基于模塊化的玻璃鋼游艇設計與建造

摘要：分析了游艇應用模塊化的優勢；提出了以船體、上層建筑、舾裝、內裝的模塊化分方法，以流水線方式組織生產，以期改進游艇生產模式，提高生產效率。

關鍵詞：玻璃鋼游艇；模塊化；設計建造

1 前言

80年代初期以來，我國抓住世界游艇業的產業轉移的契機快速發展，游艇制造業已經初具規模，但各種工藝和配套設施不完善，邊際成本高。隨著世界產品多元化和個性化的發展，市場競爭日趨激烈，想要占領市場，必須提高生產效率和產品質量，降低成本。模塊化設計制造是應對復雜產品系統的組織與過程的有效方式，利用已標準化、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，就是可組合成系統的、具有某種特定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元。模塊作為系統分解的產物，具有典型性、通用性或兼容性的特點，易于從系統中分離和更換，同時也便于和其他模塊構成新的系統。對其參數稍作修改還可以組成系列，以滿足不同規格、不同用途的產品的需要[3]。從根本上說，模塊化是利用成組技術對產品進行相應的劃分，利用相似性原理，按照一定的準則分類成組，同種事物能采用同一方法進行處理，使多品種、小批量的復雜產品實現批量生產，提高經濟效益。

造船模塊可以定義為：具有標準尺寸和標準件，且主要部件具有可選性的最終產品的預制單元[4]。模塊化造船是根據船舶功能和結構的不同劃分成不同的模塊，并分別進行設計建造，最后將模塊組合成功能齊全的船舶，其實質是在滿足船舶總體性能、結構強度和實際生產條件的前提下，按照一定的原則把船舶分成若干模塊，并按模塊進行設計，由船廠或以外協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，可以大大提高總體的生產效率。此外，它改變了過去單件生產只能單件設計的傳統模式，采用成組技術設計出來多樣化的產品，在多品種小批量生產中保持了批量生產的優勢，簡化了產品系統結構和設計制造過程，能有效的組織專業化生產，顯著提高生產效率，縮短設計建造周期。

3 模塊化的價值分析

隨著科學技術和經濟的快速發展，經濟活動的復雜性增加，消費者消費偏好快速變化，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成模式分析、系統分解、重組、協調等方方面面的問題。用它來分析復雜事物，解決工程實際問題，可使問題簡化，條理清楚，從而取得良好的質量和經濟效益。模塊化在實際運用中具有良好的分離價值和替代價值[5]。

3.1 分離價值

假設游艇具有N種功能，其總價值用V表示，對產品進行模塊化設計，以求產品能增值。在一體化的情況下，產品的整體價值為X，將隨機變量X的價值標準化為0。對于創新結果X，假設其服從均值為0，方差為 σ2N的正態分布，創新結果的價值為V=E（X+），其中E為創新結果的數學期望，X+表示創新結果為正時，才構成創新結果的價值，當其小于或等于零時放棄創新結果仍然采用舊的產品。把游艇設計分成n個模塊，則每個模塊有一個創新結果Xi，每個模塊創新結果的價值和創新結果的總價值為：

3.2 替代價值

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

Fimax（x） = （Fi（x）） m （5）

其中，Fi（x）是模塊i創新結果的分布函數，Fimax（x）是模塊i進行的m個試驗中最優結果的分布函數，x是給定的任何值。因為0

4 模塊化的劃分思路

在模塊化設計中，模塊劃分及合理性評價是實施模塊化設計的基礎及關鍵，它不同于現在鋼質船的分段、總段的劃分模式。通常情況下，模塊劃分越細，模塊的特點越鮮明，越有利于船東參與游艇的定制設計，滿足其個性化需求。但模塊劃分過細會使模塊裝配接口數增加，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的取舍。在實際應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構，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，可形成多種風格鮮明的游艇，使產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。

在實際建造中我們設計移動式的分片模具（如圖1所示），分片成型的界面線設在難于脫模的地方，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，使它能方便的在運動型、休閑型和商務型中自由轉換，大大滿足客戶個性化的需求，大幅度的降低模具成本，提高船廠的經濟效益。

船體和上層建筑模塊除了要考慮其自身的整體性能外，還要考慮其內部其他模塊的線型、結構及安裝形式、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，預埋件和開口的尺寸和定位準確。在此基礎上開發系列化的甲板模具、飛橋模具、雷達架模具、衛生間模具，淋浴間模具、駕駛臺模具、機艙蓋、進出風口、排氣管等玻璃鋼模具運用于實際生產，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，工序復雜，相互協作要求高，技術綜合性強，施工條件差，舾裝工程的進度在很大程度上決定了了游艇建造周期。因而細化舾裝工藝過程，提高舾裝效率和舾裝質量，改善勞動環境，縮短建造周期是十分必要的。舾裝模塊主要包括通用標準五金掛件模塊、非標管路、舵系、軸系、錨系、主機非隨機配件輔助件、交直流配電箱和配電板、穿線走管通用配件、救生設備、羊角、吊環、護欄等模塊，這些舾裝模塊能和船體和上層建筑中的預埋件和開口很好的連接，通過標準接口使建造工藝簡化，便于模塊在狹小空間內安裝，減少工人的勞動強度。

4.3 內裝模塊

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

為了減少安裝的難度，設計一個可調距離的平面模塊，其距船體表面的距離等于強骨架加上最大管路的管徑，把整個內裝安裝面由曲面變成平面，減少加工的難度。同時開發家具（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）、內艙壁飾面（如木飾面板造型、玻璃、復合裝飾造型、皮（布）軟包等）、天花板飾面（同艙壁板）、標準連接工藝件和非標連接等模塊，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，大大提高了內裝的質量和速度。

5 模塊化在建造中的應用

5.1 流水線作業模式

在傳統的建造過程中，由于分工模糊，工序重疊，為了保證工期不能不提前生產，在制品的數量大大增加，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，按一定的速度完成整個生產過程。流水線生產使得產品的連續性、比例性和均衡性都能得到很好的保障，中間產品盡量做到及時生產，減少在制品的數量和庫存量，提高生產效率。同時生產過程中出現的任何問題都能及時發現，及時解決，降低了生產管理難度。通過長時間對問題的迅速處理，能提高作業人員發現和解決問題的能力，形成好的應急處理方式，生產管理水平也隨之得到提高。

5.2 基于模塊化專業分工的拉動式生產體系

游艇廠的生產組織形式是以專業為基礎，按照船體、輪機、電氣和裝飾為制造工藝流程的施工順序，增大了勞動強度和作業難度，使生產調度困難。整個建造過程中，現場工位長、施工距離長、工種配置復雜，阻礙新技術和新工藝的運用，降低了勞動生產率，完全不能適應大規模生產的需要。建立基于模塊化生產流程和工藝特點的專業分工機制，能有效的配置公司資源，減少物流和人流的沖突，提高勞動生產率。

游艇廠通常實行由管理部門制定全公司的生產計劃，然后按照公司的組織機構，層層下達計劃，由下級機構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，然后前道工序嚴格按照后道工序的要求，準時生產和交貨，優化生產。

5.3 工序同期化均衡生產

游艇建造是包含船體系統、輪機系統、電氣系統和裝飾系統等多系統作業，包含35個大項和200個小項的復雜工程。為了保證生產連續不斷，且滿足生產的節奏，需通過技術、組織措施調整工序時間，使各個工作地點的工時盡量接近，實現均衡生產。如果完全按照各不同部分的模塊組織生產，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，但這種不規則的生產就會導致各個車間的工作忙閑不均，忙時要加班，閑時無事可做，造成嚴重的資源浪費。這就要求我們進行建造順序的調整，以三個A-A-B模式的生產，實現不同車間人員均衡有序的生產，各個工種的人員忙閑有致，提高生產效率。

6 小結

玻璃鋼游艇作為一種復雜產品系統，由于技術和功能的復雜性，其建造方法一直是造船業關心和研究的課題。在造船史上，造船方法的每次進步都給造船工業帶來巨大的發展，既縮短了船舶建造周期，又提高了船舶建造質量。“模塊化造船”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，能大大減少調運安裝等反復勞動，以最少要素的組合快速實現產品品種的多樣化，縮短建造周期。同時模塊化有利于組織并行生產，減少物流和人流的沖突，提高工作效率，多樣化的產品又能滿足客戶個性化的需求，增加產品的市場吸引力，在市場競爭中更加具有優勢。在技術日益發展的今天，材料的使用壽命越來越長而儀器的更新換代越來越快，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，進而提高我國游艇在世界游艇市場的競爭力。

參考文獻

[1] 曹明法， 世界各國及中國游艇工業概述[J].船舶工程， 2002

[2] 柏志輝， 基于模塊化的玻璃鋼游艇工藝流程研究[D]， 華南理工大學

2010

[3] 何學發， 模塊化造船技術及其發展綜述[J]， 造船技術， 1998

[4] 法偉東 徐學光， 模塊造船的實施方法[J]. 造船工藝， 1995

[5] 楊國兵， 我國造船業模塊化制造網絡研究[D]， 哈爾濱工程大學 2008