船舶上層建筑結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模一體化研究

張繼勛 張迎春

南通中遠川崎船舶工程有限公司江蘇南通226005

船舶上層建筑結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模一體化研究

張繼勛 張迎春

南通中遠川崎船舶工程有限公司江蘇南通226005

居住區(qū)構(gòu)造采用邊設計邊建模的作業(yè)模式，將節(jié)省整體的設計工時及模型作業(yè)工時、提高工作效率、提高設計質(zhì)量，方便舾裝設計提前作業(yè)，縮短居住區(qū)設計周期。

居住區(qū)；邊設計邊建模；結(jié)構(gòu)設計方；生產(chǎn)

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(tǒng)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(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。

（一）上層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要由前、后端壁，左右側(cè)壁、內(nèi)墻及各層甲板圍成，船體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及舾裝相關的信息，各專業(yè)作業(yè)信息叉，研討事項較多，導致結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模兩個專業(yè)作業(yè)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(cè)壁受力較大。

（三）目前設計模式及不足

按照我司傳統(tǒng)做法，在新船設計時上層建筑與其他結(jié)構(gòu)設計圖紙一樣，由結(jié)構(gòu)設計科利用AUTO CAD軟件設計出圖后，由生產(chǎn)設計科進行TRIBON三維建模，結(jié)構(gòu)設計和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計與生產(chǎn)設計之間的對應工作量較多。

（四）結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模一體化構(gòu)想

上層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行強度、振動等計算；其結(jié)構(gòu)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11006（STRUCTURAL ARRANGEMENT OF DECK HOUSE）需要獲得船東船級認可，其他詳細結(jié)構(gòu)圖僅用作結(jié)構(gòu)建模或其他部門參考。所以，省略詳細結(jié)構(gòu)圖的作業(yè)，直接建模在理論上是可以實施的。經(jīng)長期研究摸索，進行設計作業(yè)創(chuàng)新，融合結(jié)構(gòu)設計和結(jié)構(gòu)建模兩道工序，發(fā)揮各自人員的專業(yè)特長，成功實現(xiàn)居住區(qū)結(jié)構(gòu)設計與建模一體化的作業(yè)模式。

二、結(jié)構(gòu)設計和結(jié)構(gòu)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(yè)人員同時掌握兩方面的專業(yè)知識，需加強作業(yè)人員的專業(yè)知識教育，同時需要對作業(yè)流程，人員職責進行從新規(guī)定，以確保一體化作業(yè)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(guī)范計算、振動計算、強度校核、結(jié)構(gòu)布置等方面的設計知識；熟悉各種居住區(qū)內(nèi)的舾裝布置，又需掌握相關結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝、制造經(jīng)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(jié)構(gòu)建模人員進行結(jié)構(gòu)設計方面的知識學習，承擔一體化設計作業(yè)。按照構(gòu)想，組成了一個四人的上層建筑設計小組，結(jié)構(gòu)設計1人，結(jié)構(gòu)建模3人。為了適應這種作業(yè)模式，對居住區(qū)結(jié)構(gòu)設計的知識進行了全面的總結(jié)，并對結(jié)構(gòu)建模人員進行了詳細的專業(yè)知識教育，使作業(yè)者初步具備了進行詳細居住區(qū)結(jié)構(gòu)的設計技能，并在實際作業(yè)中予以指導，不斷進步。

（二）作業(yè)流程及職責劃分

為了防止作業(yè)質(zhì)量下降，實船作業(yè)時須明確各專業(yè)的職責：

1、結(jié)構(gòu)設計科負責新船上層建筑設計指導、圖紙審核、他科圖紙協(xié)議審核、船東及船級對應指導等。2、結(jié)構(gòu)建模負責一體化設計工作。在結(jié)構(gòu)設計的指導下，負責具體的結(jié)構(gòu)設計、制圖、結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)部對應及協(xié)調(diào)、船東船級間的對應協(xié)助等相關工作。3、結(jié)構(gòu)設計對最終的設計負責，結(jié)構(gòu)建模僅是具體的作業(yè)者。結(jié)構(gòu)設計仍在有資格的設計專家的控制下進行，作業(yè)質(zhì)量得到保障。4、有關圖紙協(xié)議。上層建筑其他專業(yè)相關圖紙協(xié)議仍以結(jié)構(gòu)設計方為窗口，將協(xié)議圖轉(zhuǎn)發(fā)給結(jié)構(gòu)建模作業(yè)者，由其進行協(xié)議；協(xié)議結(jié)果經(jīng)結(jié)構(gòu)設計擔當確認后，返卻給相關專業(yè)。結(jié)構(gòu)建模人員及時把協(xié)議結(jié)果落實到具體的圖紙中。

三、實船作業(yè)

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(yè)。

（一）設計要領

居住區(qū)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（11006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(jù)船舶總布置圖（G/A）、內(nèi)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(guī)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(guī)格，確定內(nèi)外壁的STIFF SPACE及STIFF規(guī)格，確定內(nèi)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(nèi)外壁、DECK BEAM、門孔等進行大骨架進行結(jié)構(gòu)建模。通過振動計算，確定GIR.的布置并計算其規(guī)格。初步設計結(jié)束后將各層甲板圖及主要截面從TRIBON中調(diào)出，導入AUTO CAD中，進行結(jié)構(gòu)計劃圖（11006）的制圖作業(yè)。11006初步完成后發(fā)給船裝、機裝、內(nèi)裝等設計科及制造部門進行協(xié)議，并進行居住區(qū)的分段劃分、組立要領和搭載要領的確定。協(xié)議結(jié)果編入11006，本圖經(jīng)結(jié)構(gòu)設計方審核簽字后，送審船東船級并配布給他科作業(yè)。

（三）詳細設計及精細化建模

基于11006及最新的舾裝來圖及其他信息，在TRIBON系統(tǒng)內(nèi)進行居住區(qū)的詳細設計及精細化建模。

按照其他專業(yè)要求進行必要的結(jié)構(gòu)及布置調(diào)整。比如：

1、加入分段縫，根據(jù)鋼材的采購規(guī)格布置板縫；2、門、窗、設備開孔的布置和調(diào)整；3、確認DECK BENM布置及規(guī)格及端部形式；4、確認GIR.布置及規(guī)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(nèi)外墻壁的板厚確認及調(diào)整，懸挑甲板下結(jié)構(gòu)加強計算和校核，他科的設備加裝在居住區(qū)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(jié)構(gòu)的連接部分，需要加強的，通知相關構(gòu)造的設計者進行補強追加。8、根據(jù)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(jù)CHECK LIST，逐項進行檢查確認設計圖紙，最終由結(jié)構(gòu)設計擔當檢查確認后簽字發(fā)行。

（四）對應事項

1、船東、船級意見對應

以結(jié)構(gòu)設計方為窗口，由結(jié)構(gòu)設計方具體負責對應事務，為提高結(jié)構(gòu)建模相關人員的結(jié)構(gòu)設計水平，可參與協(xié)助對應。處理結(jié)果指示建模相關人員具體落實。

2、內(nèi)部對應

內(nèi)部對應即指居住區(qū)建造過程中，公司內(nèi)部各部門或設備廠家間的對應。一般直接由建模作業(yè)者進行對應，結(jié)構(gòu)設計科應及時了解并進行指導。最終結(jié)果應在結(jié)構(gòu)設計擔當確認后執(zhí)行。

四、結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模一體化作業(yè)模式的優(yōu)點與不足

（一）一體化作業(yè)的優(yōu)點

1、設計周期縮短。采用設計和模型一體化作業(yè)模式，省去了結(jié)構(gòu)設計出圖的設計周期，結(jié)構(gòu)建模提前進行，模型提前完成，在結(jié)構(gòu)模型基礎上的進行舾裝作業(yè)，相應提前。我司308K VLCC整個居住區(qū)的設計周期比傳統(tǒng)提前了兩個月左右，節(jié)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(xiàn)象。作業(yè)人員直接與船、機、電相關人員協(xié)議，協(xié)議結(jié)果直接體現(xiàn)在圖紙中，取消了結(jié)構(gòu)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(yè)人員直接與船、機、電相關人員協(xié)議，協(xié)議結(jié)果直接體現(xiàn)在模型圖紙中，取消了結(jié)構(gòu)設計科傳遞信息的環(huán)節(jié)，效率提高，準確性提高。省去結(jié)構(gòu)詳細設計圖紙的制作，如11601、11602等，模型RELEASE圖與結(jié)構(gòu)圖合二為一，減少了二維結(jié)構(gòu)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(chǎn)設計及制造經(jīng)驗，模型比較直觀，能很方便地發(fā)現(xiàn)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(xiàn)場的返工，設計出的結(jié)構(gòu)更加方便制造，提高了制造效率。5、擴展員工作業(yè)技能。一體化作業(yè)人員，掌握和融合了兩個專業(yè)的知識，增加了員工技能，充分體現(xiàn)了我司著重培養(yǎng)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(yè)不再乏味枯燥，作業(yè)強度降低，提高了作業(yè)者的學習積極性與主動能動性。

（二）一體化作業(yè)的不足

由于一體化作業(yè)周期提前，在詳細設計與精細化建模階段，其他專業(yè)有些信息不能及時準確給出，導致后期TRIBON系統(tǒng)中模型修正量增大，浪費了工時。一體化作業(yè)還需要舾裝等相關專業(yè)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(jié)

通過目前幾艘實船設計驗證，我司采用的上層建筑結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)建模一體化的作業(yè)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(yè)目前尚在進一步完善階段，相信在累積更多經(jīng)驗以后，一體化作業(yè)可在更大范圍內(nèi)推廣，以提高設計效率、縮短設計周期。