船舶三维总体布置设计技术应用研究

陈鹏华，吴 坷

(1.中国舰船研究设计中心 上海分部，上海 201108；2.上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108)

0 引 言

船舶总体布置设计，涵盖内容广泛，涉及专业领域众多，主要涉及包括总布置设计，型线绘制，船体结构设计，动力电气系统配置，船舶装置设计以及系统管路设计等方面。因此，在设计过程中，往往存在某一项的设计影响到其他专业或方面设计的情况，进而引发局部甚至总体的设计方案调整。更为关键的是，在应用传统的、经典的二维平面设计手段过程中，布置空间不足或管路、电缆、结构、设备发生干涉等重要问题并不能即时发现，随着工作的深入，问题越晚暴露，牵涉范围越大，对总体布置设计工作效率的影响越恶劣。为避免上述问题，一方面对从业人员的素质提出高要求，另一方面，设计手段的更新和提升势在必行。

近年来，船舶行业逐渐引入三维设计手段，相比传统的二维平面设计，三维手段在总体布置设计过程中更加直观，无论是早期的方案论证，还是工厂的生产设计，国内外开展了大量的应用研究和实践[1-4],[7-16]针对船舶总体布置设计涉及内容多，总体任务管理复杂的特点，本文开展相关研究，就传统二维总体布置设计的体系进行适应性调整，以发挥三维化设计手段的优势。

1 总体布置设计基本任务分解

船舶总体，按照行业习惯，一般分为若干功能系统，如总（船型、航行性能和总布置）、船（船体）、机（动力）、电（电气）等部分[5]。为便于相关工作开展，并结合船上设备分类，进一步将船舶总体分为总体、结构、装置、动力、电气、系统等，分别对应总体性能和总布置、船体结构、船舶装置、船舶动力机械系统、船舶电气系统、船舶辅助系统。为叙述和理解方便，相应以专业区分，即分别对应为总体专业、结构专业、装置专业、动力专业、电气专业和系统专业。

总体布置设计工作以船舶总体的内容划分为基础，根据目前行业习惯，也按照不同专业的分工开展相关工作。

总体：总布置设计（坐标系确定、船舶总体外形设计、线型确定、甲板分层、功能区域划分、主隔壁划分、舱面主要设备布置、舱室划分）；

结构：船体结构设计（材料选用，结构形式确定，强度校核）；

动力：船舶动力机械系统的设备布置和油管路布列设计；

电气：船舶电气系统的设备布置和电缆布列设计；

系统：船舶辅助系统的设备布置和水、气、风等管路布列设计。

经大量研究和工程实践的检验，上述划分方法目前对解决主要借助传统二维平面设计手段的总体布置设计工作具有较好的效用。

而当设计手段变革，运用更加直观的三维设计手段后，整船所有数据均在统一平台下管理，若仍以专业划分工作体系，存在如下缺点：

1）不能直观反映三维设计的特点

传统的二维平面布置设计，直观考虑的是平面范围内的区域是否足够，平面的布局往往限制了空间想象，而且平面信息毕竟有限，因此可按专业分工进行布置设计工作。但是对于三维设计，简单来讲，三维布置设计即是将产品三维可视化，由于三维布置设计实现了空间布局的全景可视化，为设计观察者（即产品需方、设计者、建造者、检验者等的统称）带来的总体直观感受可以使之关心和关注更多总体信息，其首要关心的问题往往不限于哪个特定的专业有哪些设备或者几根管缆，而是某空间下布置了多少东西，即有什么设备、结构尺寸怎样、有多少管路或者有几条电缆。

2）不能聚焦特定舱室下的布置设计

布置设计一般要解决的问题主要就是空间利用问题。例如某空间资源紧张的舱室，需要布放多个专业的设备及管路和电缆，按专业分工则各自为战，以各自的专业需求为导向，一方面由于各专业设备之间没有更多逻辑联系，导致需要聚焦的特定舱室空间内的设备种数难以准确统计，给布置设计工作带来重大影响。另外，各设备布置和管缆布列以利于本专业的系统设置为主要限定因素，不会优先考虑特定舱室下的空间利用，因此按专业分工也将弱化三维布置设计的空间感，这对于发挥三维布置设计的优势来说是有失偏颇的。

3）增加干涉检查工作量

三维布置设计应以空间布局设计为导向，即在既定的大框架下研究局部空间的布置设计合理性，具体可以简化为既定舱室空间内考虑船体结构的设备、管缆的布置设计。若以专业划分工作体系，不同专业的设备必然从属不同设计者，由于没有统一的空间资源管控，很容易发生干涉，即每当有新的设计者布放设备或管缆，就需要进行一次干涉检查（目视或计算机自动检查）。后续如有个别设备或管缆状态变化，干涉风险将进一步增大，对局部乃至总体布置设计带来困难。按专业分工导致局部空间的设计者过多，导致干涉检查工作量增加，影响三维布置设计工作效率。

三维设计是以空间利用为导向的，传统的按专业划分的船舶总体任务分解体系不能适应这种以空间感为主导的设计手段。因此，需考虑对其进行三维设计手段化的适应性调整。有别于以往的专业优先，为突出体现三维设计过程中的空间感，强调“舱室”这一局部空间概念，集合全船舱室布置工作并行于传统的“总体”和“结构”任务。除此之外，作为船舶的血管和神经——管路和电缆，也作为船舶总体的另外2 个任务分支。船舶三维总体布置设计即分为总体、船体、舱室布置、管路和电缆五大组成部分。以此为基础，再结合专业相关性，确定每个组成部分的工作内容。

总体：总布置设计（建立全船坐标系、构建总体外形、甲板分层、功能区域划分、主隔壁划分、舱面主要设备布置、舱室划分）；

结构：船体结构设计（材料选用，结构形式确定，强度校核）；

舱室布置：不同舱室依专业相关性分派舱室长（即舱室负责人）负责布置设计；

管路：管路的布列设计，主要分为油管路以动力专业为主负责，水、气、风管路以系统专业为主负责；

电缆：电缆的布列设计，以电气专业为主负责。

2 船舶总体布置设计一般流程

本文所及船舶总体布置设计主要是指基于总体设计[6]的一定成果开展的以布置设计为主的工作。顾名思义，布置即为布放、列置，狭义上是指设备的摆放，广义上可扩展为舱室乃至舱段的布局。但是无论狭义还是广义，“布置”工作都需要在一定的空间范围内进行，如舱室布置需要基于相对确定的舱室空间尺寸，舱段布局需要基于相对确定的船型空间大小。因此，对于船舶总体布置设计需要的总体设计成果，也主要是指基本确定的船型，即船舶主尺度需要基本确定。

针对前述设计任务分解，船舶总体布置设计一般流程如图1 所示。

图1 总体布置设计一般流程Fig.1 A common process of general arrangement design

3 研究实例

3.1 准备

1）船型

船型的确定需要基于船舶排水量、总体性能、总体布置、结构强度等多项总体指标的综合权衡循环迭代，其重要性和工作量不言而喻。为聚焦本次研究目的，利用现有船舶总体性能校核结果，略去船型、总体性能复核迭代的过程，采用经评估总体性能较好的船型开展三维布置设计的应用研究。

2）软件平台

目前，船舶行业应用的三维设计工具种类较多，企业、院校、研究所等不同单位的研究和应用[7-12]也各有侧重。本文从船舶总体设计角度出发，综合考量建模功能、数据管理、资源库匹配应用和后续设计优化改进等方面因素，选择由法国达索公司开发的CATIA 三维设计软件[13]作为本次研究的基本工具。为有效开展相关研究工作并为后续工程应用提供良好支撑，对模型数据资源库、干涉检查、二维出图等方面进行二次开发。

3.2 研究内容

以某船舶确定的船体型线为基础，按照图1 所示流程，对动力舱段及主要设备布置、全船主要功能区域划分、全船总体外形构筑、甲板分层、主隔壁分隔以及舱室划分等环节按序开展研究工作。

其间循环迭代工作纷繁复杂，如根据结构专业的仿真分析，该船尾段某主隔壁的初步设置将引起局部结构强度储备不足。因此，结合相关区域内功能布局以及具体舱室布置，改变该主隔壁的位置。

对于具体舱室布置设计，由于其设备种数复杂，舱室划分方案与该舱舱容空间需求不能匹配也时有发生，一般其影响范围也较小，同一水密舱段内临近舱室的小幅布局调整即可解决。

由于设计手段和数据管理方式的变化，进行三维总体布置设计时，以下几点需着重考虑。

1）船舶总体区域划分

为利于统筹资源和任务分解，首先须将整船分为若干区段。基于全船的大致功能区域划分，并且考虑配电、通风、防火等方面的设计，同时结合对本船排水量量级、舱室数量、设备数量规模以及后续施工建造等方面因素的考虑，将全船分为五个总段区域，即全船自首至尾编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ区。

2）舱室划分

基于主隔壁划分和舱室功能，对全船舱室进行划分。为便于后续舱室布置和三维数据管理，将全船舱室按大区域、所在甲板位置按序编号：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ区分别对应编号为A，B，C，D，E，则位于Ⅱ区域3 甲板自首数为12 号的舱室编号为B312。按此规则，编制舱室名称编号对照表。

3）数据结构树建立

由于船舶三维总体布置设计分为总体、船体、舱室布置、管路和电缆五大组成部分，因此三维总体数据结构树第一层即为总体、船体、舱室布置、管路和电缆，如图2 所示。

图2 三维总体布置设计结构树第1 层Fig.2 The first layer of structure tree for tridimensional general arrangement design

基于总体布置设计任务分解，以及全船大区和舱室划分，“总体”分为坐标系、主船体型面、上建型面、甲板分层、主隔壁、甲板及舱室划分，“船体”、“舱室布置”、“管路”和“电缆”都依全船大区分为5 部分，结构树如图3 所示。每个区域内一般根据甲板及舱室名称为依据进一步划分其具体任务组成。

4）基础资源库配置

进行三维总体布置设计，全船区域和舱室分隔完成后，不仅要进行主机等大型、唯一型设备设施的布置设计，还需要具体落实到结构件、设备、管路及电缆的布置设计，这些基本构件不仅数量巨大、种类繁多，而且经常有不同设计者反复调用相同基本件的情况，复杂的布置设计过程对基本构件的数据存储和管理提出了很高的要求。因此，这些基本构件应分别以合理的材料库的形式配置在服务器中以备方便使用。

参考文献[11-12]等的相关研究内容，建立船体结构件、管路及附件、电缆及附件等多个公共基础资源库。

另一方面，坐标系、船型等全船总体布置设计过程中最为基本和重要的文件，也一般配置于通用几何图形资源库。

5）干涉检查

三维模型数据的统一管理使得程序自动控制的干涉检查[14]成为可能，提高了设计效率。根据预期输出需求，对干涉检查结果做出部分适应性调整。

6）二维出图

船舶行业作为传统制造业，二维图仍是其现场施工建造过程中主要的指导和参考依据，因此三维的总体布置设计手段需要拥有二维出图[15-16]功能。

以某型滚柱导缆器为例，其三维模型如图4（a）所示，应用CATIA 出图模块可生成方向视图如图4（b）所示。根据视图成像实际以及出图需求，对CATIA 二维出图功能进行二次开发，修缮图4（b）所示的切面连接线，得到如图4（c）所示的二维工程图。

图3 三维总体布置设计数据管理结构树Fig.3 The data management of structure tree for tridimensional general arrangement design

图4 二维出图示例Fig.4 An example of a two-dimensional drawing

4 结 语

本文对三维设计手段在船舶总体布置设计过程中的应用进行探讨和研究，提出了三维总体布置设计过程中的基本任务分解方案以及设计工作的一般流程，通过示例研究提出三维总体布置设计过程中需要着重考虑的几个环节。主要结论如下：

不同于传统二维总体布置设计工作中以专业分工为基本任务的分解原则，三维总体布置设计工作的基本任务分解应以空间利用为导向，全船总体布置设计基本任务分为总体、结构、舱室布置、管路及电缆；

总体布置设计一般以基本确定的船型为基础，然后进行主机等主要设备布置设计、全船主要功能区域划分、全船总体外形构筑、甲板分层、主隔壁划分、舱室划分、各专业仿真计算试验分析、甲板面积舱室容积计算等工作的循环迭代，进而实现总布置的固化和总体布置设计工作的完成；

三维总体布置设计过程中全船数据量巨大，数据管理应以全船的空间大区域的分解为基础，再按一定规则对所及任务进行组织编排，对舱室进行编号，对通用、重要的数据和模型进行资源库配置，并合理运用和改善干涉检查、二维出图等重要的设计手段。

综上所述，本文所述内容对三维设计手段在船舶总体设计领域及相关领域的应用具有一定的参考价值和借鉴意义。