基于CATIA二次开发的船舶结构三维校审方法

邱雨，程哲，陈晓明，戴宇晨

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

自2015年船舶行业大规模引入CATIA V6平台以来，由于各大总体所、总装厂在CATIA三维设计的应用方面正处于转型推广期，主要研究及开发方向集中在快速建模、计算统计等方面[1-4]。对三维结构模型的校审，主要依靠人工逐个查看结构件信息、二维出图辅助校审等原始手段来实现，对于如何高效准确、流程完整地实施三维校审，相关研究还存在较大空白。为此，考虑基于目前总体所结构三维设计的现状，总结出与实情相适应的校审流程，并通过基于CAA架构[5-6]的二次开发工具，实现基于结构三维模型的校审。

结构三维模型的校审，以设计信息的校审为核心，结合总体所船舶平面设计的流程，在兼顾部分二维校审习惯的同时，更注意对三维环境的适应性。三维校审主要包括5个环节，流程见图1。

图1 结构三维校审流程图

1)模型基本信息检查。由结构系统联系人对结构设绘模型名称、总段范围、产品树架构、权限控制等进行检查，确保设绘模型名称、范围无误，特征结构树排布合理；
另外，模型修改权限由相应的设绘人员控制，校审人员应仅具有浏览和批注权限。

2)制定校审计划，搭建三维校审环境。由专业负责人或联系人搭建结构设校审总节点，组织模型产品结构树逻辑；
制定三维校审计划，明确校审人员、分工和时间节点，建议参照结构设绘模型总段的划分方式进行校审分工；
按照计划创建结构校审节点，并按顺序置于模型校审节点中；
分配任务并通知至校审人员。

3)分段模型校审。校审人员对其负责的模型分段进行整体校审，主要关注甲板、外板、舱壁、围壁、大开孔及各纵向连续构件的布置信息，可参考总布置图、基本结构图、门窗梯盖图进行对比检查；
另外还需关注分段缝定位，跨分段构件连接形式、开孔定义等。校审顺序根据分段位置有所差异，见表1。校审过程中发现的模型问题，应及时记录并移交至设绘人员进行修改。

表1 分段校审顺序

4)板架模型校审。板架模型是CATIA结构模型中最基本的模型单元，包含板材、型材、开孔、支柱等结构特征。校审人员根据校审顺序选中待校审构件后，根据其分类检查相应的属性，见表2。

表2 板架模型校审内容

校审过程中发现的模型问题，应及时记录并移交至设绘人员进行修改。

5)问题闭环。设绘人员收到校审意见后，对结构模型进行修改，并在修改完毕后发起闭环，由校审人员对模型中问题重新校审直至问题闭环。

由于CATIA平台本身没有专业的结构三维校审工具，原生功能的通用模型检查模块专业性低、运行卡顿；
校审人员只能通过特征结构树、结构建模功能机械地查看结构件属性，定位尺寸等信息更是只能通过草图和原生测量工具查看，校审效率低下，且对校审人员CATIA平台使用熟练度要求较高；
校审中发现的模型问题只能使用文档统计传递，问题无法直接与模型关联，导致问题难以追踪、易遗漏，整体校审体验较差。三维模型的质量得不到校审工作的保障，限制了结构三维设计技术深化推广应用。要实现基于结构模型的三维校审，需要解决以下4个关键技术问题。

2.1 快速剖切技术

传统的二维平面图纸通过剖视图的形式，将结构信息分层表达，并通过图层、颜色、线型将设计信息进一步细分。但在三维模型中，所有的几何和属性信息叠加在限定的区域内，模型的视觉信息量远大于传统的二维图纸。尽管包含了更加丰富的信息，却不具备工程意义上的直观性，阻碍了校审人员获取、分析信息。因此必须从整船或大区域模型中，快速选取需要校审的部分船体结构，并过滤掉无关信息，满足设计人员按照甲板、横剖面、纵剖面、分段、区域、舱室等不同要求快速切换校审范围的要求。

基于CAA架构开发的校审工具，通过自定义包络体实现小范围结构的快速提取。包络体为六面体，界面中可按船舶坐标法、按典型剖面法、按大地坐标法3种方式设置包络体范围，见图2。

图2 快速剖切工具界面

其中船舶坐标法读取后台配置船舶坐标系，分别设置包络体6个面的位置，可附加设置偏移值，主要用于舱室、区域的剖切；
典型剖面法仅需设置剖面方向、位置和前后景深，即完成包络体范围设置，主要用于典型横剖面、纵剖面、甲板结构的快速选取，见图3；
大地坐标法按大地坐标系分别设置包络体6个面的绝对空间位置，效果与船舶坐标法相同。

图3 典型剖面剖切示意

2.2 三维标注技术

设计信息的表达，大部分是通过标注实现的，如板厚、型材规格、开孔尺寸、肘板尺寸、板缝及理论线等。与二维图纸上大量的标注信息一样，三维校审也需要相应的三维标注，以更加直观地表达三维设计信息。取标注对象在当前范围内的几何型心处，其三维标注的空间定位坐标Pi为

(1)

i∈{x,y,z},Pi∈R

(2)

式中：Bimax为当前模型剖切范围的三向最大值；
Bimin为当前模型剖切范围的三向最小值；
Bimax为标注对象空间范围的三向最大值；
Rimin为标注对象空间范围的三向最小值。

基于CAA架构开发的校审工具，采用“三维标注+云图”的信息表达方法，其中三维标注分为板、肘板、型材、支柱、开通、板缝线、板材金属理论线等7类，并通过不同颜色的文本加以区分；
信息云图分为了板厚云图、材质云图、型材规格云图、理论线云图，见图4。

图4 三维标注与云图工具界面

当结构件比较密集时，可以根据具体需求自由地按构件分类对三维标注进行显示/隐藏，屏蔽多余的信息，可避免过多的标注数量造成的文本重叠问题，见图5。标注文本本质是依附于二维平面的，为了避免在模型旋转时影响校审人员阅读，采用标注与屏幕平行的显示模式。

图5 标注分类显示对比

信息云图采用临时上色法，根据读取到的结构件信息，先根据板厚、材质、型材规格等不同的属性将结构件分组，按照从红→紫的顺序，通过线性插值法分配好相应的颜色，再通过CAA的临时上色接口，改变结构件的颜色属性，见图6 。

图6 板厚、材质、型材规格、理论线云图

2.3 三维测量技术

结构校审工作中一项重要的工作是检查结构件的尺寸信息、空间位置、几何间距等。三维测量主要包含3种需求，①测量单一构件的定位尺寸，并换算出该构件所处的船舶肋位范围、距中范围、高度范围等；
②测量两个构件之间的几何间距，并分解为沿船长、船宽、高度三向的分量；
③考虑到空间中大量的视觉交点并没有存在与之对应的几何特征点，需要具备捕捉临时点的能力，以提供任意点间距及其分量的测量结果。

基于CAA架构开发的校审工具，提供了单个构件测量、多个构件测量、任意点测量等多种模式。支持CATIA软件中结构件(SFD)、空间几何(GSD)、拓扑几何(BRep)等多种测量对象，并读取后台配置的船舶坐标，换算出相对位置，见图7。为校审人员提供了检查结构件规格的重要补充手段。

图7 测量工具界面

此外，传统的二维图纸仅包含点元素及曲线元素，而三维模型中还包含了面元素、体元素等几何特征，点线面体重叠在一起，使得校审人员难以准确选中测量目标，因此配置了几何分类过滤能力，减少了误操作。

2.4 批注与汇总技术

当校审人员形成校审意见时，需要对有问题的结构件进行批注，包括文本批注、截图说明等内容，同时记录校审人员、批注时间、意见分类等。批注的意见应当与模型保持关联关系，并且随着模型一同加载。校审人员完成批注时，所有的批注应当汇总，能够按照常见的筛选项过滤，以方便校审人员查阅。同时应当具备问题反馈能力，使得校审意见可以在设绘人员完成修改后闭环。所有的批注与反馈应当具备报表导出能力，以便留档保存。

基于CAA架构开发的校审工具，主要包含批注和汇总两个功能。其中批注功能可以对构件的详细信息和关键几何进行提取，并显示在功能界面上；
并将校审批注，以文本、图片的方式记录并保存至校审节点中，如图8所示。文本、图片将与模型结构件保持链接关系，便于随时修改、查看。

汇总功能用于汇总整理批注信息及相应结构件，并显示于汇总列表中，同时展示校审批注的文本和图片信息，见图8。

图8 图片与文本批注工具界面

当汇总列表中批注构件数量过多时，设校审人员可以使用筛选功能至查看一定范围内的构件，支持按构件类型、批注类型、批注人、反馈状态、反馈人、审查结点、模型节点进行筛选。设绘人员在完成模型修改后，可通过反馈功能对选择的校审批注条目进行反馈，并修改反馈状态；
反馈同样支持文本、图片的形式，并与模型结构件保持链接关系，见图9。

图9 批注汇总与反馈工具界面

为了验证结构三维校审的效率，分别使用校审开发工具和原生功能两种方法进行校审，在校审时间等方面进行实例测试对比。

3.1 测试模型

测试模型采用CATIA V6软件搭建的某型船的SFD三维结构模型机舱段。该分段模型共跨越42个肋位，共2层甲板，见图10。

图10 测试SFD分段模型

该模型结构特征种类齐全，包含板材、型材、立柱、肘板、开孔等7 111个构件，具体数据见表3。测试分段模型数据量大小为175.8 Mb。

表3 测试模型构件数量统计

3.2 测试结果

为了体现三维校审二次开发程序的效率，对同一个测试分段分别使用原生功能及二次开发两种方法进行对比，其中原生功能采用Design Review模块，采用手工创建文本意见的方式记录意见，快照功能记录问题位置；
二次开发工具则直接输入批注意见，无需额外创建文本载体，并采用外部链接的形式自动关联意见与批注对象。

分别采用两种方法创建批注意见20条，测试结果见表4。

表4 三维校审效率对比

对比测试结果发现，二次开发校审效率相对原生功能Design Review模块校审效率有着大幅提升。其中仅单条意见的平均批注时间从18.9 s降至11.3 s，效率提升约40%。并且，开发工具提供的批量三维标注、问题批注汇总、三维测量等功能，可以进一步提升校审人员发现问题的效率，使得整体校审工作效率提升1倍左右。此外，经实船项目10余校审人员验证，该工具可有效减少信息提取、人工操作的出错率，有助于提升准确性。

船舶行业正处于二维平面设计迈向三维空间设计的巨大转型期，设计思维及设计工具的改变，使得大量校审经验丰富的资深设计师，难以有效地参与到三维模型的校审工作中，由此造成三维模型质量较差、设计周期延长。所总结的基于三维结构模型的校审流程，通过CAA架构的二次开发工具，以满足校审要求为目标，通过封装接口及重构交互界面等形式，提供结构属性和几何信息的快速提取与测量，以及意见批注和汇总反馈功能。总体而言，该方法及相应的开发工具能够大幅降低使用门槛，减少校审人员的机械操作量，提升结构校审的效率。