舰船总体区域设计技术研究

张 平 洪伟宏

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2中国人民解放军海军装备部，北京100071

舰船总体区域设计技术研究

张 平1洪伟宏2

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2中国人民解放军海军装备部，北京100071

通过分析舰船总体功能，开展了舰船总体区域划分，给出了总体区域划分、分段区域划分的设计准则；从技术和管理角度阐明了区域设计的控制过程，并就区域施工设计向生产设计的信息传输进行了分析，给出了自动转化方案，为区域设计向区域建造的转化提供了技术基础。同时，在文中提出了模块化对象封装设计方法应作为舰船总体区域设计中的重点予以关注。

舰船；区域；模块；生产设计

1 引言

近几十年来，造船设备与技术在各方面都取得了巨大的进展，如焊接设备与技术、运输与起重吊运能力、建造变形公差控制、数学放样、数控加工技术等。特别是计算机技术的发展与应用，使船舶建造的质量和生产效率有了很大的提高，它同时也对船舶建造方式提出了新的要求，为适应这种要求，船舶生产建造的模式正在发生变化，即由传统的造船模式向以区域造船为标志的现代造船模式转化，传统的造船模式按功能／系统／专业为导向来进行设计生产与管理，而区域造船模式以区域／阶段／类型为导向来进行设计、生产与管理。采用区域造船的生产模式将改善生产条件、提高生产效率及建造质量。区域造船技术在民船建造方面的应用已取得长足进展。而军品建造方面由于完成的任务不同，从而在材料、结构、设备、性能以及制造要求上都不一样，军船舰船性系统比较多，各种设备和系统繁杂、空间紧凑，还需满足作战上的一些特殊要求，因此在建造上与民船有所区别。军舰的建造合同、设计、体制、设备配套特别是武备的配套、舰艇的监造、试验与试航以及使用环境不同于民船，军舰建造由传统的造船模式向以区域造船模式转换要比民船困难得多，当前在这方面的进展还不够大，开展这方面的研究是很必要的。

区域造船法就是运用先进的设计、制造理论，将整条船按空间而不是按系统组成区域，然后在不同的工艺阶段按不同的施工区域去组织高效、有序的生产。现代造船的主要特征是区域造船，把传统造船按功能／系统／专业为导向的设计、生产、管理方式改变为按区域／阶段／类型为导向的设计、生产、管理方式。在“区域”代替系统过程中，以“区域”为建造的一个中间产品，在完成的过程中，以合理的空间分道，在时间有序的原则下实施壳、舾、涂一体化，实施设计、工艺、管理一体化。其优点为：

1）提高舰船建造质量

实现区域造船，在进行转换设计及生产设计时，运用计算机技术，绘制区段的综合布置图，每一区段内的船机电设备、管系和电缆都加以定位，把建造中预计碰到的问题事先在设计阶段就进行协调，并绘制出相应专业的工区图和工位图，使得建造工作事先在纸上造一次船。因此，它可以避免设备之间的抢位、碰撞，减少返工。

由于大量的舾装工作在分段以及总段上进行，可将很多工作移至车间或平台上完工，施工方式也可改变，劳动和施工条件大大改善，提高了产品建造质量和生产效率。

2）缩短造船周期

区域造船法是把船体划分为若干总段和分段建造，这些总段和分段可以在车间内或在船体外场平台上制造并进行预舾装，即船机电设备、管系和电缆可预先安装就位，并可平行作业，然后在船台上进行总段之间的大合拢，这就大大地缩短了建造周期，如澳大利亚和新西兰联合研制的新型护卫舰“安扎克”（ANZAC）号，它是以德国MEKO技术实施总段（模块）建造的3 600 t舰艇，其建造周期为31个月。

3）有利于现代化改装

由于区域造船在舰船区域功能模块、区域功能封装等设计准则下进行，便于新的功能嵌入，这样就便于舰船全寿命期内的现代化改装，尤其利于作战功能的更新。

由于区域造船在提高舰船建造质量、缩短造船周期及现代化改装等方面具有诸多好处，因此有必要开展舰船总体的区域设计研究。本文在有关设计准则、流程及建造接口设计方面进行了论述，以实现区域设计、建造一体化。

2 舰船设计总体区域划分准则和方法

2.1 舰船功能分解

舰船的使命任务在于对特定海区进行长时间的巡逻、警戒、封锁，搜索和救援；协同战斗舰艇编队进行反潜、对海和防空作战，另外还可以为舰队护航、保护海上交通线、支援两栖作战等。为完成这些使命任务，舰船本身按功能和结构分解为平台和作战系统，平台和作战系统之间有能量和信息传输关系。平台可分为船体、电气、动力、辅助系统和装置；作战系统包括传感器、指控系统以及武器装置［1］。如图1所示：

图1 舰船功能分解图

2.2 舰船总段划分准则

1）结合舰船功能开展总段区域划分

根据舰船功能分解，可以将舰船大致分成以下区域［2］：推进功能区、武器功能区、信息接受区、指挥控制区、舰员生活区、辅助功能区。

2）结合模块化设计功能划分要求

模块化作为一种过程或方法，其定义可描述为：将装置按功能分解成许多单元，并将其设计成模块，然后与少量非标准装置合成为一个系统的过程或方法。因而，模块化有两层含义，即模块的形成和用模块构造系统，亦即模块的分解和模块的组合。这里，我们将舰船分解为若干总段，总段分为若干分段和许多标准的功能模块［3］；功能模块的出现不仅可以缩短总段的建造周期，而且有利于舰船的现代化改装。如图2为MEKO舰各功能单元设计说明。美国海军在潜艇模块化发展中提出了区域模块的概念［4］。民船在区域建造中也大量使用了区域模块的技术［5］，如住舱功能模块、卫生单元模块等。

3）结合总段建造方针

在总段及其功能划分的同时，我们要结合考虑船厂的建造能力，考虑其建造方针，以便顺利实现舰船总段建造。

4）同一系统尽可能划分在同一总段中

图2 MEKO舰各功能单元设计说明图

前面我们引入了模块化设计原则，即对一定范围内的系统进行功能分解，再按照“高内聚、低耦合”的原则，实现功能高内聚，而其与外界联系又是低耦合；把实现某一功能的各要素在结构上“封装”起来，形成一个“箱装式”整体单元，该单元与外界联系只留下信息接口、能量接口和物理结构接口，并将这些接口进行标准化处理，实现与外界联系标准化，即“低耦合”。就舰艇而言，则是对舰体进行总段模块分解，进行总段功能设计，作战功能等其他功能均“封装”于总段中。在该总段内封装了区域配电系统、区域海水消防系统、区域空调通风系统等。功能模块封装体之间、作战与平台之间联接则采用标准信息、能源接口连接。在体系结构上，则主张作战系统、平台监控管理系统等为分布开放式，从而便于模块化的重新组合，以适应新的作战任务需求。

但是对于同一系统冗余设计的系统设备，从生命力上讲要分散布置，可以不在同一总段中。

5）总段具有足够的强度和刚度

总段端部尽可能是舱壁等强力结构件，以保持总段的刚性和稳定性。

6）便于舾装和涂装

总段开放端部应有适当的通道，供舾装和涂装作业用，尽量提高预舾装率。

2.3 分段划分准则

总段划分后接下来是分段划分，所谓分段划分就是指将舰船合理地分割和合拢，一张船体分段划分图实际上是将其舰船在图面上建造了一遍，它不仅要考虑船体强度分割的合理性，还要兼顾原材料利用效率、工厂资源的最大利用率、施工工艺的可操作性等等［6，7］。由此可见分段划分是舰船建造中的一项重要工作。早在1985年，我国翻译出版的《钢船建造法》第2卷中就比较详细地介绍了船体分段划分准则。在现代造船转模中，我们不仅要继承传统分段划分的优点，还要面向壳舾涂一体化区域造船开展船体分段划分准则研究，主要准则如下：

1）保证船体结构强度；

2）分段具有足够的刚度；

3）便于舾装和涂装；

4）便于装配施工管理；

5）结合船厂的生产能力；

6）考虑钢板的规格。

3 舰船总体区域设计过程控制

3.1 传统舰船设计和建造的设计流程分析

传统的舰船设计可以分为方案设计、初步设计、技术设计、施工设计和生产设计。在施工设计以前各个阶段都是面向系统的，按功能进行设计，各专业科组按系统的功能进行设计和布置，遇到接口和设备碰撞时，各专业在主任设计师组织下协调和平衡，然后由各专业科出各自的图纸，其流程见图3。

图3 传统舰船设计流程图

3.2 区域造船设计流程

考虑到并行设计技术的先进性，结合区域造船方法，在舰船总体区域设计之初，即方案设计中就要考虑建造问题、维修问题、改装问题等；提前引入建造方法，并一直传递下去，其流程见图4。

计算机的三维设计是作为一种设计工具和手段，能将船舶设计的所有方面设计出来，能应用于设计各个阶段，可以从方案设计、初步设计开始，一直到技术设计、施工设计和生产设计，随着设计阶段的进展，能满足直到生产所需各类零件加工和安装的图纸及各种信息的要求。所以计算机的三维设计是区域造船设计的必要手段。

图4 区域造船设计流程图

3.3 舰船总体区域设计工作内容

舰船总体区域设计工作内容是随设计深入逐步展开的，各阶段的区域设计工作内容说明如下。

1）在方案设计、初步设计中拟定舰船总体区域图

在总体区域设计的思想下，舰船设计中的船体、作战系统、动力、电气、装置及辅助系统专业各自开展相应区域设计。

2）在原理线路图中推广区域划分

电类、管路原理线路图中跨总段时，在图的纵向分隔中用虚线将各总段分开。

3）在技术设计中拟定舰船总体区域设计说明书

技术设计阶段应对每个区域进行说明，该说明是该区域内各专业的汇总，包括区域的功能、组成、能源信息接口、主要设备明细、重量重心、设备吊装转运等。

4）施工设计全面推行区域出图

区域建造是指区域内船体、舾装、涂装图纸集中在一起施工，因此要求舰船总体设计总段区域的施工图，包括船体、动力、辅助系统、船舶装置、作战系统、电力系统在该总段内所有图纸。

5）在区域建造、总体合拢中加强精度控制。

3.4 舰船区域设计控制管理

传统的舰船总体设计是以科为单位进行设计技术管理的，专业科的设置有：总体、船体、装航、动力、电气、观通、武器；技术上由总师、主任设计师、主管设计师、技术人员负责。各专业按本专业图纸目录规定的系统出图。面向区域设计后，除了保留以前的专业负责制外，还要建立区域负责制，即各总段区域、舱室区域、模块功能区域要设置相应的负责人，负责区域内的三维建模、设备的布置和协调。

由于舰船总体区域设计是构建在计算机辅助设计之上的，因此在技术管理上要建立一套CAD设计方法、信息管理、安全、保密签署制度和工作程序等。

4 舰船总体区域设计与生产设计的接口研究

4.1 传统造船模式中施工设计表达方法

施工设计是舰艇建造的依据，施工设计包括施工建造所必需的全部图样及技术文件，有关工艺文件由总体设计单位编制原则性工艺要求。图纸、原则工艺、订货信息等均从舰船角度出发、按专业划分开展图纸设计。

4.2 区域造船中施工设计内容

区域造船要求以区域（总段）为建造单元，实现壳、舾、涂一体化生产，这就要求设计所改变以往按功能或系统绘制施工设计图纸的出图模式，转变为按区域或阶段设计该区域的所有船、机、电各专业的施工设计图纸，在图号中用符号来区别；编制区域图纸目录，汇总船、机、电设备清单，标明各零部件的重量等。

与传统施工设计相比，区域设计有如下变化：

1）图纸编排按专业科分，但图纸编号后面增加总段号；

2）图纸类型增多，除了原理图、布置图、安装图、基座图、工艺套等，还有零件图、装配图、中间产品图［2，8］。根据生产需要，中间产品可以是下列分类中任何一种：

图5 中间产品分类图

3）增加综合布置图，即以舱室为设计对象，对该舱室内的设备、管系、电缆等进行综合布置。

4）船体专业增加零件制造图、各类中间产品的装配图、各总段黑色金属订货表等。

5）管系类设计增加管子加工详图、支架图、装配图，各总段管系及附件定货表以及按区域进行管系原理图设计。

6）电类专业增加所有小型密封件支架图、电缆固定详图，各总段电缆及减振器、小型件订货表以及分区域电气原理图设计等。

4.3 区域造船下施工设计信息向生产设计自动生成方案

4.3.1 生产设计中托盘信息分析

主要有管系托盘表、电气托盘表、风管托盘表及舾装托盘表。托盘中与设计有关的信息见表1。

表1 托盘设计信息表

以上各类信息在施工设计中要分类进行统一编码存储，便于计算机统计。

4.3.2 信息自动生成方案

数据流分析是解决托盘中信息生成的一种设计方法，本文以此作为从设计到托盘准备的自动生成方案。

1）管系托盘表数据流

从管路线路图设计开始，保存初步的管路托盘信息输入到数据库中。经综合布置图（与主干电缆、设备布置等协调）设计确定管路定位，然后进行管路零件图设计，完成管路、附件、托架等信息设计。

2）电气托盘表数据流

电类专业（电气、作战系统）在施工设计中进行专业导电图设计，优化出主干电缆图，再与管路线路图等综合布置确定主干电缆、局部电缆定位，然后绘制电缆支架。

以舱室为区域进行电类专业工艺套设计，与机械、装置等专业的设备布置协调，设计出舱室综合布置图。

通过上述设计过程完成电气托盘表数据的保存。

3）风管托盘表数据流类似管路设计。

4）舾装托盘表数据流

此信息从各专业的安装图、布置图、零件图和工艺套、综合布置图中提取。

5 结论

从以上分析，我们可以得出以下结论：

1）总段划分的准则

舰船总体在区域设计中遵循的准则有：结合舰船功能开展总段区域划分、结合模块化设计功能划分要求、结合总段建造方针、同一系统尽可能划分在同一总段中、总段端部尽可能是舱壁等强力结构件、总段开放端部应有适当的通道。

2）分段划分的准则

分段划分的准则主要有：保证船体结构强度、分段具有足够的刚度、便于舾装和涂装、便于装配施工管理、结合船厂的生产能力以及考虑钢板的规格。

3）总体区域设计控制流程

总体区域设计贯穿于舰船设计全过程，在方案设计中需考虑建造方针，在功能、系统设计的同时开展区域建造设计。在设计中必须落实区域设计责任人。

4）总体区域三维设计

总体区域设计要采用计算机辅助三维几何设计，同时也要对区域内的舾装、材料、管系、管系附件、电缆等非几何类的托盘信息进行管理，使施工设计的区域信息自动向生产设计传输，减少生产设计中二次输入的重复性劳动，为壳、舾、涂一体化区域造船创造条件。

［1］ 张平.水面舰艇模块划分方法［J］.中国舰船研究，2006，1（4）：7-10.

［2］ 舰船模块化译文集.中国舰舶工业公司科技局，1994年12月.

［3］ 纪竹盛，刘绍华，刘福江.潜艇模块化建造方法探讨［J］.造船技术，2001（6）：7-9.

［4］ 段宗武，黄晓辉，黄建伟，等.分阶段实现潜艇模块化设计与建造技术的探讨 ［J］.舰船科学技术，2004，6（21）：9-12，29.

［5］ 冯海涛.区域模块化是总装造船的发展方向［J］.造船技术，2004（4）：1-4.

［6］ 钟宏才，向东，谭家华.船体分段划分方法研究概述［J］.造船技术，2002（2）：1-4.

［7］ 惠明.1714TEU船体分段划分和建造特点［J］.造船技术，1999（1）：9-11.

［8］ 李斌，陆伟东，谭家华.以中间产品概念为导向的舾装生产设计后处理研究［J］.造船技术，2002（3）：5-8，4.

The Technical Research of Ship Zone Design

Zhang Ping1Hong Wei-hong2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 The Equipment Department of PLAN，Beijing 100071，China

The paper carries out zone partition of warship through the analysis of warship function and puts forward designing rules of general zone and subsection zone partition.From the point of view of technology and management，the author illustrates the controlling process of zone design，analyzes the information transmission from zone construction design to production design，puts forward automatic transformation scheme and provides technology foundation for the transformation from zone design to zone construction.At the same time，it is advanced in this paper that encapsulation design approach of modularization objects should be paid more attention to in ship zone design.

ship；zone；module；construction design

U662.3

A

1673－3185（2009）03－33－05

2008-11-15

“十五”预研课题

张 平（1964－），男，高级工程师。研究方向：舰船综合保障。E-mail：Zhangping701＠yahoo.com.cn