船用工装脚手架三维模拟搭设技术

马 川

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

工装脚手架在船舶海工领域应用广泛，其低成本、高效率、高循环利用率等特点都为船舶建造和生产节省大量成本。随着计算机技术、数字化技术和虚拟现实技术的快速发展，脚手架方案的设计形式已从单纯的二维平面搭设方式发展到目前的三维模拟搭设方式。本文对船用工装脚手架三维模拟搭设技术的设计方法、避碰干涉、成本效率等方面进行介绍，对三维模拟搭设的优缺点进行分析，并提出一种针对散货船货舱区域结构类型的工装脚手架三维建模设计方法。

1 船用工装脚手架的设计方式

船用工装脚手架的设计方式与其他脚手架相同，均以二维平面设计为主，三维模拟设计仅用来参考示意。二维平面设计图纸通常只能展示脚手架的搭设方式以及尺寸标注，而精度、细节、准确的物量统计等内容只能靠现场施工人员根据实际生产内容所产生的物料消耗进行确定。随着计算机技术、数字化技术和虚拟现实技术的进一步发展融合，三维模拟搭设技术逐渐在船用工装脚手架设计领域得到应用和普及[1]。

目前对于船用工装脚手架的设计，大部分船舶制造企业采用“二维+三维”的设计模式，具体可从专业类别、施工阶段和设计手段等3 个方面进行阐述。

1）专业类别

船用工装脚手架设计从专业上属于舾装专业，但其设计过程需要综合考虑全船各个专业的设备和零部件。

2）施工阶段

工装脚手架可根据辅助施工人员在分段制作、机电设备安装、总段合龙、涂装以及船台搭载的各个阶段进行提前布局，使工序前期的脚手架可在后期继续使用，用于分段制作的脚手架同样可用于涂装作业或设备安装。

3）设计手段

船用工装脚手架设计由传统的二维平面设计发展为二维、三维相结合的设计模式，即二维平面设计+三维碰撞干涉检查。

2 三维模拟搭设技术

船用工装脚手架三维模拟设计包含零件位置的确定、辅助连接肘板的选择以及踏板铺设方式的选择等。设计方案主要包括施工/通行路径模拟、物量和人工等成本信息统计，以及拆除状态模拟等。设计过程最主要的问题是干涉，三维模拟搭设技术的主要作用正是降低干涉避碰问题出现的概率。

2.1 干涉避碰问题处理

在船用工装脚手架的设计过程中，干涉避碰检查及相应零件的调整工作往往要占据整个设计时间的1/5～1/4。脚手架是支撑各个专业生产施工的通道和平台，只有当生产施工结束后，才能拆除脚手架。因此，脚手架的拆除工作是船体总装下水前的最后一道工序。

在施工过程中，由于各个专业的施工进度以及设备和零部件的安装阶段不同，工装脚手架往往需要进行多次重复性搭拆作业。管系对工装脚手架的干涉情况见图1，为提高对舱室内结构、设备与工装脚手架干涉问题的检查效率。利用三维模拟技术将全船的辅助零件模型化、仿真化，进而可直观地检查辅助零件与周围结构和设备的间距、高度差等参数，最大程度上避免干涉问题的发生[2]。

图1 以分段为单位的设计流程

2.2 脚手架干涉检查

工装脚手架研发设计的初衷是为了满足大敞口货舱区域的涂装、焊接等工作的要求，随着三维软件技术和计算机硬件水平的不断进步，工装脚手架的应用区域也从大敞口的货舱区域扩展到一些功能舱室和设备舱室。

在建立三维模型干涉检查机制初期，由于工装脚手架布置数量及其包含的零件种类众多，且其大多采用螺栓把紧的形式，故工装脚手架通常以点的形式参与到各个专业的干涉检查之中[3]。确定工装脚手架的搭设点位，专业设计人员对脚手架与周围结构和设备间是否存在干涉，以及干涉范围等信息进行评估。

3 存在的问题

三维仿真软件的应用使船用工装脚手架的设计向前迈进了一大步，但依旧存在以下3 点问题，提升空间很大。

1）由于船用工装脚手架结构形式复杂多样，三维仿真软件尚未实现将船用工装脚手架的零件和肘板等恰当组合。在组合零件和肘板时，主要依据设计者的经验，因此，人为的不确定因素不可避免的成为系统设计方案水平高低的限制因素，只有提升软件的智能化水平，将设计经验、设计规则等约束融入软件的智能化系统，才能解决这一问题。

2）由于舱室结构形式多样，且舱室内设备繁杂，船用工装脚手架避碰干涉的合理尺寸存在权重平衡问题，目前还是以设计者的经验作为解决手段。

3）船用工装脚手架的安装方式也存在不可忽视的缺陷，舱室内部的搭设需要在相关联的结构上焊接固定的辅助零件以形成支撑点，一旦辅助零件装焊位置确定，那么搭设成型的工装脚手架就无法移动，也无法调整方向。如果某个辅助零件周围存在设备或者结构干涉而无法使用，那么为此零件设计的整个工装脚手架通道或平台就无法使用。利用三维软件虽然可以检查并避免干涉问题的发生，但其尚不能实现零件调整，只能靠设计者人工调整。

现阶段，虽然设计者可通过三维软件进行总体设计和生产设计，但由于交叉专业较多，各个专业设计进度不协同，不同专业的设备和零部件安装阶段不同等问题，目前还无法即时显示零件的安装状态。因此，模型生成后需要特别注意碰撞、干涉等问题。

4 提高建模速度的方法

如何高效、快速地进行三维建模和方案设计是降低设计成本、提高设计效率的关键问题之一，本文提出一种针对散货船货舱区域结构类型的工装脚手架三维建模设计方法，该方法将设计方式从以分段为单位改为以工装脚手架零件类型为单位。方法的基本原理：减少单位时间的零件设计种类，化繁为简，设计时只考虑一种零件的布置，避开其他零件的干扰，以及结构干涉等问题的影响。将不同零件的配合、零件与结构的干涉检查等步骤单独拎出，且滞后进行。在此情况下，设计者在进行操作时，注意力更加集中，只需要进行简单的零件位置计算工作。

通常情况下，一般船舶的货舱区域占整船体积的2/3 以上，结构形式也较为相似。而该类结构区域的工装脚手架搭设形式也大同小异，所需要的零件类型较少，一般2～3 种即能满足要求。因此，对于货舱区域，以分段为单位进行脚手架设计较为得不偿失。对于以分段为单位的设计（见图2），每个设计人员需要同时应用2～3 种零件，不仅要考虑零件之间的搭配以及干涉检查等工作内容，还要考虑分段之间的衔接及校对。这种设计模式占用时间长，设计难度高，对设计者本身的专业素养要求高。对于以工装脚手架零件类型为单位的设计（见图3），每个设计者只同时负责1 种零件的建模布置。只需要2～3 个设计者同步设计，之后将完整模型交给专属的干涉检查人员即可。该设计模式分工明确，且各个工作内容操作步骤简便，可显著提高工装脚手架的建模效率。

图2 以分段为单位的设计流程

图3 以工装脚手架零件类型为单位的设计流程

5 结论

船用工装脚手架对船舶制造效率的提高也有着不可忽视的作用。本文对船用工装脚手架三维模拟搭设技术的设计方法、避碰干涉、成本效率等方面进行介绍，对三维模拟搭设的优缺点进行分析，并提出一种针对散货船货舱区域结构类型的工装脚手架三维建模设计方法。研究表明：本文提出的设计方法分工明确，且各个工作内容操作步骤简便，可显著提高工装脚手架的建模效率。