船用工裝腳手架三維模擬搭設(shè)技術(shù)

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(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其低成本、高效率、高循環(huán)利用率等特點都為船舶建造和生產(chǎn)節(jié)省大量成本。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，腳手架方案的設(shè)計形式已從單純的二維平面搭設(shè)方式發(fā)展到目前的三維模擬搭設(shè)方式。本文對船用工裝腳手架三維模擬搭設(shè)技術(shù)的設(shè)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(shè)的優(yōu)缺點進行分析，并提出一種針對散貨船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)類型的工裝腳手架三維建模設(shè)計方法。

1 船用工裝腳手架的設(shè)計方式

船用工裝腳手架的設(shè)計方式與其他腳手架相同，均以二維平面設(shè)計為主，三維模擬設(shè)計僅用來參考示意。二維平面設(shè)計圖紙通常只能展示腳手架的搭設(shè)方式以及尺寸標注，而精度、細節(jié)、準確的物量統(tǒng)計等內(nèi)容只能靠現(xiàn)場施工人員根據(jù)實際生產(chǎn)內(nèi)容所產(chǎn)生的物料消耗進行確定。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展融合，三維模擬搭設(shè)技術(shù)逐漸在船用工裝腳手架設(shè)計領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及[1]。

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

1）專業(yè)類別

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

2）施工階段

工裝腳手架可根據(jù)輔助施工人員在分段制作、機電設(shè)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(xù)使用，用于分段制作的腳手架同樣可用于涂裝作業(yè)或設(shè)備安裝。

3）設(shè)計手段

船用工裝腳手架設(shè)計由傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計發(fā)展為二維、三維相結(jié)合的設(shè)計模式，即二維平面設(shè)計+三維碰撞干涉檢查。

2 三維模擬搭設(shè)技術(shù)

船用工裝腳手架三維模擬設(shè)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(shè)方式的選擇等。設(shè)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(tǒng)計，以及拆除狀態(tài)模擬等。設(shè)計過程最主要的問題是干涉，三維模擬搭設(shè)技術(shù)的主要作用正是降低干涉避碰問題出現(xiàn)的概率。

2.1 干涉避碰問題處理

在船用工裝腳手架的設(shè)計過程中，干涉避碰檢查及相應(yīng)零件的調(diào)整工作往往要占據(jù)整個設(shè)計時間的1/5～1/4。腳手架是支撐各個專業(yè)生產(chǎn)施工的通道和平臺，只有當(dāng)生產(chǎn)施工結(jié)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(yè)的施工進度以及設(shè)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(fù)性搭拆作業(yè)。管系對工裝腳手架的干涉情況見圖1，為提高對艙室內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)備與工裝腳手架干涉問題的檢查效率。利用三維模擬技術(shù)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(jié)構(gòu)和設(shè)備的間距、高度差等參數(shù)，最大程度上避免干涉問題的發(fā)生[2]。

圖1 以分段為單位的設(shè)計流程

2.2 腳手架干涉檢查

工裝腳手架研發(fā)設(shè)計的初衷是為了滿足大敞口貨艙區(qū)域的涂裝、焊接等工作的要求，隨著三維軟件技術(shù)和計算機硬件水平的不斷進步，工裝腳手架的應(yīng)用區(qū)域也從大敞口的貨艙區(qū)域擴展到一些功能艙室和設(shè)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(shù)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(yè)的干涉檢查之中[3]。確定工裝腳手架的搭設(shè)點位，專業(yè)設(shè)計人員對腳手架與周圍結(jié)構(gòu)和設(shè)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(yīng)用使船用工裝腳手架的設(shè)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(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，三維仿真軟件尚未實現(xiàn)將船用工裝腳手架的零件和肘板等恰當(dāng)組合。在組合零件和肘板時，主要依據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗，因此，人為的不確定因素不可避免的成為系統(tǒng)設(shè)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(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計規(guī)則等約束融入軟件的智能化系統(tǒng)，才能解決這一問題。

2）由于艙室結(jié)構(gòu)形式多樣，且艙室內(nèi)設(shè)備繁雜，船用工裝腳手架避碰干涉的合理尺寸存在權(quán)重平衡問題，目前還是以設(shè)計者的經(jīng)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(nèi)部的搭設(shè)需要在相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)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(shè)成型的工裝腳手架就無法移動，也無法調(diào)整方向。如果某個輔助零件周圍存在設(shè)備或者結(jié)構(gòu)干涉而無法使用，那么為此零件設(shè)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(fā)生，但其尚不能實現(xiàn)零件調(diào)整，只能靠設(shè)計者人工調(diào)整。

現(xiàn)階段，雖然設(shè)計者可通過三維軟件進行總體設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計，但由于交叉專業(yè)較多，各個專業(yè)設(shè)計進度不協(xié)同，不同專業(yè)的設(shè)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(tài)。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(shè)計是降低設(shè)計成本、提高設(shè)計效率的關(guān)鍵問題之一，本文提出一種針對散貨船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)類型的工裝腳手架三維建模設(shè)計方法，該方法將設(shè)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(shè)計種類，化繁為簡，設(shè)計時只考慮一種零件的布置，避開其他零件的干擾，以及結(jié)構(gòu)干涉等問題的影響。將不同零件的配合、零件與結(jié)構(gòu)的干涉檢查等步驟單獨拎出，且滯后進行。在此情況下，設(shè)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(qū)域占整船體積的2/3 以上，結(jié)構(gòu)形式也較為相似。而該類結(jié)構(gòu)區(qū)域的工裝腳手架搭設(shè)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(qū)域，以分段為單位進行腳手架設(shè)計較為得不償失。對于以分段為單位的設(shè)計（見圖2），每個設(shè)計人員需要同時應(yīng)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(nèi)容，還要考慮分段之間的銜接及校對。這種設(shè)計模式占用時間長，設(shè)計難度高，對設(shè)計者本身的專業(yè)素養(yǎng)要求高。對于以工裝腳手架零件類型為單位的設(shè)計（見圖3），每個設(shè)計者只同時負責(zé)1 種零件的建模布置。只需要2～3 個設(shè)計者同步設(shè)計，之后將完整模型交給專屬的干涉檢查人員即可。該設(shè)計模式分工明確，且各個工作內(nèi)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(shè)計流程

圖3 以工裝腳手架零件類型為單位的設(shè)計流程

5 結(jié)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(shè)技術(shù)的設(shè)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(shè)的優(yōu)缺點進行分析，并提出一種針對散貨船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)類型的工裝腳手架三維建模設(shè)計方法。研究表明：本文提出的設(shè)計方法分工明確，且各個工作內(nèi)容操作步驟簡便，可顯著提高工裝腳手架的建模效率。