減輕船舶空船重量的全面優(yōu)化設(shè)計

陸 洪 度

（上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

減輕船舶空船重量已倡導(dǎo)多年，但未達(dá)設(shè)計要求的事例，時有發(fā)生，主要原因是船舶優(yōu)化設(shè)計的廣度和深度不夠。誠然，船體結(jié)構(gòu)重量占據(jù)船舶空船重量的較大部分，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對減輕船舶空船重量具有舉足輕重的作用，但船舶設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需要總體、舾裝、結(jié)構(gòu)、甲板機(jī)械、輪機(jī)、電氣等多個專業(yè)的密切配合，這些專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計也涉及到空船重量的減輕。因此，只有堅持全面優(yōu)化設(shè)計，才能有效減輕船舶空船重量。

1 主尺度

與船舶空船重量關(guān)系最大的是船舶主尺度，尤其是船長。民用船舶的基本剖面模數(shù)以及波浪彎矩均與船長的平方成比例。因此，船長直接關(guān)系到船體鋼材消耗量即空船重量。船舶的其他主尺度，如型寬、型深等，對船舶的空船重量也有負(fù)面影響。顯然，較小的船舶主尺度能有效降低船舶空船重量。

船舶基本性能的滿足和提高是以主尺度為依托的。例如型深的大小和艙容、干舷、穩(wěn)性、總強(qiáng)度等有關(guān)，滿足船舶最小干舷的型深其穩(wěn)性不一定合格，因其大傾角時船舶的回復(fù)力矩較小；再如船長也和大傾角穩(wěn)性有關(guān)。增加船長不會如增加型深那樣提高船舶重心高度，從而影響穩(wěn)性。而是重心高度不變，船舶排水量加大，即大傾角時船舶回復(fù)力矩加大，從而改善大傾角穩(wěn)性。在設(shè)計中，滿足總布置的較小船長，在型深較小的情況下，其大傾角穩(wěn)性不富裕甚至不合格便是此緣故。因此，減輕船舶空船重量，并非一味地追求小主尺度，而是選取合理的主尺度、優(yōu)化的主尺度。

船舶主尺度的選取又與總布置密切相關(guān)，優(yōu)化的總布置能減小船的主尺度。如布置合理、緊湊，能縮短船長；艙室布置合理，能有效改善船舶穩(wěn)性，減小船寬等。因此，船的主尺度應(yīng)以優(yōu)化的總布置為基礎(chǔ)，否則，所選主尺度不是經(jīng)濟(jì)型尺度。

近年來，基于對已建船舶的主尺度多元回歸分析所產(chǎn)生的主尺度軟件包[1]、船型設(shè)計與航速預(yù)報應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)[2]、正交法主尺度優(yōu)化[3]等軟件及方法的應(yīng)用有助于船舶設(shè)計師對新設(shè)計船的主尺度進(jìn)行選取和控制，易于實現(xiàn)主尺度的優(yōu)化。

設(shè)計之初，先確定主尺度，繪制中縱剖面線型，初步確定艏樓、艉樓長度、高度及干舷船長，初估設(shè)計船的方形系數(shù)等。在取得了這些數(shù)據(jù)后，便可按載重線規(guī)范，對設(shè)計船的干舷進(jìn)步初步計算。按此獲得的“最小干舷”，再稍放余量，就較正確。較之參考型船的干舷，確定設(shè)計船的干舷，要可靠得多，可避免干舷不合格的設(shè)計大錯或干舷太富裕的弊病。

2 總體造型

船舶的總體造型不僅是一個美學(xué)問題，也涉及到船舶的性能及空船重量的控制問題。

2.1 艉樓

對海洋運輸船舶而言，艉樓的設(shè)置不是強(qiáng)制性的，視需要而定。因艉樓包容了艉部上甲板的整個面積，易于在艉部上甲板布置艙室；同時艉樓的設(shè)置又加大了船舶大傾角傾斜時的排水量，從而加大了大傾角傾斜時的船舶回復(fù)力矩，改善了船舶大傾角的穩(wěn)性，也進(jìn)一步改善了船舶的破艙穩(wěn)性。只要船舶有較好的完整穩(wěn)性，才會有合格的破艙穩(wěn)性。但艉樓的設(shè)置一定程度上增加了船舶的空船重量，同時，艉系泊設(shè)備布置在艉樓甲板上，船員上下不甚方便。因此，對不設(shè)艉樓的船舶破艙穩(wěn)性不成問題時，可不設(shè)艉樓，僅設(shè)甲板室。

2.2 艏樓

各國規(guī)范對海船船首甲板高度均有要求，大多數(shù)船舶用設(shè)置艏樓或增大脊弧的辦法解決。IACS（國際船級社協(xié)會）要求所有的散貨船、油船及其兼用船均應(yīng)設(shè)置艏樓，并對艏樓的位置、高度及長度作了明確的規(guī)定。國際載重線公約1989年修正案對船首高度的計算公式進(jìn)行了修改，并要求所有B型船舶艏部應(yīng)有足夠的儲備浮力。規(guī)定了從艏垂線以后0.15船長（干舷船長）范圍內(nèi)夏季載重線以上船體及艏樓的側(cè)投影面積應(yīng)不小于修正案的要求。這里所說的側(cè)投影面積不僅和干舷有關(guān)，也和艏樓有關(guān)，艏樓的設(shè)置顯然有利于上述要求的實現(xiàn)，也有利于干舷的減少。

艏樓的設(shè)置對駕駛室可視范圍是有影響的。SOLAS公約（國際海上人命安全公約）要求從駕駛位置上所見的海面視域，在所有吃水、縱傾和甲板貨狀況下，自船首前方至任何一舷 10°范圍，均不應(yīng)有兩個船身以上的長度或 500m（取其小者）遮擋；巴拿馬運河管理委員會對通過巴拿馬運河的船舶規(guī)定在壓載航行時，從指揮位置的海面視域自船首前方不應(yīng)有大于1.5倍船長的遮擋。因此，過巴拿馬運河的船舶既要滿足SOLAS公約的要求，又要滿足巴拿馬運河的要求。

艏樓的設(shè)置同時也影響船舶空船重量。因此，艏樓的長度及高度在滿足上述要求下，取較小值為宜，長度通常不小于干舷船長的7%，以防干舷有所折減。

2.3 甲板室層數(shù)及層高

甲板室層數(shù)也涉及到空船重量，甲板室層數(shù)在滿足總布置及駕駛室可視范圍要求下，取較少層數(shù)為宜。裝潢后層高一般不低于2.0～2.1m。

3 總布置

總布置優(yōu)化時，布置合理、緊湊、兼并同類艙室等均能降低空船重量。

國內(nèi)批量建造的23000dwt雙舷側(cè)散貨船貨艙數(shù)量一度為5個，包括艉樓及艉樓上甲板室總層數(shù)為6層。有的船東要求：不設(shè)艉樓，上甲板以上甲板室總層數(shù)為5層；貨艙總長度不變，貨艙數(shù)減為4個。這種創(chuàng)新的設(shè)計理念需要論證。甲板室減少一層，總體造型及布置尚可。駕駛室位置降低，駕駛室縱向可視范圍受到妨礙。經(jīng)測算，能滿足SOLAS公約對駕駛室可視范圍的要求，但不能滿足巴拿馬運河管理局有關(guān)可視范圍的要求，這可從調(diào)整艏樓高度和將艏樓舷墻改為欄桿等措施解決。5個貨艙減為4個貨艙主要涉及破艙穩(wěn)性問題，經(jīng)計算：不設(shè)艉樓，5個貨艙減為4個貨艙，完整穩(wěn)性尚可，破艙穩(wěn)性不合格；如保留艉樓，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性均滿足要求。因此，最終的優(yōu)化方案便是保留艉樓，上甲板以上艉樓及甲板室總層數(shù)為5層，貨艙數(shù)為4個。如此優(yōu)化，減少了1層甲板室、1道橫艙壁及相關(guān)的貨艙梯、貨艙小艙口蓋、貨艙蓋附件等舾裝設(shè)施，同時也有益于裝卸貨的管理。

4 型線

4.1 艏艉上甲板邊線半寬

艏艉上甲板邊線半寬由諸多因素決定，如布置；為減少甲板上浪，艏部外板的外飄要求及整個甲板邊線的美觀問題。一般滿足布置即可，不宜過于豐滿，艏艉甲板邊線過于豐滿，有損美觀，同時也增加了甲板、外板的重量，尤其是艏部，外飄加大，抵抗波浪拍擊的外板重量也隨之增加。

4.2 上甲板梁拱

露天上甲板通常設(shè)有梁拱，以利上甲板向舷側(cè)排水，但若在艉樓或甲板室內(nèi)仍有梁拱，則對船員日常行動帶來諸多不便，尤其是大船。此外，船中與舷側(cè)的甲板高度差很大，如采用甲板敷料加以填平或其他結(jié)構(gòu)補(bǔ)救措施均將耗去大量材料，甲板重量增加很多。故露天上甲板應(yīng)設(shè)計有梁拱，而在上層建筑或甲板室內(nèi)則無梁拱或小梁拱。

5 結(jié)構(gòu)

5.1 靜水彎矩和剪力

對于船級社規(guī)定要進(jìn)行總縱強(qiáng)度校核的船舶，靜水彎矩和剪力的確定十分重要，因它是總強(qiáng)度校核的基本數(shù)據(jù)。在設(shè)計初期，固然可采用近似法予以估算，但估算有風(fēng)險。可靠的辦法是對設(shè)計船作必要的前期研究，建立電算設(shè)計靜水彎矩和剪力所必需的資料：總布置圖、型線圖、空船重量分布資料、裝載手冊等。

某一裝載工況、某一剖面船體總縱彎矩和剪力的求取應(yīng)將設(shè)計靜水彎矩、剪力與波浪彎矩、剪力分別疊加。對于波浪彎矩和剪力的計算，各船級社普遍采用IACS統(tǒng)一的波浪彎矩和剪力的計算公式。對具有甲板大開口的船舶還應(yīng)校核彎扭組合的總縱強(qiáng)度。

按上述總縱彎矩和剪力進(jìn)行設(shè)計船總縱強(qiáng)度的校核，既滿足強(qiáng)度要求，又不會使中橫剖面圖的縱向構(gòu)件尺寸過于富裕，達(dá)到有效降低建造成本和減輕空船重量的目的。

5.2 結(jié)構(gòu)形式

船體結(jié)構(gòu)形式經(jīng)優(yōu)化后具有重量輕、強(qiáng)度好（包括總強(qiáng)度及局部強(qiáng)度）、便于建造的優(yōu)點，反映在中橫剖面圖上，采用的縱向構(gòu)件盡可能小，舯剖面模數(shù)較大，且結(jié)構(gòu)工藝性好。

以近年來推廣的雙舷側(cè)散貨船為例，因其安全性較好，150m以上的散貨船較多采用。這種船型的貨艙開口邊線以外的頂邊艙及貨艙區(qū)雙層底均采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，實船建造中，頂邊艙下的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)有采用橫骨架式的，也有采用縱骨架式的。

采用橫骨架式的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)重量要大于縱骨架式的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，其原因如下：

1) 甲板貨艙開口（有的甚至是大開口）及橫骨架式的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)使貨艙區(qū)橫剖面上部參與總縱彎曲的縱向構(gòu)件偏少，為降低橫剖面上部的總縱應(yīng)力，雙舷側(cè)的外板及內(nèi)縱壁往往較厚。

2) 規(guī)范要求，船長≥90m的船舶，受船體梁彎曲和剪切應(yīng)力的板格及縱向構(gòu)件，應(yīng)作屈曲強(qiáng)度校核。橫骨架式雙舷側(cè)的外板及內(nèi)縱壁結(jié)構(gòu)因其縱向構(gòu)件較少，屈曲強(qiáng)度很可能滿足不了要求，只能通過增設(shè)短縱骨或增大板厚來滿足規(guī)范的要求，從而增加了雙舷側(cè)的重量。

3) 對國內(nèi)航行散貨船而言，規(guī)范對橫骨架式及縱骨架式的舷側(cè)外板的要求是不同的，設(shè)計的結(jié)果往往是橫骨架式的舷側(cè)外板厚度要高于縱骨架式的舷側(cè)外板。

因此，雙舷側(cè)散貨船頂邊艙下的上部雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)宜采用縱骨架式，雙舷側(cè)下部可采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。這種混合式結(jié)構(gòu)除了使雙舷側(cè)上部有較好的縱向強(qiáng)度外，雙舷側(cè)下部的舭部有較好的結(jié)構(gòu)工藝性，避免舭部縱骨裝配之忌的扭曲。

5.3 有限元分析與結(jié)構(gòu)

5.3.1 船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

局部結(jié)構(gòu)和艙段結(jié)構(gòu)的有限元分析及對新船型、超尺度比、超大尺度船舶或有特殊要求的船舶需要進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)的有限元分析。結(jié)構(gòu)的有限元分析為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了近似的數(shù)值解法，便于強(qiáng)度的檢查和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。對于強(qiáng)度不足的構(gòu)件需要調(diào)整構(gòu)件尺寸或結(jié)構(gòu)優(yōu)化來滿足強(qiáng)度要求；對于強(qiáng)度過于富裕的結(jié)構(gòu)同樣需要作構(gòu)件的折減，以提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。前者做得較好，后者則欠佳。往往結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過于富裕，并未再進(jìn)行必要的構(gòu)件折減，有限元分析的作用僅發(fā)揮了一半。

5.3.2 設(shè)備底座的甲板下加強(qiáng)

主機(jī)基座的反面加強(qiáng)可通過底座下內(nèi)底板的加厚及基座下增設(shè)雙層底旁桁材等措施解決。輔機(jī)、錨泊、系泊、拖帶、甲板起重機(jī)等設(shè)備也需作承載甲板的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)并需送審。現(xiàn)時反面加強(qiáng)一般輔以有限元計算，對加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作力的定量分析，使加強(qiáng)結(jié)構(gòu)既滿足強(qiáng)度要求，又可避免構(gòu)件尺寸過于富裕。

甲板起重機(jī)的甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)是典型的，借助于結(jié)構(gòu)有限元分析，現(xiàn)時甲板起重機(jī)的甲板加強(qiáng)已很少延伸到艙底，有的將甲板起重機(jī)基座延伸到貨艙橫艙壁的上凳，上凳內(nèi)結(jié)構(gòu)相應(yīng)加強(qiáng)。

對甲板雙起重機(jī)（旋轉(zhuǎn)平臺上有2臺單起重機(jī)），平臺下的柱體基座遠(yuǎn)較單起重機(jī)為大。對其的甲板下反面加強(qiáng)切莫采用以相同的直徑、同樣的板厚、同樣材料的筒體延伸到艙底。這樣加強(qiáng)不僅多用不少鋼材且占據(jù)貨艙寶貴的艙容，優(yōu)化的做法是僅在甲板下一段距離內(nèi)作加強(qiáng)，當(dāng)然，對這種加強(qiáng)須作結(jié)構(gòu)的有限元分析。

5.4 上層建筑及甲板室

上層建筑和甲板室通常為船員的起居和服務(wù)處所，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)結(jié)合艙室的耐火分隔。由于B級及C級耐火分隔僅為不可燃材料，不包含有鋼質(zhì)或其他等效材料制成的艙壁。 A-0級及以上的A級分隔包含有鋼質(zhì)或其他等效材料制成的艙壁及耐火隔熱材料。如此，B級及C級耐火分隔重量遠(yuǎn)低于A級耐火分隔。對于舾裝的防火區(qū)域劃分圖僅要求B級或C級耐火分隔的艙壁，應(yīng)不設(shè)鋼質(zhì)艙壁，僅設(shè)B、C級耐火分隔艙壁。

5.5 主機(jī)基座設(shè)計

CCS（中國船級社）《國內(nèi)海船建造規(guī)范》（2006）及《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2009）均對主機(jī)基座設(shè)計有明確規(guī)定：“主機(jī)基座縱桁應(yīng)與底部旁桁材設(shè)在同一平面內(nèi)，如無法辦到，則應(yīng)在機(jī)座縱桁下，設(shè)置與旁桁材同厚的局部桁材。在個別情況下，局部桁材可僅為與內(nèi)底及肋板焊接的半高桁材。”可見主機(jī)基座為坐落于內(nèi)底板上的相對獨立的鋼結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)出現(xiàn)一種整體式主機(jī)基座，即主機(jī)基座縱桁與內(nèi)底下的雙層底縱桁為一個構(gòu)件。這種設(shè)計避免了機(jī)座縱桁與雙層底旁桁材安裝錯位的弊端，但存有如下缺點：

1) 重量增加較多。規(guī)范對主機(jī)座縱桁腹板板厚要求遠(yuǎn)高于雙層底旁桁材，原本屬于雙層底的旁桁材現(xiàn)采用主機(jī)座縱桁的板厚及鄰近主機(jī)座縱桁的旁桁材因此適當(dāng)加厚，導(dǎo)致機(jī)座重量增加較多。雙機(jī)、雙槳的5000kW拖輪如采用這種形式的主機(jī)基座，重量將增加3.5t。

2) 裝焊工藝復(fù)雜，不利于基座的預(yù)舾裝。雙層底上面的基座只要劃線、安裝正確，不存在安裝錯位的問題。當(dāng)然對主機(jī)下端的油底殼低于或貼近內(nèi)底板的情況，主機(jī)基座采用整體式結(jié)構(gòu)是必須的，則另當(dāng)別論。

5.6 型材選用及T型材

5.6.1 型材選用

通過分析比較，同樣剖面模數(shù)的球扁鋼、扁鋼的橫截面積要低于不等邊角鋼。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中，橫梁、肋骨、縱骨、扶強(qiáng)材等次要構(gòu)件采用球扁鋼、扁鋼能有效降低次要構(gòu)件的重量，集裝箱船大部分縱骨采用球扁鋼或扁鋼。不等邊不等厚角鋼力學(xué)性能較好，通常尺寸較大，在超大型集裝箱船中采用較多[4]，當(dāng)然，不等邊不等厚角鋼的市場價格相對較高。

5.6.2 T型材優(yōu)化

理論研究證明：對T型材用增加腹板高度以增加剖面模數(shù)比用增加面板面積來增加剖面模數(shù)的效果更為顯著。如果腹板的厚度允許減小，增加腹板高度而不增加腹板面積來增加剖面模數(shù)的做法是比較經(jīng)濟(jì)的。因為在不提高結(jié)構(gòu)材料成本的情況下，能較大地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度功能，從而提高它的使用價值[5]。這便是T型材優(yōu)化的理論基礎(chǔ)。

在實際設(shè)計中，有的T型材的剖面模數(shù)較規(guī)范要求的剖面模數(shù)大了許多，強(qiáng)度過于富裕；有的T型材的設(shè)計有悖上述優(yōu)化原則，不經(jīng)濟(jì)。因此，有必要對T型材優(yōu)化，使所設(shè)計T型材有較小的面積，而剖面模數(shù)是較大的。

5.7 結(jié)構(gòu)設(shè)計負(fù)荷

結(jié)構(gòu)設(shè)計負(fù)荷有兩種，一種是規(guī)范明文規(guī)定的，如各層甲板計算壓頭等；另一種是設(shè)計所擬定的，如貨艙內(nèi)底平均負(fù)荷、貨艙蓋負(fù)荷等。有的散貨船兼運原木，不僅在貨艙內(nèi)裝運原木，還在上甲板及艙蓋上也裝運原木；有的貨船（散貨船、雜貨船、多用途貨船等）貨艙內(nèi)裝運鋼板卷，需注明鋼板卷的主要參數(shù)：單個鋼板卷的重量、直徑及長度、裝運幾層等；有的多用途貨船貨艙內(nèi)設(shè)吊離式或翻滾式活動二甲板，需注明活動二甲板的甲板負(fù)荷；對集裝箱船需注明貨艙內(nèi)、甲板上及艙蓋上集裝箱堆重。這些數(shù)據(jù)不僅為結(jié)構(gòu)設(shè)計所需，也為船級社、艙口蓋及集裝箱綁扎件廠家所需。

對于設(shè)計擬定的負(fù)荷需論證其合理性，負(fù)荷過高或過低都是有害的，過高是不必要的，并將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量加大。如散貨船、雜貨船、多用途貨船等貨艙在考慮了載貨量及隔艙裝載后再確定內(nèi)底平均負(fù)荷，如盲目加大，則將使貨艙雙層底重量加大許多。

5.8 刪除冗余構(gòu)件及其他

優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)是每一個構(gòu)件均有其作用，不應(yīng)存有多余無用結(jié)構(gòu)。但設(shè)計中不乏多余結(jié)構(gòu)、多余構(gòu)件，舉例如下：

1) 機(jī)器處所通常在船底板或內(nèi)底板（有的機(jī)艙為雙層底）上方一定高度處鋪設(shè)花鋼板，花鋼板下鋪設(shè)管系。船員的正常活動位于花鋼板上或花鋼板以上各層甲板或平臺上。因此，機(jī)艙逃口圍蔽結(jié)構(gòu)的下部不必延伸到船底板或內(nèi)底板上，即機(jī)艙逃口的底部應(yīng)與機(jī)艙花鋼板同高。機(jī)艙花鋼板以下的逃口圍蔽結(jié)構(gòu)便是多余的，不僅多用圍壁鋼材還多用直梯、逃口耐火分隔等舾裝材料。

2) 室內(nèi)斜梯斜板和斜板上踏步均是與艙壁相焊接的。由斜梯斜板和踏步組成的板架，能承受人員通過的負(fù)荷，強(qiáng)度是足夠的，在斜梯斜板背面再加一根扶強(qiáng)材作板架加強(qiáng)，是沒有必要的。

3) 縱骨及縱桁等構(gòu)件穿越無水密及 A級防火分隔要求的艙壁，切口均采用水密補(bǔ)板。不僅多用鋼材且焊接工作量增加不少。

4) 縱艙壁終止于橫艙壁或橫艙壁終止于縱艙壁，分別在交會處橫艙壁或縱艙壁背面另加一根垂向扶強(qiáng)材。

5) 橫梁穿越縱桁或縱骨穿越強(qiáng)橫梁，一般為隔4個肋距或4個縱骨間距設(shè)強(qiáng)構(gòu)件面板防傾肘板，設(shè)計中，縱桁或強(qiáng)橫梁的面板防傾肘板過于密集。

6) 上層建筑或甲板室內(nèi)的構(gòu)件穿越艙壁時，仍采用適用主船體的切口及補(bǔ)板，未采用適用上層建筑和甲板室的鑲嵌型切口。上層建筑和甲板室的鑲嵌型切口可免去A級耐火分隔所需要的切口水密補(bǔ)板，使材料和焊接工作量大為減少。

7) 防火區(qū)域劃分圖明確為B、C級耐火分隔的艙壁仍采用鋼質(zhì)艙壁。

8) 艏樓甲板下的支柱有效地支撐艏樓甲板負(fù)荷，強(qiáng)肋骨可認(rèn)為是舷側(cè)甲板的支撐構(gòu)件，在滿足支撐強(qiáng)度要求的情況下，靠近強(qiáng)肋骨的支柱便是多余的。

9) 《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2006）對雙層底實肋板開孔高度有明確規(guī)定：開孔的高度應(yīng)不大于該處雙層底高度的50%,否則應(yīng)予加強(qiáng)。而CSR（散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范）對實肋板的開孔高度沒有明確規(guī)定[6]，但在實際設(shè)計中，遵循上述開孔原則，不僅能確保開孔實肋板的強(qiáng)度，同時，對設(shè)計也是有益的。否則，沒有一個標(biāo)準(zhǔn)，開孔忽大忽小，對減輕實肋板重量及確保開孔實肋板的強(qiáng)度均是不利的。此原則對散貨船底邊艙實肋板的開孔也可參照應(yīng)用。

6 舾裝設(shè)計

舾裝設(shè)計內(nèi)容豐富、涉及面廣，優(yōu)化設(shè)計，減輕舾裝工程重量的潛力很大，略舉數(shù)例如下。

6.1 采用標(biāo)準(zhǔn)件

舾裝設(shè)計中普遍出現(xiàn)的一種傾向是擅自提高舾裝標(biāo)準(zhǔn)件的使用級別。如國內(nèi)船用鋼質(zhì)風(fēng)雨密門（GB/T 3477-96）A、B、C、D四個級別和門所處位置（甲板室層數(shù)、前端壁還是側(cè)壁或后端壁）有關(guān)[5]。

現(xiàn)實際的應(yīng)用情況是沒有嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求選取，較多的情況是不考慮前端壁和側(cè)壁、后端壁的差別，僅以風(fēng)雨密門所處的甲板層數(shù)來確定級別。如第一層甲板室均采用A級門，第二層甲板室均采用B級門，第三層甲板室均采用C級門等。如此，第一層、第二層、第三層甲板室的前端壁的風(fēng)雨密門的級別符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但它們的側(cè)壁及后端壁風(fēng)雨密門的級別均要比標(biāo)準(zhǔn)高一級。級別越高，重量越重。舷窗也有類似情況。該用中型舷窗的卻用了重型舷窗，該用輕型舷窗的用了中型舷窗。

6.2 艙室攔水扁鐵

艙室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置有效地調(diào)節(jié)了艙室的溫度。但在室外溫度較低時，艙室外圍壁的室內(nèi)一面會出現(xiàn)空氣冷凝水。為收集、排放這些冷凝水，需要在艙室內(nèi)的甲板上，沿外圍壁設(shè)置攔水扁鐵，并將攔水扁鐵內(nèi)聚集的冷凝水排放掉。

一般有兩種排放辦法，一種是在攔水扁鐵內(nèi)的甲板上開設(shè)甲板流水孔，并在流水孔下配置落水斗、水管等附件，將冷凝水排放至預(yù)定的處所。這種設(shè)計對艙室外圍壁不能開設(shè)流水孔的艙室（如拖推輪主甲板下或艏樓甲板下的船員艙室）是必須的，但對甲板室艙室這種設(shè)計未免繁瑣。實際的做法是在甲板室的外圍壁下緣（與甲板交接處）開設(shè)半圓形流水孔（約 R15），攔水扁鐵內(nèi)冷凝水通過此流水孔直接流淌到艙室外的露天甲板上，途經(jīng)甲板落水斗，排至舷外。因此冷凝水?dāng)?shù)量甚少，不會對船員的日常行動帶來不便和危害。在穩(wěn)性計算中，此流水孔也不作為進(jìn)水點，對穩(wěn)性沒有影響。

6.3 貨艙梯

貨艙的兩端應(yīng)設(shè)置梯子，并盡可能對角布置。駛往澳大利亞的國際航行貨船貨艙梯（直梯、斜梯、梯間平臺）需滿足AMSA（澳大利亞海事安全局）的有關(guān)規(guī)定（見表1）。

表1 澳大利亞貨艙梯配置

澳大利亞貨艙梯的一端按上表配置，另一端可用直梯組合，只是直梯長度不要超過6m，梯間設(shè)平臺。由于澳大利亞貨艙梯兼顧安全性及方便性、且配置簡單，節(jié)省鋼材，是貨艙梯的優(yōu)化設(shè)計，因此，在國際航行貨船上應(yīng)用較多，可供國內(nèi)航行貨船貨艙梯參考。

6.4 船體陰極保護(hù)

鋼質(zhì)海船和海洋工程的船體陰極保護(hù)有兩種，即犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)犧牲的陽極是數(shù)量極少的惰性陽極而使整個保護(hù)系統(tǒng)的重量大為減輕。目前已廣泛使用于水線下船體外板、海水箱、裸露的尾軸、螺旋槳、舵等。壓載水艙內(nèi)因電纜不便浸泡于海水中，而仍用犧牲陽極陰極保護(hù)。組合使用這兩種保護(hù)法的整個保護(hù)裝置的重量可比單一使用犧牲陽極陰極保護(hù)的重量減輕50%以上。因此，船舶和海洋工程的陰極保護(hù)應(yīng)優(yōu)先采用犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)的組合保護(hù)法。

6.5 拖曳設(shè)備

各種非自航海洋工程作業(yè)船舶、駁船等的調(diào)遣需要設(shè)計拖曳設(shè)備并作《拖曳設(shè)備強(qiáng)度計算書》。該計算書需滿足ZC1999年《海上拖航法定檢驗技術(shù)規(guī)則》及CCS 1997年《海上拖航指南》的規(guī)定。計算書中涉及的主拖纜和備用主拖纜的最小破斷負(fù)荷是按拖船系柱拖力Fi由表2決定[7]。

表2 主拖纜和備用主拖纜的最小破斷負(fù)荷

由主拖纜和備用主拖纜的破斷負(fù)荷確定其他拖帶設(shè)備的構(gòu)件尺寸。因此，拖船的系柱拖力是設(shè)計拖曳設(shè)備的基本參數(shù)，拖船系柱拖力的恰當(dāng)與否關(guān)系到拖曳設(shè)備的安全及設(shè)計的優(yōu)化。如拖船系柱拖力定得過低，將導(dǎo)致拖曳設(shè)備強(qiáng)度不足；反之，將導(dǎo)致拖曳設(shè)備強(qiáng)度過于富裕，拖曳設(shè)備過于笨重。

拖船的拖曳力應(yīng)等于或大于海上拖航的總阻力，如此，需計算拖船及被拖船舶的航行總阻力。海上拖航的總阻力TR可按以下經(jīng)驗公式計算[8]：

式中：Rf——被拖船舶或被拖物的摩擦阻力，kN；

RB——被拖船舶或被拖物的剩余阻力，kN；

Rft——拖船的摩擦阻力，kN；

RBt——拖船的剩余阻力，kN。以上被拖船舶或被拖物的摩擦阻力及剩余阻力均有經(jīng)驗公式可計算，拖船的摩擦阻力及剩余阻力可依據(jù)拖船設(shè)計資料或有關(guān)經(jīng)驗公式計算。

拖船系柱拖力遠(yuǎn)大于海上拖航的總阻力，大約為海上拖航總阻力的1.3～1.5倍。用表2確定主拖纜和備用拖纜的最小破斷負(fù)荷是偏于安全的，由此產(chǎn)生其他拖帶設(shè)備的構(gòu)件尺寸也是偏于安全的。

實際計算狀況分析：

1) 拖船及海上拖航的總阻力基本上不算，僅計算被拖船舶或被拖物的總阻力（被拖船舶的摩擦阻力+剩余阻力）。

2) 拖船的系柱拖力由被拖船舶或被拖物的總阻力另放余量得到。

有些非自航船的《拖曳設(shè)備強(qiáng)度計算書》，僅少數(shù)船的計算拖船的系柱拖力與被拖船舶的航行總阻力之比為1.4～2.31，達(dá)到或基本上達(dá)到拖船系柱拖力大約為海上拖航的總阻力（包括被拖船舶阻力及拖船阻力）的1.3～1.5倍這一要求。大多數(shù)船選取的計算拖船系柱拖力值偏低，有的所取拖船的系柱拖力與被拖船舶的航行阻力幾乎相等，兩者之比僅為1.01或略大，這顯然是不夠的。

從受力分析來講，被拖船舶的主拖纜或備用拖纜的破斷拉力僅與被拖船舶的航行阻力有關(guān)，與拖船的航行阻力無關(guān)，與航行總阻力僅間接有關(guān)。鑒于這一狀況，拖船計算系柱拖力的選取可直接與被拖船舶或被拖物的航行總阻力有關(guān)。上述的拖船系柱拖力大約為海上拖航的總阻力的1.3～1.5倍，扣除拖船的航行阻力，計算拖船的系柱拖力取不低于被拖船舶航行阻力的1.5倍，由此設(shè)計的拖曳設(shè)備是安全和優(yōu)化的。

7 設(shè)備配置

設(shè)備配置的優(yōu)化，不僅可使所設(shè)計的船具有較好的性能，也可降低建造成本，減輕空船重量。如國內(nèi)曾批量建造的5800dwt/6000dwt雙舷側(cè)雜貨船，該船尺度優(yōu)化，總長小于100m；僅設(shè)2個貨艙，突破了以往5000～6000dwt雜貨船設(shè)置3個貨艙的設(shè)計理念；貨艙為大開口，適宜裝運大件。該船技術(shù)先進(jìn)性及經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于同類型船，深得船東青睞，國內(nèi)多家船廠曾批量建造并出口。

該船起貨設(shè)備的配置上存有兩種意見：一種方案是每個貨艙前后各布置一套25t單桿起重機(jī)，全船計4套單桿起重機(jī)；另一種方案為在兩貨艙間布置1臺25t雙桿起重機(jī)。船東誤以為采用單桿起重機(jī)造價低于雙桿起重機(jī)，首艘船在船東的干預(yù)下采用單桿起重機(jī)方案。實船建造證明：單桿起重機(jī)安裝、調(diào)試周期長，操縱不方便、重量重、造價不低于雙桿起重機(jī)。后續(xù)批量船便均采用1臺雙桿起重機(jī)，空船重量輕了，載重量也從5800t調(diào)整為6000t，給用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)然，設(shè)備配置的優(yōu)化不僅是起貨設(shè)備，其他甲板機(jī)械、輪機(jī)、電氣等設(shè)備也有一個優(yōu)化配置問題。一般而言，先進(jìn)的設(shè)備性能好，重量一般也較輕，對減輕船舶空船重量是有益的。當(dāng)然，這涉及設(shè)備價格問題，實際使用時，由綜合技術(shù)性、可靠性、價格等因素確定。

8 結(jié) 語

因船型眾多及新船型的開發(fā)、船舶設(shè)計內(nèi)容的浩瀚、船舶設(shè)計手段的差異，全面優(yōu)化設(shè)計的舉措遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。例如：船體適當(dāng)采用高強(qiáng)度鋼、錨鏈選用高強(qiáng)度鋼、大抓力錨的選用，輪機(jī)、電氣專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計等。

多學(xué)科全面優(yōu)化設(shè)計的理念帶來的不僅是船舶空船重量的減輕，同時也可提高船舶載重量及其他船舶性能的提升，低碳、環(huán)保的綜合社會效益，是提高我國造船競爭力的一項舉措。

[1] 金平仲，榮煥宗. 造船工業(yè)節(jié)能、省耗的第一步——控制船舶主尺度[A]. 上海市造船工程學(xué)會船舶設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范專場論文集[C]. 上海：上海市造船工程學(xué)會，2005. 59-71.

[2] 何術(shù)龍，孫小江，吳建波，周斌，朱德祥. 基于互聯(lián)網(wǎng)的船型設(shè)計與航速預(yù)報應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)[J]. 上海造船，2006, (3): 45-47.

[3] 汪玉成. 正交法與船舶主尺度優(yōu)化[J]. 船舶設(shè)計技術(shù)交流，2011, (2): 1-10.

[4] 洪偉，溫保華. 萬箱級超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 上海造船，2007, (3): 25-28.

[5] 戴天授. 船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1988.

[6] IACS散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范[S]. 2006.

[7] 中華人民共和國船舶檢驗局.海上拖航法定檢驗技術(shù)規(guī)則[M]. 北京：人民交通出版社，1999.

[8] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊：舾裝分冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2002.