船厂工艺三维布局工具的开发与应用

胡世南

(中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

参数化三维设计在汽车、机械、航空航天等领域的应用已经非常成熟，市场上已有多款成熟的满足上述领域需求的三维设计软件。然而在建筑与工程领域，尤其是与造船行业紧密相关的船厂设备车间基建工程领域，基于模型的三维设计还处在起步阶段。尤其在工程项目前期方案阶段，尚没有一种能够满足设计人员进行工艺规划设计的三维设计工具，本文介绍对此类设计工具的开发与应用过程。

1 开发三维布局工具的必要性

笔者所在单位是一家以船厂工程基建设计为主营业务的设计院，主要负责进行船厂厂区、车间工艺规划和厂房建筑以及重型造船设备设计与建设工作。

为响应国家“供给侧改革”的号召，造船产业亟待升级，未来造船业将更多体现信息化、自动化和智能化的特点。因此，未来的船厂工程建设将着力于实现信息系统、智能装备、精益工艺以及高效管理的深度集成，是一项复杂的系统工程。

如图1所示，根据系统工程的“V字模型”理论，此类工程项目成功实施的关键在于工艺专业的前期工作，主要是基于业主需求所进行的集成方案论证，既包括软件集成方案，也包括物理设备空间布局以及生产物流规划方案。其中，后者越来越呈现出多维度、复杂化的特点，原有的二维布局图很难对方案进行准确的描述，亟需用更形象化、立体化的三维模型替代。然而在工艺人员进行方案论证的过程中，需要尽快响应业主需求从而调整方案，而现有三维设计软件操作相对繁琐，难以胜任。因此，迫切需要一种能够快速完成三维布局的设计辅助工具，其应具备操作简单高效、可快速变更方案等特点。此外，为满足未来工业厂房三维设计的大趋势，该工具还应能够实现为三维模型附加可被读取信息的功能。

图1 船厂智能化车间改造项目“V字模型”示例

2 三维布局工具开发过程和功能介绍

为满足上述需求，进行船厂工艺三维布局工具研发的探索与技术准备工作，主要通过相关技术路线、完善软件系统构架、进行具体程序脚本开发、建立模型数据库以及通过具体项目进行实测与修正，基本完成布局工具的开发工作。

2.1 布局工具的基本原理与架构

船厂工艺三维布局工具以建模软件SketchUp[1]为基础平台，使用Ruby语言进行二次开发。SketchUp软件是一款通用于建筑方案设计的三维建模软件，它操作简单便捷，同时开放了强大、完善的Ruby API，可以通过编写脚本程序实现软件自带的所有操作功能。

布局工具安装在如图2和图3所示的SketchUp的Tools目录下，并以其界面下的插件形式存在。工具的主要构成为：Ruby脚本程序、预制的.skp组件模型库以及Excel参数配置表格。各模块之间的关系如图4所示。

图2 布局工具在SketchUp安装目录下的配置方式

图3 布局工具以SketchUp 2015插件的形式存在

图4 布局工具的主要构成模块及其相互关系

2.2 布局工具的主要功能介绍

布局工具的核心功能是快速生成车间工艺布局的三维模型，该功能可以通过2种方法实现。

(1) 一键生成法。如图5所示，首先填写Excel表格，预先配置车间内的关键参数，主要包括厂房建筑结构形式，车间内设备类型、型号、数量、位置等，最后点击建模控件，实现模型的一键生成。

图5 通过配置Excel表格一键生成厂房布局模型

(2) 交互定义法。如图6所示，首先通过鼠标点选的方式对模型的位置和主尺度进行定义，然后在弹出的对话框中对模型类型、产品型号、结构形式等属性进行定义，最后生成相应模型。

图6 通过对话框交互完成起重机三维布局

布局工具还可以为模型附加属性信息，如图7所示，附加信息可通过选取模型后点击控件的方式进行查询。

3 三维布局工具开发与应用

3.1 三维模型快速生成的实现方式

SketchUp软件支持通过Ruby脚本实现所有操作命令，因此在三维环境下实现快速建模的方式有很多种。一种方式是通过如图8所示的点、线、面、体推拉放样等方式创建模型。这种方式完全模拟SketchUp软件中的建模过程，缺点是要通过编写大段的Ruby程序代码来实现模型的创建，并且建模深度受程序代码编写量的限制。另一种方式是预制设备模型，并通过检索模型文件名调入三维场景中。但是这种方式的缺点是模型不能根据参数的变化而调整型式和尺寸，而船厂车间内往往存在大量的非标准设备，其型式和尺寸多样，若将所有规格全部做成预制模型会严重占用存储空间。

图8 完全由命令创建模型的建模方式

经过实践与总结，三维布局工具最终采用如图9所示的预制组件拓扑法创建非标准设备，即按照工艺设备和建筑结构件的几何特征和变形特征，将模型按照空间拓扑关系拆分成预制组件。在创建非标准设备模型的过程中首先调取相应设备组件，再基于几何参数对相应组件进行拉伸、复制、移动等操作，最终组装成完整的设备三维模型。此种方法既能保证模型的精细度，又能够有效控制模型体量。

图9 预制组件拓扑法的建模方式

对于标准设备，则可以通过检索设备型号采用直接调用完整设备模型的方式进行建模。

3.2 快速布局功能的实现和流程的优化

如前文所述，布局工具主要提供2种创建三维工艺布局的方式，一键生成法是基于通过Ruby脚本调用Win32OLE库读取Excel表格中的数据，一次性将车间的建筑结构和工艺设备模型创建完毕。这种方式只在SketchUp 2015之后的版本才能实现，其优点是建模过程简单快捷，可快速生成多种建筑结构形式的厂房方案，如图10所示。此外，这种方式可较容易实现设计数据的跨平台传递。

图10 厂房形式的一键修改

然而这种方式也有局限性，工艺专业在进行前期方案设计的过程中，需要一个反复推敲论证的过程，在此过程中，设计人员更关注与工艺流程、工艺布局直接相关的设备配置情况。从人机工程的角度分析，在Excel的参数配置环境下，设计人员面对的是大量的抽象数据(如图11所示)，很难集中精力进行工艺布局的优化工作，即使通过VBA开发出图形化的参数输入界面，也难以再现工艺方案反复推敲的过程。因此，这种方式更适合基于已有二维设计成果快速创建三维布局模型。

图11 车间布局的参数表格

如果进行全新项目的工艺方案推演，更适合采用交互定义法进行工艺设备模型的创建。以图12所示的船厂管子切割-法兰安装-焊接生产线的三维布局工具为例，首先点击布局工具组件，使用鼠标在三维空间内进行定位操作，程序读取始末两点坐标运算出生产线的起始位置和主辊道轴线的方向。随后弹出对话框选取生产线的类型，选择 “大、中、小”3种管径类型，随后弹出的对话框内会以下拉列表的方式提供相应的设备配置选项。完成参数配置后，工具会通过解析输入的参数调取相应的设备组件组装成完整的生产线，最后按照之前通过鼠标定位确定的空间向量移动到预定位置完成整条生产线三维模型的布局操作。

图12 用“交互定义法”完成设备布局

为应对更为复杂的生产线布局工作，布局工具将设备进行分类，包括生产加工设备和生产物流设备。在设计过程中，工艺人员可以按照生产纲领选取相应的加工设备模型进行布置，然后调取相应的物流设备对生产线上的各个工位进行连接。通过这种方式对工艺方案进行设计，更符合工艺方案设计的思路和流程，也更便于方案的推敲、调整和逐步优化。如图13所示，布局工具还包括了可扩展的先进加工和物流设备布局模块，如可变相输送小车、搬运/焊接机器人等，以应对船厂自动化、智能化升级改造项目的需求。

图13 布局工具包含的布局模块

3.3 布局工具数据传递

三维快速布局功能实现的关键在于数据的有效传递，包括参数的输入、解析和模型属性的附加。

3.3.1 数据的输入

如图14所示，布局工具的2种布局方式对应2种参数的输入方式。其中一键生成厂房布局方法的关键在于对Excel表格内参数的批量读取，首先需要根据厂房的布局规律设计合理的表格结构，同时要编写与表格结构对应的参数读取脚本程序。通过对话框进行参数输入的关键是建立导航流程，且采用下拉列表进行参数输入，这样既可以减少手工操作，也可以简化程序结构。

图14 实现2种参数输入方式的程序代码

3.3.2 程序内部数据解析和转换

如图15所示，为实现模型组件的创建、导入以及变换等功能，主要的数据解析和变换方式包括以下几类：

(1) 数组运算。主要用于从Excel中读取数据，将数据汇集成数组，以供程序自动调用数组中的相应元素。

(2) 逻辑运算。根据建模规律创建逻辑判断，根据输入条件执行相应操作。

(3) 字符运算。可将字符型数据按照规则重新组合，形成模型组件名代码，以供程序进行检索调用。

(4) 代数运算。主要进行数字变量或空间向量的加、减、乘、除、乘方等计算，驱动程序对模型进行复制、变形、位移等操作。

图15 布局工具脚本程序中的主要数据解析方式

3.3.3 模型属性信息的附加和读取

如图16所示，布局工具以字符运算的方式生成模型属性信息，并通过属性附加命令实现其与模型的绑定。同时，布局工具支持模型信息读取功能，实现对所选模型属性信息的读取。

图16 实现模型属性信息生成和附加的程序代码

4 实用案例

在如图17所示的某海外船厂工程项目中，应业主要求，工艺设计人员需提供一套完整的船厂三维模型。在建模的过程中，工艺设计人员应用了工艺三维布局工具。建模过程如下：

首先打开建模软件SketchUp，并将船厂总图导入SketchUp中；创建船体、舾装、涂装等加工车间，设计人员通过填写车间建筑参数表格的方式快速完成上述车间厂房模型的生成，并将模型拖动至总图对应位置上；创建龙门吊、门座吊等外场设备的三维模型，设计人员通过相关设备的布局工具，直接在总图上进行拖拉操作为设备进行定位，并通过参数输入对话框设置设备规格和尺寸，进而完成整个厂区的三维建模。

使用这种方式进行建模，只需花费设计人员不到半小时的时间，而如按照原有的方式创建这样体量的模型，即使是熟练的建筑专业或规划专业设计师，也需花费3天时间。

图17 某海外船厂的厂区规划方案快速布局

在如图18所示的某管子车间升级改造项目中，为让所有设计人员对车间工艺布局现状有一个全面立体的了解，也为给后续研究工作带来方便，使用快速布局工具对该管子车间进行了三维重现。首先通过填写厂房参数快速创建厂房的建筑和结构模型，然后在此基础上根据现场调研结果逐一添加行车、半门吊、管子切割设备、弯管设备、手工校管焊接设备等对象的三维模型，仅用时20 min。

图18 某管子车间工艺布局的快速三维再现

5 结 论

综上所述，以SketchUp软件为基础开发的船厂工艺三维布局工具能够满足工艺专业在船厂项目的前期用三维方式表达设计方案的需求。在未来的船厂智能化生产线集成项目中，该布局工具还可用于方案的反复推演。该工具还可在设备组件库、操作流程以及内部程序架构等方面进一步完善，在未来的工程项目和科研活动中发挥更大作用。

[1] 丁炜杰，邱宇舟，何迪，等. SketchUp参数化建模在船厂工艺方案设计中的应用探索[J].土木建筑工程信息技术，2015，7(5):97-101.