基于空间系统的区域划分设计

王欣荣，汪文灏

（江南造船（集团）有限责任公司江南研究院，上海201913）

0 引 言

近年来，随着船舶制造业的智能化发展，区域设计理念正逐步实现，生产设计重心正从阶段化向区域化发展。区域划分设计作为详细设计中的重要组成部分，在船舶设计建造中具有关键作用。以往的设计模式采用二维图纸输入，进行详细设计之后转换为三维图形，再次进行生产设计之后形成二维图纸输出。在该模式下，单型船涉及的图纸量就能达到数万份，负责各类系统的百名设计人员在图纸的多维转换过程中的交流中极易在理解上产生误差，严重影响船舶设计、建造周期。

本文通过在三维设计平台3DEXPERIENCE的空间系统中进行区域划分设计，将详细设计与生产设计联动起来，为后续区域化生产设计的开展奠定基础。

1 区域划分的应用现状与优化

1.1 区域划分的应用现状

在船舶建造过程中，区域的概念广泛应用于总段阶段、船台阶段和码头阶段。此阶段的舾装及涂装专业生产设计出图、现场施工管理和生产管控都依托于区域划分的指导，准确且大小适宜的区域划分对提升设计出图和现场施工的效率起决定性作用。

1.1.1 区域划分的定义

船舶区域划分是指对船舶的某一部位（如机舱、甲板和货舱等）进行划分、再划分或组合，是一种根据船舶的功能特点、船体划分方式、施工类型和施工物量等，将船舶分成大、中、小等3 级区域的空间划分方式［1］。

1.1.2 区域划分设计流程

传统的区域划分设计结合了图纸、政策和施工等多个要素，其流程见图1。区域划分设计以型船为单位，每种船型都有其独特的区域，如液化气船的液罐区域和双燃料系统船的燃料舱区域等。因此，确定型船特征是区域划分设计的第一步。以总布置图为底图，归纳好各区域功能图纸，结合分段总段划分图对这些图纸进行梳理和理解［2］。在公司的完整性要求和壳舾涂一体化要求等得到把控的情况下进行区域划分方案策划，制订大区域方案，见图2。大区域划分方案经过项目组一致通过之后，开始进行初步设计，对中小区域进行拆分并明确区域界限，形成区域划分设计图纸初稿。与各专业、各系统的设计人员沟通，根据其反馈对区域划分方案进行优化。调整设计图纸之后与生产技术质量人员讨论交流，根据现场实际施工技术能力对区域划分方案进行再优化。最后，综合以上信息输出正式的区域划分设计图，并在实际建造过程中根据现实生产情况对划分方案进行持续优化。

图1 区域划分设计流程

图2 大区域方案示意图

1.1.3 传统区域划分设计存在的痛点问题

由于传统的区域划分设计以二维表述为主，二维区域划分图纸中的信息包含主体边框结构、舱壁结构等实体框架，去除了所有舾装件信息，详细图纸一般包括侧视图1 页和各层甲板俯视图数页。设计人员需通过想象勾画三维区域空间，其设计质量完全取决于设计人员的技术水平和工作经验，设计准确性难以得到保证。工艺设计、优化的周期长，方案的优劣依赖个人经验，缺乏定性和定量分析手段，致使生产中是否存在干涉因素、舾装件安装顺序是否合理和施工空间是否开敞等一系列问题在建造阶段才能暴露出来［3］。

1.2 区域划分应用优化

针对传统区域划分中存在的痛点问题，依托法国达索公司三维设计平台3DEXPERIENCE，将二维设计提升为三维设计，利用其三维协同设计、制造和管理一体化的特性，使区域划分设计实现三维仿真具现化。充分发挥该平台的数据贯通、信息共享和体系融合能力［4］，使区域与船体和舾装件共用同一个空间系统，最大程度地体现区域划分设计的意义，明确区域空间界限，降低图纸质量受人员经验影响的程度，提高出图效率，缩短工艺设计和优化周期。后续在3DEXPERIENCE大数据处理能力的支持下，达到区域划分与各专业同步设计、发布和更新的理想状态。

2 区域划分在3DEXPERIENCE中的解决方案

2.1 3DEXPERIENCE各模块的功能

区域空间划分解决方案主要涉及3DEXPERIENCE 中的Structure Design、Part Design Essentials 和Space Allocation模块，其主要功能见表1。

表1 3DEXPERIENCE中各模块的主要功能

在船体三维模型建立之后，为实现在3DEXPERIENCE中根据船舶的功能特点、船体划分方式、施工类型和施工物量等，将船舶分成大、中、小等3 级区域的空间划分目的，首先使用Structure Design模块构建物理产品，导入船体三维模型和空间坐标系统，其次通过Part Design Essentials模块在物理产品中创建实体，最后通过Space Allocation模块将实体转换为空间并发布。

2.2 解决方案的实现步骤

设计开始之前，需审核平台许可和型船正式结构树权限，确保区域空间划分产品能应用在正确的空间系统中。通过调整首选项配置，简化系统内部算法，缩短平台应用数据处理时长，提升区域空间划分设计的高效性。在三维模型设绘过程中选择使用型船现有的空间坐标系，与船体结构共用同一坐标系，并选择型船舱室空间模型替代二维总布置图进行辅助设计。

2.2.1 物理产品与空间坐标系统

选择Structure Design模块创建物理产品，用以支撑区域空间划分设计。导入船体三维结构和舱室空间模型，同时导入型船空间坐标系统。这一步的目的是确保最终创建的区域空间与所有专业处于同一空间系统中。

2.2.2 区域实体设计

在3DEXPERIENCE中，空间无法直接创建，需由实体转换之后生成。因此，需在Part Design Essentials模块下综合型船特征、完整性要求和实际施工能力，通过直接绘制或集合舱室空间间接创建多个实体，分别描述各类大、中、小区域的空间［5］。

2.2.3 区域空间模型

选择Space Allocation模块，使用切割元素或草图处理实体模型，通过这一步将区域实体模型转换成目标区域空间模型。各大、中、小区域分别发布之后，梳理节点，将其挂入型船物理产品结构树中。此时区域空间与所有船体及舾装件模型处于同一坐标系内，实现了真正的同步设计。

2.3 解决方案的优势与创新

2.3.1 设计输入端

传统区域划分设计由总布置图和分段总段划分图等二维图纸输入，仅有甲板层轮廓和部分截面结构线条作为参考，对区域划分设计人员的空间想象能力的要求较高。在3DEXPERIENCE 这类三维平台下，输入端数据调用更便捷且详细。本文采用三维船体结构模型和舱室空间模型作为输入端，并参考立体分段总段空间模型进行区域空间划分设计。对于区域划分设计人员而言，设计行为更加准确高效。细化的输入源缩短了区域划分方案成型的周期，对总设计周期产生了积极影响。

2.3.2 设计输出端

区域划分用于指导生产设计出图和生产管理管控，其输出分别流向先行设计和后行管理2 个端口。将二维区域划分平面图纸（见图3）优化为三维区域划分空间模型，革新了区域划分输出模式。专业的生产设计出图人员查看区域划分方式，从下载单份图纸升级为展开产品结构树中的区域空间模型，见图4。这样能省去多份图纸的叠加工作，无需再进行多余抽象解读，出图过程更简单。三维平台的自动检测报错功能规范了生产设计，同时缩短了校对和审核周期。现场管理人员接收区域划分图纸升级为移动端设备查阅。由于建模采用1∶1的真实比例，管理人员可放大核对每处细节，更利于分配施工任务，避免因业务分工不明确而引发纠纷，为未来船舶行业的智能化发展奠定基础。

图3 局部区域划分图示意图

图4 局部区域划分空间模型

3 结 语

对于数字化设计概念而言，二维区域划分设计缺乏来自统一数据库的支持，工艺信息不完整，设计、建造之间的三维模型与二维图纸空间转换费时费力，且不利于模型的更改和设计变更的快速处理。本文通过3DEXPERIENCE的空间系统进行区域空间划分设计，使区域空间与分段总段空间、船体空间和系统舾装件处于同一坐标系内，从空间上明确生产设计的区域界限，实现基于三维模型的设计与工艺协同、工艺与制造协同，从而最大程度地发挥生产设计与现实生产之间的核心桥梁和纽带作用。该方案已在多型在建液化气船上投入应用，降低了建造成本、提高了建造效率，缩短了建造周期，达到了区域舾装出图零差错的目标，符合船舶行业高质量造船的要求。空间系统能同时满足船体、铁舾和电气等各专业从方案设计、技术设计、施工设计到生产设计全过程的基于模型的数字量传递，符合未来数字化造船技术的发展趋势。