船舶三維總體布置設計技術應用研究

陳鵬華，吳 坷

(1.中國艦船研究設計中心 上海分部，上海 201108；2.上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108)

0 引 言

船舶總體布置設計，涵蓋內容廣泛，涉及專業(yè)領域眾多，主要涉及包括總布置設計，型線繪制，船體結構設計，動力電氣系統(tǒng)配置，船舶裝置設計以及系統(tǒng)管路設計等方面。因此，在設計過程中，往往存在某一項的設計影響到其他專業(yè)或方面設計的情況，進而引發(fā)局部甚至總體的設計方案調整。更為關鍵的是，在應用傳統(tǒng)的、經典的二維平面設計手段過程中，布置空間不足或管路、電纜、結構、設備發(fā)生干涉等重要問題并不能即時發(fā)現(xiàn)，隨著工作的深入，問題越晚暴露，牽涉范圍越大，對總體布置設計工作效率的影響越惡劣。為避免上述問題，一方面對從業(yè)人員的素質提出高要求，另一方面，設計手段的更新和提升勢在必行。

近年來，船舶行業(yè)逐漸引入三維設計手段，相比傳統(tǒng)的二維平面設計，三維手段在總體布置設計過程中更加直觀，無論是早期的方案論證，還是工廠的生產設計，國內外開展了大量的應用研究和實踐[1-4],[7-16]針對船舶總體布置設計涉及內容多，總體任務管理復雜的特點，本文開展相關研究，就傳統(tǒng)二維總體布置設計的體系進行適應性調整，以發(fā)揮三維化設計手段的優(yōu)勢。

1 總體布置設計基本任務分解

船舶總體，按照行業(yè)習慣，一般分為若干功能系統(tǒng)，如總（船型、航行性能和總布置）、船（船體）、機（動力）、電（電氣）等部分[5]。為便于相關工作開展，并結合船上設備分類，進一步將船舶總體分為總體、結構、裝置、動力、電氣、系統(tǒng)等，分別對應總體性能和總布置、船體結構、船舶裝置、船舶動力機械系統(tǒng)、船舶電氣系統(tǒng)、船舶輔助系統(tǒng)。為敘述和理解方便，相應以專業(yè)區(qū)分，即分別對應為總體專業(yè)、結構專業(yè)、裝置專業(yè)、動力專業(yè)、電氣專業(yè)和系統(tǒng)專業(yè)。

總體布置設計工作以船舶總體的內容劃分為基礎，根據(jù)目前行業(yè)習慣，也按照不同專業(yè)的分工開展相關工作。

總體：總布置設計（坐標系確定、船舶總體外形設計、線型確定、甲板分層、功能區(qū)域劃分、主隔壁劃分、艙面主要設備布置、艙室劃分）；

結構：船體結構設計（材料選用，結構形式確定，強度校核）；

動力：船舶動力機械系統(tǒng)的設備布置和油管路布列設計；

電氣：船舶電氣系統(tǒng)的設備布置和電纜布列設計；

系統(tǒng)：船舶輔助系統(tǒng)的設備布置和水、氣、風等管路布列設計。

經大量研究和工程實踐的檢驗，上述劃分方法目前對解決主要借助傳統(tǒng)二維平面設計手段的總體布置設計工作具有較好的效用。

而當設計手段變革，運用更加直觀的三維設計手段后，整船所有數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一平臺下管理，若仍以專業(yè)劃分工作體系，存在如下缺點：

1）不能直觀反映三維設計的特點

傳統(tǒng)的二維平面布置設計，直觀考慮的是平面范圍內的區(qū)域是否足夠，平面的布局往往限制了空間想象，而且平面信息畢竟有限，因此可按專業(yè)分工進行布置設計工作。但是對于三維設計，簡單來講，三維布置設計即是將產品三維可視化，由于三維布置設計實現(xiàn)了空間布局的全景可視化，為設計觀察者（即產品需方、設計者、建造者、檢驗者等的統(tǒng)稱）帶來的總體直觀感受可以使之關心和關注更多總體信息，其首要關心的問題往往不限于哪個特定的專業(yè)有哪些設備或者幾根管纜，而是某空間下布置了多少東西，即有什么設備、結構尺寸怎樣、有多少管路或者有幾條電纜。

2）不能聚焦特定艙室下的布置設計

布置設計一般要解決的問題主要就是空間利用問題。例如某空間資源緊張的艙室，需要布放多個專業(yè)的設備及管路和電纜，按專業(yè)分工則各自為戰(zhàn)，以各自的專業(yè)需求為導向，一方面由于各專業(yè)設備之間沒有更多邏輯聯(lián)系，導致需要聚焦的特定艙室空間內的設備種數(shù)難以準確統(tǒng)計，給布置設計工作帶來重大影響。另外，各設備布置和管纜布列以利于本專業(yè)的系統(tǒng)設置為主要限定因素，不會優(yōu)先考慮特定艙室下的空間利用，因此按專業(yè)分工也將弱化三維布置設計的空間感，這對于發(fā)揮三維布置設計的優(yōu)勢來說是有失偏頗的。

3）增加干涉檢查工作量

三維布置設計應以空間布局設計為導向，即在既定的大框架下研究局部空間的布置設計合理性，具體可以簡化為既定艙室空間內考慮船體結構的設備、管纜的布置設計。若以專業(yè)劃分工作體系，不同專業(yè)的設備必然從屬不同設計者，由于沒有統(tǒng)一的空間資源管控，很容易發(fā)生干涉，即每當有新的設計者布放設備或管纜，就需要進行一次干涉檢查（目視或計算機自動檢查）。后續(xù)如有個別設備或管纜狀態(tài)變化，干涉風險將進一步增大，對局部乃至總體布置設計帶來困難。按專業(yè)分工導致局部空間的設計者過多，導致干涉檢查工作量增加，影響三維布置設計工作效率。

三維設計是以空間利用為導向的，傳統(tǒng)的按專業(yè)劃分的船舶總體任務分解體系不能適應這種以空間感為主導的設計手段。因此，需考慮對其進行三維設計手段化的適應性調整。有別于以往的專業(yè)優(yōu)先，為突出體現(xiàn)三維設計過程中的空間感，強調“艙室”這一局部空間概念，集合全船艙室布置工作并行于傳統(tǒng)的“總體”和“結構”任務。除此之外，作為船舶的血管和神經——管路和電纜，也作為船舶總體的另外2 個任務分支。船舶三維總體布置設計即分為總體、船體、艙室布置、管路和電纜五大組成部分。以此為基礎，再結合專業(yè)相關性，確定每個組成部分的工作內容。

總體：總布置設計（建立全船坐標系、構建總體外形、甲板分層、功能區(qū)域劃分、主隔壁劃分、艙面主要設備布置、艙室劃分）；

結構：船體結構設計（材料選用，結構形式確定，強度校核）；

艙室布置：不同艙室依專業(yè)相關性分派艙室長（即艙室負責人）負責布置設計；

管路：管路的布列設計，主要分為油管路以動力專業(yè)為主負責，水、氣、風管路以系統(tǒng)專業(yè)為主負責；

電纜：電纜的布列設計，以電氣專業(yè)為主負責。

2 船舶總體布置設計一般流程

本文所及船舶總體布置設計主要是指基于總體設計[6]的一定成果開展的以布置設計為主的工作。顧名思義，布置即為布放、列置，狹義上是指設備的擺放，廣義上可擴展為艙室乃至艙段的布局。但是無論狹義還是廣義，“布置”工作都需要在一定的空間范圍內進行，如艙室布置需要基于相對確定的艙室空間尺寸，艙段布局需要基于相對確定的船型空間大小。因此，對于船舶總體布置設計需要的總體設計成果，也主要是指基本確定的船型，即船舶主尺度需要基本確定。

針對前述設計任務分解，船舶總體布置設計一般流程如圖1 所示。

圖1 總體布置設計一般流程Fig.1 A common process of general arrangement design

3 研究實例

3.1 準備

1）船型

船型的確定需要基于船舶排水量、總體性能、總體布置、結構強度等多項總體指標的綜合權衡循環(huán)迭代，其重要性和工作量不言而喻。為聚焦本次研究目的，利用現(xiàn)有船舶總體性能校核結果，略去船型、總體性能復核迭代的過程，采用經評估總體性能較好的船型開展三維布置設計的應用研究。

2）軟件平臺

目前，船舶行業(yè)應用的三維設計工具種類較多，企業(yè)、院校、研究所等不同單位的研究和應用[7-12]也各有側重。本文從船舶總體設計角度出發(fā)，綜合考量建模功能、數(shù)據(jù)管理、資源庫匹配應用和后續(xù)設計優(yōu)化改進等方面因素，選擇由法國達索公司開發(fā)的CATIA 三維設計軟件[13]作為本次研究的基本工具。為有效開展相關研究工作并為后續(xù)工程應用提供良好支撐，對模型數(shù)據(jù)資源庫、干涉檢查、二維出圖等方面進行二次開發(fā)。

3.2 研究內容

以某船舶確定的船體型線為基礎，按照圖1 所示流程，對動力艙段及主要設備布置、全船主要功能區(qū)域劃分、全船總體外形構筑、甲板分層、主隔壁分隔以及艙室劃分等環(huán)節(jié)按序開展研究工作。

其間循環(huán)迭代工作紛繁復雜，如根據(jù)結構專業(yè)的仿真分析，該船尾段某主隔壁的初步設置將引起局部結構強度儲備不足。因此，結合相關區(qū)域內功能布局以及具體艙室布置，改變該主隔壁的位置。

對于具體艙室布置設計，由于其設備種數(shù)復雜，艙室劃分方案與該艙艙容空間需求不能匹配也時有發(fā)生，一般其影響范圍也較小，同一水密艙段內臨近艙室的小幅布局調整即可解決。

由于設計手段和數(shù)據(jù)管理方式的變化，進行三維總體布置設計時，以下幾點需著重考慮。

1）船舶總體區(qū)域劃分

為利于統(tǒng)籌資源和任務分解，首先須將整船分為若干區(qū)段?；谌拇笾鹿δ軈^(qū)域劃分，并且考慮配電、通風、防火等方面的設計，同時結合對本船排水量量級、艙室數(shù)量、設備數(shù)量規(guī)模以及后續(xù)施工建造等方面因素的考慮，將全船分為五個總段區(qū)域，即全船自首至尾編號為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)。

2）艙室劃分

基于主隔壁劃分和艙室功能，對全船艙室進行劃分。為便于后續(xù)艙室布置和三維數(shù)據(jù)管理，將全船艙室按大區(qū)域、所在甲板位置按序編號：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)分別對應編號為A，B，C，D，E，則位于Ⅱ區(qū)域3 甲板自首數(shù)為12 號的艙室編號為B312。按此規(guī)則，編制艙室名稱編號對照表。

3）數(shù)據(jù)結構樹建立

由于船舶三維總體布置設計分為總體、船體、艙室布置、管路和電纜五大組成部分，因此三維總體數(shù)據(jù)結構樹第一層即為總體、船體、艙室布置、管路和電纜，如圖2 所示。

圖2 三維總體布置設計結構樹第1 層Fig.2 The first layer of structure tree for tridimensional general arrangement design

基于總體布置設計任務分解，以及全船大區(qū)和艙室劃分，“總體”分為坐標系、主船體型面、上建型面、甲板分層、主隔壁、甲板及艙室劃分，“船體”、“艙室布置”、“管路”和“電纜”都依全船大區(qū)分為5 部分，結構樹如圖3 所示。每個區(qū)域內一般根據(jù)甲板及艙室名稱為依據(jù)進一步劃分其具體任務組成。

4）基礎資源庫配置

進行三維總體布置設計，全船區(qū)域和艙室分隔完成后，不僅要進行主機等大型、唯一型設備設施的布置設計，還需要具體落實到結構件、設備、管路及電纜的布置設計，這些基本構件不僅數(shù)量巨大、種類繁多，而且經常有不同設計者反復調用相同基本件的情況，復雜的布置設計過程對基本構件的數(shù)據(jù)存儲和管理提出了很高的要求。因此，這些基本構件應分別以合理的材料庫的形式配置在服務器中以備方便使用。

參考文獻[11-12]等的相關研究內容，建立船體結構件、管路及附件、電纜及附件等多個公共基礎資源庫。

另一方面，坐標系、船型等全船總體布置設計過程中最為基本和重要的文件，也一般配置于通用幾何圖形資源庫。

5）干涉檢查

三維模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理使得程序自動控制的干涉檢查[14]成為可能，提高了設計效率。根據(jù)預期輸出需求，對干涉檢查結果做出部分適應性調整。

6）二維出圖

船舶行業(yè)作為傳統(tǒng)制造業(yè)，二維圖仍是其現(xiàn)場施工建造過程中主要的指導和參考依據(jù)，因此三維的總體布置設計手段需要擁有二維出圖[15-16]功能。

以某型滾柱導纜器為例，其三維模型如圖4（a）所示，應用CATIA 出圖模塊可生成方向視圖如圖4（b）所示。根據(jù)視圖成像實際以及出圖需求，對CATIA 二維出圖功能進行二次開發(fā)，修繕圖4（b）所示的切面連接線，得到如圖4（c）所示的二維工程圖。

圖3 三維總體布置設計數(shù)據(jù)管理結構樹Fig.3 The data management of structure tree for tridimensional general arrangement design

圖4 二維出圖示例Fig.4 An example of a two-dimensional drawing

4 結 語

本文對三維設計手段在船舶總體布置設計過程中的應用進行探討和研究，提出了三維總體布置設計過程中的基本任務分解方案以及設計工作的一般流程，通過示例研究提出三維總體布置設計過程中需要著重考慮的幾個環(huán)節(jié)。主要結論如下：

不同于傳統(tǒng)二維總體布置設計工作中以專業(yè)分工為基本任務的分解原則，三維總體布置設計工作的基本任務分解應以空間利用為導向，全船總體布置設計基本任務分為總體、結構、艙室布置、管路及電纜；

總體布置設計一般以基本確定的船型為基礎，然后進行主機等主要設備布置設計、全船主要功能區(qū)域劃分、全船總體外形構筑、甲板分層、主隔壁劃分、艙室劃分、各專業(yè)仿真計算試驗分析、甲板面積艙室容積計算等工作的循環(huán)迭代，進而實現(xiàn)總布置的固化和總體布置設計工作的完成；

三維總體布置設計過程中全船數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)管理應以全船的空間大區(qū)域的分解為基礎，再按一定規(guī)則對所及任務進行組織編排，對艙室進行編號，對通用、重要的數(shù)據(jù)和模型進行資源庫配置，并合理運用和改善干涉檢查、二維出圖等重要的設計手段。

綜上所述，本文所述內容對三維設計手段在船舶總體設計領域及相關領域的應用具有一定的參考價值和借鑒意義。