基于空間系統的區域劃分設計

王欣榮，汪文灝

（江南造船（集團）有限責任公司江南研究院，上海201913）

0 引 言

近年來，隨著船舶制造業的智能化發展，區域設計理念正逐步實現，生產設計重心正從階段化向區域化發展。區域劃分設計作為詳細設計中的重要組成部分，在船舶設計建造中具有關鍵作用。以往的設計模式采用二維圖紙輸入，進行詳細設計之后轉換為三維圖形，再次進行生產設計之后形成二維圖紙輸出。在該模式下，單型船涉及的圖紙量就能達到數萬份，負責各類系統的百名設計人員在圖紙的多維轉換過程中的交流中極易在理解上產生誤差，嚴重影響船舶設計、建造周期。

本文通過在三維設計平臺3DEXPERIENCE的空間系統中進行區域劃分設計，將詳細設計與生產設計聯動起來，為后續區域化生產設計的開展奠定基礎。

1 區域劃分的應用現狀與優化

1.1 區域劃分的應用現狀

在船舶建造過程中，區域的概念廣泛應用于總段階段、船臺階段和碼頭階段。此階段的舾裝及涂裝專業生產設計出圖、現場施工管理和生產管控都依托于區域劃分的指導，準確且大小適宜的區域劃分對提升設計出圖和現場施工的效率起決定性作用。

1.1.1 區域劃分的定義

船舶區域劃分是指對船舶的某一部位（如機艙、甲板和貨艙等）進行劃分、再劃分或組合，是一種根據船舶的功能特點、船體劃分方式、施工類型和施工物量等，將船舶分成大、中、小等3 級區域的空間劃分方式［1］。

1.1.2 區域劃分設計流程

傳統的區域劃分設計結合了圖紙、政策和施工等多個要素，其流程見圖1。區域劃分設計以型船為單位，每種船型都有其獨特的區域，如液化氣船的液罐區域和雙燃料系統船的燃料艙區域等。因此，確定型船特征是區域劃分設計的第一步。以總布置圖為底圖，歸納好各區域功能圖紙，結合分段總段劃分圖對這些圖紙進行梳理和理解［2］。在公司的完整性要求和殼舾涂一體化要求等得到把控的情況下進行區域劃分方案策劃，制訂大區域方案，見圖2。大區域劃分方案經過項目組一致通過之后，開始進行初步設計，對中小區域進行拆分并明確區域界限，形成區域劃分設計圖紙初稿。與各專業、各系統的設計人員溝通，根據其反饋對區域劃分方案進行優化。調整設計圖紙之后與生產技術質量人員討論交流，根據現場實際施工技術能力對區域劃分方案進行再優化。最后，綜合以上信息輸出正式的區域劃分設計圖，并在實際建造過程中根據現實生產情況對劃分方案進行持續優化。

圖1 區域劃分設計流程

圖2 大區域方案示意圖

1.1.3 傳統區域劃分設計存在的痛點問題

由于傳統的區域劃分設計以二維表述為主，二維區域劃分圖紙中的信息包含主體邊框結構、艙壁結構等實體框架，去除了所有舾裝件信息，詳細圖紙一般包括側視圖1 頁和各層甲板俯視圖數頁。設計人員需通過想象勾畫三維區域空間，其設計質量完全取決于設計人員的技術水平和工作經驗，設計準確性難以得到保證。工藝設計、優化的周期長，方案的優劣依賴個人經驗，缺乏定性和定量分析手段，致使生產中是否存在干涉因素、舾裝件安裝順序是否合理和施工空間是否開敞等一系列問題在建造階段才能暴露出來［3］。

1.2 區域劃分應用優化

針對傳統區域劃分中存在的痛點問題，依托法國達索公司三維設計平臺3DEXPERIENCE，將二維設計提升為三維設計，利用其三維協同設計、制造和管理一體化的特性，使區域劃分設計實現三維仿真具現化。充分發揮該平臺的數據貫通、信息共享和體系融合能力［4］，使區域與船體和舾裝件共用同一個空間系統，最大程度地體現區域劃分設計的意義，明確區域空間界限，降低圖紙質量受人員經驗影響的程度，提高出圖效率，縮短工藝設計和優化周期。后續在3DEXPERIENCE大數據處理能力的支持下，達到區域劃分與各專業同步設計、發布和更新的理想狀態。

2 區域劃分在3DEXPERIENCE中的解決方案

2.1 3DEXPERIENCE各模塊的功能

區域空間劃分解決方案主要涉及3DEXPERIENCE 中的Structure Design、Part Design Essentials 和Space Allocation模塊，其主要功能見表1。

表1 3DEXPERIENCE中各模塊的主要功能

在船體三維模型建立之后，為實現在3DEXPERIENCE中根據船舶的功能特點、船體劃分方式、施工類型和施工物量等，將船舶分成大、中、小等3 級區域的空間劃分目的，首先使用Structure Design模塊構建物理產品，導入船體三維模型和空間坐標系統，其次通過Part Design Essentials模塊在物理產品中創建實體，最后通過Space Allocation模塊將實體轉換為空間并發布。

2.2 解決方案的實現步驟

設計開始之前，需審核平臺許可和型船正式結構樹權限，確保區域空間劃分產品能應用在正確的空間系統中。通過調整首選項配置，簡化系統內部算法，縮短平臺應用數據處理時長，提升區域空間劃分設計的高效性。在三維模型設繪過程中選擇使用型船現有的空間坐標系，與船體結構共用同一坐標系，并選擇型船艙室空間模型替代二維總布置圖進行輔助設計。

2.2.1 物理產品與空間坐標系統

選擇Structure Design模塊創建物理產品，用以支撐區域空間劃分設計。導入船體三維結構和艙室空間模型，同時導入型船空間坐標系統。這一步的目的是確保最終創建的區域空間與所有專業處于同一空間系統中。

2.2.2 區域實體設計

在3DEXPERIENCE中，空間無法直接創建，需由實體轉換之后生成。因此，需在Part Design Essentials模塊下綜合型船特征、完整性要求和實際施工能力，通過直接繪制或集合艙室空間間接創建多個實體，分別描述各類大、中、小區域的空間［5］。

2.2.3 區域空間模型

選擇Space Allocation模塊，使用切割元素或草圖處理實體模型，通過這一步將區域實體模型轉換成目標區域空間模型。各大、中、小區域分別發布之后，梳理節點，將其掛入型船物理產品結構樹中。此時區域空間與所有船體及舾裝件模型處于同一坐標系內，實現了真正的同步設計。

2.3 解決方案的優勢與創新

2.3.1 設計輸入端

傳統區域劃分設計由總布置圖和分段總段劃分圖等二維圖紙輸入，僅有甲板層輪廓和部分截面結構線條作為參考，對區域劃分設計人員的空間想象能力的要求較高。在3DEXPERIENCE 這類三維平臺下，輸入端數據調用更便捷且詳細。本文采用三維船體結構模型和艙室空間模型作為輸入端，并參考立體分段總段空間模型進行區域空間劃分設計。對于區域劃分設計人員而言，設計行為更加準確高效。細化的輸入源縮短了區域劃分方案成型的周期，對總設計周期產生了積極影響。

2.3.2 設計輸出端

區域劃分用于指導生產設計出圖和生產管理管控，其輸出分別流向先行設計和后行管理2 個端口。將二維區域劃分平面圖紙（見圖3）優化為三維區域劃分空間模型，革新了區域劃分輸出模式。專業的生產設計出圖人員查看區域劃分方式，從下載單份圖紙升級為展開產品結構樹中的區域空間模型，見圖4。這樣能省去多份圖紙的疊加工作，無需再進行多余抽象解讀，出圖過程更簡單。三維平臺的自動檢測報錯功能規范了生產設計，同時縮短了校對和審核周期。現場管理人員接收區域劃分圖紙升級為移動端設備查閱。由于建模采用1∶1的真實比例，管理人員可放大核對每處細節，更利于分配施工任務，避免因業務分工不明確而引發糾紛，為未來船舶行業的智能化發展奠定基礎。

圖3 局部區域劃分圖示意圖

圖4 局部區域劃分空間模型

3 結 語

對于數字化設計概念而言，二維區域劃分設計缺乏來自統一數據庫的支持，工藝信息不完整，設計、建造之間的三維模型與二維圖紙空間轉換費時費力，且不利于模型的更改和設計變更的快速處理。本文通過3DEXPERIENCE的空間系統進行區域空間劃分設計，使區域空間與分段總段空間、船體空間和系統舾裝件處于同一坐標系內，從空間上明確生產設計的區域界限，實現基于三維模型的設計與工藝協同、工藝與制造協同，從而最大程度地發揮生產設計與現實生產之間的核心橋梁和紐帶作用。該方案已在多型在建液化氣船上投入應用，降低了建造成本、提高了建造效率，縮短了建造周期，達到了區域舾裝出圖零差錯的目標，符合船舶行業高質量造船的要求。空間系統能同時滿足船體、鐵舾和電氣等各專業從方案設計、技術設計、施工設計到生產設計全過程的基于模型的數字量傳遞，符合未來數字化造船技術的發展趨勢。