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摘 要：针对目前三维船舶电缆设计中影响电缆长度的不确定因素，提出一种基于三维软件的电缆节点表册设计方法。通过建立更精准的电缆模型信息，使电缆设计长度跟施工长度更加契合，为电缆的生产和施工提供可靠的材料定额及作业信息，从而提高电缆的设计质量和施工效率，节约物资及人力成本。
关键词：三维电缆节点表册;设计长度;施工长度
中图分类号：U662.1 文獻标识码：A
Abstract： As various factors in 3D ship cable design might affect the cable length， this paper puts forward a design method of cable node table by means of 3D software. The introduction of more precise cable model information makes the cable length in design and construction more fit， provides more reliable material quota and job information for the production and construction of cable， and improves the cable design quality and construction efficiency， save the material and labor costs.
Key words： 3D cable node table; Cable length in design; Cable length in construction
1 前言
在传统的电气生产设计中，船舶电缆长度是利用CAD在二维平面中人工测量，然后加上适当余量得到。基于二维图样得到的电缆长度容易多加或漏加，并且不易被发现，随着船舶产品结构日益复杂，这种设计模式的缺点越发明显。为此，我们采用三维建模来测量电缆长度，在三维环境中构建电缆模型数据与电缆通道模型、设备模型、设备基座模型、导架模型、贯穿件模型数据等之间的拓扑关系，其中任意一项模型数据的修改，都会带动电缆模型数据的改变，从而影响电缆的长度。这种方法计算出来的电缆长度更精确、更高效。但是，目前三维系统中电缆通道不能实现分层敷设，也查询不到任意通道内电缆的分布情况，更不能保证敷设过程中电缆之间的间隔问题。这些不确定的因素依然会影响电缆长度的准确性和施工图纸的完整性，不利于成本的控制。
基于上述原因，在三维设计系统中模拟现场敷设电缆环境，设置电缆敷设规则，智能规划电缆敷设的次序，以主干电缆节点表的形式导出电缆在桥架中排布的顺序，生成多种施工报表，为生产部门提供可靠的电缆数据信息，为施工现场提供详细的电缆敷设信息。有利于减少设计与施工之间的误差，精确统计电缆长度，节约电缆成本;有利于减少施工现场整理、消化施工图纸及临时调整电缆敷设顺序的过程，提升电缆敷设效率，节约管理与施工成本。
2 三维软件电缆设计现状
目前三维电缆设计是在三维系统中输入电缆标准数据（如：电缆型号、截面积、外径和芯数等）和电气设备数据模块，建立设备小样库、参数化部件库;通过识别电气系统图，定义电气系统图中的电缆和设备，并建立电缆与设备之间的连接关系。电气生产设计在三维软件中分别按甲板、舱室设置电缆布线通道模型，并同步完成设备模型布置;生产设计完成三维系统中与其他专业在空间布置上的干涉协调，实现图形数据处理，完成设备编号的提取和相应图形数据BOX的获取，同时可以得到准确的电缆敷设路径图以及设备布置位置;在此基础上，获取全船电缆通道及电气设备数据模块，开始三维电缆布线;电缆布线以电缆通道中心为基准，叠加三维空间内设备与设备之间拓扑关系，得到电缆长度;电缆布置完成后，依据施工工艺要求对电缆分类编制成册，并根据电缆模型生成包含电缆编号、首尾设备、经过节点和电缆长度等信息的电缆拉放表册和敷设路线图。
3 三维软件电缆设计方法存在的问题
3.1 长度测量误差大
在现有的三维软件中，电缆敷设是利用电缆通道的中心线来计算电缆长度的。而在现场施工中，每根电缆的敷设位置不可能都是从电缆通道的中心通过，这样在软件中测量得到的电缆长度与现场敷设的电缆长度存在误差。为了避免这种误差造成现场施工的返工，通常我们在测量电缆时增加一定的余量，主要包括以下几个方面：
（1）直角转弯处敷设的电缆
在电缆导架上电缆直角转弯后，外侧电缆的长度比内侧电缆的电缆长度增加
S=2L=2W，中间电缆的长度比内侧电缆的电缆长度增加 S=2 L1=W=L，如图1所示：
（2）在双层或多层电缆托架上敷设的电缆
计算多层电缆拖架上敷设的电缆余量时，需要加上导板间距H1和电缆敷设的堆高H2，电缆余量H=H1+H2（S-1），其中S为电缆拖架层数，如图2所示：
3.2 现场施工中电缆拉放次序的影响
现场作业人员敷设电缆的依据主要是：电缆走向图、电缆拉放表册、电气系统图、电缆敷设施工工艺等。传统的电缆表册只提供电缆的基本信息（如：电缆代号、规格型号、路径等），对于电缆在电缆托架中的排列布置施工人员无法直接判断，需要在敷设电缆前整理和消化施工图纸并编制电缆敷设顺序表，避免施工中出现电缆交叉、电缆分类、电缆机械损伤等问题，并且在施工过程中会发现有的电缆路径不合理，需临时调整电缆路径，修改后的电缆路径必然会影响电缆的长度，使得原先电缆表册中长度预裁的电缆不符合实际敷设长度，造成浪费。 如果在施工过程中随意拉放电缆，不仅影响施工周期，还会造成电缆破损或电路故障，并且维修起来费时又费力。因此，要把数量庞大的全船电缆敷设得合理和整齐，一方面依赖于施工人员的技术水平，另一方面需要施工人员投入大量的时间去消化施工图纸才有可能做到。
4 电缆节点表册的设计
4.1 节点设计思路
基于三维设计软件平台，完成电缆布置并将模型数据储存，结合电缆敷设工艺，在三维软件中编入电缆在托架中排列的原则，梳理电缆模型数据，按敷设顺序分析电缆在托架中的排列次序，在电缆流通的关键处设计节点，形成电缆节点数据集并写入模板（包括：电缆节点代号、电缆编号及电缆代号、节点中电缆的排列顺序等），最终以电缆节点表形式输出，如图3所示：
生成的节点表中明确规定了每一根电缆在电缆托架中的具体位置，直观反映电缆的敷设次序，为施工过程提供明确的作业信息，减少电缆理论长度与实际长度的误差，更精确控制电缆长度。
4.2 节点设计方法
在三维软件中设置电缆排序的功能，将电缆通道中布置完成的电缆按照设置的约束条件依次排列：
（1）电缆布置的先后顺序
先布置长而粗的电缆，后布置短而细的电缆;先布置主干电缆，后布置分支电缆;转弯处电缆敷设最小半径弯曲半径按电缆总外径6倍计算，如电缆外径小于25mm，其弯曲半径按外径4倍计算;
（2）电缆在导架中分束
根据电缆类别的不同，设置电缆束与束之间的间隔距离。例如：电力电缆与信号电缆分束敷设，间距不小于50mm;电力电缆与信号电缆必须交叉时，垂直彼此垂直跨越;
（3）单束电缆在导架中的排列顺序
每束电缆在电缆导架中应成梯形排列，梯形的长边（即单束电缆宽度）最大为200mm，电缆的层数一般为两层，对于小截面电缆可以超过两层，但最终电缆束的厚度不应大于80mm;。
（4）电缆的分层顺序
信号电缆、短而细的电缆敷设在最上层，电力电缆、粗而长的电缆敷设在最下层;
（5）直流网络采用多根单芯电缆并联使用时，属于同一极的电缆与另一极的电缆应交叉敷设;
（6）同一托架中有多种电缆流向时，注意电缆流向，按电缆的流出顺序依次敷设于托架外侧到内侧及电缆束的上层至下层;
（7）电缆束的截面面积与特殊电缆节点（电缆在金属贯穿装置处的节点）的截面面积之比（电缆贯穿系数），应小于0.4;
（8）对于特殊的电缆路径，必须通过相应的桥架、层次和节点，且敷设方式因地而异，需要手动方式进行调整。
4.3 節点输出
在完成三维电缆设计后，生成主干电缆拉放清册及主干电缆节点排列表册：主干电缆拉放清册主要内容是电缆基本信息（电缆编号、电缆长度、电缆停止点、电缆规格及型号、电缆首尾设备信息、电缆走向等）;电缆节点排表册主要包含：电缆节点代号汇总表及节点电缆排列表。
软件中可以选择电缆通道模型的任意位置设置节点，通过节点表生成该节点中电缆排列顺序。施工工人通过查看节点表，可以直观地了解每一根电缆的敷设位置，合理地控制电缆在托架上的布置位置，特别是拐弯处的电缆，避免电缆交错敷设。
电缆节点排列表册内容，包括：电缆节点代号汇总表和电缆接电缆排列顺序表。
5 效果验证
5.1 电缆成本降低
以某首制船为例：三维软件中测量得到电缆长度通常需加5%～10%的余量来弥补电缆在施工中不确定因素造成的误差。通过三维软件电缆建模设计，精准控制每根电缆在电缆托架上敷设位置，电缆余量只需考虑电缆首末端进入设备接线排的长度，提高了电缆测量长度精确度，可为后续电缆的采购、切割、管理、施工所需的物量与管理数据提供更精准的依据，降低电缆成本。以每根电缆长度节约5%计算，每1000公里电缆就可节约至少50公里电缆，降低成本约300万元。
5.2 提升现场施工效率和质量
电缆节点表的设计充分体现了生产部门的建造意图，每一根电缆现场敷设长度、路径、敷设顺序都一目了然。电缆节点表输出的电缆信息具有较高的作业指导性，施工人员无需花费大量的时间和精力去消化和整理施工图纸，就能快速、准确的理解施工意图，使施工过程有序、高效，也便于日后电缆的维护排查，节约了人力资源的投入。电缆节点表是充分利用三维建模的完整性，去探索便于施工、提高施工效率的电缆设计信息表达方式。
6 结语
在现代造船技术中，船舶三维建模软件以数字化设计为核心，建立完整的产品模型信息，是施工图纸的唯一信息来源。通过三维模拟电缆敷设方案，对电缆进行精细化设计，杜绝设计误差，精确控制电缆长度;通过编制主干电缆节点表，为施工部门提供更详细的作业指导信息，提升施工效率。船舶电缆造价高，使用量大，基于三维软件的主干电缆节点表册设计方法可以节约电缆成本、提升施工质量和效率。
参考文献
[1]黄喆，谢华，李一波.三维设计在电缆敷设间隔控制中的研究与应用[J].吉林电力，2017，45（6）：27-28.
[2]李翔，沈伟，杨银官.产品结构树和参数化技术在三维船舶CAD系统中的应用[J].上海造船工程学会论文集，2009.
[3]沈伟，马彦军，潘冬伟.面向协同设计的船舶电缆只能化布置软件开发与应用[J].船舶标准化工程师，2020（1）：62-67.
[4]陆群，钱莉莉，王功明，等.船舶电缆长度设计确定的一般方法及合理性分析[J].沪东中华技术情报，2013（1）：8-11.
[5]何勇.提高电缆敷设利用率的措施[J].江苏船舶，2010，27（4）：36-37.
[6]朱克平，何英静，倪瑞君等.基于GIM的模块化变电站电缆敷设三维设计[J].浙江电力，2019，38（7）：48-52.
[7]卜爱春.与建模2.0适应的生产技术准备体系优化[J]. 沪东中华技术情报，2019（1）：12-15.
关键词：三维电缆节点表册;设计长度;施工长度
中图分类号：U662.1 文獻标识码：A
Abstract： As various factors in 3D ship cable design might affect the cable length， this paper puts forward a design method of cable node table by means of 3D software. The introduction of more precise cable model information makes the cable length in design and construction more fit， provides more reliable material quota and job information for the production and construction of cable， and improves the cable design quality and construction efficiency， save the material and labor costs.
Key words： 3D cable node table; Cable length in design; Cable length in construction
1 前言
在传统的电气生产设计中，船舶电缆长度是利用CAD在二维平面中人工测量，然后加上适当余量得到。基于二维图样得到的电缆长度容易多加或漏加，并且不易被发现，随着船舶产品结构日益复杂，这种设计模式的缺点越发明显。为此，我们采用三维建模来测量电缆长度，在三维环境中构建电缆模型数据与电缆通道模型、设备模型、设备基座模型、导架模型、贯穿件模型数据等之间的拓扑关系，其中任意一项模型数据的修改，都会带动电缆模型数据的改变，从而影响电缆的长度。这种方法计算出来的电缆长度更精确、更高效。但是，目前三维系统中电缆通道不能实现分层敷设，也查询不到任意通道内电缆的分布情况，更不能保证敷设过程中电缆之间的间隔问题。这些不确定的因素依然会影响电缆长度的准确性和施工图纸的完整性，不利于成本的控制。
基于上述原因，在三维设计系统中模拟现场敷设电缆环境，设置电缆敷设规则，智能规划电缆敷设的次序，以主干电缆节点表的形式导出电缆在桥架中排布的顺序，生成多种施工报表，为生产部门提供可靠的电缆数据信息，为施工现场提供详细的电缆敷设信息。有利于减少设计与施工之间的误差，精确统计电缆长度，节约电缆成本;有利于减少施工现场整理、消化施工图纸及临时调整电缆敷设顺序的过程，提升电缆敷设效率，节约管理与施工成本。
2 三维软件电缆设计现状
目前三维电缆设计是在三维系统中输入电缆标准数据（如：电缆型号、截面积、外径和芯数等）和电气设备数据模块，建立设备小样库、参数化部件库;通过识别电气系统图，定义电气系统图中的电缆和设备，并建立电缆与设备之间的连接关系。电气生产设计在三维软件中分别按甲板、舱室设置电缆布线通道模型，并同步完成设备模型布置;生产设计完成三维系统中与其他专业在空间布置上的干涉协调，实现图形数据处理，完成设备编号的提取和相应图形数据BOX的获取，同时可以得到准确的电缆敷设路径图以及设备布置位置;在此基础上，获取全船电缆通道及电气设备数据模块，开始三维电缆布线;电缆布线以电缆通道中心为基准，叠加三维空间内设备与设备之间拓扑关系，得到电缆长度;电缆布置完成后，依据施工工艺要求对电缆分类编制成册，并根据电缆模型生成包含电缆编号、首尾设备、经过节点和电缆长度等信息的电缆拉放表册和敷设路线图。
3 三维软件电缆设计方法存在的问题
3.1 长度测量误差大
在现有的三维软件中，电缆敷设是利用电缆通道的中心线来计算电缆长度的。而在现场施工中，每根电缆的敷设位置不可能都是从电缆通道的中心通过，这样在软件中测量得到的电缆长度与现场敷设的电缆长度存在误差。为了避免这种误差造成现场施工的返工，通常我们在测量电缆时增加一定的余量，主要包括以下几个方面：
（1）直角转弯处敷设的电缆
在电缆导架上电缆直角转弯后，外侧电缆的长度比内侧电缆的电缆长度增加
S=2L=2W，中间电缆的长度比内侧电缆的电缆长度增加 S=2 L1=W=L，如图1所示：
（2）在双层或多层电缆托架上敷设的电缆
计算多层电缆拖架上敷设的电缆余量时，需要加上导板间距H1和电缆敷设的堆高H2，电缆余量H=H1+H2（S-1），其中S为电缆拖架层数，如图2所示：
3.2 现场施工中电缆拉放次序的影响
现场作业人员敷设电缆的依据主要是：电缆走向图、电缆拉放表册、电气系统图、电缆敷设施工工艺等。传统的电缆表册只提供电缆的基本信息（如：电缆代号、规格型号、路径等），对于电缆在电缆托架中的排列布置施工人员无法直接判断，需要在敷设电缆前整理和消化施工图纸并编制电缆敷设顺序表，避免施工中出现电缆交叉、电缆分类、电缆机械损伤等问题，并且在施工过程中会发现有的电缆路径不合理，需临时调整电缆路径，修改后的电缆路径必然会影响电缆的长度，使得原先电缆表册中长度预裁的电缆不符合实际敷设长度，造成浪费。 如果在施工过程中随意拉放电缆，不仅影响施工周期，还会造成电缆破损或电路故障，并且维修起来费时又费力。因此，要把数量庞大的全船电缆敷设得合理和整齐，一方面依赖于施工人员的技术水平，另一方面需要施工人员投入大量的时间去消化施工图纸才有可能做到。
4 电缆节点表册的设计
4.1 节点设计思路
基于三维设计软件平台，完成电缆布置并将模型数据储存，结合电缆敷设工艺，在三维软件中编入电缆在托架中排列的原则，梳理电缆模型数据，按敷设顺序分析电缆在托架中的排列次序，在电缆流通的关键处设计节点，形成电缆节点数据集并写入模板（包括：电缆节点代号、电缆编号及电缆代号、节点中电缆的排列顺序等），最终以电缆节点表形式输出，如图3所示：
生成的节点表中明确规定了每一根电缆在电缆托架中的具体位置，直观反映电缆的敷设次序，为施工过程提供明确的作业信息，减少电缆理论长度与实际长度的误差，更精确控制电缆长度。
4.2 节点设计方法
在三维软件中设置电缆排序的功能，将电缆通道中布置完成的电缆按照设置的约束条件依次排列：
（1）电缆布置的先后顺序
先布置长而粗的电缆，后布置短而细的电缆;先布置主干电缆，后布置分支电缆;转弯处电缆敷设最小半径弯曲半径按电缆总外径6倍计算，如电缆外径小于25mm，其弯曲半径按外径4倍计算;
（2）电缆在导架中分束
根据电缆类别的不同，设置电缆束与束之间的间隔距离。例如：电力电缆与信号电缆分束敷设，间距不小于50mm;电力电缆与信号电缆必须交叉时，垂直彼此垂直跨越;
（3）单束电缆在导架中的排列顺序
每束电缆在电缆导架中应成梯形排列，梯形的长边（即单束电缆宽度）最大为200mm，电缆的层数一般为两层，对于小截面电缆可以超过两层，但最终电缆束的厚度不应大于80mm;。
（4）电缆的分层顺序
信号电缆、短而细的电缆敷设在最上层，电力电缆、粗而长的电缆敷设在最下层;
（5）直流网络采用多根单芯电缆并联使用时，属于同一极的电缆与另一极的电缆应交叉敷设;
（6）同一托架中有多种电缆流向时，注意电缆流向，按电缆的流出顺序依次敷设于托架外侧到内侧及电缆束的上层至下层;
（7）电缆束的截面面积与特殊电缆节点（电缆在金属贯穿装置处的节点）的截面面积之比（电缆贯穿系数），应小于0.4;
（8）对于特殊的电缆路径，必须通过相应的桥架、层次和节点，且敷设方式因地而异，需要手动方式进行调整。
4.3 節点输出
在完成三维电缆设计后，生成主干电缆拉放清册及主干电缆节点排列表册：主干电缆拉放清册主要内容是电缆基本信息（电缆编号、电缆长度、电缆停止点、电缆规格及型号、电缆首尾设备信息、电缆走向等）;电缆节点排表册主要包含：电缆节点代号汇总表及节点电缆排列表。
软件中可以选择电缆通道模型的任意位置设置节点，通过节点表生成该节点中电缆排列顺序。施工工人通过查看节点表，可以直观地了解每一根电缆的敷设位置，合理地控制电缆在托架上的布置位置，特别是拐弯处的电缆，避免电缆交错敷设。
电缆节点排列表册内容，包括：电缆节点代号汇总表和电缆接电缆排列顺序表。
5 效果验证
5.1 电缆成本降低
以某首制船为例：三维软件中测量得到电缆长度通常需加5%～10%的余量来弥补电缆在施工中不确定因素造成的误差。通过三维软件电缆建模设计，精准控制每根电缆在电缆托架上敷设位置，电缆余量只需考虑电缆首末端进入设备接线排的长度，提高了电缆测量长度精确度，可为后续电缆的采购、切割、管理、施工所需的物量与管理数据提供更精准的依据，降低电缆成本。以每根电缆长度节约5%计算，每1000公里电缆就可节约至少50公里电缆，降低成本约300万元。
5.2 提升现场施工效率和质量
电缆节点表的设计充分体现了生产部门的建造意图，每一根电缆现场敷设长度、路径、敷设顺序都一目了然。电缆节点表输出的电缆信息具有较高的作业指导性，施工人员无需花费大量的时间和精力去消化和整理施工图纸，就能快速、准确的理解施工意图，使施工过程有序、高效，也便于日后电缆的维护排查，节约了人力资源的投入。电缆节点表是充分利用三维建模的完整性，去探索便于施工、提高施工效率的电缆设计信息表达方式。
6 结语
在现代造船技术中，船舶三维建模软件以数字化设计为核心，建立完整的产品模型信息，是施工图纸的唯一信息来源。通过三维模拟电缆敷设方案，对电缆进行精细化设计，杜绝设计误差，精确控制电缆长度;通过编制主干电缆节点表，为施工部门提供更详细的作业指导信息，提升施工效率。船舶电缆造价高，使用量大，基于三维软件的主干电缆节点表册设计方法可以节约电缆成本、提升施工质量和效率。
参考文献
[1]黄喆，谢华，李一波.三维设计在电缆敷设间隔控制中的研究与应用[J].吉林电力，2017，45（6）：27-28.
[2]李翔，沈伟，杨银官.产品结构树和参数化技术在三维船舶CAD系统中的应用[J].上海造船工程学会论文集，2009.
[3]沈伟，马彦军，潘冬伟.面向协同设计的船舶电缆只能化布置软件开发与应用[J].船舶标准化工程师，2020（1）：62-67.
[4]陆群，钱莉莉，王功明，等.船舶电缆长度设计确定的一般方法及合理性分析[J].沪东中华技术情报，2013（1）：8-11.
[5]何勇.提高电缆敷设利用率的措施[J].江苏船舶，2010，27（4）：36-37.
[6]朱克平，何英静，倪瑞君等.基于GIM的模块化变电站电缆敷设三维设计[J].浙江电力，2019，38（7）：48-52.
[7]卜爱春.与建模2.0适应的生产技术准备体系优化[J]. 沪东中华技术情报，2019（1）：12-15.