船舶上層建筑結構設計與結構建模一體化研究

張繼勛 張迎春

【摘要】居住區構造采用邊設計邊建模的作業模式，將節省整體的設計工時及模型作業工時、提高工作效率、提高設計質量，方便舾裝設計提前作業，縮短居住區設計周期。

【關鍵詞】居住區；邊設計邊建模；結構設計方；生產

一、設計背景

船舶上層建筑是指上甲板以上的各種圍蔽建筑物的統稱，它可以設置各種用途的艙室，如工作艙室、生活艙室、儲藏艙室、儀器設備艙室等。駕駛室一般設置在上層建筑的頂層，視野較好。通常在首部的上層建筑成為首樓，在尾部的上層建筑成為尾樓。此外上層建筑還設置在機艙上方，用以圍蔽機艙開口，又叫做機艙棚，通常和煙囪結構結合在一起。

（一）上層建筑結構特點

上層建筑的功能主要是船員居住、工作及儲藏部分工具，其結構主要由前、后端壁，左右側壁、內墻及各層甲板圍成，船體結構相對平直方整，非常直觀，但是詳細設計圖紙量比較多，承載了大量的結構及舾裝相關的信息，各專業作業信息交叉，研討事項較多，導致結構設計與結構建模兩個專業作業量均較大且繁瑣。

（二）上層建筑受力特點

由于上層建筑位于干舷甲板以上，且一般不大于船長的0.15倍，很少承受船舶的總縱彎曲應力，因此在計算時不參與總縱強度計算。受力主要來自局部載荷，上層建筑外墻受力主要來自波浪沖擊力，尤其是上層建筑第一層沒有保護的前端壁及側壁受力較大。

（三）目前設計模式及不足

按照我司傳統做法，在新船設計時上層建筑與其他結構設計圖紙一樣，由結構設計科利用AUTO CAD軟件設計出圖后，交由生產設計科進行TRIBON三維建模，結構設計和結構建模使用不同的設計軟件，兩種軟件完全獨立，導致這種模式設計周期長，大量的舾裝信息二次傳遞，重復勞動多，且前期設計瑕疵較多，容易出錯，結構設計與生產設計之間的對應工作量較多。

（四）結構設計與結構建模一體化構想

上層建筑結構相對獨立，不需要考慮總縱強度、外板線型的影響，僅需要對其本身結構進行強度、振動等計算；其結構設計圖紙不需要像其他船體圖紙那樣需要船東及船級社審核，僅計劃圖11-006（STRUCTURAL ARRANGEMENT OF DECK HOUSE）需要獲得船東船級認可，其他詳細結構圖僅用作結構建模或其他部門參考。所以，省略詳細結構圖的作業，直接建模在理論上是可以實施的。經長期研究摸索，進行設計作業創新，融合結構設計和結構建模兩道工序，發揮各自人員的專業特長，成功實現居住區結構設計與建模一體化的作業模式。

二、結構設計和結構建模一體化設計模式準備工作

由于一體化設計模式需要作業人員同時掌握兩方面的專業知識，需加強作業人員的專業知識教育，同時需要對作業流程，人員職責進行從新規定，以確保一體化作業的準確性。

（一）設計人員必要的知識與教育

一體化設計人員須熟練掌握上層建筑規范計算、振動計算、強度校核、結構布置等方面的設計知識；熟悉各種居住區內的舾裝布置，又需掌握相關結構的生產工藝、制造經驗；熟悉AUTO CAD操作方法及熟練掌握TRIBON建模能力。在綜合考慮后，由結構建模人員進行結構設計方面的知識學習，承擔一體化設計作業。按照構想，組成了一個四人的上層建筑設計小組，結構設計1人，結構建模3人。為了適應這種作業模式，對居住區結構設計的知識進行了全面的總結，并對結構建模人員進行了詳細的專業知識教育，使作業者初步具備了進行詳細居住區結構的設計技能，并在實際作業中予以指導，不斷進步。

（二）作業流程及職責劃分

為了防止作業質量下降，實船作業時須明確各專業的職責：

1、結構設計科負責新船上層建筑設計指導、圖紙審核、他科圖紙協議審核、船東及船級對應指導等。2、結構建模負責一體化設計工作。在結構設計的指導下，負責具體的結構設計、制圖、結構建模、內部對應及協調、船東船級間的對應協助等相關工作。3、結構設計對最終的設計負責，結構建模僅是具體的作業者。結構設計仍在有資格的設計專家的控制下進行，作業質量得到保障。4、有關圖紙協議。上層建筑其他專業相關圖紙協議仍以結構設計方為窗口，將協議圖轉發給結構建模作業者，由其進行協議；協議結果經結構設計擔當確認后，返卻給相關專業。結構建模人員及時把協議結果落實到具體的圖紙中。

三、實船作業

采用新的設計模式，我司對28，000噸多用途船、61，000噸散貨船、60，000噸大開口散貨船、308，000噸VLCC、36，000噸多用途船等船舶上進行了一體化設計作業。

（一）設計要領

居住區邊設計邊建模模式設計主要分二部分：一是初步設計及建模（11-006制作）；二是詳細設計及精細化建模（各層甲板RELEASE圖制作）。

（二）初步設計及建模

根據船舶總布置圖（G/A）、內裝布置圖等確定鋼墻的布置，確定暴露甲板的傾斜坡度及走向；通過規范計算和振動計算，確定各甲板和鋼墻的厚度，確定DECK BEAM SPACE及DECK BEAM規格，確定內外壁的STIFF SPACE及STIFF規格，確定內壁波形壁布置。初步確定主要的分段劃分，利用TRION軟件對甲板、內外壁、DECK BEAM、門孔等進行大骨架進行結構建模。通過振動計算，確定GIR.的布置并計算其規格。初步設計結束后將各層甲板圖及主要截面從TRIBON中調出，導入AUTO CAD中，進行結構計劃圖（11-006）的制圖作業。11-006初步完成后發給船裝、機裝、內裝等設計科及制造部門進行協議，并進行居住區的分段劃分、組立要領和搭載要領的確定。協議結果編入11-006，本圖經結構設計方審核簽字后，送審船東船級并配布給他科作業。

（三）詳細設計及精細化建模

基于11-006及最新的舾裝來圖及其他信息，在TRIBON系統內進行居住區的詳細設計及精細化建模。

按照其他專業要求進行必要的結構及布置調整。比如：

1、加入分段縫，根據鋼材的采購規格布置板縫；2、門、窗、設備開孔的布置和調整；3、確認DECK BENM布置及規格及端部形式；4、確認GIR.布置及規格，部材貫穿孔追加、肘板的確定及GIR.端部形式的確認。5、確認電梯井加強材的布置及頂部吊鋼絲繩用的橫梁設計。6、內外墻壁的板厚確認及調整，懸挑甲板下結構加強計算和校核，他科的設備加裝在居住區甲板或壁上，進行強度校核，布置補強材加強。7、確認與周邊結構的連接部分，需要加強的，通知相關構造的設計者進行補強追加。8、根據制造要求，追加焊接收縮量、撘載余量、坡口、過焊孔、添加防變形條材等相關信息。等等。根據CHECK LIST，逐項進行檢查確認設計圖紙，最終由結構設計擔當檢查確認后簽字發行。

（四）對應事項

1、船東、船級意見對應

以結構設計方為窗口，由結構設計方具體負責對應事務，為提高結構建模相關人員的結構設計水平，可參與協助對應。處理結果指示建模相關人員具體落實。

2、內部對應

內部對應即指居住區建造過程中，公司內部各部門或設備廠家間的對應。一般直接由建模作業者進行對應，結構設計科應及時了解并進行指導。最終結果應在結構設計擔當確認后執行。

四、結構設計與結構建模一體化作業模式的優點與不足

（一）一體化作業的優點

1、設計周期縮短。采用設計和模型一體化作業模式，省去了結構設計出圖的設計周期，結構建模提前進行，模型提前完成，在結構模型基礎上的進行舾裝作業，相應提前。我司308K VLCC整個居住區的設計周期比傳統提前了兩個月左右，節約了大約1500工時。2、有效避免信息的二次傳遞造成的錯誤現象。作業人員直接與船、機、電相關人員協議，協議結果直接體現在圖紙中，取消了結構設計科對信息的二次傳遞。3、設計工時明顯減少。減少信息的二次傳遞，提高了信息傳遞的效率及準確性，模型作業人員直接與船、機、電相關人員協議，協議結果直接體現在模型圖紙中，取消了結構設計科傳遞信息的環節，效率提高，準確性提高。省去結構詳細設計圖紙的制作，如11-601、11-602等，模型RELEASE圖與結構圖合二為一，減少了二維結構圖紙制圖及不必要的重復事務性工時。4、設計不具合減少、且更合理。由于建模人員具備生產設計及制造經驗，模型比較直觀，能很方便地發現一些比較隱蔽的設計錯誤和不合理設計，可以及時進行修正，大幅度提高了設計合理性與正確性，設計不具合大大減少，減少現場的返工，設計出的結構更加方便制造，提高了制造效率。5、擴展員工作業技能。一體化作業人員，掌握和融合了兩個專業的知識，增加了員工技能，充分體現了我司著重培養多技能復合型人才的人才策略，邊設計、邊建模，使原先簡單枯燥的建模作業不再乏味枯燥，作業強度降低，提高了作業者的學習積極性與主動能動性。

（二）一體化作業的不足

由于一體化作業周期提前，在詳細設計與精細化建模階段，其他專業有些信息不能及時準確給出，導致后期TRIBON系統中模型修正量增大，浪費了工時。一體化作業還需要舾裝等相關專業給予適當配合，上層建筑舾裝布置設計盡量提前，并盡早取得船東的認可，以減少后期的修改工作量。

五、總結

通過目前幾艘實船設計驗證，我司采用的上層建筑結構設計與結構建模一體化的作業模式，有效地提高了設計及制造效率，上層建筑設計周期大幅縮短。一體化作業目前尚在進一步完善階段，相信在累積更多經驗以后，一體化作業可在更大范圍內推廣，以提高設計效率、縮短設計周期。