三維干涉檢查技術在汽車涂裝車間設計中的應用

汽車涂裝車間內部樓層結構一般為2-3層，由于專業(yè)眾多導致車間內部布局緊湊，可利用空間緊張，還存在設備跨樓層安裝的情況，導致工藝設備、輸送機、土建結構、公用動力、電氣橋架、車間消防以及車間照明等專業(yè)之間在施工過程中的干涉問題錯綜復雜[]。如果不提前進行干涉檢查，現(xiàn)場施工過程中將會耗費很大精力整改干涉問題，造成施工進度滯后且增加現(xiàn)場改造成本。由于二維圖不能直觀體現(xiàn)設備的標高信息和空間布局，利用傳統(tǒng)的二維總圖匯總檢查方法很難直觀排查出風管和公用管路的干涉問題且效率較低，干涉問題的識別程度完全取決于設計負責人的經驗[2]。

近年來工藝和土建各專業(yè)三維設計水平不斷提高，設計方法逐漸成熟，尤其三維總圖設計效率得到明顯提升，使得三維干涉檢查技術能夠順利應用于涂裝車間設計的不同階段，主要包括工藝總圖規(guī)劃和制造圖設計這兩個階段。

三維干涉檢查的軟件基礎

1.Navisworks軟件

Navisworks（以下簡稱NW）是Autodesk公司開發(fā)的一款三維軟件，其整合、瀏覽及審閱功能十分強大，軟件本身不具備三維設計功能，通常用于三維總圖匯總和干涉檢查，也可用于制作設備動作動畫及車間漫游動畫。該軟件兼容性極強，可打開幾乎所有常見格式的三維模型且入門簡單易于學習，非常適合車間級別的模型匯總和干涉檢查使用。

NW軟件提供了自動干涉檢查功能一ClashDetective，通常使用該功能檢查模型中的硬碰撞。為防止干涉檢查結果中有過多重復的干涉問題，NW軟件提供了一些規(guī)則設定，用以忽略同一圖層或圖塊中的模型元素造成的重復干涉問題，從而節(jié)省審閱時間。

使用ClashDetective功能對機運模型和土建結構模型進行干涉檢查之后的結果如圖1所示，對檢查結果審閱之后可對每個問題標注狀態(tài)。

對于人員通過性、維修空間及物流通道等非硬碰撞干涉問題，需要使用軟件的漫游功能去人工識別。

以上兩種方法發(fā)現(xiàn)的干涉問題，可通過軟件中的視點功能保存，并通過審閱功能添加批注，還可通過建立不同專業(yè)的干涉問題文件夾和編輯視點名稱說明干涉問題的解決狀態(tài)等信息，讓干涉問題的狀態(tài)一目了然。所有專業(yè)的干涉問題，可通過各自的干涉視點文件匯總到總模型中，并通過nwd模型發(fā)布給所有設計人審閱。

2．三維設計軟件

不同專業(yè)的建模和出圖需求不同，使用的三維設計軟件功能側重也不同。考慮與NW軟件的數(shù)據(jù)兼容性，本文推薦如下幾類三維設計軟件。

1）建筑模型推薦使用Autodesk公司的Revit軟件。Revit和NW由同一家軟件公司開發(fā)，有著良好的模型數(shù)據(jù)兼容性。

2）工藝設備總圖模型推薦使用Bentley公司的Microstation軟件，并搭配使用Venturis公司的TriCAD工具集（基于Microstation平臺開發(fā)）。TriCAD包含輸送機、管路、風管、橋架、室體及鋼平臺等多個三維參數(shù)化設計模塊，可實現(xiàn)快速三維總圖建模。建模效率的提高，正是三維正向設計和干涉檢查能夠順利實施的重要基礎。

3）機械三維詳細設計及制造圖出圖推薦使用Autodesk公司的Inventor軟件，NW可直接打開iam文件并在模型樹中展示設備完整的裝配結構，能保留更多的源文件信息。其他常用機械設計軟件，如SolidWorks、NX及Catia等設計軟件的模型也可以被NW直接打開，但可能存在模型丟失的問題，兼容性不如Inventor。

4）鋼平臺詳細設計可根據(jù)設計習慣選擇Tekla、BentleyProSteel以及RevitStructure等軟件。

3.三維模型數(shù)據(jù)格式轉換

使用NW進行模型匯總的核心是將被匯總模型的文件格式轉換為nwc。

最簡單的轉換方式為直接通過NW打開各種格式的三維模型，NW會自動生成一個nwc文件，模型匯總時可直接使用該nwc文件代替原模型，提高匯總模型的打開效率，但這種方法的缺點在于生成的nwc文件有模型丟失問題，一般僅Inventor模型、Revit模型和對模型丟失程度要求不高的情況，可采用這種方式。

對于Microstation創(chuàng)建的dgn模型，Autodesk官方提供了實用的導出程序，可直接利用該程序生成優(yōu)化的nwc文件。

對于其他三維軟件創(chuàng)建的模型，建議將模型轉為三維dwg中間格式，再用NW打開dwg文件生成nwc文件，可最大程度地避免模型丟失。

三維模型匯總定位方法

進行三維模型匯總，需要所有模型有統(tǒng)一的定位基準，即“車間軸網”。為方便工藝專業(yè)進行建模和設備定位，通常選擇車間軸網左下角的A-1交點為零點進行設備建模，即該點坐標為（0，0，0）。其中，A軸與軟件坐標系X軸重合，1軸與軟件坐標系Y軸重合，如圖2所示。

所有軟件建模都需要參考這一零點進行設備定位。

Revit和Microstation可參考軸網直接完成模型定位。而Inventor等機械設計軟件建立的設備模型需要通過與原始坐標系進行裝配定位，即軟件的零點為X-Y平面、 X. Z平面和Y-Z平面的交點，按這三個平面與模型的距離關系進行定位。

若模型在建模階段未按照軸網的位置進行定位，還可通過NW軟件自帶的“單位和變換”功能（見圖3）或在選定一個模型之后通過項目工具中的“變換功能，對模型的位置和角度進行調整。

需要注意的是，NW軟件的定位功能僅是一種補救措施，多用于調整模型標高及位置微調，若模型存在多個角度需要調整，使用NW定位將會變得很復雜。

工藝總圖規(guī)劃階段的干涉檢查

該階段的干涉檢查主要關注各工藝段的空間布局是否合理、物流通道是否暢通、樓板洞口位置是否和提資一致等明顯問題。由于該設計階段通常進度比較緊張，初版的三維總圖可以用包絡體搭配文字注釋進行替代，即通過繪制長方體及中心線來表示工藝設備的空間占位，在對應的長方體上標注工藝段名稱等注釋。輸送線路可使用最大車型的包絡體進行占位，可直觀體現(xiàn)車型和其他設備的干涉問題。另外，設備的維修空間等需要占位的情況，也需要用包絡體表示出來，比如升降機的維修吊桿掃過的空間，如圖4所示。

工藝總圖級別的三維模型建模過程中需要注意多添加文字描述，讓三維模型展示的信息更全面，方便不同專業(yè)設計人員獲取必要信息，從而判斷是否存在可能干涉的隱患。模型可以不詳細，但必須有占位，用包絡體替代即可，在后續(xù)設計過程中慢慢進行模型細化。

該階段干涉檢查的局限性在于設計時間的限制。所帶來的主要問題包括：細小的管路支路一般不進行三維建模；在現(xiàn)場預制的設備，如管路支吊架一般不在三維中體現(xiàn)；Tricad繪制的風管不包含法蘭、繪制的工藝設備缺乏結構細節(jié)；鋼構及土建模型中的節(jié)點不體現(xiàn)細節(jié)等。在空間允許的情況下，以上問題最好通過在提資階段或設計階段保留一定的安全距離來解決，否則將給后續(xù)的詳細干涉檢查帶來很大困難。

制造圖設計階段的干涉檢查

該階段的干涉檢查，主要關注工藝總圖規(guī)劃階段的模型中沒有體現(xiàn)的細節(jié)造成的干涉問題。例如，在設計周期充許的情況下，可對管路支吊架進行干涉檢查并進行管路共架設計，如圖5所示，可將圖中5條同一走向的公用管路進行共架設計，以達到優(yōu)化使用空間的目的。

進行全車間制造圖級別干涉檢查的局限性在于詳細模型的體量過大，經過匯總之后的總模型打開會非常困難且瀏覽過程中模型會經常卡頓，會極大降低干涉檢查效率。因此在設備完成詳細設計后，有交集的專業(yè)可在小范圍內作業(yè)，以提高干涉檢查的效率。典型的制造圖級別干涉檢查包括：室體和內部輸送機的干涉檢查、底涂輸送系統(tǒng)和周邊風管的干涉檢查、設備鋼平臺和土建結構的干涉檢查等。該階段的干涉檢查深度需要視各專業(yè)的設計進度和深度而定，在項目進度緊張的情況下，可優(yōu)先把模型中干涉隱患最大的部分設計出來，以方便各專業(yè)之間進行干涉檢查。若一定要進行全車間詳細模型的干涉檢查，可對模型進行輕量化處理，如通過刪除模型中的標準件、刪除內部不影響干涉檢查的零部件以及提取模型包絡面等。

結語

三維干涉檢查技術可顯著提升設計質量并降低項目成本，但該技術在項目實際應用過程中，應結合項目進度來評估干涉檢查的深度。若在項目進度不允許的情況下，一味地追求過于精細化的干涉檢查顯然是不可取的。另外，該技術的實施對企業(yè)的三維協(xié)同設計能力和三維模型管理能力也有著一定的要求，需要在實踐過程中不斷總結經驗并形成適合企業(yè)自身的方法。

當前虛擬現(xiàn)實技術（VR）和增強現(xiàn)實技術（AR）已經非常成熟，未來可將三維干涉檢查技術與以上技術相結合，使人身臨其境處于車間環(huán)境中，創(chuàng)造更加直觀和真實的干涉檢查體驗。

參考文獻：

[1]金國士，徐紅璘.Navisworks在涂裝車間規(guī)劃中的應用[J].上海涂料，2011，49（8）：26-29.

[2]羅明全，肖志偉，游和平.淺談汽車涂裝車間工藝設備數(shù)字化協(xié)同設計[J].汽車制造業(yè)，2024（1）：44-46.ALTO1950