丁煒杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063)

SketchUp參數(shù)化建模在船廠工藝方案設(shè)計中的應(yīng)用探索

丁煒杰 邱宇舟 何 迪 胡世南

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063)

建立船廠工藝方案的三維模型是船廠項目BIM設(shè)計的一項重要工作。中船九院公司基于SketchUp設(shè)計軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了船廠主要廠房設(shè)施工藝方案的參數(shù)化建模功能，解決了工藝專業(yè)融入船廠項目BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的一個技術(shù)難點。

船廠工藝方案；參數(shù)化建模；二次開發(fā)

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.17

1 前言

三維設(shè)計在機(jī)械行業(yè)已有30余年的應(yīng)用發(fā)展歷史，飛機(jī)、汽車、船舶、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)普及三維設(shè)計。目前，建筑工程設(shè)計行業(yè)也加速從兩維設(shè)計向BIM三維設(shè)計轉(zhuǎn)變，一些適用于工程建設(shè)行業(yè)的三維設(shè)計平臺得到了長足進(jìn)步(如Revit系列平臺、AutoCAD系列平臺等)[1]。

中船九院公司選用Bentley公司的BIM解決方案，以ProjectWise為協(xié)同工作平臺，以MicroStation為工程內(nèi)容創(chuàng)建平臺進(jìn)行多個專業(yè)的BIM設(shè)計。Bentley公司的軟件平臺為建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)提供了較完備的信息建模以及三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境，也提供了GenerativeComponents這樣的參數(shù)化造型模塊，但Bentley解決方案沒有相關(guān)模塊對工藝專業(yè)設(shè)計過程中重點關(guān)注的工藝方案與設(shè)備布局功能提供支持。

為了提供工藝方案的快速三維建模手段，建立船廠的三維模型，使工藝專業(yè)融入船廠項目的BIM多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，公司成立了課題組開發(fā)船廠工藝方案參數(shù)化建模軟件。

2 船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件開發(fā)

2.1 開發(fā)原則

在船廠工程設(shè)計中進(jìn)行三維設(shè)計不是為了好看，更重要的是改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計手段。本課題開發(fā)的主要原則如下：

(1)選用方便易用的三維設(shè)計軟件作為設(shè)計平臺；

(2)該三維設(shè)計軟件具備功能完善的API開發(fā)接口；

(3)Bentley MicroStation支持該三維設(shè)計軟件輸出的文件格式。

2.2 設(shè)計平臺及開發(fā)內(nèi)容的確定

船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件選用SketchUp 2015作為CAD設(shè)計平臺。

SketchUp是美國@last software公司于2000年前后開發(fā)出來的新一代建筑設(shè)計軟件，2013年SketchUp成為Trimble Navigation整體解決方案的一部分。SketchUp具有獨特簡潔的界面，可以讓設(shè)計師短期內(nèi)掌握其使用方法；能與AutoCAD、Revit、3DMAX、MicroStation等軟件結(jié)合使用，為AutoCAD和MicroStation等設(shè)計工具快速建立所需要的模型；SketchUp的 Ruby開發(fā)程序接口(SketchUp Ruby API)讓使用Ruby腳本的開發(fā)者能夠自主擴(kuò)展SketchUp的軟件功能。

船廠工藝方案的參數(shù)化建模插件的開發(fā)內(nèi)容，涉及船廠主要車間設(shè)施(船體、舾裝、涂裝)的工藝方案，包括以下內(nèi)容：

圖1 不同建模方法的組合

(1)廠房設(shè)施

船廠主要車間的形體輪廓模型。如堆場設(shè)施、船體鋼結(jié)構(gòu)廠房以及混凝土涂裝廠房。

(2)工藝設(shè)備及生產(chǎn)線布局

主要工藝設(shè)備的參數(shù)化模型，以及生產(chǎn)線的三維布局模板。如各類起重機(jī)、數(shù)控切割機(jī)、油壓機(jī)、平板車的參數(shù)化模型，以及鋼材預(yù)處理流水線、平面分段流水線的三維布局模板。

2.3 建模方法

Catia、NX等機(jī)械設(shè)計CAD/CAM軟件所建的三維模型，是由特征值和約束數(shù)值驅(qū)動的[2]，而SketchUp軟件通過創(chuàng)建點、線、面、體進(jìn)行三維建模，所建模型沒有前兩款軟件涉及的特征值與約束。因此，它不是一款嚴(yán)格意義上的參數(shù)化設(shè)計軟件。

幸運(yùn)的是，SketchUp開放了強(qiáng)大、完善的Ruby API。通過Ruby API不僅可以實現(xiàn)SketchUp軟件自帶的所有操作功能，而且可以開發(fā)個性化的UI交互界面獲取參數(shù)驅(qū)動建模，這樣就另辟了一條參數(shù)化自動建模途徑。

SketchUp Ruby API提供了兩種在場景中建立模型的方法：

(1)由Ruby腳本從現(xiàn)有模型庫中引用一個或多個保存為skp格式的組(Group)或組件(Component)，然后在腳本所提供UI界面中根據(jù)輸入的參數(shù)，對插入的模型進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放操作。

(2)場景中的元素(Entities)，均通過執(zhí)行Ruby腳本，根據(jù)參數(shù)創(chuàng)建點、線、面、體的方式建立。

課題開發(fā)的插件，往往采用這兩種建模方法的組合。比如鋼材預(yù)處理流水線的建模(如圖1所示)，對于流水線上的工作站設(shè)備由于個性化特征明顯，采用了方法(1)調(diào)用skp模型文件的方式進(jìn)行建模；而對于流水線的輸入、輸出輥道由于較易用長度、寬度等參數(shù)進(jìn)行描述，采用了方法(2)由腳本程序創(chuàng)建。

2.4 布局方法

插件的工藝方案布局方法有以下兩種：

(1)整體布局：

與廠房設(shè)施相關(guān)，以及在設(shè)備布置上可以清晰描述的元素，如廠房各類構(gòu)件，以及廠房內(nèi)的起重設(shè)備，采用整體布局方法，讀取參數(shù)，一次性生成布局模型。

(2)單體布局

在布置方面較靈活的內(nèi)容，比如切割機(jī)、油壓機(jī)、三輥卷板機(jī)、電動平板車等工藝設(shè)備，采用單體布局的方法，通過捕捉使用者鼠標(biāo)操作事件來布置模型。例如，在對電動平板車進(jìn)行布局時，通過捕捉鼠標(biāo)的先后兩次的左鍵單擊事件，獲取軌道的起點和終點位置，以類似直線繪制命令(line)的操作方式，實現(xiàn)電動平板車的定位布局。

2.5 交互界面設(shè)計

根據(jù)工藝專業(yè)設(shè)計需求，課題組確定了工藝方案設(shè)計中廠房設(shè)施、以及各類工藝設(shè)備所需的主要參數(shù)。針對參數(shù)數(shù)量以及復(fù)雜程度，插件開發(fā)采用了兩種交互界面。

(1)調(diào)用SketchUp的UI類

對于參數(shù)較為簡單的設(shè)備建模，在Ruby腳本中調(diào)用UI類，以對話框的方式實現(xiàn)人機(jī)交互，如圖2所示。

圖2 切割機(jī)與電動平板車的主要輸入?yún)?shù)

(2)調(diào)用Win32OLE庫讀取Excel表格

對于廠房及其附屬的起重設(shè)備的建模，需要的參數(shù)較多，采用利用Excel軟件組織參數(shù)的方式，在Ruby腳本中調(diào)用Win32OLE庫讀取Excel表格數(shù)據(jù)。通過Excel VBA開發(fā)，可以進(jìn)一步提升Excel參數(shù)表的交互體驗。圖3為Excel VBA開發(fā)的平面分段流水線參數(shù)表交互界面，實現(xiàn)了按工藝與工序進(jìn)行參數(shù)配置的功能。

3 參數(shù)化建模插件開發(fā)成果

課題的初步開發(fā)成果為船廠廠房設(shè)施參數(shù)化建模插件，共計8類26個命令按鈕，覆蓋船體、舾裝、涂裝三個工藝專業(yè)的三維設(shè)計建模需求，包括主要廠房類型的形體輪廓建模插件，主要工藝設(shè)備建模插件，以及生產(chǎn)線布局插件。插件在SketchUp中以工具欄(Toolbar)的命令按鈕(Button)形式進(jìn)行組織，如圖4所示。

廠房的形體輪廓建模插件的使用包括配置參數(shù)表與生成模型兩個步驟，以鋼料堆場為例，如圖5所示。首先，點擊參數(shù)配置命令按鈕，在彈出的Excel界面中編輯建模參數(shù)并保存。然后，點擊鋼料堆場建模命令按鈕，即可自動生成模型。

圖3 Excel VBA開發(fā)的平面分段流水線參數(shù)表界面

圖4 船廠工藝方案參數(shù)化建模插件工具欄

圖5 鋼料堆場插件使用過程

圖6 電動平板車插件使用過程

圖7 插件在某海外項目的應(yīng)用

主要工藝設(shè)備及生產(chǎn)線建模插件的使用，包括點選設(shè)備布置位置與編輯參數(shù)生成模型兩個步驟，以電動平板車為例，如圖6所示。首先，點擊電動平板車建模按鈕，在SketchUp視口單擊鼠標(biāo)左鍵兩次，確定平板車軌道中心線的長度與位置，然后在彈出的交互界面中編輯平板車建模參數(shù)，即可自動生成模型。

在建模參數(shù)配置完畢的情況下，插件可以在以秒計的時間內(nèi)自動生成一個廠房設(shè)施的三維模型，而工藝工程師利用AutoCad繪制同樣廠房設(shè)施的二維平面圖往往需要十分鐘時間。應(yīng)用參數(shù)化建模插件，可以使工藝工程師專注于設(shè)計方案，減少在繪圖或建模方面的精力投入。

參數(shù)化建模插件在九院公司某海外項目(圖7)得到應(yīng)用，反響良好。

4 小結(jié)

通過對SketchUp軟件進(jìn)行二次開發(fā)，為船廠工藝方案設(shè)計提供了快速三維建模手段，大大簡化了船廠方案設(shè)計的建模步驟，降低了工藝專業(yè)融入公司BIM設(shè)計的難度。

SketchUp 2015版本增強(qiáng)了對建筑工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)的支持[3]，使得SketchUp與不同BIM系統(tǒng)之間的雙向無損交互信息成為可能，SketchUp開放、簡便的特點使其可以與其他BIM設(shè)計軟件形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

本參數(shù)化建模插件實現(xiàn)了主要設(shè)備與車間的參數(shù)化建模功能，鑒于船廠工藝生產(chǎn)線以及車間布局方案的多樣性，后續(xù)使用過程中需持續(xù)補(bǔ)充個性化的車間與生產(chǎn)線模板。

[1]張呂偉. REVIT在脫水機(jī)房三維設(shè)計中應(yīng)用探索[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2012,4(2):95-98.

[2]王永崗等. CATIA三維參數(shù)化建模技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2014(5):201-202.

[3]邱奎寧等. IFC標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)方法[J].建筑科學(xué)，2004,20(3):76-78.

3D Parametric Modeling Technology and Application based on SketchUp for Shipyard Technology Design

Ding Weijie, Qiu Yuzhou, He Di, Hu Shinan

The 3D modeling of the process plan of the shipyard is an important work for BIM design. NDRI developed the shipyard parametric modeling software based on SketchUp,which enables the process engineers to take part in the BIM design.

Shipyard Technology Plan； Parametric Modeling； Re-develop

丁煒杰(1980-)，男，高級工程師。主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計。

TU275.3；TU17

A

1674-7461(2015)05-0097-05