（轮机工程专业论文）船舶舾装模块化设计及制造技术的研究.pdf

摘 要 船舶舾装模块化设计及制造技术的研究 摘 要 船舶建造的模块化概念开始于第二次世界大战期间，但一直以来，国 内外对造船模块的研究主要集中在船体结构的模块化、 舰船武备的模块化 和舾装设备的模块化等几个方面，而对管舾装的模块化研究却很少。应用 管舾装模块化设计及制造技术能够大大缩短造船周期， 改善管舾装的安装 质量以及减少维修所用时间。 本文应用双重成组法对以 tribon 软件为平台的管舾装生产设计系 统进行编码设计， 在以中间产品为对象的生产设计中既能体现区域又能体 现系统。在 900teu 冷藏集装箱船的管舾装生产设计中提出了一些普遍使 用的具体设计方法， 就壳舾涂一体化的造船生产的瓶颈问题提出了简要的 解决设想，结合扬帆造船集团的现状提出了具有普遍意义的设计、管理、 制造一体化的实现方法。 分析了能够实现模块化设计的一些依附式管舾装 模块， 并重点研究了管弄模块和加热盘管模块的设计方法及这类模块的特 征。在进行管舾装模块化设计的同时，还根据管舾装模块化设计的需要提 出了对初步设计和详细设计的要求。 关键词：模块化，管舾装，生产设计 abstract ii research of outfitting modular designing and constructing technology in shipbuilding abstract the concept of modular construction in shipbuilding has been brought forward since ww ii. a lot of researches of modular shipbuilding technology of hull and weapon and equipment have been caught out. but there has been few study of the piping modular in the whole shipbuilding industry so far. the technology of pipe outfitting modular designing and constructing can reduce the whole constructing and maintenance time and improve piping installation quality. this paper adopts duplex group method in the code system of pipe outfitting production design based on tribon software. the paper gives some universal designing methods in pipe outfitting production design and some conceptual solutions of ihop bottle-neck problems. based on yangfan group present manufacture, the paper presents the method of integrated designing and management and constructing. at last the paper analyzes some pipe groups that can be designed and built as pipe outfitting modules. pipe tunnel module and heating coil pipe module have been particularly studied. this paper also brings forward some requests of basic design and detail design in order to carry out the real pipe outfitting modular designing and constructing. key words: modular, pipe outfitting, production design 论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，有权向国家有关部门或机构送交论 文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章 前言 1 第一章第一章 前言前言 1.1 课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 船舶建造的模块化概念始于二战期间美国的大量造船 1，当时，美国曾拥有 165 万造船职工， 建造了军用舰船 1768 艘。 大量标准船的建造促进了焊接技术和分段建造 技术的发展。这些建造技术又在 20 世纪 50 年代由日本造船业加以发展，60 年代，则 结合成组技术产生了今天模块化建造技术的雏形。1971 年，前苏联正式提出了模块化 造船方法，于 1977 年用该方法建造了 10 万吨级的“鲍里斯布托玛”矿油两用船。 随后美国开始研究模块化造船方法并开始组织生产，到 20 世纪 70 年代末，美国的模 块化造船思想更趋成熟。20 世纪 80 年代中期，模块化造船被引入我国造船业，中国 造船界开始了模块化造船技术的研究和探索。 一、舾装模块的特征及定义一、舾装模块的特征及定义 “模块”在汉语中是一个较新的词汇，1979 年版辞海及 1983 年版辞海增 补本都没有该词条。其实，模块是一个“外来语” ，且不同行业有不同的含义。建筑 行业的模块(module)本意是组件、预制件或预制住房单元等，其形容词(modular)则含 积木化或组装式等意义 2。 造船行业的“模块”有其特定的含义，一般说来，造船业的“模块应具备以下 三个要素 3,4,5： 第一，模块应具有标准尺寸和标准构造。造船采用模块方法的目的之一，就是要 缩短设计与建造周期，而标准化是简化设计，便于制造和提高产品质量的有效措施。 第二，模块应具有标准件和可选部件的特点。模块内含有可选择的标准件(设备)， 因此，可用调换这些标准件(设备)来满足船东的特定要求。 第三，模块是预制件，具有可组装性。舾装模块是在专门的工厂加工或船厂的内 场车间加工而成的。舾装模块吊装到船体上以后可以直接安装。 根据上述三个要素，造船模块被定义为具有标准尺寸和标准件，且主要部件具有 可选性的最终产品的预制单元。 二、造船模块的分类二、造船模块的分类 造船模块包括船体结构模块和船舶舾装模块两大类 6。 1、船体结构模块、船体结构模块 在模块化造船中，船体结构的模块化是最困难的。原因在于结构模块不仅要考虑 第一章 前言 2 其本身组成的船体的总体性能，还涉及其内部的设备、系统模块的安装、线型、结构 型式及通用性等多种因素 38。船体结构模块化看似容易，因为船体分段建造法本身就 是积木化的建造方法。但是仔细分析，船体结构模块化有一定的难度。首先，多数船 舶是按船东要求建造的，因而发布的标准化尺度，应在可能的范围内以局部结构的标 准化来对待。其次，船舶的结构尺寸和构造型式应符合船级社规范的要求，不同尺度、 不同船型及不同规范的结构适用性有限， 只能按相似性原理对局部构造作通用化处理。 因此船体结构的模块化主要体现在局部构造的通用化和主要尺寸的标准化两个方面。 不同类型的船舶其结构有其相似性。现代油船、集装箱船和散货船等的货舱区均 为双底双舷侧结构，而且大型船舶的双层底和上甲板均采用纵骨架式结构，双层底中 央设置箱型龙骨。这种结构上的相似性，为尺度相近的各类船舶的部分结构通用化创 造了条件。特别是在船体平边线、平底线范围内的船体分段和平行中体的舭部分段， 凡有条件的可采用模块化构造，进而为分段结构的标准化创造条件。因此，可逐步采 用标准化构造，广泛采用标准件和标准版，进而实行分段结构的通用化。当然，标准 化结构要充分考虑钢材的利用率，以及制造的工艺性。 设计方案间的通用化，不仅缩短了设计工作的周期，而且给建造一定数量尺度组 船舶的船厂增加了效益 20。可以广泛采用结构划分法，根据一种图纸制造不同船型的 同类分段，运用功能互换性，制造结构模块化、分段模块乃至建造居住舱室的标准模 块和生活区成组模块。在船体结构模块化方面进展较快的是前苏联。他们在潜艇建造 时已广泛采用模块化的船体结构，在甲板驳的建造中更是采用板架模块和分段模块组 装的办法。美国正在开发的新一代超级油轮，用两类标准化零件制造除艏艉外的船体 结构，每个船体总段由相同的七种模块构成，其中两种是标准化的舾装模块。 2、船舶舾装模块、船舶舾装模块 根据模块与船体的结构关系， 舾装模块可以分为自持式模块和依附式模块两大类。 自持式模块是分段或船上的预舾装单元，它具有独立的基座或支架结构，可以在内场 预制，完工后在外场安装到船体上 44。将预舾装单元升级为造船模块，是因为单元适 用于要求相似的不同船型。通常单元中的主要设备选自性能相近的三种型号作为船厂 的标准件，这三种型号设备可以分别属于高、中、低三档产品，以供船东选用，船厂 也可借以控制材料成本。从设计建造角度来看，自持式舾装模块是真正的模块。依附 式模块要以船体分段或船上区域的结构为依托，但又因其设备的可选性和单元的通用 性与自持性舾装模块相同，也可以称为图面自持模块。 （1） 、武器装备模块化 这一类舾装模块主要是对战斗舰艇而言的。为进一步提高舰船的作战性能，现代 舰船在其全寿期命中一般要进行两到三次现代化改装，更换性能落后的电子、武器系 第一章 前言 3 统。大部分舰船由于采用传统的设计方法，各系统功能在总体中相互依存，致使接口 异常复杂。因此，武器装备及其相应的辅助系统的模块化应运而生 22。其主要做法是 将舰船的武器、电子设备和系统设计成功能模块，采用标准尺寸和接口，实现设备、 系统的模块化。如舰炮武器系统功能模块、通信及雷达系统功能模块等。典型的舰炮 武器系统功能模块是将火炮放在一个集装箱的顶层，集装箱内安装部分设备并存放弹 药，如德国布隆沃斯公司的 76mm 舰炮武器集装箱功能模块。典型的雷达系统功能 模块是将雷达天线安装于桅杆顶，雷达的发送、接收和控制设备都安装于集装箱内， 如布隆 沃斯公司的“wm-20”雷达功能模块。 武器装备模块化可以带来如下效益：第一，就可能节省总的投资而言，涉及军舰 采购、生产和改装，这些会影响单元产品成本、内部工作和整个寿命期开支。其次， 将模块内的工作量转移到外部，使模块供应商承担更多的工作量。第三，武器装备模 块化可以将改装时间和投资尽可能的减少。 （2） 、居住舱室模块化 居住舱室模块化在过去的 20 多年中发展十分迅速， 涌现了大批专业生产厂商， 在 材质、设计、制造技术、设备配套方面都积累了丰富的经验。产品大量用于各类船舶、 海洋平台。典型的模块化居住舱室，以客船为例，就有经济舱、普通舱、头等舱等不 同等级。如德国的 montan 公司开发的 cis600 居住舱室模块系统，舱室的壁板、天 花板在装配时互相嵌接，连接件全部标准化。 （3） 、自动化系统模块化 当前，集成驾驶台控制系统已在多个国家得到开发。如英国的 racal 公司开发 的高度模块化的弹性、开放系统racal 模块化集成雷达和导航系统(mirans)。这 种系统能提供一个完整的控制和导航信息， 其中共含有四个主要子模块可供用户选择： a.带有 racal isis250 主机和货舱监控器的模块； b.现场报告控制台(lsr4000)模块，用于提供简单格式下的信息，并能按用户的要 求改制； c.彩色视频绘图仪和接受器，其航海信息能够储存在一个磁盘内； d.chart master 电子图表显示器。 目前已有一个 lsr4000 模块用于法国“auray”号油船上，该艘装备了最新中 心导航控制(cnc)设备的船，整个 mirans 系统由一人操作。 （4） 、机电装置模块化 模块化在船舶动力装置、船舶系统、货物处理、特种装置等诸多方面都已普遍应 用。国内外对这一类型的模块都做了一定程度的研究，并已经取得了较好的效果，形 成了产品。如上海船舶研究设计院作为 35000 吨级浅吃水散货船的设计单位、模块化 造船课题的参研者，在以往设计、科研工作的基础上，经过进一步深化，首批开发的 第一章 前言 4 二氧化碳灭火装置、输液系统遥控阀组、海淡水压力柜、燃油供油、凸轮轴滑油、普 通船员舱室等六种典型船用模块。 （5） 、依附式管舾装模块 依附式舾装模块通常是指设计模块，因其设备布置范围较广或固定要求较高，实 际建造中需以船体分段或船上区域的结构为依托，模块的预制性受船体建造进度所制 约，但其设备的可选性和单元的通用性与自持式舾装模块相同，因而可以称为图面造 船模块。近年来，对船舶舾装模块化的研究主要集中在开发各种船型中应用的自持式 的舾装设备模块，而对直接影响造船水平和进度的管舾装模块的研究却很少。尽管船 舶类型不同，但船舶的结构上仍具有一定的相似性，如现代油船、集装箱船、矿砂船 等的货舱区均为双底双舷侧结构， 且大型船舶的双层底和上甲板都采用纵骨架式结构， 双层底中央均设箱形龙骨等， 这为尺度相近的各类船舶的局部结构通用化创造了条件， 同时也为管舾装的模块化创造了条件。 1.1.2 研究本课题的意义研究本课题的意义 模块造船将加速船厂生产模式的转变，使之成为真正的总装厂。所需的结构模块 (分段、总段)，在定出尺寸系列后，可根据几家船厂的需求量在严格的公差条件下组 织专业化的大批量生产。而需要的功能模块也必将转给船舶设备厂来制造和组装。船 厂则从专业化生产厂得到所需的分段、总段(结构模块)，从设备制造厂得到功能模块， 总装成所需要的船舶产品。模块造船将促使造船生产与修船生产的联姻。功能模块在 船上的安装过程将在船舶的整个使用寿命中不止一次地重复，也就是在船舶营运过程 中以最少的劳动力和时间来更换，以使船舶的性能和效率保持在先进的水平上。 20 世纪 80 年代后，我国不少船厂相继建造出口船舶，但是在这个过程中管舾装 设计与生产成为制约船舶建造进度的瓶颈，管舾装的进度和质量直接影响船舶建造周 期和交付使用。开展船舶舾装模块化设计和制造技术的研究，能够大大提高船舶的预 舾装率进而缩短造船生产周期，改善管舾装的安装质量，降低劳动强度，提高造船企 业的竞争力。 1.2 课题的来源及所做的主要工作课题的来源及所做的主要工作 1.2.1 课题的来源课题的来源 本课题的题目是船舶舾装模块化设计及制造技术的研究。它是以浙江扬帆造船集 团为德国船东建造的 900teu 冷藏集装箱船的船机电壳舾涂一体化生产设计为背景， 以 tribon 软件为平台，以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中间产品为 第一章 前言 5 导向，结合负荷控制理论，按区域组织生产，对船舶管系生产设计方法及依附式管子 模块的设计方法进行研究。 1.2.2 本课题所做的主要工作本课题所做的主要工作 围绕 900teu 冷藏集装箱船的船机电壳舾涂一体化生产设计，本课题主要做了如 下两个方面的工作： 一、按照成组技术原理，以中间产品为导向，根据扬帆造船集团的具体要求并兼 顾考虑该编码系统的通用性，建立了基于 tribon 软件的管舾装生产设计编码系统。 根据该编码系统完成 900teu 冷藏集装箱船生产设计所需的部件库和设备库，划分全 船的舾装区域，完成全船管舾装生产设计图纸目录。 二、根据统筹优化理论，应用成组技术原理，以中间产品为导向，进行 900teu 冷藏集装箱船的管舾装生产设计。提出了管舾装生产设计的一些主要设计方法，如： 类同法、对称法、管墙法、货架法等。在生产设计过程中，进行了典型的管舾装模块 化设计，并对设计依据和设计方法进行研究，也提出了真正意义下模块化造船对初步 设计和详细设计的要求。 第二章 现代造船模式下的模块化造船 6 第二章第二章 现代造船模式下的模块化造船现代造船模式下的模块化造船 扩大造船产量的关键在于缩短造船周期，而缩短造船周期的有效对策，则在于转 换造船模式、深化生产设计，最终实现模块化造船。原中国船舶工业总公司领导提出： 骨干船厂要把转换造船模式，推行生产设计、成组技术和壳舾涂一体化作为硬任务来 完成。 2.1 造船模式的内涵及演变造船模式的内涵及演变 2.1.1 造船模式的内涵造船模式的内涵 模式指事物的标准形式，或可照着做的标准样式 7。对于复杂的造船工程，其标 准形式， 或可照着做的标准样式将指什么呢?这是研讨造船模式内涵必需首先加以说明 的。 众所周知，造船有着不同的建造方式和方法。即使建造的船舶相同，在不同船厂 鉴于技术水平与生产条件的不同，船舶建造的方式和方法也不尽相同。如若从建造的 具体方式、方法上去理解，寻求一种规范各个船厂的造船标准形式，那是不可思议的。 应该看到，尽管造船的方式、方法会有多种多样，且难求形式上的统一，但这并不影 响寻求对组织造船生产的基本原则和基本方式的统一。统一指的是船舶建造用什么样 的原则对其进行产品作业任务的分解，以及分解后的产品作业任务用什么样的方式对 其重新组合。造船模式的内涵就指组织造船生产的上述基本原则和方式。它既反映组 织造船生产对产品作业任务的分解原则，又反映作业任务分解后的组合方式。这种分 解原则和组合方式体现了设计思想、建造策略和管理思想的结合。造船模式并不反映 具体的造船方法。造船模式与造船方法是两个完全不同的概念。 造船总有其特定的模式。各厂有相同的模式，也会有不同的模式。但不管相同与 否，总存在一种较之另一种更有利于提高造船生产效率、确保建造质量和缩短造船周 期的模式。为此，研讨造船模式的内涵就必须立足于对船舶产品如何确立其产品的作 业任务分解原则和组合方式，在分析各种类别及其差异的基础上，用科学、先进的模 式规范各厂“怎样造船”和“怎样合理组织造船生产” 。 2.1.2 造船模式的演变造船模式的演变 纵观船舶制造技术的发展，由于制造技术和设计技术的不断进步，已经经历了三 个历史阶段，当前正处于第四个阶段，正在形成未来的第五个阶段，即更高水平的造 船技术 8,9。参考美国 l.d 契里洛先生绘制的造船技术发展史的水平图，考虑到敏捷制 造技术（agile manufacture technology,简称 amt）的最新动向和国外对新一代造船 技术的研究开发，结合船舶生产模式、企业生产要素密集状态、生产过程断续分界和 第二章 现代造船模式下的模块化造船 7 未来发展的预测，提出如下造船模式的发展阶段： 第一阶段：系统导向型造船模式船台散装、码头舾装、整船涂装； 这就是造铆接船年代的造船模式，其特点是： (1)船体建造按结构功能/系统，舾装按使用功能/系统进行船舶设计和组织生产； (2)产品的作业任务分解与分解后的组合按船舶设计的功能/系统，通过放样先船 体、后舾装，由各工种按功能/系统分别在船台和舾装码头进行单件作业，直至形成船 体、舾装各完整的功能/系统。 第二阶段：系统和区域导向型造船模式分段建造、预舾装、预涂装； 这是 20 世纪 40 年代中后期建造全焊接船初期形成的造船模式。 焊接技术在造船中应用开创了船体分段建造。二次大战期间由于战时造船量的急 剧增长，又促进了全焊接船与分段建造技术的应用，但由于战时建造的大批量全焊接 船有 1/5 受不同外因而破损，不得不经一段时期对材料、设计、施工方法进行综合研 究才真正全面推广全焊接船的分段建造技术。 分段建造技术的应用，提供了船体建造可按其结构特性划分成分段、部件，形成 以区域进行流水作业的可能，同时还提供在分段区域上进行预舾装的可能。这种造船 模式具有如下特点； (1)产品作业任务的分解和组合对船体建造可按其结构区域划分， 而对舾装则以扩 大预舾装仍按其使用功能/系统统组织造船生产； (2)船舶设计虽仍按功能/系统，但船体建造作业任务的分解和组合可通过放样， 采用船体生产设计加以规划和体现。 第三阶段：区域、类型和阶段型造船模式分道建造、区域舾装、区域涂装； 这是 20 世纪 50 年代末、60 年代初形成的造船模式。促使这一模式形成的主要因 素是由于成组技术在造船中应用，以及当时建造超大型船舶日益急增的需求。该模式 的特点是， (1)产品作业任务的分解和组合是采取按船舶产品的空间部位划分区域，分阶段、 按类型的分解原则和组合方式； (2)产品作业任务的分解和组合方式是通过船体、舾装的生产设计加以规划和体 现； (3)生产作业方式按区域进行船体分道和区预舾装， 并将完工的各个作业区域相互 组合以形成完整的船舶产品。 第四阶段：中间产品导向型阶段壳舾涂一体化； 这是 20 世纪 70 年代初期形成的造船模式。形成这一模式的主要因素是由于： (1)超大型油船的舱内外涂装工程的日益增多及其要求的不断提高， 促使涂装从舾 装作业中分离，而形成独特的涂装生产作业系统； 第二章 现代造船模式下的模块化造船 8 (2)系统工程技术与电子计算机技术在造船中应用的扩大； (3)20 世纪 70 年代初期建造超大型船舶仍处于需求的增长期。 这一模式的特点是： (1)产品作业任务的分解和组合，除按区域/阶段/类型的分解原则和组合方式外， 更体现船体建造、舾装、涂装三大作业系统的相互结合； (2)产品作业任务的分解与组合，是通过船体、舾装、涂装的生产设计加以规划和 体现； (3)船舶设计、造船生产与生产管理相互结合，并通过生产设计融为一体。 第五阶段：产品导向型阶段设计制造一体化。 这是即将形成的未来造船模式，形成这一模式的主要动因是： (1)造船生产设计的水平达到了一定的深度，为产品导向型造船模式奠定了基础； (2)世界经济贸易进一步向全球化发展， 对世界航运业提出了更高的要求， 船舶的 需求量进一步增加； (3)数字化技术、 信息技术、 敏捷制造技术的发展推动了造船业向设计制造一体化 方向发展。 该模式的特点是： 船舶结构发生根本简化而功能加强，设计、制造、改装和维修简单又迅捷。建造 和运营中受环境和对环境影响大大减少，成本显著降低。 2.1.3 造船模式的两大类别及其特征造船模式的两大类别及其特征 经过大半个世纪的发展，船舶制造工程在分类方法上由“系统”导向，经过“系 统和区域”导向，已发展为符合成组技术原理，适应 amt“中间产品”专业化生产为 导向；而当前正以“产品”导向集成不同企业技术优势。造船业由于先后引进了“木 船建造技术” 、 “焊接技术” 、 “成组技术” 、 “工业工程技术”和“敏捷制造技术”而形 成五级造船技术水平， 即五种造船模式 7,10。 上述五种造船模式虽在不同的历史阶段中 形成，且有其不同的特点。但深入对其分析，实际上这五种模式可分为本质差异的两 大类别。 一类是系统导向型造船模式，统称传统造船模式。 一类是系统导向型造船模式，统称传统造船模式。 这是指上述五模式的前两种。尽管这两种模式有较大差异，后一种模式虽按船体 结构划分区域进行分段建造，由此而提供了分段的预舾装，但从船舶工程组织生产的 总体看，船体建造仍作为一个相对于轮机、电气等专业独立的生产作业系统和部门， 按其各自专业系统，由专业工种组织生产。所以，这两种模式仍属同一类型，只不过 第二章 现代造船模式下的模块化造船 9 后者是前一种模式的继承与发展。 系统导向型的传统造船模式实质上就是按功能系统对产品作业任务进行分解和 组合，并按船、机、电专业划分的工艺阶段，再细分为各个工艺项目作为船舶建造过 程中的一个工艺环节，以工艺过程形式组织生产的一种造船模式。 第二类是产品导向型造船模式，统称现代造船模式。 第二类是产品导向型造船模式，统称现代造船模式。 这是指上述五种模式的后三种。这三种模式同样有着较大的差异，但均具有按产 品划分作业区域，分阶段地把区域内的作业任务按其类型以生产任务包形式组织生产 的共同特征。第四种模式仅是在前一种模式的基础上强化了船体建造、舾装、涂装三 类作业的相互结合。第五种模式即未来造船模式，是第四种模式的更进一步的发展。 为此，这三种模式也属于同一种类型。 产品导向型的现代造船模式实质上就是从船体建造、舾装、涂装一体化角度对产 品作业任务进行分解和组合，并按区域划分各类作业任务，形成船体以分段托盘(或单 元)作为组织生产的基本作业单元，进行船舶建造的一种造船模式。 新一代的船舶设计制造技术的研究与开发，模块制造技术成为军民各型船舶的设 计、建造和运营支持的共同基础，必将出现更为先进、更高水平的“知识密集型”企 业，既能高技、高柔性、高品质地制造各型舰船，又能使成本降低，工业过程简化。 在上述发展中使得舰船生产过程由离散的，升格为连续与并行。 2.2 现代造船模式的理论基础现代造船模式的理论基础 所谓现代造船模式，可理解为以统筹优化理论为指导，应用成组技术原理，以中 间产品为导向，按区域组织生产，壳(船体建造)、舾、涂作业在空间上分道，时间上 有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡、连续地总装造船 7。 2.2.1 成组技术成组技术 成组技术（group technology，简称 gt）是研究事物间的相似性，并将其合理应 用的一种技术 11,12,13。 成组技术是应用相似性原理对企业的所有工作进行符合逻辑的安 排，使多品种、中小批量生产获取大批量生产效益的综合性技术，也是代替传统生产 理论，实现生产现代化的核心技术。造船成组技术是船舶工业的系统工程学。它是以 船舶“中间产品”为导向的建造策略，替代以工种专业化为导向的组织原则。该技术 是 20 世纪 50 年代初， 由前苏联学者米特洛夫法诺夫首先提出， 并应用于机械制造业。 这一技术后经前苏联、东欧的推广应用，以及 20 世纪 60 年代传播到西欧，使成组技 术超出了当初仅限于用在零件机械加工的范围，而扩展到各种工艺领域，乃至从产品 第二章 现代造船模式下的模块化造船 10 （按综合布置图/分段划分图） （按分段划分图） （小区域） 舾装作业区域 分段舾装 作业性质 舾 壳 （中区域） 舱建 平台 内底 烟囱 （大区域） 货舱 机舱 上建 船内舾装总段舾装分段舾装 部装加工 （船体分道） （区域舾装） （区域涂装） 最终产品 船舶 试航 *指作为生产管理的中间产品 船内舾装总段舾装分段舾装集配 单元组装 舾装单元制作 码头涂装船台涂装分段涂装原材料处理涂 壳 舾 *各类分段各类部件各类零件 涂装托盘涂 壳 舾 *各类托盘 单元、模块 （区域制造法） 阶段 区域 类型 生产设计 作业分解和组合壳舾涂一体化 设计、生产、管理一体化 统筹优化 理论 相似性 原理 形成船体后以托盘完成 船内各区域舾装产品 各类总段 产品 各类分段 产品 各类部件 产品 各类零件、托 盘、单元产品 （逐级制造） 中间产品制造原理 系 统 工 程 技 术 成 组 技 术 现 代 造 船 模 式 图 2-1 现代造船模式形成的理论基础及其作业体系示意图 第二章 现代造船模式下的模块化造船 11 设计、制造工艺、生产组织到经营管理等企业生产活动的各个方面。日本和美国引入 成组技术的时间较晚， 分别于 20 世纪 60 年代后期和 70 年代才初步接受和应用。 目前， 日本的成组技术应用(特别造船工业领域)已取得很大成绩，基本普及以成组技术为基 础的计算机辅助编制工艺规程(capp)和柔性制造系统(fms)。美国的成组技术起步更 晚一些，当苏联和欧洲大力推行成组技术时，美国则主张以数控和电子计算机来解决 多品种、中小批量生产存在的问题，虽然也取得一些成绩，但代价大，而且无法解决 缩短新产品设计周期、缩短生产准备周期和满足新产品更新换代频繁的要求。直到 1972 年，美国才普遍重视和推广成组技术。由于美国技术力量强大、基础好，因此尽 管起步较晚，但发展极为迅速，促使美国的制造业飞速发展，处于世界领先水平 40。 成组技术是促使现代造船模式形成的主要技术基础之一，运用其如下两种原理。 一、中间产品导向型的作业分解原理，简称产品制造原理 该原理是把最终产品按其形成的制造级，以中间产品的形式对其进行作业任务的 分解和组合。所谓中间产品是指生产的作业单元，是对最终产品进行作业任务分解的 一个组成部分，也是逐级形成最终产品的组成部分。它具有明显的“产品”特征。那 就是： (1)有特定的“产品”作业任务，而且其作业任务并非由单一工种完成； (2)有明确的“产品”质量(尺寸精度)指标； (2)有完成“产品”作业任务所需的全部生产资源（含人、财、物） ，或称生产任 务包。 上述原理应用到造船，是把船舶作为最终产品，船舶建造从采购材料(设备)、加 工零件开始，然后以中间产品的生产任务包形式组装成装配件，进而再组装成更大的 装配件，这样逐级组装，最终总装成船舶产品，如图 2-1 所示 7。现代造船模式所确立 的产品作业任务的分解原则，实质上就是应用了成组技术产品制造原理，为现代造船 模式的形成提供了理论基础。 二、相似性原理 相似性原理是对产品作业任务分解成门类繁多的中间产品，按作业的相似特性， 遵循定准则进行分类成组，以便用相同的施工处理方法扩大中间产品的成组批量，以 建立批量性的流水定位，或流水定员的生产作业体系。 根据船舶产品的生产特点，相似性分类成组有如下四方面准则： (1)按生产作业的性质分类成组，即把船舶建造分为船体(壳)、舾装(舾)、涂装(涂) 三种不同作业性质的类型，再各自分类成组作业。 (2)按生产作业对象所处的产品空间部位分类成组，按产品划分的区域进行分类成 组作业。对船舶产品而言，一般可划分为机舱区、货舱区、上层建筑居住区等三个大 区域。根据船舶类型的不同，还可按其不同的空间部位划分其它区域。同时在划分的 第二章 现代造船模式下的模块化造船 12 各大区域内可再划分中、小区域以进行分类成组作业。 (3)按生产作业在生产过程中的相似内容分类成组，即按区域内划分的中间产品按 其类型进行分类成组作业。以船体分段作为中间产品为例，可分平面、曲面和上层建 筑三种不同类型的分段。再以舾装的中间产品为例，则可分为各类舾装托盘(或单元)。 (4)按生产作业在生产过程中的作业时序分类成组，即按区域划分的中间产品按其 所处的作业阶段，或制造级进行分类成组作业。对船体建造而言，可划分为零件加工， 部件(含组合件)装配(小组)，分段装配(中组)，分段组合总组，船台合拢等五个作业 阶段；舾装作业可分单元、模块、管件等制作，托盘集配，分段舾装，总段(总组)舾 装，船内舾装等五个阶段，涂装则可分为原材料处理，分段涂装，船台涂装，以及码 头涂装等四个作业阶段。 三、成组技术应用于产品设计 传统设计主要存在两个弊病：设计的重复性和设计的多样性。 所谓设计的重复性，是指产品的设计任务下达后，由于各种原因设计人员已记不 清或无法找到以前设计同类或类似的产品，而不得不重新设计的现象。产品设计的重 复性使得设计人员将宝贵的时间和精力浪费在重复性的劳动之中，以致出现如下的恶 性循环：设计人员拼命画图，却仍然赶不上新产品的更新换代日趋频繁的社会需求， 而且占用人员多，设计费用高，而设计质量却不高，致使产品缺乏竞争力 14,15。 设计的多样性，则指对于一些产品的结构和设计细节，由于设计人员往往按自己 的习惯处理，没有统一的标准可循，从而造成的相同或相似功能产品多样性的现象。 由于设计的多样性必然使产品品种增加，给后续工作带来麻烦，最终导致设计成本提 高。 成组技术能够解决传统设计的重复性和多样性，简单地说，成组技术解决设计多 样性的措施是：进行相似产品设计标准化，最大限度地减少产品的品种和规格。目前， 由于产品更新速度加快，多品种、中小批量生产方式逐步取代大批量生产方式，产品 标准化与产品多样化的矛盾将逐步突出和激化，而成组技术的出现，为产品标准化找 到了新的途径，造船的标准化发展到一定的程度就是造船的模块化。 企业的产品标准化工作的一般规律如图 2-2 所示。 (设计)标准化 部件 零件相似件 专用件 标准化 设计 工艺 工装 图 2-2 企业的产品标准化工作的一般规律 第二章 现代造船模式下的模块化造船 13 首先，产品、部件、零件的标准化，必然应以零件标准化为基点；其次，专用件、 相似件、标准件三者中，必然应实现相似件的标准化，因为标准件已标准化，而专用 件因其再用性低且数量少，没有必要也不可能实现标准化，唯一相似件标准化有可能 又有必要实现标准化；最后，相似件的设计、工艺、工装三者中，必然应以设计标准 化为先，因为只有零件的设计要素(形状、结构、尺寸、精度等)标准化，才能实现工 艺、工装等后续工作的标准化。 成组技术解决设计的重复性的办法是检索，即是通过一定的检索手段，查找并利 用已标准化了的产品图纸或重复地利用原产品图样，最大限度地减少产品设计的工作 量，最终达到缩短设计周期，提高设计质量的目的。 2.2.2 系统工程技术系统工程技术 按我国科学家钱学森教授对系统工程的释义，这门技术是组织“系统”的规划、 研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统具有普遍意义的科学 方法。简单地说，系统工程是组织管理“系统”的一门工程技术 7。 应用成组技术的制造原理和相似性原理建立起来的现代造船模式，实际上已把船 舶建造作为一个大系统，对其分解为壳、舾、涂三种作业系统，再按区域阶段类 型逐一分类成组而形成了各类作业的子系统，如图 2-3 所示。对于这样一个极为复杂 的生产作业系统，需要从组织“系统”的角度处理好各作业系统之间及其系统内各子 系统之间的各种相关问题，才能有效、合理地组织生产。系统工程技术的基本原理是 运用其统筹优化理论。其基本准则是： (1)体现整体观点、综合观点、动态观点和寻优观点处理组织“系统”的问题； (2)充分运用大系统的分解协调、定量分拆和优化等方法。 为此，系统工程需要应用现代数学的统计管理方法和电子计算机进行系统的分析 合、优化、评价和规划。但在实际运用时，目前还有许多难以用数学模型描述的因素， 有时仍只能依赖于经验，采取定性与定量相结合的方法。 在造船中应用系统工程技术处理组织“系统”的上述准则，通常可概括为统筹、 协调、优化的准则。两个“一体化”(见图 2-1)即壳舾涂一体化和设计、生产、管理一 体化，也就是合理的船舶建造应从壳舾涂三类作业，从船舶设计、组织生产、生产管 理互相结合，从全局、全厂、全船的角度统筹、协调各系统的各方面问题，使船舶建 造能整体优化。系统工程技术在造船中的应用进一步从组织“系统”上充实，完善了 已形成的现代造船模式，并为其提供了建模的又一理论基础。 统筹优化理论是策化现代化造船的指导思想。无论是实现壳、舾、涂一体化和设 第二章 现代造船模式下的模块化造船 14 计、生产、管理一体化，还是策化“以中间产品为导向的分道制造”管理体系都必须 统筹优化。从高水平造船企业的实践中看出，推行现代造船模式使造船工程管理和设 计工作量大大增加，以致于不应用电子计算机辅助管理和采用先进的设计技术是无法 实施的。但是由于大大降低了生产的消耗(包括各种资源)，提高了生产效率，缩短了 生产周期，提高了市场综合竞争力，还是获取了更多的经济效益。 图 2-3 复杂的造船生产作业系统示意图 应用系统工程的统筹优化理论，是协调用成组技术原理建立起来的现代造船生作 业体系相互关系的准则。该准则形象化地可概括为两个“一体化” 。其中，壳舾涂一体 化，指以“船体为基础、舾装为中心、涂装为重点”的管理思想，把壳、舾、涂不同 性质的三大作业类型，建立在空间上分道、在时间上有序的立体优化排序。而设计、 生产、管理一体化，指设计、生产、管理三者的有机结合在设计思想、建造策略和 管理思想的有机结合中，以正确的管理思想作为三者结合的主导。两个“一体化”是 组织“系统”运行极为重要的一种管理思想 7。 现代造船模式是通过科学管理，特别是通过工程计划对各类中间产品在船舶建造 过程中的人员、资材、任务和信息的强化管理，以实现作业的空间分道、时间有序、 逐级制造、均衡、连续地总装造船。 2.3 以中间产品为导向的工程分解法以中间产品为导向的工程分解法 2.3.1 模块化造船的中间产品模块化造船的中间产品 中间产品是相对于最终产品而言的。如果船舶是最终产品，那么船舶是由为数众 多的中间产品组装而成的。但是，这些中间产品不是无序的，而是按区域、作业类型、 作业阶段，对船舶进行层层工程分解的产物，是为了应用成组技术的相似性原理将这 第二章 现代造船模式下的模块化造船 15 些中间产品组织起来高效率地生产 32，33。 一、中间产品分的分类一、中间产品分的分类 第一类是通过订货或直接从市场上采购的称外购件， 如图 2-4。 由于这类中间产品 不由工厂生产，所以，往往不作为中间产品来对待，如主机、辅机、泵、电机、甲板 图 2-4 外购的中间产品 图 2-5 船厂生产的中间产品 机械、配电装置、生活单元、阀件、管系附件、门、窗、梯、盖、铸锻件等。工厂生 产的部分铁舾件也纳入这一类管理，目前大多数工厂已有专门的生产部门，如分厂从 事部分铁舾件的生产，采用内部订货的形式。内装工程大部分工厂设立专门制造和安 装部门，采用内部订货形式。内装工程大部分工厂设立专门制造和安装部门，采用内 第二章 现代造船模式下的模块化造船 16 部订货形式；亦有船东指定厂商制造安装。所以也纳入这类管理。第二类是造船厂要 生产的中间产品，如图 2-5 所示。实际上仅剩下船体制造、管件制造、舾装单元和舾 装模块制造、电缆加工等工作，这是要研究的对象。有的造船厂甚至将船体分段等中 间产品也由固定的协作厂生产，使造船进一步向总装方面发展。 二、中间产品划分原则和方法二、中间产品划分原则和方法 为数众多的中间产品如何进行管理和组织生产是划分中间产品的关键 7。 (一)、中间产品划分的原则 1按作业类型对中间产品进行分类； 2按作业阶段为基础对中间产品进行分级； 3充分利用和发挥工厂资源的作用。 (二)中间产品划分方法： 1 作业类型分为船体制造、 舾装件制造。 涂装作业渗透在船体作业和舾装作业中。 2 零件是不能再进行工程分解的最小的单位， 中间产品是由制造初级中间产品 零件开始，提供给船台总装的船体中间产品和提供给区域安装的舾装中间产品是最 高级中间产品。 3中间产品“级”的设置是探索制造最高级中间产品的最佳路径。设想制造船体 分段如果没有各级中间产品而将一维零件进行装配，这种分段的制造方式就是回到了 传统的整体制造模式，工人在一维零件中寻找需要的东西，不仅效率低，而且生产周 期长，所以，要尽可能多的以部件、组合件进行分段组装。在进行生产设计时要研究 分解成多级中间产品进行制造的方案，当然，这会增加设计工作量，但为了提高生产 效率，必须这样做。 为了便于叙述， 将初级中间产品设定为一级中间产品， 随着中间产品的逐步组装， “级”也随之递增。 4中间产品一般分级情况如下表 2-1 列： 表 2-1 中间产品分级情况表 第一级中间产品 第二级中间产品 第三级中间产品第四级中间产品 第五级中间产品 名称 零件 部件 组合件 分段 总组 船 体 举例 肋板、肘板、 肋骨、桁材、 壳板 t 型材、 强肋骨 拼板 肋骨框架、纵 向框架、平面 板架 双层底、 舷侧、 甲 板、底部分段 上层建筑总组， 机舱总组，艏、 艉立体段总组 名称 舾装零件 舾装部件 舾装托盘集配舾装单元、模块 舾 装 举例 管子、铁舾件 加工，剪裁电 缆，机械、设 备的加工 装配管件、机 械设备组装、 电缆附件组合 预装托盘 安装托盘 艉管滑油单元， 造 水机模块，燃油、 滑油净化模块 第二章 现代造船模式下的模块化造船 17 5中间产品“级”的设置要根据造船厂各自的生产条件、生产特点、产品结构和 造船技术状况决定，可以适当增加，也可以适当减少，但是，尽可能不要以散件上船 台。图 2-6 说明各级中间产品逐级长大的过程。 船台（干坞）装配 五级中间产品 四级中间产品四级中间产品 三级中间产品 二级中间产品 一级中间产品 三级中间产品 二级中间产品 一级中间产品一级中间产品一级中间产品 图 2-6 中间产品组装示意图 2.3.2 产品导向型工程分解的途径产品导向型工程分解的途径 许多船厂拥有相当现代化的设备，有充分能力建造各种类型和大小的民用和军用 船舶。然而，其设计和生产周期却常比具有相似装备的有竞争力的船厂长得多。因而， 生产水平相对于设备而言就显得较低。产生这种情况的主要原因是这些工作因袭系统 导向型工程分解法，继续依赖于系统导向型的设计和生产组织，以及继续依赖于按系 统划分船舶设计、分配材料和人力资源。 以中间产品为导向的分道生产是围绕“船台总装生产线”而设计的，一切都是为 了保证船台按节拍进行生产。 过去只是按系统来组织信息，即按系统绘制布置图和详图，现在已严格地按船舶 建造所需的零件、部件、分段，即所谓的中间产品来组织信息；在各种情况下，建造 策略设计人员如何组织信息，它早在合同设计开始之前就已经制定。 以船舶地理位置“区域” 、相似工艺特征的“中间产品”和建造“阶段”分解船舶 工程。施工项目实现了空间和时间有序，并将项目划分为劳动负荷相近，同一区域中 的多系统作业由同一项目执行，这就能实现具有相同相位的分道和同道分时的施工状 态，避