基于UG 二次開發(fā)的郵輪艙室防火區(qū)域三維輔助劃分方法

孫 利 徐 昌 次洪恩

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

消防安全是船舶設(shè)計中非常重要的設(shè)計約束，尤其對于載客人數(shù)眾多的豪華郵輪和客滾船等大型客船類船舶而言，而其中的防火區(qū)域劃分又是消防安全設(shè)計中最重要且基礎(chǔ)的被動防火措施，對于艙室布置的影響也最大。防火區(qū)域的劃分要求決定了相鄰艙室艙壁和甲板間的防火等級，進而影響了船舶建造的工藝和質(zhì)量，陳訓(xùn)美等介紹了某豪華游船防火設(shè)計對建造施工的影響。此外，防火劃分的不同還在一定程度上影響了安全返港規(guī)范要求的火災(zāi)事故界限。劃分防火區(qū)域主要由相鄰艙室的類別用途決定，優(yōu)化合理的艙室布置可以在一定程度上減少船舶防火絕緣材料的使用，精簡建造工藝并降低建造成本。

以往的防火區(qū)域劃分設(shè)計一般基于二維圖紙，設(shè)計者對照規(guī)范描述確定圖面每個艙室類型，然后手動分隔創(chuàng)建相鄰艙壁和甲板圖線或圖形填充，進而依據(jù)規(guī)范要求人為判斷相鄰艙壁和甲板的防火等級劃分，并修改圖線或圖形填充的樣式以示區(qū)別。然而，該傳統(tǒng)方法需要大量人工干預(yù)操作且容易出錯，并且當(dāng)船舶艙室數(shù)量較多時也不易檢查。相對于常規(guī)的運輸船，客船上艙室種類和數(shù)量更多，對于1 艘10 萬總噸級的大型豪華郵輪，其艙室數(shù)量甚至多達(dá)幾千個。如此，應(yīng)用傳統(tǒng)方法工作量將相當(dāng)巨大，不僅效率低且易出錯，無法適應(yīng)基于降低全船防火區(qū)域劃分等級水平的艙室布置優(yōu)化需求，更無法隨著方案頻繁更新而快速反饋防火劃分結(jié)果及物量統(tǒng)計結(jié)果。

隨著設(shè)計手段不斷革新，應(yīng)用三維CAD 軟件進行船舶開發(fā)設(shè)計條件越來越成熟，各類通用三維CAD 軟件的參數(shù)化建模與二次開發(fā)功能也十分強大，為與船舶設(shè)計方法相融合提供了軟件技術(shù)基礎(chǔ)。趙志峰等研究了基于三維CAD 軟件在客船艙室布置中的二次開發(fā)應(yīng)用；唐英等和張勝文等利用三維CAD 軟件參數(shù)化建模功能與二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了船舶螺旋槳輔助設(shè)計方法；船舶專業(yè)軟件NAPA 開發(fā)了半三維的船舶防火區(qū)域輔助劃分模塊，可輔助輸出二維防火區(qū)域劃分圖。

防火區(qū)域劃分針對的是一個三維空間的艙室間防火等級劃分問題，基于三維CAD 軟件構(gòu)建船舶艙室模型再定義防火分割等級的方法更貼近規(guī)范要求的邏輯。目前，市場上成熟的三維CAD 商業(yè)軟件有很多，如Siemens 公司旗下的UG（Unigraphics NX）、Dassault公司旗下的CATIA和SolidWorks，以及Autodesk 公司的AutoCAD 等，都可為用戶提供基礎(chǔ)的三維CAD 建模功能。在船舶設(shè)計制造領(lǐng)域，UG 和CATIA 都開發(fā)了相應(yīng)的船舶模塊以支持船舶設(shè)計中所用到的特殊的建模流程、建模標(biāo)準(zhǔn)件庫以及產(chǎn)品管理等功能。UG 是Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，是一個交互式的計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造（CAD/CAM）系統(tǒng)。它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的建構(gòu)，并擁有強大的參數(shù)化建模能力、豐富的二次開發(fā)接口以及友好的交互界面。鑒于以上優(yōu)點，本文的研究將基于UG 軟件為平臺。

為適應(yīng)、助力船舶三維設(shè)計，本文針對傳統(tǒng)防火區(qū)域劃分方法一系列的問題，在通用三維CAD 軟件平臺UG 上進行了二次開發(fā)，完成了一種船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)。首先，對基于傳統(tǒng)二維CAD 軟件進行防火區(qū)域劃分的模式作簡要介紹并分析其缺陷，同時簡單介紹基于三維CAD 軟件的防火區(qū)域劃分方法；其次，對基于三維CAD 軟件UG 如何實現(xiàn)三維CAD 防火區(qū)域劃分方法（即船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)）的基本架構(gòu)和模塊開發(fā)進行介紹；然后，對系統(tǒng)開發(fā)中的相鄰艙室快速搜索關(guān)鍵技術(shù)進行重點闡述；最后，以某郵輪的防火區(qū)域劃分實際案例為研究對象，介紹該系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

1 基于三維CAD 模型的防火區(qū)域劃分方法

1.1 傳統(tǒng)二維CAD防火區(qū)域劃分方法

根據(jù)SOLAS 規(guī)范可知，船舶防火區(qū)域劃分主要分為3 類：主豎區(qū)限界面（如有），不作為主豎區(qū)或水平區(qū)限界面的艙壁，以及在主豎區(qū)內(nèi)既不形成階層也不作為水平區(qū)限界面的甲板。從以上類型可知，船舶防火區(qū)域劃分實際上就是對艙室三維空間毗鄰關(guān)系的邊界防火屬性劃分，而在傳統(tǒng)的二維CAD 設(shè)計工具條件下：

（1）不得不把艙室的三維空間先轉(zhuǎn)化為抽象的二維空間（即甲板視圖）。

（2）根據(jù)規(guī)范定義艙室的防火類型，在每層甲板視圖標(biāo)記艙室類型，如圖1 所示。

圖1 二維CAD 防火劃分方法—某船局部甲板視圖&艙室類別標(biāo)記示例

（3）艙壁限界面分隔處理。通過人工識別艙室間相鄰線段，并用多段線重構(gòu)起止點，如下頁圖2所示。

圖2 二維CAD 防火劃分方法—某船局部艙室間艙壁邊界多段線重構(gòu)示例

（4）甲板限界面分隔處理。艙室上下關(guān)系的甲板間限界面分隔工作是二維CAD 軟件處理防火區(qū)域劃分最為復(fù)雜的工序：首先，將上層甲板的每個艙室邊界線投影到下層甲板，然后人工識別該艙室邊界線內(nèi)和下層甲板各艙室的重疊情況，并用多段線重構(gòu)該艙室地板區(qū)域。見下頁圖3 ：左圖為將上層甲板的駕駛室房間輪廓多段線投影至下層甲板的示意圖；然后，根據(jù)下層甲板的實際艙室邊界，將駕駛室房間輪廓重新劃分成多個子區(qū)域，如右圖所示。

圖3 二維CAD 防火劃分方法—某船“駕駛室”上下艙室間甲板限界面封閉多段線重構(gòu)示例

（5）人工對照規(guī)范艙室間艙壁、甲板防火關(guān)系要求，手動為艙壁多段線或甲板封閉多段線區(qū)域進行特殊線型或填充圖案的標(biāo)示，如第36 頁圖4 所示。根據(jù)SOLAS 規(guī)范對36 人以上客船的要求，駕駛室作為C01 類艙室，與同層周圍的梯道（C02 類艙室）和電氣設(shè)備間 （C10 類艙室） 間的防火要求都是A-0 級分隔；而對上下甲板間要求，C01 類艙室下如果為C07 類艙室，則甲板防火要求為A-60，如果下面為C03 類走廊，則甲板防火要求為A-15。

圖4 二維CAD 防火劃分方法—某船“駕駛室”與相鄰艙室艙壁&甲板防火級別標(biāo)識示例

從以上步驟分解可以看出，基于二維CAD 軟件的防火區(qū)域劃分方法，需要大量人工判斷與操作，尤其是艙室間艙壁以及甲板限界面的重構(gòu)工作。傳統(tǒng)二維CAD 軟件表達(dá)的是三維模型在某一位置、某一方向上的投影，是抽象后的艙室間位置關(guān)系，如果希望通過二維CAD 軟件將船舶艙室所有的位置關(guān)系表述清楚，需要多個位置、多個方向的多張二維圖一起綜合表達(dá)。以圖1 為例，只看下層甲板的視圖，只能獲取該層甲板艙室間水平位置關(guān)系信息，而對于該層甲板的上下相鄰艙室情況需要不同高度的甲板視圖一起表達(dá)，有些情況甚至需要加一個橫剖面視圖特意表達(dá)某個縱向位置艙室間的上下關(guān)系。所需視圖數(shù)量多，是應(yīng)用傳統(tǒng)二維CAD 軟件繪制防火區(qū)域劃分工作量大的原因之一。另一重要原因，是應(yīng)用二維CAD 軟件繪制的船舶艙室布置是沒有艙室或其幾何對象依附關(guān)系概念的。不同艙室的定義是通過一系列在圖面上圍成的曲線以及人工添加的文字所區(qū)分的，而不是真實存儲于軟件模型中的一個對象或一個實體。因此，也就無法應(yīng)用幾何拓?fù)潢P(guān)系輔助設(shè)計者定義相鄰艙室間的公共限界面（線），而是完全要依靠人工視覺判斷哪對艙室是相鄰，公共的限界面（線）范圍有多少。

1.2 三維CAD防火區(qū)域劃分方法

下文簡述如何應(yīng)用三維CAD軟件來建模：首先，每個艙室在模型空間只需定義1次，無需重復(fù)表達(dá)；此外，三維CAD軟件中有幾何拓?fù)鋵ο蟮母拍?，點、線、面、體都有相互依附關(guān)系。如此，很多工作更容易實現(xiàn)自動化，比如：艙室間毗鄰關(guān)系的判斷，艙室間公共限界面的重構(gòu)，以及對照規(guī)范要求并結(jié)合公共限界面對應(yīng)艙室的情況自動匹配定義防火級別等。

基于三維CAD軟件的工具平臺，船舶防火區(qū)域劃分的主要流程包括：

（1）創(chuàng)建三維艙室模型：應(yīng)用三維CAD軟件的三維建模功能，將船上每個艙室的幾何形狀如實地應(yīng)用實體（Solid Body）R予以表達(dá)。

（2）艙室屬性定義：將每個實體幾何艙室，附上擁有船舶特殊類別屬性的自定義信息，為后續(xù)艙室間防火關(guān)系判別奠定基礎(chǔ)。

（3）艙室間公界面定義：通過空間幾何位置關(guān)系判別，獲取不同實體幾何艙室間的毗鄰關(guān)系，并創(chuàng)建艙室間公共限界面，用片體（Sheet Body）S予以表達(dá)。這里的艙室間毗鄰關(guān)系應(yīng)是三維空間全方位的相鄰關(guān)系判斷，不限于水平相鄰，還包括上下相鄰，一起判斷生成公共限界面。此外，為方便后面定義防火屬性，在每個新創(chuàng)建的公共限界面幾何片體上，另附上該公共限界面S所屬的艙室對信息，即S∈R∩R，以及該公界面的類別、甲板或艙壁。

（4）定義防火屬性：根據(jù)規(guī)范針對不同船型的防火劃分要求，遍歷模型空間公界面，并根據(jù)其所附艙室對信息以及類別信息判斷應(yīng)定義的防火屬性，并通過自定義屬性進行定義。

表1總結(jié)了基于三維CAD工具相對于二維CAD工具進行防火區(qū)域劃分的主要步驟差異。

表1 防火區(qū)域劃分步驟差異（二維CAD vs 三維CAD）

需要補充說明的是：

（1）建模方面，如果單純?yōu)榱死L制防火區(qū)域劃分而單獨創(chuàng)建三維艙室模型，則該方法的使用成本很高，不一定優(yōu)于二維CAD 方法，尤其是對于艙室不多的小型貨船。但現(xiàn)在的船舶設(shè)計趨勢是全設(shè)計流程三維化，在總布置、穩(wěn)性設(shè)計階段應(yīng)該已完成了三維艙室模型的建立，而非特意為防火劃分創(chuàng)建三維模型，如此，則基于三維CAD 的防火劃分方法的建模時間成本沒有那么高。

（2）艙室類型標(biāo)記工作也是三維CAD 方法的一個優(yōu)勢。對于二維CAD 方法，每層甲板視圖對每個艙室都要進行一次標(biāo)記，如果某艙室高度方向跨多層，則對于該艙室要重復(fù)標(biāo)記多次；而對于三維CAD 方法，每個艙室模型僅需定義一次屬性，避免了重復(fù)標(biāo)記屬性的問題。

（3）通過幾何特征的篩選與判斷，基于三維CAD 方法，理論上可以自動判斷艙室間的毗鄰關(guān)系，并自動重構(gòu)艙室對間的公共限界面，可以極大降低人工操作復(fù)雜度，減少出錯概率。

在下一章將具體介紹基于三維CAD 軟件UG的防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)實現(xiàn)的基本架構(gòu)。

2 船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)架構(gòu)

針對1.2節(jié)提出的基于三維CAD的防火區(qū)域劃分流程與方法，本章將介紹如何通過UG軟件平臺，基于其原有的軟件基礎(chǔ)功能，配合二次開發(fā)實現(xiàn)各個流程。

首先，船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)的基本模塊架構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)基于三維CAD軟件UG為基本平臺，借助其成熟的三維實體建模功能、幾何模型可添加自定義屬性功能以及NXOpen開發(fā)工具的開發(fā)接口進行二次開發(fā)，其中規(guī)范規(guī)則信息以及其他自定義屬性參數(shù)存儲于Excel格式文件中，便于用戶調(diào)整更新。該系統(tǒng)主要分為3個模塊：艙室屬性定義模塊、防火區(qū)域自動劃分模塊以及結(jié)構(gòu)防火等級統(tǒng)計模塊。

圖5 船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)基本模塊架構(gòu)圖

2.1 艙室屬性定義模塊

該模塊主要輔助實現(xiàn)的是1.2 節(jié)中流程（1）和（2）。針對流程（1）來說，主要解決艙室?guī)缀谓栴}。UG 本身有強大的三維實體幾何建模能力，可以準(zhǔn)確地表達(dá)船舶各艙室?guī)缀涡螤睿淮送?，該軟件還支持多種通用幾何信息格式（如*.iges、*.stp 等），可以將其他三維軟件創(chuàng)建的艙室模型通過中間格式導(dǎo)入到UG 中，節(jié)省建模時間。

流程（2）是本系統(tǒng)二次開發(fā)的重要工作之一。為便于系統(tǒng)自動判斷艙室間防火區(qū)域劃分，需要對每個艙室的類別屬性進行標(biāo)準(zhǔn)化定義，基本步驟如下：

（1）將各類艙室類別信息定義存儲在Excel格式文件中，主要包括項目艙室屬性表（如下頁圖6中右表所示）、規(guī)范艙室防火類別表（如下頁表2所示）以及艙壁和甲板對應(yīng)的艙室間防火等級規(guī)范要求（如第45頁表3和第46頁表4所示）。通過UG支持的NXOpen開發(fā)工具，可以讀取這些Excel表格所存儲的信息。

表2 SOLAS 36 人以上客船艙室類型列表

（2）在UG中開發(fā)用戶界面，提供艙室選擇和既定屬性類別選擇功能；本系統(tǒng)應(yīng)用UG提供的界面開發(fā)工具BlockUI控件進行開發(fā)，提供用戶選擇待定義的幾何實體，以及選擇既定的艙室類別。其中，這些艙室類別為后臺讀取步驟（1）中Excel存儲的艙室屬性表信息。

（3）將艙室屬性信息保存在每個實體模型的自定義屬性中。利用UG支持的對象自定義屬性功能，將每個艙室用戶定義的艙室類別名稱（如“BW”）、艙室名稱（如“FPT”）以及防火類別（如“C10”）等信息存儲到每個實體幾何對象的自定義屬性中。

該模塊界面與艙室類別信息存儲表形式見下頁圖6。

圖6 艙室屬性定義模塊界面與艙室類別信息存儲表

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2.2 防火區(qū)域自動劃分模塊

該模塊是本文所提方法的核心模塊，對應(yīng)實現(xiàn)的內(nèi)容為1.2 節(jié)三維CAD 防火區(qū)域劃分方法流程中的（3）和（4）。實現(xiàn)的基本原理為：

（1）讀取Excel 表格中不同艙室間艙壁和甲板防火等級劃分規(guī)則要求 （表 3 和表4），存儲在內(nèi)存中。

（2）尋找每個待劃分艙室空間相鄰的艙室。根據(jù)防火劃分的原理，尋找毗鄰艙室是防火定義中關(guān)鍵的一步，防火劃分的對象就是不同艙室間毗鄰結(jié)構(gòu)。該步驟也是本輔助系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點，UG本身提供了幾何實體求交集的內(nèi)置函數(shù)，但實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該內(nèi)置函數(shù)的運行效率很低。為解決這一問題，本文提出了一種快速搜索方法，詳見第3 章。

（3）創(chuàng)建相鄰艙室間共界艙壁。經(jīng)過步驟（2），會得到一組毗鄰的艙室對的集合，集合中的每個元素信息g =（S，S，R，R）。其中：S和S為被判斷相鄰的2 個面的id；R和R分別為S和S所屬的2 個艙室的id。應(yīng)用UG 提供的內(nèi)置函數(shù)，可以為每對S和S創(chuàng)建公共限界面S。為方便后續(xù)防火屬性判斷，在S上存儲其對應(yīng)的艙室R和R所屬的艙室防火類別C和C，以及區(qū)分該限界面是甲板或是艙壁的屬性類別T，T的判斷可以通過S面的法向進行判別。

（4）依據(jù)2.2 節(jié)（1）獲得的規(guī)范要求（即艙壁或甲板防火類別矩陣表3 和表4），代入每個限界面S的艙室防火類別屬性信息C、C和T查詢并確定限界面的防火屬性，并通過自定義屬性存儲到限界面模型上。

（5）為方便檢查與后續(xù)出圖，該模塊還會為每種防火等級的艙壁、甲板設(shè)定特定顏色，不同防火等級對應(yīng)的顏色也可由用戶通過配置文件進行個性化修改。

2.3 結(jié)構(gòu)防火分隔等級統(tǒng)計模塊

全船艙室防火絕緣材料的使用數(shù)量多少是評價艙室布置優(yōu)劣的重要指標(biāo)。通過結(jié)構(gòu)防火分隔等級統(tǒng)計模塊，可以快速反饋全船或選定艙壁甲板的各類防火等級面積情況。

該模塊實現(xiàn)的基本原理為：

（1）用戶選擇所需統(tǒng)計的艙壁和甲板對象集合。模塊遍歷每個所選對象：

a）提取每個對象所附的自定義防火等級屬性參數(shù)。

b）應(yīng)用UG 內(nèi)置的API 函數(shù)獲取每個片體對象的面積信息。

（2）統(tǒng)計匯總并輸出。

該模塊功能可以為后續(xù)基于防火分隔等級為目標(biāo)的艙室布局自動優(yōu)化提供評判基礎(chǔ)。

3 相鄰艙室快速搜索關(guān)鍵技術(shù)

防火區(qū)域自動劃分模塊的關(guān)鍵難點是如何快速判斷2 個艙室的邊界是否彼此相鄰，即是否有共界面。本質(zhì)上就是判斷每個艙室的每個面與哪些艙室的哪些面有重疊部分。通常，成熟的三維CAD 軟件都有判斷2 個實體之間進行布爾運算的功能，但是每次運算的時間會相對較長，當(dāng)艙室數(shù)量很大時，程序運算效率不高。

以1 艘大型豪華郵輪為例，全船十幾層甲板，每層甲板有幾十、甚至上百個艙室，全船總計幾千個艙室，每個房間一般最少有6 個面。如果每對艙室的每兩個面都要一一作循環(huán)判斷，不僅計算數(shù)量將非常驚人，而且程序運行等候時間也是設(shè)計人員所無法接受的。

針對這一問題，本文提出了分步分級的相鄰艙室判斷方法，通過6 步由簡到繁的判斷程序，逐步篩查判斷每對艙室間邊界是否共界。以艙室A 的面a 與艙室B 的面b 為例說明，判斷步驟基本內(nèi)容如下：

（1）判斷a 和b 是否都是平面：如果是，進行（2）；如果a 和b 都是曲面，進行（6）；否則，返回結(jié)果a 和b 不相鄰，判斷結(jié)束。

（2）判斷a 和b 的法向是否相同：如果是，進行（3）；否則，返回結(jié)果a 和b 不相鄰，判斷結(jié)束。

（3）判斷a 和b 間平面距離是否為0：如果是，進行（4）；否則，返回結(jié)果a 和b 不相鄰，判斷結(jié)束。

（4）將a 和b 所有節(jié)點投影到所在平面并轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系坐標(biāo)（，），判斷轉(zhuǎn)換后的a 和b坐標(biāo)范圍是否有重疊，如圖7 所示。如果有，進行（5）；否則，返回結(jié)果a 和b 不相鄰，判斷結(jié)束。

圖7 平面多邊形范圍是否重疊判斷

（5）根據(jù)參考文獻[6]中關(guān)于任意簡單多邊形相交的判斷算法，判斷平面內(nèi)2 個任意多邊形是否重疊：如果是，則a 和b 相鄰，進行（6）；否則，返回結(jié)果a 和b 不相鄰，判斷結(jié)束。

（6）利用軟件自帶的布爾運算功能，創(chuàng)建a和b 之間的共界面。

以上判斷流程主要針對船舶艙室特有的幾何特征，即平面邊界多、曲面邊界少，即使是豪華郵輪，其曲面邊界也往往在船體的外表面，而這些外表面往往不會和其他艙室共界。

4 船舶艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)在某郵輪上的應(yīng)用

這一章將應(yīng)用本文提出的艙室防火區(qū)域輔助劃分系統(tǒng)，對某郵輪上建部分區(qū)域進行防火分隔自動劃分工作。此次測試涉及該郵輪上建部分甲板總計約150 個艙室區(qū)域，分4 個主豎區(qū)。

需要說明的是：為便于進行艙室區(qū)域布置規(guī)劃，每片相鄰住艙定義為1 個大住艙區(qū)域，而非每個房間建1 個艙室模型。艙室模型見圖8。

圖8 某郵輪局部上建艙室三維模型

應(yīng)用本文艙室防火區(qū)域自動劃分系統(tǒng)，自動生成艙室間分界面約695 個，并依據(jù)規(guī)范要求為其定義防火屬性。防火分隔結(jié)果見下頁圖9，各分界面顏色對應(yīng)防火等級與統(tǒng)計結(jié)果見下頁表5。應(yīng)用本文第3 章的“相鄰艙室快速搜索技術(shù)”后，本案例的運行時間從原先的約20 min 降低至約3 min，節(jié)省時間80%以上。防火分隔等級統(tǒng)計結(jié)果見下頁圖10。

圖10 防火分隔等級統(tǒng)計結(jié)果

表5 防火等級顏色圖例

圖9 某郵輪局部上建防火分隔模型

5 結(jié) 語

針對大型郵輪等客船艙室眾多、傳統(tǒng)防火區(qū)域劃分方法工作量大、需要較多人工判斷與手動操作，且不適應(yīng)船舶三維設(shè)計整體環(huán)境等方面問題，本文提出了一種基于三維CAD 軟件為平臺，融入規(guī)范要求并運用二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)船舶艙室防火區(qū)域劃分的輔助系統(tǒng)與方法，很大程度上提高了船舶艙室防火區(qū)域劃分的自動化，不僅減少了設(shè)計者的工作量，也降低了人為出錯概率。該系統(tǒng)還提供了針對不同防火分隔等級用量的統(tǒng)計功能，可為基于降低防火材料使用為目標(biāo)的艙室布局優(yōu)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。