大型鋼質船舶設計是一個典型的面向離散型、定制型產品的綜合性系統工程，是船體、輪機和電氣等十多個不同大專業設計的集合，每個大專業又可細分為許多子專業。以廣義的船體設計大專業為例，又包括總體設計、結構設計、舾裝設計、內裝設計與工藝工法等多個子專業。
傳統的船舶設計是根據運輸的貨物、營運水域、港口設施，以及相關的法規、規范和設計任務書的具體功能要求，為某型船舶的建造和營運提供所需的全部技術文件。所有的技術文件、圖紙和計算報告等需得到船東或船級社的認可后，方可進行下一步面向建造的工藝設計工作。傳統的船舶設計和建造的工藝工法在前期雖有關聯，但本質上是割裂的。以船廠自主設計份額最大的船體結構設計為例，傳統船舶設計的交付物基本以二維圖紙為主。二維圖紙得到船東和船級社認可后，在此基礎上進行船體實尺放樣再生成二維的草圖和數據，用于現場建造；待船舶建造完成并交付時，最終的二維圖紙作為完工圖紙入庫收存并交付船東作為全生命周期的信息載體。20 世紀 80 年代末至 90 年代初，在整個工業界“甩圖板”的大潮中，船舶設計也采用了二維 CAD 軟件（如 AutoCAD）進行二維圖紙設計。在 AutoCAD 的基礎上，通過高級語言和宏命令的二次開發也衍生出一些船舶設計專用軟件，其中以AutoSHIP 最為有名。
從 20 世紀 90 年代中期開始，中國的主流船廠引進了以 KCS（Kockums Computer System）為代表的準三維設計（2.5D）；同時，多家基于工作站的三維軟件，如 UG、Pro-Engineer、CADDS5、Intergraph（鷹圖）和CATIA 等，也試圖進入船舶設計領域。不過，由于船舶建造仍然以二維圖紙為主，因此相關各方（如設計院所、船廠、船東和船級社）之間設計信息的交換媒介仍然是二維圖紙。此外，由于上述三維軟件還無法從三維模型輸出建造所需的二維圖紙交付物，加之三維軟件所需的工作站硬件費用昂貴，并且由于三維曲面和實體定義的原因而導致運行效率低下，因此在 90年代中期，三維軟件仍未能在船舶設計領域順利推進，而以二維圖紙為主要交付物的設計院所在推進三維設計的進程中則面臨更大挑戰。
相反，以 KCS 和后續升級版本 Tribon 為代表的準三維設計（2.5D）的相對優勢，使它們成為后續相當長一段時期內的船舶設計主流軟件。此外，也有一些相對小眾但頗有特色的船舶設計軟件，如西班牙 SENER 公司開發的 Foran 系統。較之于側重生產設計的 Tribon，Foran 的基本設計模塊更加貼近實際船舶設計，特別是 2003 年重寫代碼的Foran 60 版。改寫后的 Foran 60 和 Tribon 都采用船舶設計常用的特征線來定義船體線型，用理論線來表示船體結構件的對合位置，沿用傳統船舶設計的制圖慣例，而且在滿足分段結構制作精度的前提下，能比三維實體模型更加高效。Foran 現已被西門子公司收購并將被重新定位，從而使基本設計模塊和NX 系統組合成為船舶設計的全新解決方案。
2005 年以后，工業軟件的幾大巨頭陸續推出新一代三維軟件系統，進一步強化了原有的三維核心功能，再加上普遍采用了購置成本大大低于UNIX 工作站的 Windows NT 工作站，強大的軟件功能和相對低廉的硬件成本使新一代的三維 CAD軟件再次得到迅速發展。同樣，這些軟件巨頭在進行行業布局的同時也沒有放棄向船舶設計這個小眾行業拓展。達索系統、西門子和鷹圖分別以新一代系統（3D EXP、NX 和 Smart 3D）為基礎，推出了面向船舶設計的 CAD 系統；被德國 Schneider 公司收購的 AVEVA 公司也推出新一代 AVEVA Marine和 AVEVA E3D 軟 件。Smart 3D 和 AVEVA E3D 現已成為海工行業的新一代工業標準。
這些三維軟件無一不以三維數字樣船（3D digital mock-up, 3D DMU）為核心并貫穿到研發、仿真、分析、設計、制造、調試和交付的各個階段乃至全生命周期的數字孿生（Digital Twin）。對于船舶建造合同的執行來說，2-To+1-On（To specification, To quality,On schedule）十分重要，而三維仿真分析、研發設計和基于實體三維模型的建造推演對首制船型（特別是高技術復雜船型）實現 2-To+1-On 的作用是十分正面和積極的。三維數字樣船（3D DMU）的融入推動船舶設計發生了質的變革，更加確切地說是從“二維圖紙階段性的離散交付”到“面向全設計流程的三維模型”的變革。
現代船舶設計模式將走向何方？與傳統設計模式相比有什么不同？厘清“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”的概念和2 個“一體化”是十分必要的。現代船舶設計為什么要解決“怎樣造船”？因為現代工業邊設計、邊建造的離散型制造過程中，需要融合設計、建造、管理為一體，把“分道作業、成組技術和以中間產品為導向”的統籌優化理念在船舶建造中實踐和應用。船舶如何高效、高質量地建造，造船作業任務如何根據自身造船設施以及人力資源的特點和負荷進行分解與組合以達到最佳，工藝工法應如何推演等，均需要有直觀的基礎載體同數據源加以融合并實現 2 個“一體化”。這個基礎載體就是船舶設計，并且該載體已經從傳統二維圖紙逐步演變成三維模型或三維數字樣船（3D DMU）。
“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”，這 2 個概念起源于 20 世紀80 年代中后期的日本造船界。船舶設計不僅要解決“造怎樣的船”的定義，還要解決“怎樣造船”的工藝工法。
“造怎樣的船”相對容易理解，與傳統的設計模式相似，主要是完成所造船舶的功能定義，以滿足船東所訂造船舶的功能和技術指標，本文不再贅述。“造怎樣的船”對應的就是船舶設計中的合同設計、基本設計與詳細設計。
“怎樣造船”是按照現代船舶建造的基本原理，對詳細設計圖紙上定義的造船作業任務按工序或區域進行分解和組合，并將建造相關的工藝工法融入分解后列入工藝技術文件中的設計過程。在 20 世紀 80 年代的日本造船界，將定義“怎樣造船”的過程稱之為“生產設計”。“怎樣造船”的要點可以歸納為：
（1）“怎樣造船”的設計前提是按照功能 /系統設計轉換到產品作業任務的分解和組合，按照劃分的各個區域進行“怎樣造船”的區域設計；
（2）“怎樣造船”的區域設計是以中間產品為導向，按照船舶建造的作業任務性質分為殼、舾、涂這三大類，劃分成為不同的作業階段，并進行產品作業任務分解與組合，以細化描述“怎樣造船”的作業程序、工藝方法、尺寸精度以及生產資源的需求等設計過程；
（3）“怎樣造船”的設計是船廠對船舶建造計劃和工藝的策劃要求進行互動設計的工作過程。當時中國造船學習日本的生產設計模式主要是解決在“紙面上”進行模擬造船，解決“怎樣造船”的問題，把工藝工法從條文分解轉變為圖解或圖紙上的注解。
2 個“一體化”是指“設計、生產、管理一體化”和“殼、舾、涂一體化”。中國的船舶設計模式源自上世紀八九十年代的日本造船界和之后的韓國造船界，歸納起來都繞不開面向建造 2 個“一體化”的設計理念，這是長期以來日本和韓國船廠對設計和建造過程中經驗的總結和深化。
“設計、生產、管理一體化”是指設計（船舶設計）、生產（施工作業）和管理（生產管理）均以建造計劃（工藝）為主導的互動設計理論。現代船舶設計運用該理論旨在提高造船生產效率，同時更有效地降低造船成本。作為現代生產管理中的工程計劃管理，其建造計劃由 3 個層次組成，分別是：建造方法、建造方針和建造策劃。
建造方法是指生產管理部門在了解待建船舶主尺度、主要結構形式、主要設備及總體布置的基礎上，對該船進行粗略的分段劃分，確定建造的方法、施工原則和大節點安排，以便對建造周期有大致計劃。建造方針是在確定建造方法的基礎上，以船體為基礎、舾裝為中心，以現代造船工法和技術為指導，將工藝、計劃、成本、質量與施工等各方面綜合平衡后所形成建造船舶整體優化的建造方案。建造策劃是指將建造方針提出的各項具體內容在設計、施工管理的方法上加以具體落實，從技術上指明作業的順序、方式、特殊的施工注意點和技術要求，以指導生產設計和施工管理的技術文件，是后續建造過程的指導性文件。
“殼、舾、涂一體化”是指船舶設計由功能 /系統設計進入到生產設計階段，劃分為殼（船體建造）、舾（舾裝）、涂（涂裝）這三大專業，并開始進行區域設計的同步協調設計理論。運用該理論進行船舶設計旨在推進舾裝作業前移，把船舶制造過程中殼、舾、涂作業間的矛盾或將會產生的各種問題消除在生產設計的“紙面造船”作業之中。
傳統船舶設計階段的劃分不盡統一，通常有三階段、四階段和五階段之分。船舶設計的階段劃分也并非一成不變，可以根據具體船型的特點進行調整，但是基本的圖紙和技術文件內容不變。以四階段為例（參見圖 1），一般劃分為合同設計、基本設計、詳細設計和生產設計這４個階段。不同的設計階段中，設計目標、設計輸入、設計深度以及參與人員等都不盡相同，充分體現了“二維圖紙階段性的離散交付”特征，“出圖”為各個階段的主要目標。此外，還有一種劃分是基于送審設計的定義。
送審設計與合同設計、基本設計和詳細設計是并行的，其設計內容包括合同設計的一部分、基本設計的全部圖紙以及詳細設計的部分圖紙。
該階段主要目的是完成合同約定的技術文件送審，并且最終確定船舶的技術指標、功能和配套的主要設備，為開展下一步生產設計提供依據，同時規定詳細設計階段的設計內容和關鍵圖紙的設計深度。
現代船舶設計旨在以三維模型或三維數字樣船（3D DMU）為貫穿整個設計流程的“單一數據源”。在這種采用三維 CAD 設計的模式下，盡管仍可與傳統設計一樣劃分出 3 ~ 4 個設計階段，但跨設計階段的雙向數據流和交互大大增加，設計階段的劃分事實上已被模糊化。
現代船舶設計的核心理念仍然是面向需求和生產的研發和設計，但是隨著現代數字化的不斷發展，船舶設計手段發生了重大轉變，由此便產生了新的設計變革需求。
目前國內多數船廠的船舶設計仍以二維圖紙為主。通常在船型研發、基本設計和詳細設計階段采用二維圖紙，在圖紙上描述結構分布、結構形狀和結構節點，然后在生產設計階段進行三維結構建模，最后再生成二維施工圖。這樣從二維變為三維、最后又變為二維的設計模式，即前文所述的準三維設計（2.5D），此時的三維模型只是生成二維交付物的工具。
從 2D 升級到 2.5D 的設計，雖然已經引入了三維設計和分析方法，但本質仍然是基于二維圖紙的設計，傳統二維設計模式的弊端仍然存在，其中之一就是信息 / 數據孤島。信息 / 數據孤島的產生是由于設計信息跨軟件平臺靠人工傳遞，容易引起設計端和生產端對二維圖上內容的誤解，造成設計、生產的返工。隨著造船周期縮短而迫使效率不斷提升，這種信息 / 數據傳遞模式也會使設計和生產質量差錯率增大。信息 / 數據孤島還體現在設計信息同造船設施和設備之間缺乏有效的銜接端口，無法直接獲取與識別，因而造成不必要的設施、設備管理或施工管理協調成本的升高。
2.5D 設計模式中的三維模型功能單一，從建造策劃、模擬仿真、智能制造、CAE 的數據傳輸、AR/VR 建造輔助、遠程調試、人機交互以及面向全生命周期應用的數字孿生等方面來看，其顯然已經不能滿足未來船舶建造高效化、數字化和智能化的發展趨勢。因此，新的設計流程變革（process innovation, PI）和數字化轉型已迫在眉睫，需要讓三維模型針對數字樣船和數字孿生的發展方向進行重新定位。
三維工業設計軟件徹底改變了工業產品的設計模式，極大提升了設計人員處理高精度和復雜任務?的能力。如今，多數工業產品（特別是大型裝備）的復雜程度和迭代頻率都是以前難以想象的。三維工業設計軟件的應用實實在在地推動了生產力的進步，有效促進了工業產品不斷更新和迭代，其已成為當今工業界不可或缺的創新利器。
受到工業界三維設計軟件快速發展的驅動和影響，除了在船舶設計軟件堅守的 AVEVA 以外，多家大牌三維設計軟件巨頭也嘗試重新進入或拓展其在船舶設計市場的份額，其中頗具代表性、應用較廣且接受程度較高的軟件是 NX+Foran、3D EXP 和Smart 3D 等。
NX 軟件是西門子（Siemens）公司提供的面向產品全生命周期的解決方案，提供了集成、全面的產品開發解決方案。NX 軟件的強大功能主要基于各個功能模塊實現（包括CAD、CAM和CAE模塊），各模塊分別完成產品設計制造中的不同任務，從而實現高效、科學的設計制造過程。目前，NX 軟件已經升級并可支持進行下一代的設計、仿真和制造解決方案，支持實現數字孿生的價值。
Foran 是西班牙 SENER 公司開發的一款功能強大的設計軟件，其囊括了船、機、電、涂裝和舾裝等各個專業，現已成為西門子 NX 軟件下的組件。在船舶設計和建造中，從初始的概念設計、基本設計和送審設計階段，直到后期的詳細設計階段，Foran 可以應用于所有船型的設計建造，同時可以根據不同用戶的特定需求進行個性化定制。
CATIA 是由法國達索系統（Dassault Systemes）公司開發的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，現已廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子 / 電器和消費品行業。CATIA 作為達索公司產品全生命周期管理（product lifecycle management,PLM）協同解決方案的重要組成部分，可以通過三維模型幫助制造廠商設計未來產品，并支持從項目前期研發、設計、分析、模擬，到后期的組裝和維護在內的全部工業設計流程。CATIA 內有多個設計模塊，可以提供風格和外型設計、機械設計、設備與系統工程設計、數字樣機設計、機械加工設計、數值分析和模擬等，各個模塊都基于同一數據平臺，因此各個模塊之間存在真正的全相關性。CATIA最新的 V6 版本也被稱為 3D EXP。
Smart Plant 3D（即Smart 3D），是鷹圖（Intergraph）公司開發的軟件，其擁有自動化功能及規則驅動技術，可以顯著提高生產效率并有效提升設計和工程質量，特別是能夠快速準確地創建和修改模型。目前 Smart 3D 軟件可以提供制造企業所需的全部功能，并提供整個生命周期的更新和維護，同時也可以實現優化設計，提升產品的安全性、質量和生產效率。除應用于船舶行業，Smart 3D 已經成為海洋工程行業（特別是模塊設計制造）的新一代工業標準。
AVEVA Marine 是 AVEVA 軟件的 3 個核心模塊之一，也是目前在船廠應用較廣的生產設計輔助軟件。早在 1976 年，AVEVA 就開發出全球首個三維工廠設計系統 PDMS（plant design management system）。2004 年，AVEVA 收購了著名的船舶設計解決方案 Tribon，目前的 AVEVA Marine 屬于Tribon 和 PDMS 的整合升級產品。AVEVA Marine得益于高效面向對象的數據庫，在船舶行業形成了獨具優勢的工業軟件平臺。被德國 Schneider 公司收購的 AVEVA 也推出了新一代的 AVEVA Marine和 AVEVA E3D。目前，AVEVA 已經建立了一體化的工程信息管理平臺，并將制造企業整個生命周期所覆蓋的需求、設計、建造、交付、運營和改造的數據和信息全部連接起來，為整個生命周期提供決策支持，助力企業實現關聯數字孿生（connected digital twin）技術。AVEVA E3D 已經成為海洋工程行業（特別是船體設計制造）的新一代工業標準。
其他面向船舶設計領域的三維設計軟件還有CADMATIC 和 NAPA。CADMATIC 是高度集成的三維船舶與海工設計專業軟件，包含了船體、輪機、管系、空冷 / 通風、舾裝和電氣等專業，集三維設計、詳細設計和生產設計于一體；NAPA 具備快速的 3D 建模能力，可以用于船體曲面造型設計和型線設計，并在此基礎上進行總布置設計、分艙和艙容計算、性能計算分析、結構設計與分析等。這 2款軟件雖不如前文所述的軟件可以提供產品的全流程工業設計，但是在船舶行業（特別是前期設計）也占據一席之地。
三維數字樣船（3D DMU）的本質上是裝配模型（assembly models）。裝配模型是工業產品研發（product development process）的核心要素，當前的工業產品研發和設計大多依賴于 3D DMU 來評估、修改和優化設計方案，此類方式已廣泛應用于汽車、航空、航天和海事行業。
3D DMU 通常用于虛擬檢查部件，如：總體布局檢查、干涉檢查、空間分配 / 評估、裝配工藝設計、維護 / 任務系統設計、運動仿真、沉浸式模擬和附加外部數據（如有限元加載等）的可視化，并且需要通過三維工業軟件來實現。隨著大型工業軟件進入船舶設計領域，3D DMU 的理念也在船舶行業得到了廣泛應用，如圖 3 所示。
3D DMU 完成后可對整個船舶或部分進行計算機模擬。數字樣船具備和實船相似的設計功能，可輸出建造所需的數據和加工指令（包含型線設計、結構設計、舾裝設計、輪機和電氣系統設計等），還可進行各個子系統和模塊的集成設計、裝配和單元可視化設計、管系和組件的干涉檢查、功能模擬檢測、產品結構和配置等設計功能，可以為建造策劃、生產管理、工法仿真以及計劃排產管理等決策過程提供支持。
基于 3D DMU 生成的數字船體零件交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，可以直接被現場的切割和加工設備識別并用于加工制造。基于此技術生成的設備、管系等制造和安裝的三維圖紙能夠直觀地表達出各種工藝信息，用于現場的作業指導。
3D DMU 的出現為船舶設計提供了一個新的數字化信息流，其能貫穿至船舶設計整個過程乃至船舶的全生命周期。現代船舶設計由原來的分階段圖紙交付物正逐步變為以三維模型或三維數字樣船（3D DMU）為貫穿整個設計流程的“單一數據源”， 以 3D DMU 為驅動力的設計流程變革和重新定位正在到來。
船舶的數字化流程革新能夠有效提升科技競爭力、提升建造效率、適應船型的多樣化和復雜化、高效建造高附加值船舶，擴大市場份額。
隨著環境問題越來越嚴峻，同時對能源枯竭的憂慮也愈發加深，未來對船舶排放和能耗會有更高的要求，造船企業需要拓寬經營方向，向低碳化、智能化和數字化船型進行拓展。
3D DMU 的應用將使造船企業在低碳和智能船型建造上具備優勢。3D DMU 可以實現卓越設計，提供多方案的選擇和評估，在先進船型的研發和設計方面，基本設計階段就可以進行先進的仿真分析和功能集成分析，確保設計結果能夠滿足低碳、智能等相關需求和規范。
3D DMU 的應用將使造船企業有效緩解人工和材料的成本上升。基于 3D DMU 的流程設計可以提升設計效率，捕獲和重用知識工程，進行模塊化設計；基于 3D DMU 的流程設計也可以降低成本，在設計的過程中可以進行設計重用，便于進行變更影響性分析，減少返工。基于 3D DMU 的現場生產能夠提升建造效率，降低建造成本，優化資源配置，降低倉儲和運輸成本。
3D DMU 的出現，使“單一數據源”概念越來越受到運用三維設計軟件的組織或企業的重視，令 3D DMU 成為貫穿船舶設計整個過程乃至船舶全生命周期的“單一數據源”設計流程革新成功的關鍵。
數據是企業營運和管理的基礎，其數據廣泛存在于設計、生產、管理和配套等各個不同的環節和系統之中。如果想要實現企業的數字化轉型，就必須將各個獨立的系統和數據匯總并整合，形成可信賴的單一數據源（single source of truth，SSOT），如圖４所示。
數據存在于整個組織的各個系統中，這些數據一般都是獨立存儲在數據筒倉（與其他系統相隔離），這對于希望采用數據驅動（data-driven decision）決策的組織來說是巨大的挑戰，因為組織中并非所有的成員都使用相同的數據或工具進行操作。
單一數據源可以將同一組織內不同系統之間的數據進行統一管理和整合，形成可信賴的單一數據來源；單一數據源不是一種系統、工具或策略，而是一種數據的存儲和管理的狀態；單一數據源即在來自不同信息源的同一屬性信息中，作為唯一的可信賴的數據存在；單一數據源的作用是確保組織中的每個成員都基于相同的數據進行業務決策。
對造船企業而言，取得可信的單一數據源的難度主要源于以下 5 個方面：
目前的三維建模仍需以二維圖紙為基礎，基本設計階段的關鍵圖紙（如總布置圖、舯橫剖面圖或機艙布置圖等）并不能在三維軟件中直接開展設計。
對于年長的設計師而言，其雖具備了進行三維直接設計的能力，但是由于長期從事二維圖紙的繪制，對三維設計軟件的操作不熟練，故無法有效開展三維設計；年輕的設計師雖能較快地熟練操作三維軟件，但因缺少船舶設計的經驗，故也無法直接通過軟件來進行船舶總布置設計、結構設計和系統設計。
在基本設計和詳細設計階段，三維模型往往不能夠固化下來，仍需根據有限元分析的結果進行修改，而且這些有限元分析軟件都是定制的軟件，一般不能與三維模型的源文件兼容，需要進行中間格式的轉換。這種中間格式的轉換和模型
輕量化會導致部分數據丟失。
由于船舶產品的復雜度較高、外購設備的數量較多且涉及多家企業，而各個企業的三維 CAD 系統也可能不同，因此造成船舶模型中的各個組件往往由多個異構 CAD 模型組成。然而，異構 CAD 的模型裝配和干涉檢查的難度比較高，這個挑戰在送審階段往往表現得最為突出。與此同時，此階段船級社的意見在經過認可后也需要修改到三維模型中，而這些修改往往都由設計人員手工操作完成。
按照目前船廠的設計和生產模式，在船舶建造的過程中往往會因為資源配置、工藝更改、設計變更等因素產生設計更改，這些更改都需要在三維模型中進行同步更新，而這些更新將消耗大量的人力，而且模型更改速度也會影響生產現場的技術響應速度，從而對生產周期產生不利影響。
隨著船舶的交付，三維模型的歸屬和后續維護及更新成為一個問題。船廠的任務在船舶交付后就完成了，三維模型在船舶運營后的維護不在船廠工作范圍內，而對船東或營運公司而言，三維模型的后續維護目前除了增加成本外，尚無其他用途。當然，數字孿生是極有可能的發展方向，但是就目前而言，數字孿生的技術還不夠成熟。
2019 年 6 月 29 日，中國東海保障中心的大型航標船“海巡 160”在江南造船成功交付（見圖 5）。
這是全球首艘基于“單一數據源”理念并采用3D EXP 平臺，實現全船“無紙化”設計和建造的大型鋼制船舶，標志著船舶設計和建造進入了新的階段。
船級社作為船舶設計的重要參與方，如何在送審設計中保持可信賴的單一數據源，是船廠和船級社面臨的重大挑戰。這些挑戰主要體現在以下方面：
不同船廠應用的設計軟件不同，目前應用較廣的是 CATIA、AVEVA 和 NAPA 等，這些軟件建立的三維模型數據類型不同，而且往往無法互相兼容。
不同船級社的軟件也不同，而在船廠設計和建造的船往往需要對應多個船級社，因此船廠輸出的數字模型需要滿足多個船級社軟件的兼容性需求。
2021 年成立的 OCX 聯盟，成員包括所有主要的船級社、重要的 CAD 供應商以及個別設計公司和船廠。該聯盟正在致力推廣 OCX 格式的三維模型以取代傳統的二維結構圖紙。
不同軟件導出的文件信息在導入導出和格式轉換過程中可能導致數據損壞或缺失。
送審模型往往不需要制造和工藝的信息，而且對數據上傳和下載的速度有要求，因此在三維送審過程中要應用輕量化的模型。
船舶中涉及到的外來設備和系統很多，因此外來的數字模型也比較多樣。如何在保持信息準確的前提下與三維模型進行匹配，這是一大挑戰。
送審意見反饋船廠并被船廠接受后，如何檢查修改模型也是一大挑戰。
船舶設計的數字化變革需要基于全新的設計平臺，該平臺必須要以“單一數據源”為核心，并能夠實現基于 3D DMU 的船舶設計全流程，包含從基本設計、詳細設計、生產設計這 3 個階段以及物資采購所需要的全部設計功能。基于 3D DMU 的船舶3D 設計是對 2.5D 設計的全面升級和優化，是對船舶設計流程的全新變革。
下文以本公司所使用的基于達索公司開發的三維體驗設計平臺（3D EXP）為例，簡要說明現代船舶設計的數字化變革。
三維體驗設計平臺（以下稱 3D EXP）是基于單一數據源（3D 模型）的系統架構。首先，企業的產品都是基于模型來創建（定義），也就是三維建模；然后，基于同一個模型進行仿真設計，同時根據仿真的結果驅動三維設計變更（仿真驅動設計）；再基于 3D DMU 開發系統工程、基于模型制造運營，并且基于模型進行后續維護。
3D EXP 平臺繼承了產品的全生命周期理念，提供了單一數據源、全數字化和全方位的整體企業環境，同時提供全面而完整的生命周期管理，在未來可有效控制復雜、現代化、先進的船舶以及軍艦與豪華郵輪的設計與管理過程。這將提高船舶整個產品生命周期的自動化，提高效率和準確性，縮短交付時間。
3D EXP 平臺憑借其強大的幾何構型和曲面處理能力，可以使船舶設計人員采用“3D Direct”的方式直接進行船舶的總布置設計、機艙布置設計和橫剖面設計，利用幾何進行外形和幾何設計，如圖 8 所示。
“3D Direct”的設計方式能夠有效激發設計人員的創作靈感，不拘泥于傳統的圖紙或者設計模式，充分發揮設計人員的主觀創作性，可以在船舶有限的空間布置中開創新的設計形式或布置形式。相比于傳統的設計形式，“3D Direct”的設計方式更能提升設計效率。傳統的設計方式往往建立在二維圖紙的繪制之上，而“3D Direct”可以使設計人員跳過二維圖紙繪制環節，直接基于設計草圖進行結構校核，提升設計效率。
3D EXP 強大的曲面處理能力，有助于設計者設計出復雜美觀的曲面結構，并在合同設計階段快速進行技術方案的直觀展示，滿足快速市場響應的需求。圖 9 為利用 3D EXP 所展示的某型公務船效果圖。
基于3D EXP的設計流程是以三維模型為主線，各個設計階段的邊界已經模糊化了。為了便于理解，下面仍通過基本設計、詳細設計和生產設計這 3 個階段，簡單介紹基于 3D EXP 的設計流程。
基本設計階段，用點、線、面等幾何要素建立船體的外形以及概念設計的初始模型，定義甲板、主要艙壁、首尾區域和貨艙區、上建等主要區域，并布置縱向和橫向的型材；此外，還需要根據規范的要求進行必要的結構計算、分段劃分、重心統計等。基本設計階段，主要的結構和設備已經在 3DDMU 中體現，但是主要的船體結構仍然需要進行有限元結構分析，因此需要在 3D DMU 的基礎上輸出包含主要船體結構的 3D Hull DMU。
（1）輸出輕量化的模型用于進行結構分析、校核和送審；
3D Hull DMU 在基本設計階段需要提交船東和船級社進行審核，并將相關的意見修改到 3D HullDMU 中，最終的 3D Hull DMU 在取得認可后修改至 3D DMU 中。在基本設計階段，3D DMU 與 3DHull DMU 交互且涉及到多個專業，為了保證交互信息的準確性，需要對模型的輸入信息和修改權限設定相應的管理規則，確保 2 個模型保持準確和一致。
基于 3D DMU 的船體結構設計流程如下頁圖 10所示。
詳細設計一般在基本設計送審結束后啟動，也可以并行啟動。該流程在基本設計的基礎上增加所需的細節，按有關規范的規定和船東的要求，以鋼材訂貨、施工計劃推動船舶建造過程中的構件裝配和焊接要求等工藝細節處理，這些設計內容一直持續到船舶完成并準備下水為止。
該階段以 3D Hull DMU 中劃分的分段為基本單位，開展分段內的型材端部結構形式、肘板偏裝、型材貫穿孔、補板、止漏孔、流水孔、角隅孔、板過度斜、板架邊界等結構細節的設計。詳細設計階段的設計交付物包括多種格式的設計圖紙（二維PDF、三維 PDF、DXF 等）、制造物料清單和三維模型等。
生產設計階段需結合船廠的具體工藝條件和設施能力，根據工程進度對施工過程中的工藝進行設計。通常來說，船體生產設計內容主要是將各分段根據建造工藝進行拆解，分段建造是將拆解的零件根據建造工藝進行組合形成分段，是由總到分再到總的過程。這個過程中需將工藝分解至各零件，包括加工余量、裝配余量、焊接坡口、焊接收縮和裝焊工序等。基于 3D DMU 的生產設計流程主要分為：搭建裝配工藝樹、定義建造精度和定義焊接信息。
生產設計完成后，以 3D DMU 為單一數據源生成作業指令，指導后續的生產，更新并輸出“AsBuilt”模型或者 2D 圖紙來指導后續的分段和總段生產。
基于 3D EXP 的現代化制造模式：基于此技術生成的船體零件設計交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，并且可直接被切割機識別用于加工制造；此外，基于此技術生成的管子制造及安裝三維設計交付物可更加直觀地表達各項工藝信息，不僅提高工作效率，更大大減少了圖紙打印量。
此流程涵蓋船體專業在 3D EXP 的整體設計流程，其內容包含適用于 CAD/CAE 分析的簡化模型和結構模型構建方法，針對 3D EXP 船體平面零件制造端、曲面零件制造端的工藝設計，主要涉及曲板展開、支柱胎架、二次劃線和樣板工藝設計，確保滿足制造生產需求，形成船舶制造端完整的解決方案。基于 3D EXP 平臺開展工藝仿真，采用虛擬樣船取代物理樣船，通過構建虛擬工作場景及工作環境，綜合“人 - 機 - 環”系統問題，優化精準工藝設計流程，實現對工藝過程的可視化仿真及評價，在此基礎上對設計過程進行動態優化，減少施工階段修改與返工，提高設計生產效率。
基于 3D EXP 平臺和 3D DMU 的數據平臺開展工藝設計，能夠將工藝設計很好地納入到生產設計過程中，形成生產設計過程的關鍵驗證環節和完整的工藝設計流程，能夠不斷強化工藝設計在生產設計過程中的作用，為后續設計、生產提供關鍵技術支撐。
基于單一數據源的三維設計突破了傳統的船舶設計模式，推動了基于 3D DMU 的全新設計理念，奠定了船舶數字孿生技術的基礎，對船舶設計的未來發展產生了積極的推動作用。基于單一數據源的三維設計可以滿足船舶全生命周期中相關方的各種需求，從而形成全生命周期全生態系統一體化的船舶行業協同平臺。基于單一數據源的三維設計實現了從基于文件的管理模式向基于數據庫的管理模式的轉變，這一轉變能夠實現真正意義上的設計工具與管理平臺的充分融合。
此外，從高質量、可持續發展的角度來看，船舶設計的流程變革和軟件的升級除了三維數字模型以外，還需要更多突破。例如：統一的代碼和數據庫、跨接數據筒倉；船級社規范計算程序植入CAD 軟件；計算流體力學變成內嵌式的數字水池；有限元分析變成內嵌式的結構設計計算工具；有限元分析變成建造過程中即時模擬計算工具；供應鏈、供應商和材料設備數據的無縫銜接；工藝標準、檢驗標準和質量數據的納入；計劃和知識管理，船東和船級社的門戶等。雖然在船舶設計流程乃至船舶的整個生命周期，實現“單一數據源”仍然有相當長的路要走，但設計流程中的“單一數據源”并非船舶行業的終極目標，涵蓋三維設計、智能制造和供應鏈的整體數字化變革才是船舶行業高質量發展的必由之路。
原文刊載于《船舶》雜志 2023 年第2期 作者：江南造船（集團）有限責任公司 胡可一 王冰
