0 引　言

船舶的关键位置是机舱，机舱中涵盖大量设备与电缆等内容，导致船舶机舱全寿命周期管理难度较高^[1]。全寿命周期指机舱从设计、制造到运营的全部时间。如果机舱全寿命周期管理效果不佳，不仅会降低机舱建造效率，还会影响机舱建造质量^[2-3]。为此需要设计智能化的机舱全寿命周期管理平台，提升机舱建造效率与质量。朱庆等^[4]为解决数据共享能力差、智能化水平低的问题，研究全生命周期各阶段的时空数据共享方法，以及可视化管理方法，设计全生命周期可视化智能管理平台。经过验证后，该平台具备全生命周期可视化管理功能，且应用效果较优；但该平台在应对突发状况时，无法帮助工作人员快速制定应急策略，且后期维护难度较高，不利于大范围推广使用。张凡等^[5]依据船舶建造的经验，设计包含设计、制造与运维等全生命周期管理平台。该平台可有效采集、处理与存储全生命周期管理信息，为全生命周期管理提供较优的保障效能；但该平台不具备信息共享功能，多专业协调管理难度较高，影响全生命周期管理效果。BIM技术是依据工业标准，在全寿命周期内，集成工程项目相关的数据信息模型。该技术可降低项目风险，加强信息共享能力^[6]，促进多专业协调工作，提升应急反应速度与综合效益。将该技术应用到船舶机舱项目内，可提升船舶机舱全寿命周期的管理效果。为此，设计基于BIM技术的船舶机舱全寿命周期管理平台。

1 船舶机舱全寿命周期管理平台 1.1 全寿命周期管理平台的整体架构

BIM技术可对船舶机舱项目设计、施工与运营各阶段，实施全方位的精细化管理。通过前期的船舶机舱设计信息，构造船舶机舱BIM模型，实现建设阶段的管理。在管理建设阶段时，会持续获取设计与施工阶段的信息，用于实现运行阶段的管理。为此，设计基于BIM技术的船舶机舱全寿命周期管理平台，该平台的架构如图1所示。

数据库层属于船舶机舱全寿命周期管理平台的最底层，即基础层。数据库层负责为后续应用提供需要的船舶机舱数据。该层内共包含两部分数据，分别是船舶机舱BIM数据库与外部数据库，前者包含船舶机舱的几何形状、位置与材质等信息。后者包含船舶机舱施工的进度信息。船舶机舱的相关数据，均存储于数据层的2个数据库内，可实现船舶机舱数据共享与集中管理。

数据访问层负责实现船舶机舱全寿命周期管理平台的数据传输，数据访问层还负责完成上层应用发出的不同数据操作指令，并将处理结果返回至上层应用。

模型管理层负责全方位管理船舶机舱BIM模型；BIM模型建立模块中，设计人员通过调用数据库层内的船舶机舱数据，利用基于BIM的结构分析模型方法，建立船舶机舱BIM模型，BIM模型建立完成后，导入平台的模型管理层。

项目管理层中包含设计管理、施工管理与运营管理。设计管理阶段，设计人员负责对建立的船舶机舱BIM模型进行设计检查。施工管理阶段，船舶机舱施工人员，可进入模型管理层实时查看船舶机舱的施工进度，并实施施工预演；运营管理阶段，船舶管理人员可进入模型管理层对船舶机舱维修与故障部分实施排查，还负责制定合理的设备与人员疏散应急策略。

用户层负责为用户提供可操作界面，用户可通过用户层查看船舶机舱全寿命周期管理结果。用户层还利于全部参与用户间的协同工作，可提升平台的运行效率。

1.2 船舶机舱BIM模型建造方法

模型管理层中BIM模型建立模块，利用基于BIM的结构分析模型的建模方法，依据数据库层内的船舶机舱相关数据，建立机舱BIM模型。机舱BIM模型建立过程中，通过仿射变换理论，建立机舱内全部设备的坐标变换矩阵，得到机舱内全部设备的空间坐标。在机舱实体的空间定位内，父实体至子实体的参考系转换中，包含平移、旋转与缩放^[6]。通过矩阵表示法，先平移船舶机舱实体的坐标原点，再旋转参考坐标系。令船舶机舱实体的一个点是 $ Q $ ， $ Q $ 的平移、缩放与旋转结果 $ {Q'_1} $ ， $ {Q'_2} $ ， $ {Q'_3} $ 为：

$ \begin{gathered} {{Q'}_1} = Q + L，\\ {{Q'}_2} = Q{\boldsymbol{S}}，\\ {{Q'}_3} = Q{\boldsymbol{R}}。\\ \end{gathered} $

(1)

其中， $ L $ 为平移向量； $ {\boldsymbol{S}} $ ， $ {\boldsymbol{R}} $ 为缩放、旋转矩阵。

在齐次坐标系内， $ Q $ 的坐标是 $ \left[ \begin{gathered} x \\ y \\ z \\ 1 \\ \end{gathered} \right] $ 。平移变化可像旋转变化一样，采用矩阵乘法描绘，公式如下：

$ {Q'_1} = QL ，$

(2)

因此， $ {Q'_1} $ 的坐标为：

$ \left[ \begin{gathered} {{x'}_1} \\ {{y'}_1} \\ {{z'}_1} \\ 1 \\ \end{gathered} \right] = \left[ \begin{array}{*{20}{l}} 1 & 0 & 0 & {L_x} \\ 0 & 1 & 0 & {L_y} \\ 0 & 0 & 1 & {L_z} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{array} \right]\left[ \begin{gathered} x \\ y \\ z \\ 1 \\ \end{gathered} \right]。$

(3)

将平移变更成矩阵乘法后，其方程组与原来的向量加法描绘的方程组一致，即

$ {Q'_1} = \left\{ \begin{gathered} {{x'}_1} = x + {L_x}，\\ {{y'}_1} = y + {L_y}，\\ {{z'}_1} = z + {L_z}。\\ \end{gathered} \right. $

(4)

其中： $ {L_x} $ ， $ {L_y} $ ， $ {L_z} $ 为空间坐标系内的平移因子。

获取平移矩阵后，添加缩放与旋转矩阵，船舶机舱实体的空间定位结果才是完整的。

缩放矩阵 $ {\boldsymbol{S}} $ 的表达式为 ${\boldsymbol{S}} = \left[ \begin{array}{cccccc} {S_x} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & {S_y} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & {S_z} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{array} \right]$ ，其中，缩放因子是 $ {S_x} $ ， $ {S_y} $ ， $ {S_z} $ 。因此，缩放后的方程组为：

$ {Q'_2} = \left\{ \begin{gathered} {{x'}_2} = x \cdot {S_x}，\\ {{y'}_2} = y \cdot {S_y}，\\ {{z'}_2} = z \cdot {S_z} ，\\ \end{gathered} \right. $

(5)

$ {\boldsymbol{R}} $ 的表达形式为：

$ {\boldsymbol{R}} = \left[ \begin{array}{ccccccccc} \cos \theta & - \sin \theta & 0 & 0 \\ \sin \theta & \cos \theta & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & L \\ {}0 & 0 & 1 & 1 \\ \end{array} \right] 。$

(6)

其中， $ \theta $ 为旋转角度。

因此，旋转后的方程组为：

$ {Q'_3} = \left\{ \begin{gathered} {{x'}_3} = x\cos \theta - y\sin \theta ，\\ {{y'}_3} = x\sin \theta + y\cos \theta ，\\ {{z'}_3} = z。\\ \end{gathered} \right. $

(7)

$ {Q'_1} $ ， $ {Q'_2} $ 与 $ {Q'_3} $ 可叠加到一起，获取一个净变化矩阵，令旋转与缩放的叠加净化矩阵是 $ {\boldsymbol{B }}= \left\{ {{{Q'}_2},{{Q'}_3}} \right\} $ 。因此， $ {Q'_1} $ ， $ {Q'_2} $ 与 $ {Q'_3} $ 叠加到一起的净变化矩阵，即船舶机舱实体建立由父实体参考系至子实体参考系的变化矩阵为：

$ {\boldsymbol{G}} = \left[ \begin{array}{ccccccccc} {B_{11}} & {B_{12}} & {B_{13}} & {{Q'}_{1,x}} \\ {B_{21}} & {B_{22}} & {B_{23}} & {{Q'}_{1,y}} \\ {B_{31}} & {B_{32}} & {B_{33}} & {{Q'}_{1,z}} \\ {0} &{0} &0 &1 \\ \end{array} \right]。$

(8)

其中： $ {\boldsymbol{B}} $ 为净的旋转与缩放矩阵； $ {Q'_{1,x}} $ ， $ {Q'_{1,y}} $ ， $ {Q'_{1,z}} $ 为船舶机舱实体子参考系原点至父参考系原点的净平移。

对于船舶机舱BIM模型内某实体顶点 $ Q $ 的空间定位，可按照顺序打开Site（场地）、Building（建筑）、Beam（构件）实体，得到 $ Q $ 在局部坐标系内的坐标，再依次还原至父实体坐标系中，最后得到世界坐标系下的坐标，完成空间定位，公式如下：

$ \left[ \begin{gathered} x \\ y \\ z \\ 1 \\ \end{gathered} \right] = \left( {{{\boldsymbol{G}}_{site}}\left( {{{\boldsymbol{G}}_{building}}\left( {{{\boldsymbol{G}}_{beam}}\left[ \begin{gathered} {x'} \\ {y'} \\ {z'} \\ 1 \\ \end{gathered} \right]} \right)} \right)} \right)。$

(9)

其中： $ x' = \left\{ {{{x'}_1},{{x'}_2},{{x'}_3}} \right\} $ ， $ y' = \left\{ {{{y'}_1},{{y'}_2},{{y'}_3}} \right\} $ ， $z' = \{ {{z'}_1},{{z'}_2}, {{z'}_3} \}$ ；Site，Building，Beam的变化矩阵是 $ {{\boldsymbol{G}}_{site}} $ ， $ {{\boldsymbol{G}}_{building}} $ ， $ {{\boldsymbol{G}}_{beam}} $ 。

船舶机舱BIM模型建立的具体步骤如下：

步骤1　解析数据库层内存储的机舱相关文件，剔除无用的机舱实体信息，得到结构分析模型需要的信息。

步骤2　利用仿射变换理论，建立机舱场地、建筑与构建的 $ {{\boldsymbol{G}}_{site}} $ ， $ {{\boldsymbol{G}}_{building}} $ ， $ {{\boldsymbol{G}}_{beam}} $ ，以此为基础获取机舱内全部实体的空间定位结果。

步骤3　按照数据库层内存储的机舱实体构件信息，生成材料对象，并存储至对应编号内。

步骤4　按照构件形状，生成构件的截面与节点对象。

步骤5　在截面表与节点表内存储截面与节点对象，并存储至对应编号内。

步骤6　按照构件形状确定单元类型，以材料、截面与节点编号为单元属性，建立单元对象。

步骤7　在单元表内存储单元对象，并存储至对应编号内。

步骤8　反复操作步骤3至步骤7，以全部构件生成相应的单元对象为止。

步骤9　按照步骤2的空间定位结果，对生成的全部单元对象进行分割和组装。

步骤10　调整材料与截面等参数，添加荷载与约束信息，完成船舶机舱BIM模型的构建。

2 实验结果分析

以一艘5300TEU船舶机舱为例，利用本文平台管理该船舶机舱全寿命周期。该船舶机舱的长度范围是34～74肋位，机舱高度区间是10000～22900 mm。机舱底部为双层，内部涵盖3层甲板，机舱底层的面积区间是4000～8000 mm。

在船舶机舱全寿命周期管理的设计阶段，利用本文平台为该船舶机舱建立BIM模型，部分机舱BIM模型构建结果如图2所示。分析可知，本文平台可有效建立船舶机舱BIM模型，且构建的BIM模型可清晰呈现机舱内的细节信息，为后续机舱全寿命周期管理，提供非常清晰的数据支持。在设计阶段，本文平台还具备检查BIM模型构建是否合理的功能。由图2可知，其中一根管线的BIM模型构建不合理，需向右旋转10°。实验证明，本文平台可有效建立船舶机舱BIM模型，并管理船舶机舱全寿命周期中设计阶段建立的BIM模型。

在船舶机舱全寿命周期管理的施工阶段，本文平台可根据设计阶段建立的船舶机舱BIM模型，实时查看实际的船舶机舱施工进度，以船舶机舱管线施工进度为例，船舶机舱管线施工进度查看结果如图3所示。分析可知，本文平台可有效查看机舱管线施工进度，机舱内管线分布较为繁琐。根据建立的BIM模型进行施工，可清晰区分各类型管线的建造位置，并了解机舱管线建造的剩余工作量，帮助施工人员实时了解机舱建造的施工进度，制定合理的施工计划，提升施工效率。实验证明，本文平台可有效管理船舶机舱全寿命周期管理的施工阶段。

利用本文平台对该船舶机舱全寿命周期的运营阶段进行管理，运用阶段管理效果如图4所示。分析可知，本文平台可有效管理船舶机舱全寿命周期的运营阶段。在运营阶段，按照本文平台设计的机舱BIM模型建造的机舱通畅性为99.8%，即通畅性较优；机舱工作人员的工作适应性为100%，即依据本文平台建造的船舶机舱工作空间较好，具备较高的工作适应性；当出现应急情况时，人员疏散成功率为98.7%，说明本文平台可有效制定应急策略，提升人员疏散效果。当船舶机舱内某设备出现故障时，本文平台可清晰呈现故障位置，帮助维修人员快速找到故障位置，加快故障维修效率。实验证明，本文平台可有效管理船舶机舱全寿命周期，并提升船舶机舱建造效果。

3 结　语

船舶机舱全寿命周期管理效果，直接影响机舱建造质量与效率。为此，依据BIM技术较强的信息共享能力与较快的应急反应速度等优势，设计基于BIM技术的船舶机舱全寿命周期管理平台，提升机舱全寿命周期管理效果，缩短机舱建造周期，提升机舱建造质量，确保船舶航行安全。