SOLAS 2020 破艙穩性要求對郵輪船型開發的影響研究

顧雅娟

中國船級社 上海規范研究所，上海 200135

0 引 言

近年來，客船觸礁傾覆和進水沉沒等事故屢屢發生，導致大量人員傷亡，造成巨額經濟損失。因此，亟待提高客船的安全性。國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第98 屆大會于2017 年6 月召開，會上通過了SOLAS 2020 修正案，提出了新的客船破艙穩性要求，并于2020年正式生效[1-3]。SOLAS 2020 適用于客船、客滾船、豪華郵輪和船上人員超過60 人的特種用途船舶，大幅提高了上述類型船舶的破艙穩性要求，同時修訂了客滾船的生存概率si的計算公式。如果以新要求的分艙指數R 來衡量營運中客船的破艙穩性，基本無法滿足要求，船型優化升級勢在必行。

自IMO 提出增強上述各類型船舶進水后的破艙穩性及生存能力的議題以來，國內外學者開展了大量研究[4-8]。其中，有文獻論述了豪華郵輪法規的現狀及發展趨勢，提出了新的破艙穩性評估方法以及影響其破損穩性的因素，這為開展SOLAS 2020 破艙穩性要求對我國開發同類型船舶的影響研究提供了良好基礎。但是，現有研究卻鮮有以郵輪實船為對象，原因是國外對郵輪相關技術進行了封鎖，而國內在此方面的研究尚處于起步階段，因此前人研究成果對于郵輪船型開發的指導意義有限。

本文擬通過對SOLAS 2020 破艙穩性要求進行解析，統計分析分艙指數水平的現狀，探索滿足最新分艙指數要求的船型升級方案，并分別對這些方案的效果以及對船型變化的影響程度進行分析，以應對SOLAS 2020 破艙穩性新要求對我國船舶工業帶來的沖擊。最后，將以某營運豪華郵輪為例，開展船型優化升級，使其滿足SOLAS 2020 的破艙穩性要求。

1 SOLAS 2020 的破艙穩性要求解析

1.1 SOLAS 2020 對分艙指數R 的要求

與SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 對分艙指數R 的計算公式做了修訂，具體如表1 所示。SOLAS 2020 的R 計算公式中N 的取值為船上總人數，而SOLAS 2009 中的N=N1+2N2，其中N1為配備的救生艇可容納人數，N2為N1以外船上允許載運的人數，N1和N2包括了高級船員和普通船員。

由表1 可以看出，SOLAS 2009 中分艙指數R 由分艙長度Ls，船上總人數N和配備的救生艇可容納人數N1確定，對于N 相同的不同船型，若Ls和N1不同，則要求的R也不一樣；而SOLAS 2020 中R 只與N 有關，人數越多，R 越大。

表1 郵輪分艙指數R 計算公式比較Table 1 Comparison of calculation formula for subdivision index R of cruise ships

1.2 SOLAS 2020 對生存概率si 的計算要求

對于si的計算，SOLAS 2009 中規定無需區分滾裝處所還是非滾裝處所，而SOLAS 2020 中則要求加以區分，并對含滾裝處所的破損組合進水之后的生存概率si計算公式做了部分修訂，其他規定未變。

對于生存概率，si=min{sintermediate,i, sfinal,i, smom,i}，其中sintermediate,i為在最終平衡階段之前所有進水中間階段的生存概率，sfinal,i為進水最終平衡階段的生存概率，smom,i為經受住橫傾力矩的生存概率。由實踐經驗可知，對si起決定性作用的是sfinal,i，而smom,i的計算結果通常為1。因此，可以將對si的研究簡化為對sfinal,i的研究。

SOLAS 2009 中生存概率sfinal,i的計算公式[2]為

式中：GZmax為最大正復原力臂，G Zmax≤0.12 m；Range為正復原力臂范圍，Range≤16°；k 為無量綱系數，k 的取值公式為

綜上所述，對于破損進水情況，SOLAS 2020既提高了對分艙指數R 的要求，又修訂了生存概率si的計算公式，對于船舶破艙穩性的要求也更高。

2 郵輪達到的分艙指數水平現狀

由表1 可知，由于SOLAS 2009 和SOLAS 2020中分艙指數R 的決定性參數不同，無法直接采用公式進行定性和定量比較。

本文基于Clarksons 船型數據庫進行研究。采用91 艘郵輪作為樣本，尺度如下：總噸位GT=3 200～228 081，分艙長度Ls=81.2～362.12 m，船上總人數N=100～8 880。按照SOLAS 2009 要求計算分艙指數R 時，對N1分別按照救生艇1∶1 配備和滿足最小配備要求進行計算，得到Rmin和Rmax，與按照SOLAS 2020 計算得到的R 進行比較，計算得到2 個不同要求下郵輪的R 與N 的關系圖，如圖1 所示。

圖1 要求的分艙指數R 與船上總人數N 的關系曲線Fig. 1 Curves of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

從圖1 可以看出：

1） 在N 相同的情況下，SOLAS 2020 要求的分艙指數R 比SOLAS 2009 有顯著提高；

2） 對于不同的N，R 值的提升幅度ΔR 不同，且差異非常大，具體如圖2 所示。

圖2 要求的分艙指數R 的增幅與船上總人數N 的關系曲線Fig. 2 Curves of increasing percentage of required subdivision index R with respect to total number of persons onboard N

由圖2 可見：

1）對于所有樣本郵輪，與SOLAS 2009 相比，SOLAS 2020 要求的分艙指數R 的提升幅度較大，平均增幅可達6.9%～8.7%；

2）對于船上總人數N 在900～4 000 之間的樣本郵輪，SOLAS 2020 新要求對R 的影響非常顯著，R 的增幅超過10%；

3） 當樣本郵輪N≈1 500 時，要求的分艙指數R 的增幅達到峰值，約13.5%～15%。

通過以上分析，可以得出，要求的分艙指數R 基本能代表實船達到的分艙指數A 水平。理由如下：

1） 以上分析是基于要求的分艙指數R 展開的，似乎不能代表實船達到的分艙指數A 水平。但是，在郵輪設計初期，通常先設定一個有一定安全裕度的初穩性高度值GM，在此基礎上計算A。該GM 值應能滿足所有裝載工況下的完整穩性要求并考慮足夠的余量，以應對實船建造中空船重量和重心高度發生偏差的情況。往往通過幾輪計算，不斷調整GM 值使A 逐步逼近R，最終滿足要求，因此郵輪設計中A 不會有太大的余量。

2） 舒適性是郵輪設計中考慮的另一個重要方面。其中，橫搖周期主要由GM 值決定，對于同一艘郵輪，GM 值越大，橫搖加速度越大，橫搖周期越短，乘員就會不舒服，甚至暈船。

3） 與貨船建造過程不同，郵輪建造過程中對于空船重量和重心高度的控制近乎苛刻，幾乎不允許出現正公差，出現負公差的允許范圍也很小，因此R 基本就代表A。

4） 以上是宏觀角度的分析結果。由于掌握的郵輪資料（特別是重量、重心方面的資料）非常有限，通過對僅有的兩型郵輪開展了A 指數的計算，得到了相似的結論。因此，以上對R 的分析結果基本可以代表郵輪破損進水后可達到的分艙指數A 水平。

通過上述分析還可以得出另一個重要結論，即SOLAS 2020 對于郵輪船型的開發帶來的影響非常大，無法通過簡單的船型優化滿足分艙指數要求。因此，必須開展深入研究，綜合平衡修改方案引起的其他設計修正量、造價等因素，最終選擇設計修正量和造價綜合水平最佳的方案。

3 滿足破艙穩性新要求的郵輪建議方案

在以往的郵輪設計中，如需滿足SOLAS 2020破艙穩性要求，可直接減少船上總人數N，使通過新公式計算得到的R 小于原設計方案中的A，因此，只需修改郵輪原設計方案中的船員艙室和乘客艙室。

本文將在保證N 不變的前提下，研究如何更有效、更便捷地滿足SOLAS 2020 對破艙穩性的要求。優化思路是，基于破艙穩性計算公式，結合原設計方案破艙穩性計算報告中的詳細信息，有針對性地提高破損概率pi或者生存概率si。按照由易到難、修改量由小到大的優化原則。通常可采用的方法包括：提高風雨密開口高度、提高初始工況GM 值、 設置橫貫進水裝置連通同類型艙的兩舷、 增加水密分割、 改變船型主尺度等。最終優化結果需要結合郵輪原設計方案來確定具體采取何種方案或者方案組合。

按照改動量最小的原則，首先分析原破艙穩性計算報告，找出因風雨密開口高度不夠造成累進進水而被浸沒的情況（即生存概率si值為零），適當提高所涉及的風雨密開口高度；此外，考慮提高GM 值的可能性，因為此改動對原設計方案幾乎不會產生影響。其次，若上述2 種對原設計方案影響很小的措施不能滿足新要求，可進一步考慮增加水密分艙的數量，以及增加型深、船寬、船長等對原設計方案改動較大的方案或者方案組合。最后，通過適當考慮初期投資和營運成本，選擇綜合效果最優的船型升級方案。

經過大量計算和分析，得到6 種方案（包括提高風雨密開口高度和初始工況 GM 值、增加水密分艙數量、型深、船寬和船長）的有效性及其對原設計修正量的總體情況。

1） 提高風雨密開口高度。

提高風雨密開口高度可以使郵輪在破損后的任何階段，在計及下沉、橫傾和縱傾之后，針對原設計方案在發生累進進水時外部風雨密開口不被淹沒的裕度有一定程度的增加。但如果原設計方案中風雨密開口高度已足夠高，該方案的效果將很有限。

提高風雨密開口高度對原設計方案的主要影響是增加了有關風雨密開口相連通的水密艙室結構的設計壓力，對原設計方案的修改量極小。

2） 提高初始工況GM 值。

從計算角度看，可通過提高初始工況GM值來改善破艙穩性。如果原設計的穩性有較大富余，提高GM 值的貢獻效果就比較直接、有效。但通常而言，郵輪穩性富余的情況比較少見。

從優化配載的角度看，在線型和主尺度確定的前提下，GM 值也是確定的，進一步提高GM 值意味著通過優化配載來降低全船重心高度。但對于郵輪而言，即使在滿載工況下，載重量也只占排水量的15% 左右。郵輪GM 值的提高對降低載重量部分的重心高提出了極高要求，表2 所示為相關實例。

可通過減少重心較高的貨物重量、攜帶更多的壓載水等措施來降低載重量部分的重心高度。但由表2 可見，這些措施無疑都是杯水車薪，而且還會造成有效載重量減少。

表2 提高郵輪GM 值對降低載重量重心的要求Table 2 Requirements for lowering center of gravity of deadweight as improving GM of cruise ship

3） 增加水密分艙數量。

增加水密分艙數量可以將水密分艙區域縮小。當該區域艙室發生破損導致進水時可減少進水量，提高破損后的生存概率。增加水密分艙數量的影響表現在2 個方面：1）空船重量會增加，載重量會減少；2）導致相關管系、閥件、穿艙件等數量增加，增加建造成本。總之，增加水密分艙數量對提高郵輪破艙穩性的效果非常明顯，并且對原設計方案的修改量也不大。

4） 提高型深。

在吃水不變的前提下，提高型深意味著干舷和儲備浮力增加，這可以有效提高生存概率，而實際計算結果也驗證了此結論。提高型深相較于增加水密分艙數量的方案而言，對原設計方案的修改量略大；此外，提高型深還會導致空船重心升高，空船重量和總噸位也隨之增加，導致船舶經濟性有所下降，且對于本身干舷較大的郵輪船型而言，增加型深可能達不到理想的效果。

5） 增加船寬。

增加船寬時，通過提高郵輪的橫穩性高KMT來增加GM 值，改善郵輪的破艙穩性性能。船寬增加后，一方面會導致空船重量增加，載重量減少；另一方面會增加郵輪阻力，快速性變差，需要增加推進功率來保持航速，或者降低設計航速。此方案直接改變了船舶的主尺度，對于郵輪的原設計方案改變很大。

6） 增加船長。

增加船長，同時也增加了水密分艙的數量，使得在破損工況下艙室進水量占排水量的比例下降，從而減小了橫傾角和提高了生存概率，使破艙穩性性能得到有效改善。此方案直接導致空船重量和總噸位增加，直接改變郵輪的主尺度，同時也提高了船體結構強度要求，相比原設計方案，其改動量很大。然而，在前幾個方案見效甚微的情況下，增加船長的措施在改善郵輪破艙穩性方面的效果最顯著。

為了更加直觀地比較各種方案的效果及其設計修改量帶來的影響，本文將上述修改方案的實施效果和影響船型開發的程度進行了匯總，結果如表3 所示。

表3 不同方案的效果和對船型開發的影響Table 3 Effect of different schemes and their influence on hull form development

4 應用實例分析

以船上總人數N=1 468 人的中型郵輪為例，其主要參數如表4 所示。

表4 目標郵輪主要參數Table 4 Main parameters of target cruise ship

原設計方案達到的分艙指數A=0.750 5，按照SOLAS 2020 新要求，若N 保持不變，要求的分艙指數R=0.850 2，達到的分艙指數A 需要提高約0.1，難度非常大。為此，開展船型優化，進一步驗證各方案的實施效果。

1） 提高風雨密開口高度。

通過對目標郵輪原設計方案636 個破損組合的計算結果進行分析，該郵輪的風雨密開口高度設置比較合理，進水點與最終平衡水線的高度足夠，提高風雨密開口高度的意義不大。

圖3 原設計方案舷側和雙層底分艙示意圖Fig. 3 Schematic diagram for side and double bottom subdivision of original design

2） 提高GM 值。

由于用于破艙穩性計算的初始滿載工況、部分裝載工況和輕載工況的GM 值形成的包絡線與裝載手冊中的典型工況下的GM 值相比，幾乎沒有提高的空間。同時，為了避免面臨因實船建造時可能出現的空船重量和重心位置控制不到位而導致完工破艙穩性不能滿足要求，進而被迫減少船上總人數N 的尷尬局面，最終放棄了GM 值提高所帶來的A 值增加的收益。

3） 增加水密分艙數量。

考慮在原設計方案的舷側和雙層底處具備增加水密艙壁條件的處所進行加密。

本船設置的壓載水艙很少，只在雙層底處增加3 道水密艙壁，分別重新分割淡水艙、重油艙和船用柴油艙。原設計方案和修改設計方案分別如圖3 和圖4 所示。

重新計算破艙穩性，結果達到的分艙指數A提高了0.017 25。

4） 提高型深。

上述3 個方案優化結果表明，其對本船A 值的提高效果非常有限，后續必須對船舶主尺度進行調整。

首先將型深增加0.5 m（即主甲板高度修改為10.4 m），主甲板以上甲板高度相應提高。重新計算破艙穩性，結果達到的分艙指數A 又提高了0.027 26。

圖4 增加水密艙壁方案示意圖Fig. 4 Schematic diagram of adding watertight subdivision

5） 增加船寬。

將船寬增加0.6 m（即船寬修改為29.4 m），分艙甲板以下的縱艙壁距船舯的距離基本保持不變，重新計算破艙穩性，結果達到的分艙指數A提高了0.022 59。

6） 增加船長。

在實施了方案1）～5）后，達到的分艙指數A仍不能滿足SOLAS 2020 對本船要求的分艙指數R。因此考慮在船舯區域沿長度方向增加6.8 m，船上總人數N 保持不變，對分艙甲板以下增加的部分額外分艙，重新計算破艙穩性，結果達到的分艙指數A 又提高了0.041 18，最終A=0.858 7，滿足SOLAS 2020 要求。

至此，目標船型的破艙穩性升級方案的整體思路已基本形成。代價是設計方案的大量修改和空船重量的增加，初步估算空船重量將增加約8%，同時目標船總噸位也將增加約3 200。

5 結 論

本文通過研究，得到以下結論：

1） 現有郵輪船型很難滿足SOLAS 2020 對客船破艙穩性的要求，尤其是對于船上總人數N 為1 500 人左右的郵輪，對其要求的分艙指數增幅達到了13.5%～15%；

2） 船上總人數N=900～4 000 人的郵輪是我國郵輪建造行業的研發重點，也是滿足SOLAS 2020破艙穩性要求難度最大的尺度區間。

3） 采用對原設計方案影響較小的船型升級方案，幾乎不能滿足SOLAS 2020 新要求，必須組合應用各種技術措施。

4） 本文述及的船型優化方案對改善破艙穩性的貢獻可以疊加，但一些船東和船廠為了控制設計修改量，也可能僅采用增加船長這一項技術方案，來滿足SOLAS 2020 的新要求。

5） SOLAS 2020 的新要求會導致設計周期和建造成本大幅增加，必須充分認識其對船型設計的影響，才能避免因認識不足導致巨大的經濟損失。