SketchUp参数化建模在船厂工艺方案设计中的应用探索

丁炜杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

SketchUp参数化建模在船厂工艺方案设计中的应用探索

丁炜杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

建立船厂工艺方案的三维模型是船厂项目BIM设计的一项重要工作。中船九院公司基于SketchUp设计软件进行二次开发，实现了船厂主要厂房设施工艺方案的参数化建模功能，解决了工艺专业融入船厂项目BIM多专业协同设计的一个技术难点。

船厂工艺方案；参数化建模；二次开发

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.17

1 前言

三维设计在机械行业已有30余年的应用发展历史，飞机、汽车、船舶、工程机械等行业已经普及三维设计。目前，建筑工程设计行业也加速从两维设计向BIM三维设计转变，一些适用于工程建设行业的三维设计平台得到了长足进步(如Revit系列平台、AutoCAD系列平台等)[1]。

中船九院公司选用Bentley公司的BIM解决方案，以ProjectWise为协同工作平台，以MicroStation为工程内容创建平台进行多个专业的BIM设计。Bentley公司的软件平台为建筑、结构、机电专业提供了较完备的信息建模以及三维协同设计环境，也提供了GenerativeComponents这样的参数化造型模块，但Bentley解决方案没有相关模块对工艺专业设计过程中重点关注的工艺方案与设备布局功能提供支持。

为了提供工艺方案的快速三维建模手段，建立船厂的三维模型，使工艺专业融入船厂项目的BIM多专业协同设计，公司成立了课题组开发船厂工艺方案参数化建模软件。

2 船厂工艺方案的参数化建模插件开发

2.1 开发原则

在船厂工程设计中进行三维设计不是为了好看，更重要的是改进现有设计手段。本课题开发的主要原则如下：

(1)选用方便易用的三维设计软件作为设计平台；

(2)该三维设计软件具备功能完善的API开发接口；

(3)Bentley MicroStation支持该三维设计软件输出的文件格式。

2.2 设计平台及开发内容的确定

船厂工艺方案的参数化建模插件选用SketchUp 2015作为CAD设计平台。

SketchUp是美国@last software公司于2000年前后开发出来的新一代建筑设计软件，2013年SketchUp成为Trimble Navigation整体解决方案的一部分。SketchUp具有独特简洁的界面，可以让设计师短期内掌握其使用方法；能与AutoCAD、Revit、3DMAX、MicroStation等软件结合使用，为AutoCAD和MicroStation等设计工具快速建立所需要的模型；SketchUp的 Ruby开发程序接口(SketchUp Ruby API)让使用Ruby脚本的开发者能够自主扩展SketchUp的软件功能。

船厂工艺方案的参数化建模插件的开发内容，涉及船厂主要车间设施(船体、舾装、涂装)的工艺方案，包括以下内容：

图1 不同建模方法的组合

(1)厂房设施

船厂主要车间的形体轮廓模型。如堆场设施、船体钢结构厂房以及混凝土涂装厂房。

(2)工艺设备及生产线布局

主要工艺设备的参数化模型，以及生产线的三维布局模板。如各类起重机、数控切割机、油压机、平板车的参数化模型，以及钢材预处理流水线、平面分段流水线的三维布局模板。

2.3 建模方法

Catia、NX等机械设计CAD/CAM软件所建的三维模型，是由特征值和约束数值驱动的[2]，而SketchUp软件通过创建点、线、面、体进行三维建模，所建模型没有前两款软件涉及的特征值与约束。因此，它不是一款严格意义上的参数化设计软件。

幸运的是，SketchUp开放了强大、完善的Ruby API。通过Ruby API不仅可以实现SketchUp软件自带的所有操作功能，而且可以开发个性化的UI交互界面获取参数驱动建模，这样就另辟了一条参数化自动建模途径。

SketchUp Ruby API提供了两种在场景中建立模型的方法：

(1)由Ruby脚本从现有模型库中引用一个或多个保存为skp格式的组(Group)或组件(Component)，然后在脚本所提供UI界面中根据输入的参数，对插入的模型进行移动、旋转、缩放操作。

(2)场景中的元素(Entities)，均通过执行Ruby脚本，根据参数创建点、线、面、体的方式建立。

课题开发的插件，往往采用这两种建模方法的组合。比如钢材预处理流水线的建模(如图1所示)，对于流水线上的工作站设备由于个性化特征明显，采用了方法(1)调用skp模型文件的方式进行建模；而对于流水线的输入、输出辊道由于较易用长度、宽度等参数进行描述，采用了方法(2)由脚本程序创建。

2.4 布局方法

插件的工艺方案布局方法有以下两种：

(1)整体布局：

与厂房设施相关，以及在设备布置上可以清晰描述的元素，如厂房各类构件，以及厂房内的起重设备，采用整体布局方法，读取参数，一次性生成布局模型。

(2)单体布局

在布置方面较灵活的内容，比如切割机、油压机、三辊卷板机、电动平板车等工艺设备，采用单体布局的方法，通过捕捉使用者鼠标操作事件来布置模型。例如，在对电动平板车进行布局时，通过捕捉鼠标的先后两次的左键单击事件，获取轨道的起点和终点位置，以类似直线绘制命令(line)的操作方式，实现电动平板车的定位布局。

2.5 交互界面设计

根据工艺专业设计需求，课题组确定了工艺方案设计中厂房设施、以及各类工艺设备所需的主要参数。针对参数数量以及复杂程度，插件开发采用了两种交互界面。

(1)调用SketchUp的UI类

对于参数较为简单的设备建模，在Ruby脚本中调用UI类，以对话框的方式实现人机交互，如图2所示。

图2 切割机与电动平板车的主要输入参数

(2)调用Win32OLE库读取Excel表格

对于厂房及其附属的起重设备的建模，需要的参数较多，采用利用Excel软件组织参数的方式，在Ruby脚本中调用Win32OLE库读取Excel表格数据。通过Excel VBA开发，可以进一步提升Excel参数表的交互体验。图3为Excel VBA开发的平面分段流水线参数表交互界面，实现了按工艺与工序进行参数配置的功能。

3 参数化建模插件开发成果

课题的初步开发成果为船厂厂房设施参数化建模插件，共计8类26个命令按钮，覆盖船体、舾装、涂装三个工艺专业的三维设计建模需求，包括主要厂房类型的形体轮廓建模插件，主要工艺设备建模插件，以及生产线布局插件。插件在SketchUp中以工具栏(Toolbar)的命令按钮(Button)形式进行组织，如图4所示。

厂房的形体轮廓建模插件的使用包括配置参数表与生成模型两个步骤，以钢料堆场为例，如图5所示。首先，点击参数配置命令按钮，在弹出的Excel界面中编辑建模参数并保存。然后，点击钢料堆场建模命令按钮，即可自动生成模型。

图3 Excel VBA开发的平面分段流水线参数表界面

图4 船厂工艺方案参数化建模插件工具栏

图5 钢料堆场插件使用过程

图6 电动平板车插件使用过程

图7 插件在某海外项目的应用

主要工艺设备及生产线建模插件的使用，包括点选设备布置位置与编辑参数生成模型两个步骤，以电动平板车为例，如图6所示。首先，点击电动平板车建模按钮，在SketchUp视口单击鼠标左键两次，确定平板车轨道中心线的长度与位置，然后在弹出的交互界面中编辑平板车建模参数，即可自动生成模型。

在建模参数配置完毕的情况下，插件可以在以秒计的时间内自动生成一个厂房设施的三维模型，而工艺工程师利用AutoCad绘制同样厂房设施的二维平面图往往需要十分钟时间。应用参数化建模插件，可以使工艺工程师专注于设计方案，减少在绘图或建模方面的精力投入。

参数化建模插件在九院公司某海外项目(图7)得到应用，反响良好。

4 小结

通过对SketchUp软件进行二次开发，为船厂工艺方案设计提供了快速三维建模手段，大大简化了船厂方案设计的建模步骤，降低了工艺专业融入公司BIM设计的难度。

SketchUp 2015版本增强了对建筑工程数据交换标准IFC(Industry Foundation Classes)标准的支持[3]，使得SketchUp与不同BIM系统之间的双向无损交互信息成为可能，SketchUp开放、简便的特点使其可以与其他BIM设计软件形成优势互补。

本参数化建模插件实现了主要设备与车间的参数化建模功能，鉴于船厂工艺生产线以及车间布局方案的多样性，后续使用过程中需持续补充个性化的车间与生产线模板。

[1]张吕伟. REVIT在脱水机房三维设计中应用探索[J].土木建筑工程信息技术，2012,4(2):95-98.

[2]王永岗等. CATIA三维参数化建模技术及其应用[J].机械工程师，2014(5):201-202.

[3]邱奎宁等. IFC标准的实现方法[J].建筑科学，2004,20(3):76-78.

3D Parametric Modeling Technology and Application based on SketchUp for Shipyard Technology Design

Ding Weijie, Qiu Yuzhou, He Di, Hu Shinan

The 3D modeling of the process plan of the shipyard is an important work for BIM design. NDRI developed the shipyard parametric modeling software based on SketchUp,which enables the process engineers to take part in the BIM design.

Shipyard Technology Plan； Parametric Modeling； Re-develop

丁炜杰(1980-)，男，高级工程师。主要研究方向：数字化设计。

TU275.3；TU17

A

1674-7461(2015)05-0097-05