CCS研發(fā)目標(biāo)型集裝箱船結(jié)構(gòu)規(guī)范

據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）戰(zhàn)略計(jì)劃，目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)（GBS）應(yīng)用范圍將由油船和散貨船擴(kuò)展至所有船型。為此，中國(guó)船級(jí)社（CCS）未雨綢繆，對(duì)目標(biāo)型集裝箱船結(jié)構(gòu)規(guī)范開展研究，為CCS未來(lái)的目標(biāo)型規(guī)范研發(fā)工作打下基礎(chǔ)。

1 IMO提出將GBS要求擴(kuò)大至所有船型

目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)（GBS）的概念是IMO在2002年第89屆理事會(huì)上引入的。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，GBS確定了五個(gè)層次的框架體系。IMO制定第一層船舶安全目標(biāo)、第二層功能目標(biāo)及第三層規(guī)范符合性驗(yàn)證要求，第四和五層分別為船級(jí)社的規(guī)范和工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。GBS要求船舶規(guī)范在第一層和第二層的框架內(nèi)制定，并按第三層的符合性準(zhǔn)則予以驗(yàn)證。2010年，IMO正式發(fā)布了油船和散貨船GBS前三層要求，并開始對(duì)各船級(jí)社油船和散貨船規(guī)范進(jìn)行GBS符合性審核。經(jīng)過(guò)IACS各成員的協(xié)同努力，油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）以及IACS各成員配套規(guī)范指南于2016年通過(guò)IMO的GBS初次審核。

鑒于GBS要求的科學(xué)性以及在油船和散貨船實(shí)施中獲得了海事界的好評(píng)，IMO在2015年和2017年發(fā)布的高層次行動(dòng)綱要中，均提及繼續(xù)推進(jìn)GBS要求在海事安全和環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用，提出考慮將GBS要求擴(kuò)大到所有船型?？梢哉f(shuō)，以GBS要求制定未來(lái)的船舶規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)已成為必然。最近幾年集裝箱船的大型化成為主流趨勢(shì)，系列萬(wàn)箱甚至兩萬(wàn)箱超大型集裝箱船陸續(xù)投入市場(chǎng)，但多起集裝箱船事故引起了包括IMO在內(nèi)的海事界各方的高度重視，促使三大主力運(yùn)輸船型之一的集裝箱船勢(shì)必成為GBS應(yīng)用推廣的首要目標(biāo)。

為此，IACS加快了GBS方法在集裝箱船規(guī)范制定中應(yīng)用的步伐，比如UR S34——有關(guān)集裝箱船載荷工況功能要求的出臺(tái)。各船級(jí)社也紛紛升級(jí)各自規(guī)范體系，以適用GBS要求。CCS也加快了對(duì)集裝箱船GBS規(guī)范的研發(fā)。

2 CCS研發(fā)方法和途徑

CCS通過(guò)這些年參與IACS CSR規(guī)范制定和GBS應(yīng)審工作，已掌握GBS方法論，為建立集裝箱船GBS規(guī)范打下了基礎(chǔ)，并提供了方法和途徑：

2.1 GBS規(guī)范體系的特點(diǎn)

1）全面性。GBS規(guī)范需涵蓋IMO對(duì)船舶設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)、營(yíng)運(yùn)及維護(hù)的規(guī)則和規(guī)定，甚至包括涂層標(biāo)準(zhǔn)、拆船公約、勞工公約的相關(guān)要求等。

2）等效性。GBS規(guī)范對(duì)船舶安全要求不再限定于采用“描述性規(guī)定”來(lái)明確具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，而是鼓勵(lì)使用認(rèn)可的等效替代方法實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)。

3）先進(jìn)性。GBS規(guī)范代表了技術(shù)發(fā)展的前沿和趨勢(shì)，如船舶設(shè)計(jì)壽命、環(huán)境條件、殘余強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)冗余度、設(shè)計(jì)透明度等要求。

2.2 集裝箱船的關(guān)鍵技術(shù)

1）集裝箱船的載荷特性分析，包括船型結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、設(shè)計(jì)壽命、載貨特征、營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)等確定運(yùn)動(dòng)和載荷數(shù)據(jù)，建立船舶全生命周期內(nèi)載荷計(jì)算模型；2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方法研究，包括載荷模式、力學(xué)模型、凈尺寸方法、接受衡準(zhǔn)等；3）基于結(jié)構(gòu)冗余、安全儲(chǔ)備和實(shí)船歷史營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的集裝箱船適用性研究。

2.3 CCS經(jīng)驗(yàn)規(guī)范的繼承

梳理CCS現(xiàn)有海船結(jié)構(gòu)規(guī)范，提煉出滿足GBS要求的內(nèi)容，并遵循以下原則將其發(fā)展成GBS規(guī)范：1）保留IACS的統(tǒng)一要求及油船、散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的技術(shù)體系；

2）適用于業(yè)界需求，便于用戶使用和軟件開發(fā)；

3）符合規(guī)范的適用性和靈活性要求，利于新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.4 規(guī)范技術(shù)背景的構(gòu)建

GBS規(guī)范體系應(yīng)符合當(dāng)前及未來(lái)船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，具有力學(xué)、材料學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科的完善技術(shù)背景。

1）分析出傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型規(guī)范所具有的技術(shù)背景，將其升級(jí)為GBS規(guī)范技術(shù)背景；

2）采用高級(jí)分析、試驗(yàn)或基于風(fēng)險(xiǎn)方法等手段，編制科學(xué)的背景文件；

3）基于規(guī)范整體性和系統(tǒng)性要求，保證技術(shù)要求涵蓋船舶全生命周期和良好的銜接。

3 CCS集裝箱船GBS規(guī)范初步框架

CCS按IMO GBS方法論的要求，對(duì)集裝箱船GBS前三層要求開展了研究，并在此基礎(chǔ)上形成了CCS目標(biāo)型集裝箱船結(jié)構(gòu)規(guī)范體系的初步框架。

3.1 環(huán)境載荷

基于25年一遇的北大西洋海況，采用等效設(shè)計(jì)波法和大量集裝箱船的實(shí)船比對(duì)，獲得對(duì)應(yīng)于數(shù)個(gè)規(guī)則波下的載荷計(jì)算公式，從而建立了規(guī)范的載荷計(jì)算體系，同時(shí)，結(jié)合集裝箱船結(jié)構(gòu)和裝載特點(diǎn)，對(duì)包括橫浪和斜浪在內(nèi)的動(dòng)載荷工況進(jìn)行組合及應(yīng)用。對(duì)于全船有限元分析，基于動(dòng)態(tài)載荷法，考慮垂向彎矩、水平彎矩和扭矩的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。

3.2 描述性規(guī)范要求

IACS UR S11A規(guī)定了集裝箱船波浪載荷（垂向彎矩和剪力）和總縱強(qiáng)度校核要求（包括屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、船體梁剛度和極限強(qiáng)度），CCS需按GBS要求補(bǔ)充水平波浪彎矩、扭矩等載荷，并考慮彎扭組合下的船體總強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上，建立基于載荷的集裝箱船局部強(qiáng)度要求，并對(duì)結(jié)構(gòu)布置作出規(guī)定。

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算

IACS UR S34給出了集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算的功能性要求，CCS按GBS要求實(shí)施轉(zhuǎn)化，從靜水載荷、波浪載荷、集裝箱載荷、計(jì)算工況等方面，改進(jìn)了原有的集裝箱船規(guī)范要求。在此基礎(chǔ)上，艙段有限元評(píng)估范圍從船中貨艙段擴(kuò)展到整個(gè)貨艙區(qū)和燃油艙區(qū)域，同時(shí)考慮全船有限元分析，覆蓋了全船區(qū)域的主要構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)證要求。

3.4 其他特殊要求

針對(duì)超大型集裝箱船波激和顫振問(wèn)題，CCS已研究制定了船體結(jié)構(gòu)波激振動(dòng)和砰擊顫振評(píng)估指南，可分別進(jìn)行波激和顫振作用下的疲勞強(qiáng)度分析和顫振作用下的極限強(qiáng)度分析。針對(duì)集裝箱系固綁扎，CCS基于集裝箱船載荷體系，給出了集裝箱船系固加速度計(jì)算和系固強(qiáng)度評(píng)估要求，并可考慮特定航線和特定季節(jié)等特殊要求。

4 展望

GBS從提出、發(fā)展和真正實(shí)施不過(guò)10余年，卻對(duì)油船和散貨船的設(shè)計(jì)建造都帶來(lái)了一場(chǎng)技術(shù)革命。IMO最新的戰(zhàn)略計(jì)劃為未來(lái)的GBS的拓展提供了方向，GBS的逐步應(yīng)用已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，將對(duì)更多船型的設(shè)計(jì)、建造等產(chǎn)生重大影響，也將對(duì)世界船舶工業(yè)提出新的挑戰(zhàn)，考驗(yàn)各國(guó)造船業(yè)的綜合技術(shù)實(shí)力。

對(duì)于CCS來(lái)說(shuō)，應(yīng)在前期研究成果的基礎(chǔ)上，以集裝箱船GBS規(guī)范研發(fā)為契機(jī)，認(rèn)真總結(jié)和梳理，全面考慮目標(biāo)型規(guī)范轉(zhuǎn)型要求，拓展GBS規(guī)范體系的適用范圍，攻克規(guī)范體系的束縛，提升中國(guó)造船業(yè)的技術(shù)能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力。

來(lái)源：中國(guó)船檢