胡可一 王 冰

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海 201913）

0 引 言

大型鋼質(zhì)船舶設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的面向離散型、定制型產(chǎn)品的綜合性系統(tǒng)工程，是船體、輪機(jī)和電氣等十多個(gè)不同大專業(yè)設(shè)計(jì)的集合，每個(gè)大專業(yè)又可細(xì)分為許多子專業(yè)。以廣義的船體設(shè)計(jì)大專業(yè)為例，又包括總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、舾裝設(shè)計(jì)、內(nèi)裝設(shè)計(jì)與工藝工法等多個(gè)子專業(yè)。

傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)是根據(jù)運(yùn)輸?shù)呢浳?、營(yíng)運(yùn)水域、港口設(shè)施，以及相關(guān)的法規(guī)、規(guī)范和設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體功能要求，為某型船舶的建造和營(yíng)運(yùn)提供所需的全部技術(shù)文件。所有的技術(shù)文件、圖紙和計(jì)算報(bào)告等需得到船東或船級(jí)社的認(rèn)可后，方可進(jìn)行下一步面向建造的工藝設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)和建造的工藝工法在前期雖有關(guān)聯(lián)，但本質(zhì)上是割裂的。以船廠自主設(shè)計(jì)份額最大的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)的交付物基本以二維圖紙為主。二維圖紙得到船東和船級(jí)社認(rèn)可后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行船體實(shí)尺放樣再生成二維的草圖和數(shù)據(jù)，用于現(xiàn)場(chǎng)建造；待船舶建造完成并交付時(shí)，最終的二維圖紙作為完工圖紙入庫(kù)收存并交付船東作為全生命周期的信息載體。20 世紀(jì)80年代末至90年代初，在整個(gè)工業(yè)界“甩圖板”的大潮中，船舶設(shè)計(jì)也采用了二維CAD 軟件（如AutoCAD）進(jìn)行二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。在AutoCAD 的基礎(chǔ)上，通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言和宏命令的二次開發(fā)也衍生出一些船舶設(shè)計(jì)專用軟件，其中以AutoSHIP 最為有名。

從20 世紀(jì)90年代中期開始，中國(guó)的主流船廠引進(jìn)了以KCS（Kockums Computer System）為代表的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)（2.5D）；同時(shí)，多家基于工作站的三維軟件，如UG、Pro-Engineer、CADDS5、Intergraph（鷹圖）和CATIA 等，也試圖進(jìn)入船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域。不過(guò)，由于船舶建造仍然以二維圖紙為主，因此相關(guān)各方（如設(shè)計(jì)院所、船廠、船東和船級(jí)社）之間設(shè)計(jì)信息的交換媒介仍然是二維圖紙。此外，由于上述三維軟件還無(wú)法從三維模型輸出建造所需的二維圖紙交付物，加之三維軟件所需的工作站硬件費(fèi)用昂貴，并且由于三維曲面和實(shí)體定義的原因而導(dǎo)致運(yùn)行效率低下，因此在90年代中期，三維軟件仍未能在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域順利推進(jìn)，而以二維圖紙為主要交付物的設(shè)計(jì)院所在推進(jìn)三維設(shè)計(jì)的進(jìn)程中則面臨更大挑戰(zhàn)。

相反，以KCS 和后續(xù)升級(jí)版本Tribon 為代表的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)（2.5D）的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，使它們成為后續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的船舶設(shè)計(jì)主流軟件。此外，也有一些相對(duì)小眾但頗有特色的船舶設(shè)計(jì)軟件，如西班牙SENER 公司開發(fā)的Foran 系統(tǒng)。較之于側(cè)重生產(chǎn)設(shè)計(jì)的Tribon，F(xiàn)oran 的基本設(shè)計(jì)模塊更加貼近實(shí)際船舶設(shè)計(jì)，特別是2003年重寫代碼的Foran 60 版。改寫后的Foran 60 和Tribon 都采用船舶設(shè)計(jì)常用的特征線來(lái)定義船體線型，用理論線來(lái)表示船體結(jié)構(gòu)件的對(duì)合位置，沿用傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)的制圖慣例，而且在滿足分段結(jié)構(gòu)制作精度的前提下，能比三維實(shí)體模型更加高效。 Foran 現(xiàn)已被西門子公司收購(gòu)并將被重新定位，從而使基本設(shè)計(jì)模塊和NX 系統(tǒng)組合成為船舶設(shè)計(jì)的全新解決方案。

2005年以后，工業(yè)軟件的幾大巨頭陸續(xù)推出新一代三維軟件系統(tǒng)，進(jìn)一步強(qiáng)化了原有的三維核心功能，再加上普遍采用了購(gòu)置成本大大低于UNIX 工作站的Windows NT 工作站，強(qiáng)大的軟件功能和相對(duì)低廉的硬件成本使新一代的三維CAD軟件再次得到迅速發(fā)展。同樣，這些軟件巨頭在進(jìn)行行業(yè)布局的同時(shí)也沒(méi)有放棄向船舶設(shè)計(jì)這個(gè)小眾行業(yè)拓展。達(dá)索系統(tǒng)、西門子和鷹圖分別以新一代系統(tǒng)（3D EXP、NX 和Smart 3D）為基礎(chǔ)，推出了面向船舶設(shè)計(jì)的CAD 系統(tǒng)；被德國(guó)Schneider 公司收購(gòu)的AVEVA 公司也推出新一代AVEVA Marine和AVEVA E3D 軟 件。Smart 3D 和AVEVA E3D 現(xiàn)已成為海工行業(yè)的新一代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

這些三維軟件無(wú)一不以三維數(shù)字樣船（3D digital mock-up, 3D DMU）為核心并貫穿到研發(fā)、仿真、分析、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和交付的各個(gè)階段乃至全生命周期的數(shù)字孿生（Digital Twin）。對(duì)于船舶建造合同的執(zhí)行來(lái)說(shuō)，2-To+1-On（To specification, To quality, On schedule）十分重要，而三維仿真分析、研發(fā)設(shè)計(jì)和基于實(shí)體三維模型的建造推演對(duì)首制船型（特別是高技術(shù)復(fù)雜船型）實(shí)現(xiàn)2-To+1-On 的作用是十分正面和積極的。三維數(shù)字樣船（3D DMU）的融入推動(dòng)船舶設(shè)計(jì)發(fā)生了質(zhì)的變革，更加確切地說(shuō)是從“二維圖紙階段性的離散交付”到“面向全設(shè)計(jì)流程的三維模型”的變革。

1 船舶設(shè)計(jì)模式走向何方

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)模式將走向何方？與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比有什么不同？厘清“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”的概念和2 個(gè)“一體化”是十分必要的?，F(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)為什么要解決“怎樣造船”？因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)邊設(shè)計(jì)、邊建造的離散型制造過(guò)程中，需要融合設(shè)計(jì)、建造、管理為一體，把“分道作業(yè)、成組技術(shù)和以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向”的統(tǒng)籌優(yōu)化理念在船舶建造中實(shí)踐和應(yīng)用。船舶如何高效、高質(zhì)量地建造，造船作業(yè)任務(wù)如何根據(jù)自身造船設(shè)施以及人力資源的特點(diǎn)和負(fù)荷進(jìn)行分解與組合以達(dá)到最佳，工藝工法應(yīng)如何推演等，均需要有直觀的基礎(chǔ)載體同數(shù)據(jù)源加以融合并實(shí)現(xiàn)2 個(gè)“一體化”。這個(gè)基礎(chǔ)載體就是船舶設(shè)計(jì)，并且該載體已經(jīng)從傳統(tǒng)二維圖紙逐步演變成三維模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）。

1.1 “造怎樣的船”和“怎樣造船”

“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”，這2 個(gè)概念起源于20 世紀(jì)80年代中后期的日本造船界。船舶設(shè)計(jì)不僅要解決“造怎樣的船”的定義，還要解決“怎樣造船”的工藝工法。

“造怎樣的船”相對(duì)容易理解，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式相似，主要是完成所造船舶的功能定義，以滿足船東所訂造船舶的功能和技術(shù)指標(biāo)，本文不再贅述。“造怎樣的船”對(duì)應(yīng)的就是船舶設(shè)計(jì)中的合同設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)。

“怎樣造船”是按照現(xiàn)代船舶建造的基本原理，對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙上定義的造船作業(yè)任務(wù)按工序或區(qū)域進(jìn)行分解和組合，并將建造相關(guān)的工藝工法融入分解后列入工藝技術(shù)文件中的設(shè)計(jì)過(guò)程。在20 世紀(jì)80年代的日本造船界，將定義“怎樣造船”的過(guò)程稱之為“生產(chǎn)設(shè)計(jì)”?！霸鯓釉齑钡囊c(diǎn)可以歸納為：

（1）“怎樣造船”的設(shè)計(jì)前提是按照功能/系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品作業(yè)任務(wù)的分解和組合，按照劃分的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行“怎樣造船”的區(qū)域設(shè)計(jì)；

（2）“怎樣造船”的區(qū)域設(shè)計(jì)是以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按照船舶建造的作業(yè)任務(wù)性質(zhì)分為殼、舾、涂這三大類，劃分成為不同的作業(yè)階段，并進(jìn)行產(chǎn)品作業(yè)任務(wù)分解與組合，以細(xì)化描述“怎樣造船”的作業(yè)程序、工藝方法、尺寸精度以及生產(chǎn)資源的需求等設(shè)計(jì)過(guò)程；

（3）“怎樣造船”的設(shè)計(jì)是船廠對(duì)船舶建造計(jì)劃和工藝的策劃要求進(jìn)行互動(dòng)設(shè)計(jì)的工作過(guò)程。

當(dāng)時(shí)中國(guó)造船學(xué)習(xí)日本的生產(chǎn)設(shè)計(jì)模式主要是解決在“紙面上”進(jìn)行模擬造船，解決“怎樣造船”的問(wèn)題，把工藝工法從條文分解轉(zhuǎn)變?yōu)閳D解或圖紙上的注解。

1.2 2個(gè)“一體化”

2 個(gè)“一體化”是指“設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化”和“殼、舾、涂一體化”。中國(guó)的船舶設(shè)計(jì)模式源自上世紀(jì)八九十年代的日本造船界和之后的韓國(guó)造船界，歸納起來(lái)都繞不開面向建造2 個(gè)“一體化”的設(shè)計(jì)理念，這是長(zhǎng)期以來(lái)日本和韓國(guó)船廠對(duì)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和深化。

“設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化”是指設(shè)計(jì)（船舶設(shè)計(jì)）、生產(chǎn)（施工作業(yè)）和管理（生產(chǎn)管理）均以建造計(jì)劃（工藝）為主導(dǎo)的互動(dòng)設(shè)計(jì)理論。現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)運(yùn)用該理論旨在提高造船生產(chǎn)效率，同時(shí)更有效地降低造船成本。作為現(xiàn)代生產(chǎn)管理中的工程計(jì)劃管理，其建造計(jì)劃由3 個(gè)層次組成，分別是：建造方法、建造方針和建造策劃。

建造方法是指生產(chǎn)管理部門在了解待建船舶主尺度、主要結(jié)構(gòu)形式、主要設(shè)備及總體布置的基礎(chǔ)上，對(duì)該船進(jìn)行粗略的分段劃分，確定建造的方法、施工原則和大節(jié)點(diǎn)安排，以便對(duì)建造周期有大致計(jì)劃。建造方針是在確定建造方法的基礎(chǔ)上，以船體為基礎(chǔ)、舾裝為中心，以現(xiàn)代造船工法和技術(shù)為指導(dǎo)，將工藝、計(jì)劃、成本、質(zhì)量與施工等各方面綜合平衡后所形成建造船舶整體優(yōu)化的建造方案。建造策劃是指將建造方針提出的各項(xiàng)具體內(nèi)容在設(shè)計(jì)、施工管理的方法上加以具體落實(shí)，從技術(shù)上指明作業(yè)的順序、方式、特殊的施工注意點(diǎn)和技術(shù)要求，以指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和施工管理的技術(shù)文件，是后續(xù)建造過(guò)程的指導(dǎo)性文件。

“殼、舾、涂一體化”是指船舶設(shè)計(jì)由功能/系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，劃分為殼（船體建造）、舾（舾裝）、涂（涂裝）這三大專業(yè)，并開始進(jìn)行區(qū)域設(shè)計(jì)的同步協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)理論。運(yùn)用該理論進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)旨在推進(jìn)舾裝作業(yè)前移，把船舶制造過(guò)程中殼、舾、涂作業(yè)間的矛盾或?qū)?huì)產(chǎn)生的各種問(wèn)題消除在生產(chǎn)設(shè)計(jì)的“紙面造船”作業(yè)之中。

1.3 設(shè)計(jì)階段劃分的模糊化

傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)階段的劃分不盡統(tǒng)一，通常有三階段、四階段和五階段之分。船舶設(shè)計(jì)的階段劃分也并非一成不變，可以根據(jù)具體船型的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，但是基本的圖紙和技術(shù)文件內(nèi)容不變。以四階段為例（參見圖1），一般劃分為合同設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)這4個(gè)階段。不同的設(shè)計(jì)階段中，設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)深度以及參與人員等都不盡相同，充分體現(xiàn)了“二維圖紙階段性的離散交付”特征，“出圖”為各個(gè)階段的主要目標(biāo)。

圖1 船舶設(shè)計(jì)階段的劃分

此外，還有一種劃分是基于送審設(shè)計(jì)的定義。送審設(shè)計(jì)與合同設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)是并行的，其設(shè)計(jì)內(nèi)容包括合同設(shè)計(jì)的一部分、基本設(shè)計(jì)的全部圖紙以及詳細(xì)設(shè)計(jì)的部分圖紙。

該階段主要目的是完成合同約定的技術(shù)文件送審，并且最終確定船舶的技術(shù)指標(biāo)、功能和配套的主要設(shè)備，為開展下一步生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)規(guī)定詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容和關(guān)鍵圖紙的設(shè)計(jì)深度。

圖2 基于三維CAD 的船舶設(shè)計(jì)流程

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)旨在以三維模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）為貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)流程的“單一數(shù)據(jù)源”。在這種采用三維CAD 設(shè)計(jì)的模式下，盡管仍可與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣劃分出3 ～ 4 個(gè)設(shè)計(jì)階段，但跨設(shè)計(jì)階段的雙向數(shù)據(jù)流和交互大大增加，設(shè)計(jì)階段的劃分事實(shí)上已被模糊化。

1.4 新的設(shè)計(jì)變革需求

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的核心理念仍然是面向需求和生產(chǎn)的研發(fā)和設(shè)計(jì)，但是隨著現(xiàn)代數(shù)字化的不斷發(fā)展，船舶設(shè)計(jì)手段發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，由此便產(chǎn)生了新的設(shè)計(jì)變革需求。

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)船廠的船舶設(shè)計(jì)仍以二維圖紙為主。通常在船型研發(fā)、基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用二維圖紙，在圖紙上描述結(jié)構(gòu)分布、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，然后在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，最后再生成二維施工圖。這樣從二維變?yōu)槿S、最后又變?yōu)槎S的設(shè)計(jì)模式，即前文所述的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)（2.5D），此時(shí)的三維模型只是生成二維交付物的工具。

從2D 升級(jí)到2.5D 的設(shè)計(jì)，雖然已經(jīng)引入了三維設(shè)計(jì)和分析方法，但本質(zhì)仍然是基于二維圖紙的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式的弊端仍然存在，其中之一就是信息/數(shù)據(jù)孤島。信息/數(shù)據(jù)孤島的產(chǎn)生是由于設(shè)計(jì)信息跨軟件平臺(tái)靠人工傳遞，容易引起設(shè)計(jì)端和生產(chǎn)端對(duì)二維圖上內(nèi)容的誤解，造成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的返工。隨著造船周期縮短而迫使效率不斷提升，這種信息/數(shù)據(jù)傳遞模式也會(huì)使設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量差錯(cuò)率增大。信息/數(shù)據(jù)孤島還體現(xiàn)在設(shè)計(jì)信息同造船設(shè)施和設(shè)備之間缺乏有效的銜接端口，無(wú)法直接獲取與識(shí)別，因而造成不必要的設(shè)施、設(shè)備管理或施工管理協(xié)調(diào)成本的升高。

2.5D 設(shè)計(jì)模式中的三維模型功能單一，從建造策劃、模擬仿真、智能制造、CAE 的數(shù)據(jù)傳輸、AR/VR 建造輔助、遠(yuǎn)程調(diào)試、人機(jī)交互以及面向全生命周期應(yīng)用的數(shù)字孿生等方面來(lái)看，其顯然已經(jīng)不能滿足未來(lái)船舶建造高效化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。因此，新的設(shè)計(jì)流程變革（process innovation, PI）和數(shù)字化轉(zhuǎn)型已迫在眉睫，需要讓三維模型針對(duì)數(shù)字樣船和數(shù)字孿生的發(fā)展方向進(jìn)行重新定位。

2 全三維的設(shè)計(jì)變革

三維工業(yè)設(shè)計(jì)軟件徹底改變了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式，極大提升了設(shè)計(jì)人員處理高精度和復(fù)雜任務(wù) 的能力。如今，多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品（特別是大型裝備）的復(fù)雜程度和迭代頻率都是以前難以想象的。三維工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用實(shí)實(shí)在在地推動(dòng)了生產(chǎn)力的進(jìn)步，有效促進(jìn)了工業(yè)產(chǎn)品不斷更新和迭代，其已成為當(dāng)今工業(yè)界不可或缺的創(chuàng)新利器。

2.1 船舶三維設(shè)計(jì)軟件

受到工業(yè)界三維設(shè)計(jì)軟件快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)和影響，除了在船舶設(shè)計(jì)軟件堅(jiān)守的AVEVA 以外，多家大牌三維設(shè)計(jì)軟件巨頭也嘗試重新進(jìn)入或拓展其在船舶設(shè)計(jì)市場(chǎng)的份額，其中頗具代表性、應(yīng)用較廣且接受程度較高的軟件是NX+Foran、3D EXP 和Smart 3D 等。

NX 軟件是西門子（Siemens）公司提供的面向產(chǎn)品全生命周期的解決方案，提供了集成、全面的產(chǎn)品開發(fā)解決方案。NX 軟件的強(qiáng)大功能主要基于各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)（包括CAD、CAM 和CAE 模塊），各模塊分別完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的不同任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)高效、科學(xué)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程。目前，NX 軟件已經(jīng)升級(jí)并可支持進(jìn)行下一代的設(shè)計(jì)、仿真和制造解決方案，支持實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的價(jià)值。

Foran 是西班牙SENER 公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件，其囊括了船、機(jī)、電、涂裝和舾裝等各個(gè)專業(yè)，現(xiàn)已成為西門子NX 軟件下的組件。在船舶設(shè)計(jì)和建造中，從初始的概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)和送審設(shè)計(jì)階段，直到后期的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，F(xiàn)oran 可以應(yīng)用于所有船型的設(shè)計(jì)建造，同時(shí)可以根據(jù)不同用戶的特定需求進(jìn)行個(gè)性化定制。

CATIA 是由法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM 一體化軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子/電器和消費(fèi)品行業(yè)。CATIA 作為達(dá)索公司產(chǎn)品全生命周期管理（product lifecycle management, PLM）協(xié)同解決方案的重要組成部分，可以通過(guò)三維模型幫助制造廠商設(shè)計(jì)未來(lái)產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前期研發(fā)、設(shè)計(jì)、分析、模擬，到后期的組裝和維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。CATIA 內(nèi)有多個(gè)設(shè)計(jì)模塊，可以提供風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工設(shè)計(jì)、數(shù)值分析和模擬等，各個(gè)模塊都基于同一數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此各個(gè)模塊之間存在真正的全相關(guān)性。CATIA最新的V6 版本也被稱為3D EXP。

Smart Plant 3D （即Smart 3D），是鷹圖（Intergraph）公司開發(fā)的軟件，其擁有自動(dòng)化功能及規(guī)則驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以顯著提高生產(chǎn)效率并有效提升設(shè)計(jì)和工程質(zhì)量，特別是能夠快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建和修改模型。目前Smart 3D 軟件可以提供制造企業(yè)所需的全部功能，并提供整個(gè)生命周期的更新和維護(hù)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品的安全性、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。除應(yīng)用于船舶行業(yè)，Smart 3D 已經(jīng)成為海洋工程行業(yè)（特別是模塊設(shè)計(jì)制造）的新一代工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)。

AVEVA Marine 是AVEVA 軟件的3 個(gè)核心模塊之一，也是目前在船廠應(yīng)用較廣的生產(chǎn)設(shè)計(jì)輔助軟件。早在1976年，AVEVA 就開發(fā)出全球首個(gè)三維工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)PDMS（plant design management system）。2004年，AVEVA 收購(gòu)了著名的船舶設(shè)計(jì)解決方案Tribon，目前的AVEVA Marine 屬于Tribon 和PDMS 的整合升級(jí)產(chǎn)品。AVEVA Marine得益于高效面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)，在船舶行業(yè)形成了獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的工業(yè)軟件平臺(tái)。被德國(guó)Schneider 公司收購(gòu)的AVEVA 也推出了新一代的AVEVA Marine和AVEVA E3D。目前，AVEVA 已經(jīng)建立了一體化的工程信息管理平臺(tái)，并將制造企業(yè)整個(gè)生命周期所覆蓋的需求、設(shè)計(jì)、建造、交付、運(yùn)營(yíng)和改造的數(shù)據(jù)和信息全部連接起來(lái)，為整個(gè)生命周期提供決策支持，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)字孿生（connected digital twin）技術(shù)。AVEVA E3D 已經(jīng)成為海洋工程行業(yè)（特別是船體設(shè)計(jì)制造）的新一代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

其他面向船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的三維設(shè)計(jì)軟件還有CADMATIC 和NAPA。CADMATIC 是高度集成的三維船舶與海工設(shè)計(jì)專業(yè)軟件，包含了船體、輪機(jī)、管系、空冷/通風(fēng)、舾裝和電氣等專業(yè)，集三維設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)于一體；NAPA 具備快速的3D 建模能力，可以用于船體曲面造型設(shè)計(jì)和型線設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總布置設(shè)計(jì)、分艙和艙容計(jì)算、性能計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析等。這2款軟件雖不如前文所述的軟件可以提供產(chǎn)品的全流程工業(yè)設(shè)計(jì)，但是在船舶行業(yè)（特別是前期設(shè)計(jì)）也占據(jù)一席之地。

2.2 三維數(shù)字樣船

三維數(shù)字樣船（3D DMU）的本質(zhì)上是裝配模型（assembly models）。裝配模型是工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)（product development process）的核心要素，當(dāng)前的工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)大多依賴于3D DMU 來(lái)評(píng)估、修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，此類方式已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天和海事行業(yè)。

3D DMU 通常用于虛擬檢查部件，如：總體布局檢查、干涉檢查、空間分配/評(píng)估、裝配工藝設(shè)計(jì)、維護(hù)/任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、沉浸式模擬和附加外部數(shù)據(jù)（如有限元加載等）的可視化，并且需要通過(guò)三維工業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著大型工業(yè)軟件進(jìn)入船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，3D DMU 的理念也在船舶行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如圖3 所示。

圖3 船舶設(shè)計(jì)中的數(shù)字樣船（3D DMU）

2.3 基于3D DMU的設(shè)計(jì)流程革新

（1）基于3D DMU 的設(shè)計(jì)技術(shù)

3D DMU 完成后可對(duì)整個(gè)船舶或部分進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。數(shù)字樣船具備和實(shí)船相似的設(shè)計(jì)功能，可輸出建造所需的數(shù)據(jù)和加工指令（包含型線設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、舾裝設(shè)計(jì)、輪機(jī)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等），還可進(jìn)行各個(gè)子系統(tǒng)和模塊的集成設(shè)計(jì)、裝配和單元可視化設(shè)計(jì)、管系和組件的干涉檢查、功能模擬檢測(cè)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置等設(shè)計(jì)功能，可以為建造策劃、生產(chǎn)管理、工法仿真以及計(jì)劃排產(chǎn)管理等決策過(guò)程提供支持。

（2）基于3D DMU 的制造技術(shù)

基于3D DMU 生成的數(shù)字船體零件交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，可以直接被現(xiàn)場(chǎng)的切割和加工設(shè)備識(shí)別并用于加工制造?；诖思夹g(shù)生成的設(shè)備、管系等制造和安裝的三維圖紙能夠直觀地表達(dá)出各種工藝信息，用于現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)指導(dǎo)。

3D DMU 的出現(xiàn)為船舶設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的數(shù)字化信息流，其能貫穿至船舶設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程乃至船舶的全生命周期?，F(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)由原來(lái)的分階段圖紙交付物正逐步變?yōu)橐匀S模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）為貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)流程的“單一數(shù)據(jù)源”，以3D DMU 為驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)流程變革和重新定位正在到來(lái)。

2.4 基于3D DMU的科技型造船企業(yè)

船舶的數(shù)字化流程革新能夠有效提升科技競(jìng)爭(zhēng)力、提升建造效率、適應(yīng)船型的多樣化和復(fù)雜化、高效建造高附加值船舶，擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

隨著環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，同時(shí)對(duì)能源枯竭的憂慮也愈發(fā)加深，未來(lái)對(duì)船舶排放和能耗會(huì)有更高的要求，造船企業(yè)需要拓寬經(jīng)營(yíng)方向，向低碳化、智能化和數(shù)字化船型進(jìn)行拓展。

3D DMU 的應(yīng)用將使造船企業(yè)在低碳和智能船型建造上具備優(yōu)勢(shì)。3D DMU 可以實(shí)現(xiàn)卓越設(shè)計(jì)，提供多方案的選擇和評(píng)估，在先進(jìn)船型的研發(fā)和設(shè)計(jì)方面，基本設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行先進(jìn)的仿真分析和功能集成分析，確保設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足低碳、智能等相關(guān)需求和規(guī)范。

3D DMU 的應(yīng)用將使造船企業(yè)有效緩解人工和材料的成本上升。基于3D DMU 的流程設(shè)計(jì)可以提升設(shè)計(jì)效率，捕獲和重用知識(shí)工程，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)； 基于3D DMU 的流程設(shè)計(jì)也可以降低成本，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以進(jìn)行設(shè)計(jì)重用，便于進(jìn)行變更影響性分析，減少返工?；?D DMU 的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)能夠提升建造效率，降低建造成本，優(yōu)化資源配置，降低倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸成本。

3 單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

3D DMU 的出現(xiàn)，使“單一數(shù)據(jù)源”概念越來(lái)越受到運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件的組織或企業(yè)的重視，令3D DMU 成為貫穿船舶設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程乃至船舶全生命周期的“單一數(shù)據(jù)源”設(shè)計(jì)流程革新成功的關(guān)鍵。

3.1 單一數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)是企業(yè)營(yíng)運(yùn)和管理的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)廣泛存在于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和配套等各個(gè)不同的環(huán)節(jié)和系統(tǒng)之中。如果想要實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就必須將各個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)匯總并整合，形成可信賴的單一數(shù)據(jù)源（single source of truth，SSOT），如 圖4所示。

圖4 單一數(shù)據(jù)源（SSOT）

數(shù)據(jù)存在于整個(gè)組織的各個(gè)系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)一般都是獨(dú)立存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)筒倉(cāng)（與其他系統(tǒng)相隔離），這對(duì)于希望采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（data-driven decision）決策的組織來(lái)說(shuō)是巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻M織中并非所有的成員都使用相同的數(shù)據(jù)或工具進(jìn)行操作。

單一數(shù)據(jù)源可以將同一組織內(nèi)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和整合，形成可信賴的單一數(shù)據(jù)來(lái)源；單一數(shù)據(jù)源不是一種系統(tǒng)、工具或策略，而是一種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理的狀態(tài)；單一數(shù)據(jù)源即在來(lái)自不同信息源的同一屬性信息中，作為唯一的可信賴的數(shù)據(jù)存在；單一數(shù)據(jù)源的作用是確保組織中的每個(gè)成員都基于相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)決策。

3.2 船舶設(shè)計(jì)中的單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

對(duì)造船企業(yè)而言，取得可信的單一數(shù)據(jù)源的難度主要源于以下5 個(gè)方面：

（1）三維模型仍基于二維圖紙

目前的三維建模仍需以二維圖紙為基礎(chǔ)，基本設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵圖紙（如總布置圖、舯橫剖面圖或機(jī)艙布置圖等）并不能在三維軟件中直接開展設(shè)計(jì)。對(duì)于年長(zhǎng)的設(shè)計(jì)師而言，其雖具備了進(jìn)行三維直接設(shè)計(jì)的能力，但是由于長(zhǎng)期從事二維圖紙的繪制，對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件的操作不熟練，故無(wú)法有效開展三維設(shè)計(jì)；年輕的設(shè)計(jì)師雖能較快地熟練操作三維軟件，但因缺少船舶設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，故也無(wú)法直接通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行船舶總布置設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（2）三維模型無(wú)法固化

在基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，三維模型往往不能夠固化下來(lái)，仍需根據(jù)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行修改，而且這些有限元分析軟件都是定制的軟件，一般不能與三維模型的源文件兼容，需要進(jìn)行中間格式的轉(zhuǎn)換。這種中間格式的轉(zhuǎn)換和模型輕量化會(huì)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。

（3）三維送審設(shè)計(jì)

由于船舶產(chǎn)品的復(fù)雜度較高、外購(gòu)設(shè)備的數(shù)量較多且涉及多家企業(yè)，而各個(gè)企業(yè)的三維CAD 系統(tǒng)也可能不同，因此造成船舶模型中的各個(gè)組件往往由多個(gè)異構(gòu)CAD 模型組成。然而，異構(gòu)CAD 的模型裝配和干涉檢查的難度比較高，這個(gè)挑戰(zhàn)在送審階段往往表現(xiàn)得最為突出。與此同時(shí)，此階段船級(jí)社的意見在經(jīng)過(guò)認(rèn)可后也需要修改到三維模型中，而這些修改往往都由設(shè)計(jì)人員手工操作完成。

（4）三維模型修改

按照目前船廠的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)模式，在船舶建造的過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)橘Y源配置、工藝更改、設(shè)計(jì)變更等因素產(chǎn)生設(shè)計(jì)更改，這些更改都需要在三維模型中進(jìn)行同步更新，而這些更新將消耗大量的人力，而且模型更改速度也會(huì)影響生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)響應(yīng)速度，從而對(duì)生產(chǎn)周期產(chǎn)生不利影響。

（5）后期維護(hù)

隨著船舶的交付，三維模型的歸屬和后續(xù)維護(hù)及更新成為一個(gè)問(wèn)題。船廠的任務(wù)在船舶交付后就完成了，三維模型在船舶運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)不在船廠工作范圍內(nèi)，而對(duì)船東或營(yíng)運(yùn)公司而言，三維模型的后續(xù)維護(hù)目前除了增加成本外，尚無(wú)其他用途。當(dāng)然，數(shù)字孿生是極有可能的發(fā)展方向，但是就目前而言，數(shù)字孿生的技術(shù)還不夠成熟。

2019年6月29日，中國(guó)東海保障中心的大型航標(biāo)船“海巡160”在江南造船成功交付（見圖5）。

圖5 應(yīng)用“數(shù)字樣船”實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化建造

這是全球首艘基于“單一數(shù)據(jù)源”理念并采用3D EXP 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全船“無(wú)紙化”設(shè)計(jì)和建造的大型鋼制船舶，標(biāo)志著船舶設(shè)計(jì)和建造進(jìn)入了新的階段。

3.3 三維送審中單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

船級(jí)社作為船舶設(shè)計(jì)的重要參與方，如何在送審設(shè)計(jì)中保持可信賴的單一數(shù)據(jù)源，是船廠和船級(jí)社面臨的重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）不同船廠的設(shè)計(jì)軟件不同

不同船廠應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件不同，目前應(yīng)用較廣的是CATIA、AVEVA 和NAPA 等，這些軟件建立的三維模型數(shù)據(jù)類型不同，而且往往無(wú)法互相兼容。

（2）船廠和船級(jí)社軟件的兼容性

不同船級(jí)社的軟件也不同，而在船廠設(shè)計(jì)和建造的船往往需要對(duì)應(yīng)多個(gè)船級(jí)社，因此船廠輸出的數(shù)字模型需要滿足多個(gè)船級(jí)社軟件的兼容性需求。2021年成立的OCX 聯(lián)盟，成員包括所有主要的船級(jí)社、重要的CAD 供應(yīng)商以及個(gè)別設(shè)計(jì)公司和船廠。該聯(lián)盟正在致力推廣OCX 格式的三維模型以取代傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖紙。

（3）數(shù)據(jù)傳遞中的準(zhǔn)確性

不同軟件導(dǎo)出的文件信息在導(dǎo)入導(dǎo)出和格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或缺失。

（4）模型的輕量化

送審模型往往不需要制造和工藝的信息，而且對(duì)數(shù)據(jù)上傳和下載的速度有要求，因此在三維送審過(guò)程中要應(yīng)用輕量化的模型。

（5）不同來(lái)源的數(shù)字模型的準(zhǔn)確性

船舶中涉及到的外來(lái)設(shè)備和系統(tǒng)很多，因此外來(lái)的數(shù)字模型也比較多樣。如何在保持信息準(zhǔn)確的前提下與三維模型進(jìn)行匹配，這是一大挑戰(zhàn)。

（6）三維模型檢查

送審意見反饋船廠并被船廠接受后，如何檢查修改模型也是一大挑戰(zhàn)。

目前可行的三維送審模式見圖6。

圖6 目前可行的三維送審模式

4 船舶設(shè)計(jì)的數(shù)字化變革

船舶設(shè)計(jì)的數(shù)字化變革需要基于全新的設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)必須要以“單一數(shù)據(jù)源”為核心，并能夠?qū)崿F(xiàn)基于3D DMU 的船舶設(shè)計(jì)全流程，包含從基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)這3 個(gè)階段以及物資采購(gòu)所需要的全部設(shè)計(jì)功能。基于3D DMU 的船舶3D 設(shè)計(jì)是對(duì)2.5D 設(shè)計(jì)的全面升級(jí)和優(yōu)化，是對(duì)船舶設(shè)計(jì)流程的全新變革。

下文以本公司所使用的基于達(dá)索公司開發(fā)的三維體驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)（3D EXP）為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的數(shù)字化變革。

4.1 三維體驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)

三維體驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)（以下稱3D EXP）是基于單一數(shù)據(jù)源（3D 模型）的系統(tǒng)架構(gòu)。首先，企業(yè)的產(chǎn)品都是基于模型來(lái)創(chuàng)建（定義），也就是三維建模；然后，基于同一個(gè)模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)仿真的結(jié)果驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)變更（仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)）；再基于3D DMU 開發(fā)系統(tǒng)工程、基于模型制造運(yùn)營(yíng)，并且基于模型進(jìn)行后續(xù)維護(hù)。

3D EXP 平臺(tái)繼承了產(chǎn)品的全生命周期理念，提供了單一數(shù)據(jù)源、全數(shù)字化和全方位的整體企業(yè)環(huán)境，同時(shí)提供全面而完整的生命周期管理，在未來(lái)可有效控制復(fù)雜、現(xiàn)代化、先進(jìn)的船舶以及軍艦與豪華郵輪的設(shè)計(jì)與管理過(guò)程。這將提高船舶整個(gè)產(chǎn)品生命周期的自動(dòng)化，提高效率和準(zhǔn)確性，縮短交付時(shí)間。

3D EXP 中的某型船數(shù)字模型如圖7 所示。

圖7 3D EXP 中的某型船數(shù)字模型

4.2 創(chuàng)新的三維直接建模“3D Direct”

3D EXP 平臺(tái)憑借其強(qiáng)大的幾何構(gòu)型和曲面處理能力，可以使船舶設(shè)計(jì)人員采用“3D Direct”的方式直接進(jìn)行船舶的總布置設(shè)計(jì)、機(jī)艙布置設(shè)計(jì)和橫剖面設(shè)計(jì)，利用幾何進(jìn)行外形和幾何設(shè)計(jì)，如圖8 所示。

圖8 “3D Direct”直接建模

“3D Direct”的設(shè)計(jì)方式能夠有效激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)作靈感，不拘泥于傳統(tǒng)的圖紙或者設(shè)計(jì)模式，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀創(chuàng)作性，可以在船舶有限的空間布置中開創(chuàng)新的設(shè)計(jì)形式或布置形式。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，“3D Direct”的設(shè)計(jì)方式更能提升設(shè)計(jì)效率。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式往往建立在二維圖紙的繪制之上，而“3D Direct”可以使設(shè)計(jì)人員跳過(guò)二維圖紙繪制環(huán)節(jié)，直接基于設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，提升設(shè)計(jì)效率。

3D EXP 強(qiáng)大的曲面處理能力，有助于設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出復(fù)雜美觀的曲面結(jié)構(gòu)，并在合同設(shè)計(jì)階段快速進(jìn)行技術(shù)方案的直觀展示，滿足快速市場(chǎng)響應(yīng)的需求。圖9為利用3D EXP所展示的某型公務(wù)船效果圖。

4.3 基于3D EXP的設(shè)計(jì)流程

基于3D EXP的設(shè)計(jì)流程是以三維模型為主線，各個(gè)設(shè)計(jì)階段的邊界已經(jīng)模糊化了。為了便于理解，下面仍通過(guò)基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)這3 個(gè)階段，簡(jiǎn)單介紹基于3D EXP 的設(shè)計(jì)流程。

4.3.1 基本設(shè)計(jì)

基本設(shè)計(jì)階段，用點(diǎn)、線、面等幾何要素建立船體的外形以及概念設(shè)計(jì)的初始模型，定義甲板、主要艙壁、首尾區(qū)域和貨艙區(qū)、上建等主要區(qū)域，并布置縱向和橫向的型材；此外，還需要根據(jù)規(guī)范的要求進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算、分段劃分、重心統(tǒng)計(jì)等?；驹O(shè)計(jì)階段，主要的結(jié)構(gòu)和設(shè)備已經(jīng)在3D DMU 中體現(xiàn)，但是主要的船體結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，因此需要在3D DMU 的基礎(chǔ)上輸出包含主要船體結(jié)構(gòu)的3D Hull DMU。

3D Hull DMU 的主要作用是：

（1）輸出輕量化的模型用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、校核和送審；

（2）輸出輕量化的模型進(jìn)行模擬仿真分析；

（3）輸出輕量化的模型進(jìn)行生產(chǎn)流程管理。

3D Hull DMU 在基本設(shè)計(jì)階段需要提交船東和船級(jí)社進(jìn)行審核，并將相關(guān)的意見修改到3D Hull DMU 中，最終的3D Hull DMU 在取得認(rèn)可后修改至3D DMU 中。在基本設(shè)計(jì)階段，3D DMU 與3D Hull DMU 交互且涉及到多個(gè)專業(yè)，為了保證交互信息的準(zhǔn)確性，需要對(duì)模型的輸入信息和修改權(quán)限設(shè)定相應(yīng)的管理規(guī)則，確保2 個(gè)模型保持準(zhǔn)確和 一致。

基于3D DMU 的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如下頁(yè)圖10 所示。

圖10 基于3D DMU 的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

4.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)一般在基本設(shè)計(jì)送審結(jié)束后啟動(dòng)，也可以并行啟動(dòng)。該流程在基本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加所需的細(xì)節(jié)，按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定和船東的要求，以鋼材訂貨、施工計(jì)劃推動(dòng)船舶建造過(guò)程中的構(gòu)件裝配和焊接要求等工藝細(xì)節(jié)處理，這些設(shè)計(jì)內(nèi)容一直持續(xù)到船舶完成并準(zhǔn)備下水為止。

該階段以3D Hull DMU 中劃分的分段為基本單位，開展分段內(nèi)的型材端部結(jié)構(gòu)形式、肘板偏裝、型材貫穿孔、補(bǔ)板、止漏孔、流水孔、角隅孔、板過(guò)度斜、板架邊界等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)交付物包括多種格式的設(shè)計(jì)圖紙（二維PDF、三維PDF、DXF 等）、制造物料清單和三維模型等。

4.3.3 生產(chǎn)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段需結(jié)合船廠的具體工藝條件和設(shè)施能力，根據(jù)工程進(jìn)度對(duì)施工過(guò)程中的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常來(lái)說(shuō)，船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是將各分段根據(jù)建造工藝進(jìn)行拆解，分段建造是將拆解的零件根據(jù)建造工藝進(jìn)行組合形成分段，是由總到分再到總的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中需將工藝分解至各零件，包括加工余量、裝配余量、焊接坡口、焊接收縮和裝焊工序等?；?D DMU 的生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程主要分為：搭建裝配工藝樹、定義建造精度和定義焊接 信息。

生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成后，以3D DMU 為單一數(shù)據(jù)源生成作業(yè)指令，指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)，更新并輸出“As Built”模型或者2D 圖紙來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的分段和總段生產(chǎn)。

4.4 基于3D EXP的工藝設(shè)計(jì)

基于3D EXP 的現(xiàn)代化制造模式：基于此技術(shù)生成的船體零件設(shè)計(jì)交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，并且可直接被切割機(jī)識(shí)別用于加工制造；此外，基于此技術(shù)生成的管子制造及安裝三維設(shè)計(jì)交付物可更加直觀地表達(dá)各項(xiàng)工藝信息，不僅提高工作效率，更大大減少了圖紙打印量。

此流程涵蓋船體專業(yè)在3D EXP 的整體設(shè)計(jì)流程，其內(nèi)容包含適用于CAD/CAE 分析的簡(jiǎn)化模型和結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法，針對(duì)3D EXP 船體平面零件制造端、曲面零件制造端的工藝設(shè)計(jì)，主要涉及曲板展開、支柱胎架、二次劃線和樣板工藝設(shè)計(jì)，確保滿足制造生產(chǎn)需求，形成船舶制造端完整的解決方案?；?D EXP 平臺(tái)開展工藝仿真，采用虛擬樣船取代物理樣船，通過(guò)構(gòu)建虛擬工作場(chǎng)景及工作環(huán)境，綜合“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)問(wèn)題，優(yōu)化精準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程的可視化仿真及評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，減少施工階段修改與返工，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

基于3D EXP 平臺(tái)和3D DMU 的數(shù)據(jù)平臺(tái)開展工藝設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒐に囋O(shè)計(jì)很好地納入到生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，形成生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵驗(yàn)證環(huán)節(jié)和完整的工藝設(shè)計(jì)流程，能夠不斷強(qiáng)化工藝設(shè)計(jì)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用，為后續(xù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于單一數(shù)據(jù)源的三維設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)模式，推動(dòng)了基于3D DMU 的全新設(shè)計(jì)理念，奠定了船舶數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)船舶設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生了積極的推動(dòng)作用?；趩我粩?shù)據(jù)源的三維設(shè)計(jì)可以滿足船舶全生命周期中相關(guān)方的各種需求，從而形成全生命周期全生態(tài)系統(tǒng)一體化的船舶行業(yè)協(xié)同平臺(tái)?；趩我粩?shù)據(jù)源的三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從基于文件的管理模式向基于數(shù)據(jù)庫(kù)的管理模式的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的設(shè)計(jì)工具與管理平臺(tái)的充分融合。

此外，從高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，船舶設(shè)計(jì)的流程變革和軟件的升級(jí)除了三維數(shù)字模型以外，還需要更多突破。例如：統(tǒng)一的代碼和數(shù)據(jù)庫(kù)、跨接數(shù)據(jù)筒倉(cāng)；船級(jí)社規(guī)范計(jì)算程序植入CAD 軟件；計(jì)算流體力學(xué)變成內(nèi)嵌式的數(shù)字水池；有限元分析變成內(nèi)嵌式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算工具；有限元分析變成建造過(guò)程中即時(shí)模擬計(jì)算工具；供應(yīng)鏈、供應(yīng)商和材料設(shè)備數(shù)據(jù)的無(wú)縫銜接；工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的納入；計(jì)劃和知識(shí)管理，船東和船級(jí)社的門戶等。雖然在船舶設(shè)計(jì)流程乃至船舶的整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)“單一數(shù)據(jù)源”仍然有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，但設(shè)計(jì)流程中的“單一數(shù)據(jù)源”并非船舶行業(yè)的終極目標(biāo)，涵蓋三維設(shè)計(jì)、智能制造和供應(yīng)鏈的整體數(shù)字化變革才是船舶行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。