內河船舶系泊布置設計研究

吳 彬 俞 赟 何夏茵

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

近年來，內河水運越來越受到國內的重視，內河航運的發展將成為我國經濟發展強有力的重要支撐點，也是我國一個整體的戰略目標和重要的對策［1］。內河水運具有運量大、運價低、能耗省、占地少、污染輕以及安全等獨特優勢，適合長距離大宗貨物運輸，是綜合運輸中最符合可持續發展戰略要求且最節約能源和資源的綠色運輸方式，為區域經濟社會發展作出了重要貢獻［2］。

內河航運不斷發展，在帶動區域經濟發展的同時，也使內河船舶數量日益增多、航行密度不斷增大；而內河河道彎曲、水文復雜，使內河船舶航行安全日趨嚴峻，船舶碰撞事故時有發生［3］。保證船舶的安全，除保證其航行安全之外，也要保證船舶在碼頭時的系泊安全。在惡劣的環境條件下，系泊船舶對碼頭的撞擊既可能造成纜繩斷裂和船舶結構損傷，也可能引發危及碼頭安全等相關事故［4］。

本文以某型三峽升船機船型滾裝船所設計的系泊布置的特點為例，探討內河船舶系泊布置設計方法和設計要點。

1 限制條件

內河船舶因其自身的特點，在設計系泊布置時，應考慮以下限制條件：

（1）船舶設計的總體布局需求，即系泊布置功能區的范圍限定。

（2）船舶靠離碼頭的使用需求。內河船舶停靠的碼頭多為浮式躉船碼頭，圖1所示為某型內河船舶靠泊時船尾超出浮式躉船碼頭范圍。

圖1 某型內河船舶靠泊時船尾超出浮式躉船碼頭范圍

（3）船舶通航船閘或通航升船機的使用需求。內河船舶的營運航線可能會經過船閘或升船機，如長江流域的葛洲壩船閘和三峽升船機、珠江流域的長洲船閘和巖灘升船機、閩江流域的沙溪口船閘和水口升船機等。圖2所示為按間距設置浮式系纜樁的船閘閘室，圖3所示為按間距設有系纜樁的升船機承船廂。

圖2 按間距設置浮式系纜樁的船閘閘室

圖3 按間距設有系纜樁的升船機承船廂

2 設計方法

2.1 環境條件的確定

內河船舶的系泊布置設計，與其靠泊碼頭的環境條件息息相關。

按中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》（2016），以下簡稱《鋼內規》，不同航區航段的水流和波浪情況見表1。［5］

表1 航區航段分級

按可查得的風速與有義波高的關系表，有義波高2.0 m對應的風速為10 m/s，有義波高1.25 m對應的風速為8 m/s，有義波高0.5 m對應的風速為4 m/s。

2.2 舾裝數計算

按《鋼內規》，舾裝數計算的主要要求和公式如下：

各種航行裝載工況下船舶的舾裝數N應按式（1）計算確定。

式中：Ls為計算工況下的水線長度，m；B為船寬，m；ds為計算工況下船舯處的吃水，m；b為上層建筑、甲板室圍壁、裝載集裝箱等貨物（如有時）在船舶橫剖面上的最大投影寬度，m；H為在船體中縱剖面處計算工況吃水線以上主體及上層建筑（甲板室）各層寬度大于B/4艙室、裝載集裝箱等貨物（如有時）在船舶橫剖面上的投影高度之和（不重復計入），m；S為計算工況吃水線以上主體及上層建筑（甲板室）的側投影面積，m2；K1、K2為系數，按《鋼內規》第1篇第3章第4節3.4.2.1，根據航區、船長、船型、流域等的不同進行選取。

跨航區船舶，舾裝數取不同航區計算值之大者。［5］應特別注意 ：《鋼內規》（2014）第 1篇第3章第4節3.4.2.1中，舾裝數計算公式的ds為滿載設計吃水，系數K1和K2的取值與《鋼內規》有很大差異；而《鋼內規》（2019修改通報），將系數K1和K2的取值又作了調整。

2.3 系泊設備的選型

按《鋼內規》，系泊設備選型的主要要求如下：

（1）船上所配備的系船索應根據舾裝數按《鋼內規》第1篇第3章第4節3.4.3.1規定的最小破斷拉力選取。系船索的數量根據船舶種類和營運條件確定，若船東要求，可適當增加或減少。

（2）系船索可以是鋼絲繩、植物纖維繩或合成纖維繩。

（3）系船索的長度應根據船舶種類和營運條件確定。

（4）系纜樁的數量應根據船舶種類、營運條件和結構形式確定。舷墻上應開設導纜孔，孔與樁之間需相互偏移足夠距離；如果無舷墻或舷墻較高，則應設導纜鉗。

（5）系纜樁、導纜鉗等系泊設備應根據所選配的系船索尺寸和破斷力選用相應標準尺寸。如若自行設計，則按所選配的系船索的破斷力進行強度計算，其許用應力應不大于材料屈服極限的95%。［5］

針對上述要求，系泊附件建議優選ISO標準，依據清晰、選型明確、給出強度計算方法。如帶纜樁標準ISO 13795，經研究，帶纜樁設計可靠，在腐蝕和磨損方面均妥善考慮，從而提高船舶的安全性，減少船舶事故方面的經濟損失。［6］

2.4 系泊布置設計和限制條件的匹配

內河船舶的系泊布置，應根據限制條件，進行合理設計。

2.4.1 與船型總體布局匹配

模型預測控制(Model Predictive Control, MPC)能夠有效處理非精確建模的多變量非線性動態系統，被看作是處理隨機多階優化問題的有效手段之一，從而在供應鏈管理領域中得以有效應用[1-8]。MPC可以通過一個優化函數有效跟蹤渠道的庫存水平以滿足客戶需求，該被優化目標函數可以是供應鏈績效的一個適當的測量值。在存在干擾和隨機需求下，模型預測控制可以實現供應鏈的穩定性和魯棒性。

按《鋼內規》的設計要求，以船舶相應的航區、航段、船長、船型和流域等信息，進行舾裝數的計算和系泊設備的選型，確定系船索的數量和最小破斷負荷。

按船型進行總體布局設計，確定系泊功能區的位置和大小，以確定的系船索數量和最小破斷負荷，初步設計船舶的系泊布置。一般說來，船舶首尾區域在全船寬范圍內都應劃定為系泊功能區，系泊功能區的長度按船型不同相對差異較大，但應至少滿足較為適宜的系泊布置，并應考慮系纜操作的方便性和船員通道的安全性。

2.4.2 與碼頭系泊匹配

內河船舶的營運航線較為固定，應充分了解船舶停靠碼頭的允許系泊情況，對初步設計的系泊布置進行適當調整。此時，應充分考慮到如圖1所示的情況：浮式躉船碼頭因泊位空間有限，在多船同時靠泊碼頭時，易出現船舶停靠時其船首或船尾超出碼頭范圍的情況。因此，有必要在船舯區域增設系泊功能區，使碼頭系泊更為可靠和穩妥。

2.4.3 與通航船閘或升船機匹配

內河船舶的營運航線在不同的水域，通航的船閘或升船機也不盡相同，船舶往往需要在船閘閘室或升船機承船廂內進行系纜操作。船閘閘室一般為垂直水泥壁，其內按間距設置浮式系纜樁，如前頁圖2所示；升船機承船廂為自帶鋼質護舷的鋼制結構，其平臺上按間距設有系纜樁，如前頁圖3所示。按照船舶所通航的船閘閘室或升船機承船廂內的系纜樁布置（如通航升船機，則應匹配船舶主尺度），基于已匹配碼頭情況的系泊布置，再進行適當調整；對于船舯區域設置的系泊功能區，應注重與系纜樁布置相匹配，從而兼顧船閘閘室或升船機承船廂內的系纜操作的方便性，并充分考慮船閘閘室內船對船臨時系泊的系纜操作的方便靈活。

2.4.4 系泊計算復核（可選）

《系泊設備指南》（MEG4）［7］中的系泊計算，是對船舶系泊布置設計與環境條件進行的匹配計算，方法是通用的。雖然其描述是適用于液貨船，但對其他船型同樣具有指導意義。

按上述設計確定最終系泊布置后，以《鋼內規》所要求的環境條件為基準，復核系泊布置是否滿足設計需求，《鋼內規》對系泊計算，未有相關要求或計算公式。參照《系泊設備指南》（MEG4）中的相關內容，公式如式（2）至式（7）所示［7］，坐標體系見圖2。

式（2）至式（7）中：FXw和FXc為縱向風力和縱向流力，N；FYw和FYc為側向風力和側向流力，N；MXYw和MXYc為偏轉風力矩和偏轉流力矩，N·m；CXw和CXc為縱向風阻系數和縱向流阻系數；CYw和CYc為橫向風阻系數和橫向流阻系數；CXYw和CXYc為偏轉風力矩系數和偏轉流力矩系數；ρw和ρc為空氣密度和水密度，kg/m3；Vw和Vc為風速和流速，m/s；AT和AL為船舶的正投影面積和船舶的側投影面積，m2；LBP為船舶的垂線間長，m；T為船舶的吃水，m。［7］

圖4 《系泊設備指南》（MEG4）規定的系泊計算坐標體系

綜上所述，內河船舶因航區、航段、船長、船型、流域等的不同，依自身特點，除了在船舶首尾區域設計系泊布置外，船舯的必要區域也應按需設計系泊布置。

3 實船案例

根據上述設計方法，下文以筆者參與設計的某型三峽升船機船型滾裝船實船案例，探討內河船舶系泊布置的設計要點。

3.1 主尺度

該型船的主尺度見下頁表2。

3.2 舾裝數計算值及系船索的規范選型

根據《鋼內規》的舾裝數計算公式，即式（1），該型船的舾裝數計算值為4862，在“序號37（4700～5000）”這一檔，按“系船索選型表”，其應滿足的要求見表3。

表2 某型三峽升船機船型商品汽車滾裝船主尺度 m

3.3 系船索的實際選型及系泊布置設計

根據表3要求，該型船系船索的實際選型見表4，系船索均為鋼絲繩。

依據表4，以該型船確定的系泊功能區的位置和大小來設計系泊布置，該型船設計的系泊布置如圖5和下頁圖6所示。

表3 《鋼內規》的系船索選型要求

表4 該型船的系船索的實際選型

圖5 船舯的系泊布置

3.4 系泊計算復核結果

該型船的系泊計算，按表1確定風速為10 m/s；因內河碼頭的環境條件不考慮表1中的灘上流速，參照中國船級社的《鋼質海船入級規范》（以下簡稱《鋼規》）第2篇第3章第2節3.2.1.1中的假定最大流速2.5 m/s。按式（2）-（7）計算可得風力和流力，對船舶進行受力分析計算，碼頭情況的流力方向以正船尾或正船首考慮，風力方向以每30°進行考慮，對流力和風力進行疊加計算，以下頁圖7的典型碼頭系泊布置，得出該型船所需系船索（鋼絲繩）的最小破斷負荷為113.7 kN；查表4，選型滿足。

圖6 船尾和船首的系泊布置

圖7 典型碼頭系泊布置

4 案例分析

4.1 規范探討

規范要求是船舶設計輸入的重要準則之一，其對設計系泊布置影響很大。除特別說明外，內河船舶的設計均應適用《鋼內規》，應充分認識到內河船舶的設計與海船的設計存在顯著差異。依筆者經驗，《鋼內規》對系船索選型的考慮主要可歸納為以下幾點，內河船舶在設計系泊布置時應知悉。

（1）由于內河航道相對狹窄，內河碼頭空間有限，需要保證船舶具備較好的碼頭定位能力；內河船舶單程航行周期相對較短，空載靠泊碼頭的等待時間相對較長；故應提高船舶所受的側向風力的因子系數，并需核算輕載和滿載時的不同側投影面積的影響，保證船舶在碼頭靠泊時具有足夠安全性。

（2）《鋼內規》指出，系船索的數量和長度、系纜樁的數量，應根據船舶種類和營運條件確定；這意味著內河的不同碼頭之間存在著硬件設施的差異，不同的船型所停靠的內河碼頭也有很大區別。因此，內河船舶的系船索選型應考慮現有同類型船舶的選型參考以及船東的用船經驗和船舶所靠泊碼頭的允許系泊情況。

（3）《鋼內規》對系船索的選型區分了其中（一）、其中（二）和其中（三），內河船舶的船長，可基于自身豐富的操船經驗，根據當時船舶所靠泊碼頭的環境條件，選擇其中（一）或其中（二）或其中（三）中的系船索進行帶纜操作，在極端惡劣的情況下可同時使用。

4.2 系泊布置的設計要點

根據實船案例中系船索的實際配置和設計的系泊布置，結合我們的經驗，對內河船舶系泊布置的設計要點總結如下：

（1）《鋼內規》第1篇第3章第4節未指出錨泊設備和系泊設備選型所基于的環境條件，按其總則部分“航區航段分級表”中體現的有義波高（見表1）轉換的風速為10 m/s，結合《鋼規》所假定的最大流速2.5 m/s，即為內河船舶系船索選型所基于的環境條件。

（2）了解到內河船舶的系船索情況，鋼絲繩被廣泛采用，設計系泊布置時應充分考慮。鋼絲繩的伸長率較小，在船舶帶纜多根鋼絲繩且均受力的情況下，船舶的位置基本上已被限定；而植物纖維或合成纖維的纜繩，由于伸長率相對較大，哪怕是在多根同時受力的情況下，船舶的位置仍會產生相對較大移動，這對于有限的內河碼頭空間是不利的。

（3）可對內河船舶系船索的實際選型進行計算分析，復核系泊布置的設計安全性；也可進一步基于設計的系泊布置，計算其可承受的最大環境條件，為船東的碼頭系泊提供指導。

（4）內河碼頭多為浮式躉船碼頭，因碼頭泊位空間有限，常出現船首或船尾超出碼頭范圍的情況。此時，系泊布置的設計應重點關注船首鋼絲繩首纜或船尾鋼絲繩尾纜，在條件允許的情況下，超出碼頭的船首或船尾也應帶好鋼絲繩，進一步提高船舶在碼頭上的定位能力。

（5）針對滾裝船型，在碼頭靠泊時，系泊布置的設計也應考慮車輛裝卸的影響，包括車輛裝卸的方便性和軌跡、車輛裝卸時的船舶浮態等；且為了更好地提高船舶在碼頭上的定位能力，內河船舶基本上都是頂流靠泊。

（6）《鋼內規》指出：系船索的數量、長度以及系纜樁的數量，均應根據船舶種類和營運條件確定；且如若船東要求，可適當增加或減少系船索的數量。據此，在進行系泊布置設計時，根據船型特點，應考慮船舶營運條件和所靠泊碼頭的情況，并與船東進行充分的溝通交流，確定系泊布置。每位船東都可能會有依據船型而形成的系泊布置習慣和帶纜操作習慣，一般只要不出現明確的不合理性或與規范不符，都應滿足船東的設計需求。

（7）內河船舶除了在船舶首尾區域設計系泊布置外，船舯的必要區域也應按需設計系泊布置，以更好地匹配碼頭系泊、船閘或升船機系泊和船對船臨時系泊，使系纜操作更加便利。

5 結 語

內河船舶系泊布置的設計，應首先滿足《鋼內規》的要求，綜合考慮內河碼頭情況，兼顧通航船閘特別是通航升船機的使用需求，遵循必要的操作習慣和帶纜方便性，可通過計算復核設計的安全性，同時也應滿足船東的定制化需求。

作為設計者，應充分考慮到內河船舶航行水域的顯著特點，合理設計系泊布置，保證船舶的營運安全和操作便利，確保經濟效益。