產節省大量成本。隨著計算機技術、數字化技術和虛擬現實技術的快速發展，腳手架方案的設計形式已從單純的二維平面搭設方式發展到目前的三維模擬搭設方式。本文對船用工裝腳手架三維模擬搭設技術的設計方法、避碰干涉、成本效率等方面進行介紹，對三維模擬搭設的優缺點進行分析，并提出一種針對散貨船貨艙區域結構類型的工裝腳手架三維建模設計方法。

1 船用工裝腳手架的設計方式

船用工裝腳手架的設計方式與其他腳手架相同，均以二維平面設計為主，三維模擬設計僅用來參考示意。二維平面設計圖紙通常只能展示腳手架的搭設方式以及尺寸標注，而精度、細節、準確的物量統計等內容只能靠現場施工人員根據實際生產內容所產生的物料消耗進行確定。隨著計算機技術、數字化技術和虛擬現實技術的進一步發展融合，三維模擬搭設技術逐漸在船用工裝腳手架設計領域得到應用和普及[1]。

目前對于船用工裝腳手架的設計，大部分船舶制造企業采用“二維+三維”的設計模式，具體可從專業類別、施工階段和設計手段等3 個方面進行闡述。

1）專業類別

船用工裝腳手架設計從專業上屬于舾裝專業，但其設計過程需要綜合考慮全船各個專業的設備和零部件。

2）施工階段

工裝腳手架可根據輔助施工人員在分段制作、機電設備安裝、總段合龍、涂裝以及船臺搭載的各個階段進行提前布局，使工序前期的腳手架可在后期繼續使用，用于分段制作的腳手架同樣可用于涂裝作業或設備安裝。

3）設計手段

船用工裝腳手架設計由傳統的二維平面設計發展為二維、三維相結合的設計模式，即二維平面設計+三維碰撞干涉檢查。

2 三維模擬搭設技術

船用工裝腳手架三維模擬設計包含零件位置的確定、輔助連接肘板的選擇以及踏板鋪設方式的選擇等。設計方案主要包括施工/通行路徑模擬、物量和人工等成本信息統計，以及拆除狀態模擬等。設計過程最主要的問題是干涉，三維模擬搭設技術的主要作用正是降低干涉避碰問題出現的概率。

2.1 干涉避碰問題處理

在船用工裝腳手架的設計過程中，干涉避碰檢查及相應零件的調整工作往往要占據整個設計時間的1/5～1/4。腳手架是支撐各個專業生產施工的通道和平臺，只有當生產施工結束后，才能拆除腳手架。因此，腳手架的拆除工作是船體總裝下水前的最后一道工序。

在施工過程中，由于各個專業的施工進度以及設備和零部件的安裝階段不同，工裝腳手架往往需要進行多次重復性搭拆作業。管系對工裝腳手架的干涉情況見圖1，為提高對艙室內結構、設備與工裝腳手架干涉問題的檢查效率。利用三維模擬技術將全船的輔助零件模型化、仿真化，進而可直觀地檢查輔助零件與周圍結構和設備的間距、高度差等參數，最大程度上避免干涉問題的發生[2]。

圖1 以分段為單位的設計流程

2.2 腳手架干涉檢查

工裝腳手架研發設計的初衷是為了滿足大敞口貨艙區域的涂裝、焊接等工作的要求，隨著三維軟件技術和計算機硬件水平的不斷進步，工裝腳手架的應用區域也從大敞口的貨艙區域擴展到一些功能艙室和設備艙室。

在建立三維模型干涉檢查機制初期，由于工裝腳手架布置數量及其包含的零件種類眾多，且其大多采用螺栓把緊的形式，故工裝腳手架通常以點的形式參與到各個專業的干涉檢查之中[3]。確定工裝腳手架的搭設點位，專業設計人員對腳手架與周圍結構和設備間是否存在干涉，以及干涉范圍等信息進行評估。

3 存在的問題

三維仿真軟件的應用使船用工裝腳手架的設計向前邁進了一大步，但依舊存在以下3 點問題，提升空間很大。

1）由于船用工裝腳手架結構形式復雜多樣，三維仿真軟件尚未實現將船用工裝腳手架的零件和肘板等恰當組合。在組合零件和肘板時，主要依據設計者的經驗，因此，人為的不確定因素不可避免的成為系統設計方案水平高低的限制因素，只有提升軟件的智能化水平，將設計經驗、設計規則等約束融入軟件的智能化系統，才能解決這一問題。

2）由于艙室結構形式多樣，且艙室內設備繁雜，船用工裝腳手架避碰干涉的合理尺寸存在權重平衡問題，目前還是以設計者的經驗作為解決手段。

3）船用工裝腳手架的安裝方式也存在不可忽視的缺陷，艙室內部的搭設需要在相關聯的結構上焊接固定的輔助零件以形成支撐點，一旦輔助零件裝焊位置確定，那么搭設成型的工裝腳手架就無法移動，也無法調整方向。如果某個輔助零件周圍存在設備或者結構干涉而無法使用，那么為此零件設計的整個工裝腳手架通道或平臺就無法使用。利用三維軟件雖然可以檢查并避免干涉問題的發生，但其尚不能實現零件調整，只能靠設計者人工調整。

現階段，雖然設計者可通過三維軟件進行總體設計和生產設計，但由于交叉專業較多，各個專業設計進度不協同，不同專業的設備和零部件安裝階段不同等問題，目前還無法即時顯示零件的安裝狀態。因此，模型生成后需要特別注意碰撞、干涉等問題。

4 提高建模速度的方法

如何高效、快速地進行三維建模和方案設計是降低設計成本、提高設計效率的關鍵問題之一，本文提出一種針對散貨船貨艙區域結構類型的工裝腳手架三維建模設計方法，該方法將設計方式從以分段為單位改為以工裝腳手架零件類型為單位。方法的基本原理：減少單位時間的零件設計種類，化繁為簡，設計時只考慮一種零件的布置，避開其他零件的干擾，以及結構干涉等問題的影響。將不同零件的配合、零件與結構的干涉檢查等步驟單獨拎出，且滯后進行。在此情況下，設計者在進行操作時，注意力更加集中，只需要進行簡單的零件位置計算工作。

通常情況下，一般船舶的貨艙區域占整船體積的2/3 以上，結構形式也較為相似。而該類結構區域的工裝腳手架搭設形式也大同小異，所需要的零件類型較少，一般2～3 種即能滿足要求。因此，對于貨艙區域，以分段為單位進行腳手架設計較為得不償失。對于以分段為單位的設計（見圖2），每個設計人員需要同時應用2～3 種零件，不僅要考慮零件之間的搭配以及干涉檢查等工作內容，還要考慮分段之間的銜接及校對。這種設計模式占用時間長，設計難度高，對設計者本身的專業素養要求高。對于以工裝腳手架零件類型為單位的設計（見圖3），每個設計者只同時負責1 種零件的建模布置。只需要2～3 個設計者同步設計，之后將完整模型交給專屬的干涉檢查人員即可。該設計模式分工明確，且各個工作內容操作步驟簡便，可顯著提高工裝腳手架的建模效率。

圖2 以分段為單位的設計流程

圖3 以工裝腳手架零件類型為單位的設計流程

5 結論

船用工裝腳手架對船舶制造效率的提高也有著不可忽視的作用。本文對船用工裝腳手架三維模擬搭設技術的設計方法、避碰干涉、成本效率等方面進行介紹，對三維模擬搭設的優缺點進行分析，并提出一種針對散貨船貨艙區域結構類型的工裝腳手架三維建模設計方法。研究表明：本文提出的設計方法分工明確，且各個工作內容操作步驟簡便，可顯著提高工裝腳手架的建模效率。