基于模塊化的玻璃鋼游艇設(shè)計與建造

摘要：分析了游艇應(yīng)用模塊化的優(yōu)勢；提出了以船體、上層建筑、舾裝、內(nèi)裝的模塊化分方法，以流水線方式組織生產(chǎn)，以期改進(jìn)游艇生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼游艇；模塊化；設(shè)計建造

1 前言

80年代初期以來，我國抓住世界游艇業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的契機(jī)快速發(fā)展，游艇制造業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，但各種工藝和配套設(shè)施不完善，邊際成本高。隨著世界產(chǎn)品多元化和個性化的發(fā)展，市場競爭日趨激烈，想要占領(lǐng)市場，必須提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。模塊化設(shè)計制造是應(yīng)對復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的組織與過程的有效方式，利用已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊，迅速組裝成整船。游艇的模塊化建造既縮短了船舶的建造周期，又滿足船東的個性化需求，同時便于游艇的維護(hù)和改裝[1-2]。

2 模塊化造船的基本理論

所謂模塊，就是可組合成系統(tǒng)的、具有某種特定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元。模塊作為系統(tǒng)分解的產(chǎn)物，具有典型性、通用性或兼容性的特點，易于從系統(tǒng)中分離和更換，同時也便于和其他模塊構(gòu)成新的系統(tǒng)。對其參數(shù)稍作修改還可以組成系列，以滿足不同規(guī)格、不同用途的產(chǎn)品的需要[3]。從根本上說，模塊化是利用成組技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的劃分，利用相似性原理，按照一定的準(zhǔn)則分類成組，同種事物能采用同一方法進(jìn)行處理，使多品種、小批量的復(fù)雜產(chǎn)品實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

造船模塊可以定義為：具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)件，且主要部件具有可選性的最終產(chǎn)品的預(yù)制單元[4]。模塊化造船是根據(jù)船舶功能和結(jié)構(gòu)的不同劃分成不同的模塊，并分別進(jìn)行設(shè)計建造，最后將模塊組合成功能齊全的船舶，其實質(zhì)是在滿足船舶總體性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和實際生產(chǎn)條件的前提下，按照一定的原則把船舶分成若干模塊，并按模塊進(jìn)行設(shè)計，由船廠或以外協(xié)加工的形式完成模塊的制造，由船廠總裝形成所需的船舶。不同類型的游艇由不同的模塊組成，模塊的種類和組合方式不同，游艇功能和用途也隨著改變。

采用模塊化造船，有利于分道建造、并行生產(chǎn)，可以大大提高總體的生產(chǎn)效率。此外，它改變了過去單件生產(chǎn)只能單件設(shè)計的傳統(tǒng)模式，采用成組技術(shù)設(shè)計出來多樣化的產(chǎn)品，在多品種小批量生產(chǎn)中保持了批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，簡化了產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計制造過程，能有效的組織專業(yè)化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率，縮短設(shè)計建造周期。

3 模塊化的價值分析

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)活動的復(fù)雜性增加，消費(fèi)者消費(fèi)偏好快速變化，需求因素的不確定性急劇增加。模塊化作為一種新的思維方式，能有效的解決事物的構(gòu)成模式分析、系統(tǒng)分解、重組、協(xié)調(diào)等方方面面的問題。用它來分析復(fù)雜事物，解決工程實際問題，可使問題簡化，條理清楚，從而取得良好的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。模塊化在實際運(yùn)用中具有良好的分離價值和替代價值[5]。

3.1 分離價值

假設(shè)游艇具有N種功能，其總價值用V表示，對產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計，以求產(chǎn)品能增值。在一體化的情況下，產(chǎn)品的整體價值為X，將隨機(jī)變量X的價值標(biāo)準(zhǔn)化為0。對于創(chuàng)新結(jié)果X，假設(shè)其服從均值為0，方差為 σ2N的正態(tài)分布，創(chuàng)新結(jié)果的價值為V=E（X+），其中E為創(chuàng)新結(jié)果的數(shù)學(xué)期望，X+表示創(chuàng)新結(jié)果為正時，才構(gòu)成創(chuàng)新結(jié)果的價值，當(dāng)其小于或等于零時放棄創(chuàng)新結(jié)果仍然采用舊的產(chǎn)品。把游艇設(shè)計分成n個模塊，則每個模塊有一個創(chuàng)新結(jié)果Xi，每個模塊創(chuàng)新結(jié)果的價值和創(chuàng)新結(jié)果的總價值為：

3.2 替代價值

在模塊化設(shè)計的過程中，對同一模塊進(jìn)行多次平行實驗，采用最優(yōu)實驗結(jié)果作為最終方案。假設(shè)每個模塊進(jìn)行m個平行實驗，實驗的結(jié)果以Xij表示，其中i表示模塊，j表示實驗，從每個模塊m個實驗結(jié)果中選取最優(yōu)結(jié)果，即求一個容量為m的樣本的最大次序統(tǒng)計量，則最優(yōu)結(jié)果Ximax的分布函數(shù)Fimax為：

Fimax（x） = （Fi（x）） m （5）

其中，F(xiàn)i（x）是模塊i創(chuàng)新結(jié)果的分布函數(shù)，F(xiàn)imax（x）是模塊i進(jìn)行的m個試驗中最優(yōu)結(jié)果的分布函數(shù)，x是給定的任何值。因為0

4 模塊化的劃分思路

在模塊化設(shè)計中，模塊劃分及合理性評價是實施模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)及關(guān)鍵，它不同于現(xiàn)在鋼質(zhì)船的分段、總段的劃分模式。通常情況下，模塊劃分越細(xì)，模塊的特點越鮮明，越有利于船東參與游艇的定制設(shè)計，滿足其個性化需求。但模塊劃分過細(xì)會使模塊裝配接口數(shù)增加，裝配難度增大，裝配精度降低的可能性也增大，因而必須在模塊的劃分過程中做適當(dāng)?shù)娜∩?。在實際應(yīng)用中模塊劃分大致可以分為：船體和上層建筑模塊、舾裝模塊、內(nèi)裝模塊三個部分。

4.1 船體和上層建筑模塊

玻璃鋼游艇的船體和上層建筑都是玻璃鋼結(jié)構(gòu)，它們在模具上糊制的，船體用陽模制造，上層建筑和甲板是陰模制造。游艇船體模塊主要包括船殼、骨架和艙壁，以及部分與船體直接連接的部件。游艇的上層建筑包括造型和顏色兩個主要方面，不同的造型和不同的顏色搭配，可形成多種風(fēng)格鮮明的游艇，使產(chǎn)品的多樣化需求得到保證，這個特點在多層上層建筑游艇得到更好的體現(xiàn)。

在實際建造中我們設(shè)計移動式的分片模具（如圖1所示），分片成型的界面線設(shè)在難于脫模的地方，通過組合的方式連接成完整的船體模塊。在組合模具中，在滿足整體線型光順的條件下，通過適當(dāng)改變船體中部的長度和平板龍骨的寬度，使游艇在整體性能改變很小的情況下形成大小相近的系列化游艇。同時通過替換部分移動模具，改變上層建筑的形式，使它能方便的在運(yùn)動型、休閑型和商務(wù)型中自由轉(zhuǎn)換，大大滿足客戶個性化的需求，大幅度的降低模具成本，提高船廠的經(jīng)濟(jì)效益。

船體和上層建筑模塊除了要考慮其自身的整體性能外，還要考慮其內(nèi)部其他模塊的線型、結(jié)構(gòu)及安裝形式、模塊間的相互耦合問題，確保整個游艇管路和線型走向清晰，預(yù)埋件和開口的尺寸和定位準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上開發(fā)系列化的甲板模具、飛橋模具、雷達(dá)架模具、衛(wèi)生間模具，淋浴間模具、駕駛臺模具、機(jī)艙蓋、進(jìn)出風(fēng)口、排氣管等玻璃鋼模具運(yùn)用于實際生產(chǎn)，滿足各類型游艇的需求。

4.2 舾裝模塊

玻璃鋼游艇尺度小，舾裝工程量大，而且工種多，工序復(fù)雜，相互協(xié)作要求高，技術(shù)綜合性強(qiáng)，施工條件差，舾裝工程的進(jìn)度在很大程度上決定了了游艇建造周期。因而細(xì)化舾裝工藝過程，提高舾裝效率和舾裝質(zhì)量，改善勞動環(huán)境，縮短建造周期是十分必要的。舾裝模塊主要包括通用標(biāo)準(zhǔn)五金掛件模塊、非標(biāo)管路、舵系、軸系、錨系、主機(jī)非隨機(jī)配件輔助件、交直流配電箱和配電板、穿線走管通用配件、救生設(shè)備、羊角、吊環(huán)、護(hù)欄等模塊，這些舾裝模塊能和船體和上層建筑中的預(yù)埋件和開口很好的連接，通過標(biāo)準(zhǔn)接口使建造工藝簡化，便于模塊在狹小空間內(nèi)安裝，減少工人的勞動強(qiáng)度。

4.3 內(nèi)裝模塊

游艇作為高端消費(fèi)品，對內(nèi)裝的要求很高，質(zhì)量稍有偏差就要返工，使工期加長，同時建造質(zhì)量也很難得到保證，制約了建造工藝水平的提高。由于游艇建造的過程中，內(nèi)裝占據(jù)了大量的建造工時，所以把內(nèi)裝從舾裝中單獨出來分析。在傳統(tǒng)的建造中，由于船體固件的影響，內(nèi)裝是在不規(guī)則的平面內(nèi)進(jìn)行的，內(nèi)裝件在車間部分加工后吊到船上定位并校核尺寸，然后運(yùn)回車間進(jìn)行成形加工，最后再次吊到船艙內(nèi)安裝加工，整個工序交錯復(fù)雜，在狹小的空間內(nèi)多次進(jìn)行多工種的操作，內(nèi)裝時間急劇增加。

為了減少安裝的難度，設(shè)計一個可調(diào)距離的平面模塊，其距船體表面的距離等于強(qiáng)骨架加上最大管路的管徑，把整個內(nèi)裝安裝面由曲面變成平面，減少加工的難度。同時開發(fā)家具（合型家具和獨立家具）、地臺板鋪裝（FRP成型地臺板表面的附屬裝飾）、內(nèi)艙壁飾面（如木飾面板造型、玻璃、復(fù)合裝飾造型、皮（布）軟包等）、天花板飾面（同艙壁板）、標(biāo)準(zhǔn)連接工藝件和非標(biāo)連接等模塊，在車間制造出成品后再接吊到船上安裝，安裝工藝更加簡單高效，減少了工序的反復(fù)，大大提高了內(nèi)裝的質(zhì)量和速度。

5 模塊化在建造中的應(yīng)用

5.1 流水線作業(yè)模式

在傳統(tǒng)的建造過程中，由于分工模糊，工序重疊，為了保證工期不能不提前生產(chǎn)，在制品的數(shù)量大大增加，庫存量大。通過模塊化劃分，可以使整個建造工藝以流水線的方式從前道工序向后道工序推進(jìn)，按一定的速度完成整個生產(chǎn)過程。流水線生產(chǎn)使得產(chǎn)品的連續(xù)性、比例性和均衡性都能得到很好的保障，中間產(chǎn)品盡量做到及時生產(chǎn)，減少在制品的數(shù)量和庫存量，提高生產(chǎn)效率。同時生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的任何問題都能及時發(fā)現(xiàn)，及時解決，降低了生產(chǎn)管理難度。通過長時間對問題的迅速處理，能提高作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，形成好的應(yīng)急處理方式，生產(chǎn)管理水平也隨之得到提高。

5.2 基于模塊化專業(yè)分工的拉動式生產(chǎn)體系

游艇廠的生產(chǎn)組織形式是以專業(yè)為基礎(chǔ)，按照船體、輪機(jī)、電氣和裝飾為制造工藝流程的施工順序，增大了勞動強(qiáng)度和作業(yè)難度，使生產(chǎn)調(diào)度困難。整個建造過程中，現(xiàn)場工位長、施工距離長、工種配置復(fù)雜，阻礙新技術(shù)和新工藝的運(yùn)用，降低了勞動生產(chǎn)率，完全不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要。建立基于模塊化生產(chǎn)流程和工藝特點的專業(yè)分工機(jī)制，能有效的配置公司資源，減少物流和人流的沖突，提高勞動生產(chǎn)率。

游艇廠通常實行由管理部門制定全公司的生產(chǎn)計劃，然后按照公司的組織機(jī)構(gòu)，層層下達(dá)計劃，由下級機(jī)構(gòu)按照公司總的計劃要求去制定具體的建造計劃。這樣的推動式計劃體系對公司計劃人員的要求非常高，計劃決策人員必須對公司的情況和資源非常了解，不然計劃就很難實施。在模塊化造船中我們要建立一個按照客戶需求來制定的生產(chǎn)計劃，建立一個由后向前、由下而上的拉動式計劃體系，由后道工序向前道工序提出訂貨計劃，然后前道工序嚴(yán)格按照后道工序的要求，準(zhǔn)時生產(chǎn)和交貨，優(yōu)化生產(chǎn)。

5.3 工序同期化均衡生產(chǎn)

游艇建造是包含船體系統(tǒng)、輪機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和裝飾系統(tǒng)等多系統(tǒng)作業(yè)，包含35個大項和200個小項的復(fù)雜工程。為了保證生產(chǎn)連續(xù)不斷，且滿足生產(chǎn)的節(jié)奏，需通過技術(shù)、組織措施調(diào)整工序時間，使各個工作地點的工時盡量接近，實現(xiàn)均衡生產(chǎn)。如果完全按照各不同部分的模塊組織生產(chǎn)，再按照最后的組裝要求組裝，其組裝順序會是A-A-A，B，A，A-A，B-B，這樣的安裝順序雖然也能滿足最終組裝要求，但這種不規(guī)則的生產(chǎn)就會導(dǎo)致各個車間的工作忙閑不均，忙時要加班，閑時無事可做，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。這就要求我們進(jìn)行建造順序的調(diào)整，以三個A-A-B模式的生產(chǎn)，實現(xiàn)不同車間人員均衡有序的生產(chǎn)，各個工種的人員忙閑有致，提高生產(chǎn)效率。

6 小結(jié)

玻璃鋼游艇作為一種復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)，由于技術(shù)和功能的復(fù)雜性，其建造方法一直是造船業(yè)關(guān)心和研究的課題。在造船史上，造船方法的每次進(jìn)步都給造船工業(yè)帶來巨大的發(fā)展，既縮短了船舶建造周期，又提高了船舶建造質(zhì)量?！澳K化造船”著重點在部件安裝方面，首先在組裝車間把部件組裝成模塊，試驗合格后上船安裝，能大大減少調(diào)運(yùn)安裝等反復(fù)勞動，以最少要素的組合快速實現(xiàn)產(chǎn)品品種的多樣化，縮短建造周期。同時模塊化有利于組織并行生產(chǎn)，減少物流和人流的沖突，提高工作效率，多樣化的產(chǎn)品又能滿足客戶個性化的需求，增加產(chǎn)品的市場吸引力，在市場競爭中更加具有優(yōu)勢。在技術(shù)日益發(fā)展的今天，材料的使用壽命越來越長而儀器的更新?lián)Q代越來越快，模塊化制造能很好的解決這個矛盾，使船廠的制造水平得到根本性的提高，進(jìn)而提高我國游艇在世界游艇市場的競爭力。

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