SketchUp參數(shù)化建模在船廠工藝方案設計中的應用探索

丁煒杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

SketchUp參數(shù)化建模在船廠工藝方案設計中的應用探索

丁煒杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

建立船廠工藝方案的三維模型是船廠項目BIM設計的一項重要工作。中船九院公司基于SketchUp設計軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了船廠主要廠房設施工藝方案的參數(shù)化建模功能，解決了工藝專業(yè)融入船廠項目BIM多專業(yè)協(xié)同設計的一個技術難點。

船廠工藝方案；參數(shù)化建模；二次開發(fā)

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.17

1 前言

三維設計在機械行業(yè)已有30余年的應用發(fā)展歷史，飛機、汽車、船舶、工程機械等行業(yè)已經普及三維設計。目前，建筑工程設計行業(yè)也加速從兩維設計向BIM三維設計轉變，一些適用于工程建設行業(yè)的三維設計平臺得到了長足進步(如Revit系列平臺、AutoCAD系列平臺等)[1]。

中船九院公司選用Bentley公司的BIM解決方案，以ProjectWise為協(xié)同工作平臺，以MicroStation為工程內容創(chuàng)建平臺進行多個專業(yè)的BIM設計。Bentley公司的軟件平臺為建筑、結構、機電專業(yè)提供了較完備的信息建模以及三維協(xié)同設計環(huán)境，也提供了GenerativeComponents這樣的參數(shù)化造型模塊，但Bentley解決方案沒有相關模塊對工藝專業(yè)設計過程中重點關注的工藝方案與設備布局功能提供支持。

為了提供工藝方案的快速三維建模手段，建立船廠的三維模型，使工藝專業(yè)融入船廠項目的BIM多專業(yè)協(xié)同設計，公司成立了課題組開發(fā)船廠工藝方案參數(shù)化建模軟件。

2 船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件開發(fā)

2.1 開發(fā)原則

在船廠工程設計中進行三維設計不是為了好看，更重要的是改進現(xiàn)有設計手段。本課題開發(fā)的主要原則如下：

(1)選用方便易用的三維設計軟件作為設計平臺；

(2)該三維設計軟件具備功能完善的API開發(fā)接口；

(3)Bentley MicroStation支持該三維設計軟件輸出的文件格式。

2.2 設計平臺及開發(fā)內容的確定

船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件選用SketchUp 2015作為CAD設計平臺。

SketchUp是美國@last software公司于2000年前后開發(fā)出來的新一代建筑設計軟件，2013年SketchUp成為Trimble Navigation整體解決方案的一部分。SketchUp具有獨特簡潔的界面，可以讓設計師短期內掌握其使用方法；能與AutoCAD、Revit、3DMAX、MicroStation等軟件結合使用，為AutoCAD和MicroStation等設計工具快速建立所需要的模型；SketchUp的 Ruby開發(fā)程序接口(SketchUp Ruby API)讓使用Ruby腳本的開發(fā)者能夠自主擴展SketchUp的軟件功能。

船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件的開發(fā)內容，涉及船廠主要車間設施(船體、舾裝、涂裝)的工藝方案，包括以下內容：

圖1 不同建模方法的組合

(1)廠房設施

船廠主要車間的形體輪廓模型。如堆場設施、船體鋼結構廠房以及混凝土涂裝廠房。

(2)工藝設備及生產線布局

主要工藝設備的參數(shù)化模型，以及生產線的三維布局模板。如各類起重機、數(shù)控切割機、油壓機、平板車的參數(shù)化模型，以及鋼材預處理流水線、平面分段流水線的三維布局模板。

2.3 建模方法

Catia、NX等機械設計CAD/CAM軟件所建的三維模型，是由特征值和約束數(shù)值驅動的[2]，而SketchUp軟件通過創(chuàng)建點、線、面、體進行三維建模，所建模型沒有前兩款軟件涉及的特征值與約束。因此，它不是一款嚴格意義上的參數(shù)化設計軟件。

幸運的是，SketchUp開放了強大、完善的Ruby API。通過Ruby API不僅可以實現(xiàn)SketchUp軟件自帶的所有操作功能，而且可以開發(fā)個性化的UI交互界面獲取參數(shù)驅動建模，這樣就另辟了一條參數(shù)化自動建模途徑。

SketchUp Ruby API提供了兩種在場景中建立模型的方法：

(1)由Ruby腳本從現(xiàn)有模型庫中引用一個或多個保存為skp格式的組(Group)或組件(Component)，然后在腳本所提供UI界面中根據(jù)輸入的參數(shù)，對插入的模型進行移動、旋轉、縮放操作。

(2)場景中的元素(Entities)，均通過執(zhí)行Ruby腳本，根據(jù)參數(shù)創(chuàng)建點、線、面、體的方式建立。

課題開發(fā)的插件，往往采用這兩種建模方法的組合。比如鋼材預處理流水線的建模(如圖1所示)，對于流水線上的工作站設備由于個性化特征明顯，采用了方法(1)調用skp模型文件的方式進行建模；而對于流水線的輸入、輸出輥道由于較易用長度、寬度等參數(shù)進行描述，采用了方法(2)由腳本程序創(chuàng)建。

2.4 布局方法

插件的工藝方案布局方法有以下兩種：

(1)整體布局：

與廠房設施相關，以及在設備布置上可以清晰描述的元素，如廠房各類構件，以及廠房內的起重設備，采用整體布局方法，讀取參數(shù)，一次性生成布局模型。

(2)單體布局

在布置方面較靈活的內容，比如切割機、油壓機、三輥卷板機、電動平板車等工藝設備，采用單體布局的方法，通過捕捉使用者鼠標操作事件來布置模型。例如，在對電動平板車進行布局時，通過捕捉鼠標的先后兩次的左鍵單擊事件，獲取軌道的起點和終點位置，以類似直線繪制命令(line)的操作方式，實現(xiàn)電動平板車的定位布局。

2.5 交互界面設計

根據(jù)工藝專業(yè)設計需求，課題組確定了工藝方案設計中廠房設施、以及各類工藝設備所需的主要參數(shù)。針對參數(shù)數(shù)量以及復雜程度，插件開發(fā)采用了兩種交互界面。

(1)調用SketchUp的UI類

對于參數(shù)較為簡單的設備建模，在Ruby腳本中調用UI類，以對話框的方式實現(xiàn)人機交互，如圖2所示。

圖2 切割機與電動平板車的主要輸入?yún)?shù)

(2)調用Win32OLE庫讀取Excel表格

對于廠房及其附屬的起重設備的建模，需要的參數(shù)較多，采用利用Excel軟件組織參數(shù)的方式，在Ruby腳本中調用Win32OLE庫讀取Excel表格數(shù)據(jù)。通過Excel VBA開發(fā)，可以進一步提升Excel參數(shù)表的交互體驗。圖3為Excel VBA開發(fā)的平面分段流水線參數(shù)表交互界面，實現(xiàn)了按工藝與工序進行參數(shù)配置的功能。

3 參數(shù)化建模插件開發(fā)成果

課題的初步開發(fā)成果為船廠廠房設施參數(shù)化建模插件，共計8類26個命令按鈕，覆蓋船體、舾裝、涂裝三個工藝專業(yè)的三維設計建模需求，包括主要廠房類型的形體輪廓建模插件，主要工藝設備建模插件，以及生產線布局插件。插件在SketchUp中以工具欄(Toolbar)的命令按鈕(Button)形式進行組織，如圖4所示。

廠房的形體輪廓建模插件的使用包括配置參數(shù)表與生成模型兩個步驟，以鋼料堆場為例，如圖5所示。首先，點擊參數(shù)配置命令按鈕，在彈出的Excel界面中編輯建模參數(shù)并保存。然后，點擊鋼料堆場建模命令按鈕，即可自動生成模型。

圖3 Excel VBA開發(fā)的平面分段流水線參數(shù)表界面

圖4 船廠工藝方案參數(shù)化建模插件工具欄

圖5 鋼料堆場插件使用過程

圖6 電動平板車插件使用過程

圖7 插件在某海外項目的應用

主要工藝設備及生產線建模插件的使用，包括點選設備布置位置與編輯參數(shù)生成模型兩個步驟，以電動平板車為例，如圖6所示。首先，點擊電動平板車建模按鈕，在SketchUp視口單擊鼠標左鍵兩次，確定平板車軌道中心線的長度與位置，然后在彈出的交互界面中編輯平板車建模參數(shù)，即可自動生成模型。

在建模參數(shù)配置完畢的情況下，插件可以在以秒計的時間內自動生成一個廠房設施的三維模型，而工藝工程師利用AutoCad繪制同樣廠房設施的二維平面圖往往需要十分鐘時間。應用參數(shù)化建模插件，可以使工藝工程師專注于設計方案，減少在繪圖或建模方面的精力投入。

參數(shù)化建模插件在九院公司某海外項目(圖7)得到應用，反響良好。

4 小結

通過對SketchUp軟件進行二次開發(fā)，為船廠工藝方案設計提供了快速三維建模手段，大大簡化了船廠方案設計的建模步驟，降低了工藝專業(yè)融入公司BIM設計的難度。

SketchUp 2015版本增強了對建筑工程數(shù)據(jù)交換標準IFC(Industry Foundation Classes)標準的支持[3]，使得SketchUp與不同BIM系統(tǒng)之間的雙向無損交互信息成為可能，SketchUp開放、簡便的特點使其可以與其他BIM設計軟件形成優(yōu)勢互補。

本參數(shù)化建模插件實現(xiàn)了主要設備與車間的參數(shù)化建模功能，鑒于船廠工藝生產線以及車間布局方案的多樣性，后續(xù)使用過程中需持續(xù)補充個性化的車間與生產線模板。

[1]張呂偉. REVIT在脫水機房三維設計中應用探索[J].土木建筑工程信息技術，2012,4(2):95-98.

[2]王永崗等. CATIA三維參數(shù)化建模技術及其應用[J].機械工程師，2014(5):201-202.

[3]邱奎寧等. IFC標準的實現(xiàn)方法[J].建筑科學，2004,20(3):76-78.

3D Parametric Modeling Technology and Application based on SketchUp for Shipyard Technology Design

Ding Weijie, Qiu Yuzhou, He Di, Hu Shinan

The 3D modeling of the process plan of the shipyard is an important work for BIM design. NDRI developed the shipyard parametric modeling software based on SketchUp,which enables the process engineers to take part in the BIM design.

Shipyard Technology Plan； Parametric Modeling； Re-develop

丁煒杰(1980-)，男，高級工程師。主要研究方向：數(shù)字化設計。

TU275.3；TU17

A

1674-7461(2015)05-0097-05