一体化设计模式在船舶与海洋工程设计中的应用1

曹先锋，张园园，白 杨，孔国照，姜雨平

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

在传统模式下，船舶与海洋工程设计可分为基本设计、详细设计和生产设计。这3个设计阶段的设计内容以及需要实现的设计目标各不相同，需要由不同设计人员采用不同的设计工具或方法来完成。在此过程中，作业人员依照各自的设计需求分别建立独立数据模型，各设计阶段的技术信息无法通过统一的数据模型进行有效传递。随着计算机辅助设计技术的发展与技术管理方法的不断提升，各种设计数据与模型之间的转换日益标准化。通过整合不同设计阶段的数据与模型，建立一套涵盖3个设计阶段技术需求的一体化设计模式成为可能。本文对一体化设计模式在船舶与海洋工程领域的应用进行介绍，并对一体化设计的主要挑战以实施要点进行重点分析。

1 设计现状

根据设计目标的不同，可将船舶与海洋工程设计分为基本设计、详细设计和生产设计。这3个设计阶段的工作内容与输出成果是相对独立的，可由不同的设计人员采用不同的设计工具及手段完成。

1）基本设计

基本设计的主要内容是对目标产品进行整体规划性设计，使其基本性能指标在一定条约、规范、海区、货品条件下满足船东对项目的功能需求。基本设计的设计需求与技术指标主要通过设备清单、建造规格书与项目总布置图等表述方法进行表述。

2）详细设计

详细设计对基本设计的成果进行展开和细化，确保产品的技术规格与性能满足挂旗国、港口国和船级社的各项要求。详细设计定义了各项设备参数，并绘制各个系统的原理图对要求进行表述。详细设计技术工作的内容包括项目完成后的安全要求与详细到各系统的功能要求。

3）生产设计

生产设计的主要任务是将前两个设计阶段的设计成果转换成三维数据模型，根据三维模型制作图纸与材料清单，并下发给施工单位进行施工。

1.1 传统设计模式存在的问题

船舶与海洋工程设计复杂度高、持续时间长，传统设计模式主要存在如下4点问题：

1）3个设计阶段的工作目标主要针对本设计阶段所要解决的技术问题，对其他设计阶段所要解决的问题关注度不高。

2）每个设计阶段的工作内容需要不同专业的细致分工与周密配合，不同的专业在设计工作内容上存在交叉，相互制约。

3）3个设计阶段的专业划分不尽相同，不同设计阶段或不同专业之间的数据信息传递密度高、协调难度大。

4）参与设计的单位较多，主要包括工程发包方、工程承包方、专业设计单位、设备供应商、船检等，各方之间的信息沟通存在时效性与准确度的误差。

1.2 一体化设计模式实践

随着计算机辅助设计与互联网通信技术的发展，有望解决传统设计模式问题的一体化设计模式被引入船舶与海洋工程的设计工作中，并开始在较小范围内进行工程实践。国内某船厂承接的豪华客滚船项目在设计过程中联合国外设计公司进行了船体专业与电气专业的一体化设计探索，取得了良好的效果。但在实践过程中也发现了许多问题，需要行业参与者共同解决。

1）设计标准体系建设不充分

设计标准文件是各阶段设计工作开展的基础与准则，在采用一体化设计模式进行设计时，需要有适用于一体化设计作业的标准体系文件。现有的设计标准文件大多依据传统设计流程的需要进行编制，没有考虑一体化设计模式中跨专业、跨阶段的设计特点，并不能完全满足一体化设计的需求。因此，必须在现有的设计标准体系的基础上进行拓展与改造，补充和完善一体化设计工作需求的技术标准内容，建立一套完整适用于一体化设计模式的设计标准体系。

2）设计软件功能不完善

一体化设计涉及的文件类型与数据种类非常复杂，包括建造规格书、二维原理图、三维模型、施工图纸与材料清单等，单一的设计软件无法满足这些要求。因此，在进行一体化设计时，选择一款主流的、开放的平台化设计软件就显得非常重要。想要成功推进一体化设计，选择的设计软件必须具备平台化、开放度高等特点，以便后期按照一体化设计的需求进行功能升级与二次开发。

3）一体化设计实践难点

作为各类船舶与海洋工程项目的承包方，国内大部分船厂只具备生产设计的能力，而基本设计与详细设计需要由其他设计单位完成。这样的分工模式导致不同设计参与方可能采用不同的设计工具，工作内容的相对独立与设计工具的不一致会导致技术信息与模型数据在整个设计过程中交流传递不充分。此外，有些基本设计单位出于商业保密的需要，不愿向船厂提供相关的技术信息与模型数据，这些都会给一体化设计的推进带来障碍。

国内船厂普遍存在对一体化设计模式认识不足的情况，也是阻碍设计方法改进和设计模式升级的重要原因。一体化设计模式的应用并不是简单的设计工作三维化，也不是数字化过程的简单堆砌。一体化设计模式涉及管理模式转变、标准体系建设、软件开发升级等多个维度的技术设计能力提升。在一体化设计的策划准备阶段，应建立一个针对项目或设计能力的一体化设计成熟度模型，以此来公正地评估一个公司或一个项目在一体化设计中取得的成绩，从而为决策者提供优质的依据。

1.3 一体化设计的主要挑战

各大船厂、软件供应商及第三方机构逐渐认识到一体化设计模式的巨大潜力，并分别从设计模式、设计流程、设计标准、设计工具和评估方法等方面开始进行探索与实践。一体化设计模式有望取代传统设计流模式，但在实践与推广的过程中还有许多挑战需要应对。

1）一体化设计工具选择与异构数据转换

当前，不同的工业设计软件在图形引擎能力、模拟运算能力、规则驱动特性等方面各有特长。若对一体化设计过程实施逻辑的规划较为清晰，可选择规则驱动特性好的设计软件作为一体化设计功能开发平台。有的软件平台开放性较好，有的软件设计功能模块的优势突出。一体化设计的各个阶段对设计工具性能特点的需求见表1。

表1 各阶段对设计工具性能特点的需求

面向单一设计需求的工业设计软件的基本功能无法满足完整的一体化设计要求，如何利用现有的工业软件的数据接口标准，如何在不同软件之间实现异构数据的交流转换是选择设计工具时需要重点考虑的问题。此外，选用的工业设计软件还应保证能与船级社的三维送审工具的数据接口兼容。

2）不同设计阶段与设计专业的信息沟通问题

一体化设计模式的主要目的之一是解决不同设计阶段与不同设计专业间信息沟通的时效性与准确性低下的问题。根据表述方式的不同，可将设计信息分为如下2类：（1）可用清单与表格、平面原理图或三维模型进行表述的有一定逻辑性的结构性信息；（2）只能用文字来表述的非结构性信息。对于第一类信息，如何解决不同格式、不同类型的信息交互流转问题成为评估一体化设计工具优劣的一个非常重要的指标。对于第二类信息，需要选用一款工具软件进行管理，使之能尽可能结构化，方便作业者的使用和管理。

3）一体化设计工作中的标准化问题

一体化设计模式可跨越设计阶段的分隔，并能将各专业的技术特征融合在一起。与传统的设计模式相比，一体化设计模式在管理方法、软件工具和设计理念上有着本质差异。一体化设计方法以设计软件为平台，围绕统一的模型数据库展开设计工作，对多层次、实时交互的数据流进行设计管理。因此，在进行设计时要遵循信息数据管理工作的技术特点。一体化设计任务具有如下实施要求：在充分考虑计算机技术与技术管理特点的基础之上，分专业、分阶段进行设计流程标准化工作。设计过程中用到的各个设计对象均要进行标准化，如系统、设备符号、一维表格、二维平面原理图和三维数据模型等。

2 一体化设计方案与实践

目前，一体化设计方法在船舶与海洋工程领域的应用还处于探索与积累阶段。相较于传统设计模式，一体化设计模式更加依赖计算机工具及数据管理软件。在一体化设计的策划阶段，应结合设计团队的技术管理水平、设计软件及硬件的基础条件来制订满足项目需求的实施方案。

作为一种全新的设计模式，一体化设计模式尚不成熟，还需要进行长期的探索与总结。因此，有必要规划一体化设计方法的执行路线，并根据路线图的逻辑架构对设计工作进行细化分解，最后确定分步实施的策略与成果评定标准。某船舶产品一体化设计的执行路线图见图1，各设计专业虽然分道并行，但输入、输出数据互相关联，前后工作步骤互相影响，需要周密策划设计执行过程。

图1 某船舶产品一体化设计的执行路线图

2.1 一体化设计实施要点

一体化设计模式可解决设计工作中跨阶段、跨专业信息沟通传递时效性不佳、准确率不高的问题。通过使用计算机技术、互联网技术等工具，让设计人员能即时得到所需的设计信息，进而提高设计效率，减少因错误沟通带来的设计失误。这一过程需要建设3个方面的参考模型，首先是适用于各个设计阶段的统一的标准部件库，其次是同专业跨设计阶段使用的参考模型，第三部分是在同一设计阶段内跨专业协作设计使用的参考模型。该过程需要建设3个方面的参考模型：1）适用于各个设计阶段的统一的标准部件库；2）同专业跨设计阶段使用的参考模型；3）同一设计阶段内跨专业协作设计使用的参考模型。

2.1.1 一体化设计标准模型库

在多专业协同设计作业的过程中，高质量的标准模型库（部件库）对于提升数据交流的速度与准确性具有非常重要的意义。标准模型库作为一体化设计工作中的核心数据资源，其应用范围应能覆盖完整的设计流程，同时也要覆盖不同设计专业的特异化需求。一体化设计标准模型库的逻辑架构见图2，该数据库包含多个模型数据类别，有适用于基本设计需求的表格类模型（1D数据），有适用于详细设计需求的符号类模型（2D数据），也有适用于生产设计需求的三维设计模型（3D数据）。不同类型的数据互相配合，互相关联，共同促进统一数据源模型在不同设计方向上的应用。

图2 一体化设计标准模型库数据逻辑架构

2.1.2 统一不同设计阶段的模型需求

同一技术专业在不同设计阶段需要的参考模型内容不同。在基本设计阶段与详细设计阶段，统一数据模型需要清晰表达用户对产品功能的需求、对系统功能的描述、对规范要求的符合程度等信息，此时设备的外型、位置和质量等信息为从属信息。但是在生产设计阶段，设备的外型、位置与重量信息就成了主要信息。为保障各专业跨阶段设计成果交流的方便性，一体化设计模型数据必须包含不同专业在不同设计阶段的参考模型。

2.1.3 统一跨专业的模型需求

在同一设计阶段中，传统设计模式在完成分专业设计与跨专业协调后，依次进行专业间综合平衡和专业评审工作，以保障最后设计结果的完整性和正确性。传统设计模式在执行过程中，各个专业虽然使用同一套坐标基准，但却不在一个统一的模型参考下进行设计，由此带来的误差与技术冲突需要采用跨专业的统一参考模型来消除。

2.2 实船项目的一体化设计实践

2.2.1 使用AVEVA Marine软件建立标准部件库

标准部件库是实现一体化设计过程中各专业协调作业、设计流程连续深化、输入输出数据无缝交换的基础逻辑要素，标准部件库数据的完整性与成熟度决定了一体化设计工作的效率与质量。

结合项目实际需求，在AVEVA Marine标准部件库的基础上重新对数据进行整理升级，特别是对舾装专业二维原理图中用到的各类符号和设备模型重新进行整理，实现了舾装专业标准数据库的优化与升级，提升了后续设计过程中调整与修改的便利性。标准部件库分类与内容见表2。

表2 标准部件库分类与内容

2.2.2 引用曲面对象（Reference Surface Object，2.2.2 RSO）模型

船舶与海洋工程的总体布置与技术规格说明是后续各个专业深入展开设计工作的基本依据与指导原则。一体化设计所依托的统一数据源模型的复杂程度随着设计范围的不断扩展而逐渐增加，但在整个设计流程中统一数据源模型应始终清晰完整地反映产品的总体布置要求与技术规格特征，目前软件提供的RSO模型功能可较好地满足这一技术需求。

如图3所示，RSO模型是一组虚拟的船体总布置特征描述模型，该模型数据中没有实际的板厚和材质等信息，但包含结构边界的定位和分舱信息。结构专业组在进行有限元分析时，以RSO模型为基准面进行分区域大板架建模。舾装专业以RSO模型为参考，完成舾装设备综合布放、原理计算、原理图功能模拟等工作。

图3 RSO模型示意图

2.2.3 结构专业一体化设计

结构专业的一体化设计主要通过3个主要步骤实现：1）构件的详细设计与三维建模；2）结构强度分析校核与三维送审；3）按照审图意见修改整体结构模型，将大模型按照分段划分要求进行切分、出图。第一阶段的工作内容与常规设计模式存在较大差异，常规设计模式中结构专业的详细设计只需要绘制二维布置图，不对结构进行三维建模；而一体化设计模式中结构专业的详细设计以 RSO为参考面进行大板架建模，依据此模型输出结构尺寸数据供限元分析、构件尺寸迭代优化等使用。

船级社以三维模型数据为基础进行图纸有效性审查工作，较传统的结构图送审方式可显著缩短审查周期。待结构设计方案退审后，将大区域模型进行分段切分，详细设计阶段所使用的模型可直接转换为生产设计模型，负责生产设计的技术人员无须再次建立结构三维模型，只要在分段模型的基础上按照图纸要求进行完善细化即可。结构一体化设计工序流向示意图见图4，结构一体化设计得到的统一数据源模型实现了设计区域结构模型的完善与切分，为后续生产设计的制图工作带来极大便利。

图4 结构一体化设计工序流向示意图

3 结论

本文对一体化设计模式在船舶与海洋工程领域的应用进行介绍，并对一体化设计的主要挑战以实施要点进行重点分析。一体化设计模式保证了设计过程中技术信息的无缝传递，减少不同设计阶段的重复建模工作，正确传递不同设计阶段和不同专业间的设计信息，进而提高设计效率，减少设计错误发生的概率。然而，目前的设计软件仍需要进行大量的二次开发才能满足一体化设计的适用性需求。如何更好地实现一体化设计模式在整个船舶与海洋工程设计工作中的应用，还需要长期的实践与探索。