汽车结构剖面图（汽车制造中三维布局图的设计及应用）

三维布局图(3D Layout)应用在汽车各个车间的设计中，能够直观地展示生产线及整个车间的工艺布置，观察设备与厂房设施之间的相对位置，检查其在空间中的干涉问题，便于多 方联合设计下的评审，为生产仿真提供模型，最终指导现场的安装。

在数字化工厂技术中，三维布局图的设计及应用是十分重要的环节，是建立生产仿真的基础。可视化的三维虚拟车间和分析技术，为工程人员对生产工艺布局方案的评估和优化提供便利。

传统车间布局图规划

汽车制造业中，布局规划包括厂区内的各个功能车间，配套建筑设施、道路、物流以及人流的规划，整体生产系统的把控，确定合理的投资，选择最优的方案配置等。做好以上几点，才能使生产按计划顺利进行，获得最优的经济价值。车间的布局图设计贯穿了整个项目的方案规划阶段、设计阶段及最后的实施阶段(图1)，其在每一个阶段都起着决定性的作用，推进着项目的进展。如果在后期由于 前期规划的疏忽导致布局图发生了重要的变化，则会影响整个项目的实施。小到设计的变更与返工，大到成本大幅增加，或是已建设施的废除与浪费，都极大地影响着项目的实施。

图 1 某汽车厂厂区平面图部分区域

制造车间的布局图，例如汽车总装车间，主要包括土建规划和工艺规划两方面。土建规划包括厂房、结构基础及公用设施;工艺规划则由生产线的工艺布置、物流配送规划等组成。这些都涉及不同的专业技术人员，基于总体方案各自进行设计之后再拼合起来。在设计期间，各个专业需要经常互提资料，主要由工艺专业提出产线及设备的各项需求给土建专业，后者将提供配套的土建公用设施。传统的设计手段依靠二维 AutoCAD 图纸及表格文件进行设计交互，但二维图纸由于可读性较差，在设计和交流时有诸多不便。

一方面，产线及设备的布置经常会出现在同一平面位置的不同高度，例如地面线与空中线，或是 不同的楼层。另一方面，在土建公用的布局中，厂房每层的结构，暖通、动力和水电等各种管道线路也错综复杂。这种情况下二维图纸无法直观地展示其相对关系，如图 2 所示，各个专业设计人员在方案集成时需要耗费较大的精力解释图纸，有时会出现理解的偏差，而且集成后的图纸主要以平面形式展示，很难清楚地展示出各个设备线路之间的空间位置关系，往往不能及时发现所有的干涉碰撞，给后期施工留下隐患。

图 2 某汽车厂总装车间平面图部分区域

全部使用二维平面布局设计出来的工厂，施工阶段干涉频出。有时候为了避免干涉会增加成本，与其相关的设备、管线可能都要进行重新设计或者重新确定安装位置，经常造成大量返工，导致工期拖延，给项目造成较大损失。所以，在前期设计阶段就要尽量将设计做到与现场尽量一致。由此，数字化工厂技术就应运而生，三维布局图设计就是基础环节之一。

三维布局设计

目前国外汽车制造企业已经开始进行三维布局图的设计，国内的企业也都在积极推行。车间 的布局是制造企业快速响应市场 需求的重点，研究表明，系统地构造低成本、高效率及体验式设计平台能够有效地提升工厂布局规划的合理性。使用数字化工厂 技术进行设计的汽车厂，在规划初期根据需求，基于三维规划软件设计出初步的工厂以及生产线的三维布局模型，利用仿真软件对工艺流程、物流配送和生产过程进行仿真，从而评估工厂设计的合理性，直观清晰地展示出未来工厂实际生产的场景，如图 3、图4所示。经过仿真验证之后的布局设计更加精益，在设计阶段最大限度地避免了设计错误与浪费，节约成本，提高效率。

图 3 前期规划三维布局图部分区域

图 4 前期规划三维布局图部分线体

在规划阶段之后的详细设计阶段，三维布局图同样起着重要作用，其可以解决传统二维图不 够直观、容易出现干涉的问题。使用三维规划软件进行三维布局设计，包括生产线设备、建筑公用设施的三维设计，可以获得准确、直观且与实际一致的三维布局模型，如图5所示。各个专业将会根据同一个坐标原点或者同一个二维柱网图各自展开设计，之后利用统一软件平台将所有的模型集成在一起，在三维空间中评审管线、设备及钢结构等之间的位置关系，检查干涉。各个专业根据评审结果修改模型，再集成在一起评审，经过多轮评审， 获得最终锁定方案。这样的三维评审通过软件的飞行、漫游功能，可视化良好，便于理解，节省设计人员评审所耗费的大量时间，提高了设计质量，消除干涉隐患，为将来的施工打下良好的基础。

图 5 详细设计阶段三维布局图

总装车间三维布局图

设计软件及应用

Bentley 公司的 Mricrostation 是一款面向建筑、工程行业，针对布局图设计的 CAD 软件，具有二维和三维建模功能，可以兼容AutoCAD。欧洲的多家知名车企都是基于 Microstation 进行的前期 Layout 设计和干涉检查。他们使用三维布局图设计较早，已经形成了自己的标准，会要求项目相关方使用统一标准配置下的Microstation模板文件，对于模型数据的繁简、图层、颜色及命名等参数都有要求，来保证各 相关方的模型数据一致，便于后期 Layout 的整合和归档。

在某汽车厂总装车间设计中，详细设计阶段采用三维手段来进行布局图(Layout)和 设备的设计，如图 6 所示。此 项目中使用的是 Microstation作为3D Layout 设计平台，利用TriCAD 总装设备库进行简易的 设备设计。TriCAD 相当于内嵌入 Microstation 的一个参数化设备库，里面包括了钢结构、管道线路、建筑共用及各类机械输 送设备等，通过参数输入可以 快速建模。基于在设计初期，通常用 AutoCAD 先完成初版的二维 Layout 设计。总装车间中各个线体的设备、钢结构及平台等的设计，通常由来自不同组别的设计人员或者是不同的设计单位合作完成，3D Layout 的设计也 来自不同的设计人。初版的二维 Layout 将会发布给所有设计人员，设计人员将二维图纸导入三维设计软件作为参考底图，基于同一个坐标原点及柱网线进行各自部分的 3D Layout 设计。

图 6 详细设计阶段部分三维布局图

正常情况下，3D Layout 及设备的三维设计是同时进行的。通常设备的详细设计要晚于3D Layout，这时3D Layout 中的设备需要简单快速地生成。TriCAD设备库就提供了可以参数化的车间输送设备。设计人员只要选定所需设备形式，输入所需的参数，例如关键尺寸、颜色，构件的形式、数量、间距等，软件就会根据输入条件自动生成所需的设备模型。这样的设备模型在形式、关键尺寸上与真实设备保持一致，但是模型又非常简易，文件也很小，十分便于进行全车间全生产线的拼合工作。在每个评审节点，由不同设计人分别完成的设备、钢结构及平台等将会拼在一起，使用“漫游”“飞行”等功能查看其位置是否合适，是否存在设备与钢结构干涉等问题。评审结束，设计人根据修改意见进行各自修改，再进行多轮的评审直到确认最终设计。

这种评审方式快速、直观， 模型的运行也流畅无卡顿，大大提高了设计质量和评审效率。还可以在 3D Layout 中加入更多的元素，包括电控设备——电控柜、操作屏或按钮、电缆桥架等;安全相关设施——安全围栏、安全 门或门帘、地面黄黑线、人行通道、急停开关以及安全指示牌等，甚至还可以将公用设施——电缆 桥架、暖通、动力管道以及消防设施等也集成在这个 3D Layout 中，全方位多角度还原真实的车间，从设计源头解决以往施工中 经常发生的干涉问题。在设备详 细的三维模型设计完成后，可以将某些关键设备或者关键线体替 换成真实的模型进行再次评审，可以更加细致地仿真现场情况，如图 7 所示。

图 7 详细三维布局图

除了Microstation之外，Autodesk旗下的Navisworks也是一款常用的软件。与 Microstation不同的是，Navisworks 是一款三维查看软件，可以分析多种格式的三维设计模型。其可以支持所有项目 相关方可靠地整合、分享和审阅详细的三维设计模型，在建筑信息模型(BIM)中工作发挥重要作用。Navisworks 能够将 AutoCAD 和 Revit 系列等应用创建的设计数据，与来自其他设计工具的几何图形和信息相结合，将其作为整体的三维项目，通过多种文件格式进行实时审阅，而无须考虑文件的大小。

基于 Navisworks 的优势，现在有很多汽车制造商，尤其是北美地区的主机厂，使用 Navisworks 对3D Layout 进行整合与查看。在某汽车总装车间项目中，客户要求建立全车间设备及钢结构的3D Layout，最终使用 Navisworks 模型进行查看，但对设计软件没有要求。通常单体设备的设计是在三维设计软件 Siemens NX 或者 Autodesk Inventor 中完成，所以设备设计人员在他们熟悉的设计软件中将一整条线体的设备拼好，发给Layout设计人员，设计人员将模型导入到Navisworks中，将全车间的线路根据定位关系拼在一起。同理，钢结构模型也可以导入与设备拼合。

Navisworks 软件操作简单，只需要有现成的设备的三维模型。这种方式可以很快完成全车间的3D Layout，而不用像 Microstation 一样还需要学习软件的用法，便于新手很快操作，节省项目时间。在客户没有特别要求的情况下，使用Navisworks 的兼容性，便捷性较高，但这种方式也有缺点，需要先设计好设备模型和钢结构模型;或者有时候设备模型比较详细，整个 3D Layout 模型就会比较大，运行起来可能会出现卡顿。如果时间允许，也可以在拼合前将单体设备进行简化，也可以使最终模型轻量化。

此外，Siemens也有一款三维布局图软件——NX Line Designer。这个软件是在原本 Siemens NX 的基础上，增加了便捷绘制 Layout 的功能模块，即在NX 中快速设计并直观呈现生产线布局。使用Siemens 平台， 可以管理和控制版本和变更，并且可以将布局设计与制造计划相 关联，也可以与 Siemens 仿真软件互通，在仿真中直接利用模型数据。Line Designer的优势是基于 Siemens 的平台，它可以很快将原本就是 NX 格式的设备模型组合成一整条线体进而搭建整个车间的布局图，如图 8 所示。

在软件中可以建立自己的设备模型库，建立好之后就可以和 TriCAD 类似，参数化生成设备模型，也能快速地从三维转换成二维图纸。对于使用 NX 作为设备设计软件的公司，使用 Line Designer 做3D Layout 就会更加方便，也不用牵扯到模型格式的转换问题。这样完成的3D Layout，既可以在 NX 中查看、检查干涉，也可以导出为通用三维格式，使用Navisworks 查看。Line Designer与前两款软件 相比有着巨大的优势，以后可能会越来越多地应用在汽车行业的三维布局图设计中。

图 8 规划三维布局图