船舶總布置設計研究

邱 鵬，史文杰

（武警海警學院 機電管理系, 浙江 寧波 315801）

關鍵字：甲板運輸船；總布置設計；使用性能

0 引言

總布置設計是在滿足運營要求和確保船舶航行性能以及安全性能的前提條件下，合理地對船舶的結構空間進行整體布局，從而詳細地繪出總布置設計圖。船舶總布置設計是船舶設計中總攬全局性的一項任務，它的存在涉及到船舶的各個方面，并且都會貫穿在任何一艘新船設計的每個階段。總布置設計不是一項獨立的設計工作，而是要統(tǒng)籌協(xié)調各種其他設計之間的功能需求以及矛盾的綜合性工作。不同類型的船舶，由于其用途及航行條件的不同，總布置的特點也有所不同。在總布置設計時，除了照顧各類船的特有需求外，都會遵循以下規(guī)則：1）要盡可能地滿足和提高船舶的使用效能，例如運輸船舶首先要合理地利用艙容，提高裝卸能力，確保運輸?shù)陌踩院瓦\輸能力；2）保證船舶的航海性能，總布置設計時應該采取適當?shù)姆绞絹泶_保船舶在航行時具備較好的穩(wěn)性、浮態(tài)、操縱性以及耐波性等；3）要滿足船體建造工藝的合理性與結構的穩(wěn)定性要求，總布置設計應注重重量的分布，力求減少縱總彎矩和剪力，要重點關注結構的不連續(xù)性以及縱向構件截面的突變，避免應力集中帶來的不利影響。各種艙壁的設置要充分考慮它們對結構強度、振動以及施工的約束等；4）要符合法規(guī)和相關標準。例如船舶消防等規(guī)定，破艙穩(wěn)性對分艙的要求，以及救生設備的部署等。在后續(xù)的其余設計中，各專業(yè)開展船舶詳細設計后，通常都會對初步設計的總布置設計結果提出各種調整意見，那么此時總布置設計的工作是要統(tǒng)籌協(xié)調各種需求矛盾，從而完善總布置設計，反饋工作一般都會延續(xù)到完工設計階段。由此可見，船舶的總布置設計對于船舶整體設計的最終成功以及性能都起著至關重要的作用。

1 船型特點

甲板運輸船主要用于運輸尺寸較大的不可拆分的整體貨物，其中包括海洋工程整體模塊、大型發(fā)電裝置、海上風力發(fā)電模塊、大型鋼結構或者混凝土結構、石油開采設備、衛(wèi)星以及各種軍事設備，該船屬于布置型的特種船舶，其甲板面積非常大，貨物裝卸方便，能夠運輸?shù)呢浳锓N類多種多樣[1]?；谝陨咸攸c，該船型總布置設計的特點與難點主要表現(xiàn)為：

1）船寬大，型深小，長寬比小

對于甲板運輸船而言，根據(jù)其用途的要求，運輸?shù)膯渭浳镏匦暮芨?，可搭載貨甲板以上30 m，只有設置足夠的船寬和水線面面積，才能提供滿足穩(wěn)性要求的復原力矩。為提高甲板運輸船的穩(wěn)性，降低整船的重心高度，這也是常用設計手段，在滿足壓載艙和其它艙室布置要求的前提下，設計較小的型深合理。

2）全通無障礙載貨甲板

典型的甲板運輸船沿船長方向可分為載貨甲板區(qū)和居住機艙區(qū)。根據(jù)貨物的高度，載貨甲板區(qū)一般設置于船尾，駕駛室和居住艙室一般位于船首，若貨物高度不高，載貨甲板也可設置于船首。在載貨甲板下設置有壓載水艙、推進器艙、燃油艙、泵艙等。

3）壓載系統(tǒng)特點

對于甲板運輸船而言，由于長期處于設計吃水和壓載吃水2種工況，因此壓載系統(tǒng)的設計在總布置設計時應著重考慮。除此之外，還要重點考慮裝卸貨時船舶吃水和浮態(tài)的調節(jié)能力（調節(jié)幅度和調節(jié)速度），甲板運輸船整個壓載系統(tǒng)的特點在于設置有均勻布置的壓載水艙，且壓載系統(tǒng)管路設計復雜，每個壓載艙的容積也較大，一般全船會設置4臺左右的壓載泵，作業(yè)時需要多臺壓載泵同時工作[2]。

4）推進系統(tǒng)

由于甲板運輸船吃水較淺、型寬較大，導致其航向穩(wěn)定性較差，為了保證該船型具有較好的操縱性能，所以一般采用雙機雙槳設計。變頻器、變壓器以及電動機等均在船尾，布置便利。

本文甲板運輸船舶的主要參數(shù)如表1所示。

表1 該型船主尺度表

2 總布置設計

2.1 縱向艙壁的布置

根據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范》結構分冊中第12章節(jié)的相關要求，在全船設置2道縱向艙壁，即可滿足強度要求。由于本船的型深較小，對強度要求較高，因此本船在載貨甲板下方設置2道縱向水密艙壁。具體布置如圖1所示。

圖1 縱向水密艙壁布置形式

本甲板運輸船通過設置2道縱向水密艙壁，將船體沿船長方向分隔為3列水密分艙，將舷側2個水密艙室設置為壓載水調節(jié)水艙，壓載水艙的作用是船舶在碼頭裝卸貨物時可以調節(jié)船舶浮態(tài)，在船舶不裝載貨物時保證一定的吃水，使船舶維持良好的推進性能，設置在兩側也可以增加橫傾力矩，增加船舶穩(wěn)性[3]。

2.2 橫向艙壁的布置

根據(jù)《鋼制海船入級規(guī)范》第二章12節(jié)中的相關要求，尾機型的船舶船長在75～95 m的需要設置6道水密艙壁，考慮到本船的橫向強度及穩(wěn)性要求，本船實際布置13道水密橫艙壁，如圖2所示。載貨甲板下橫艙壁等距離的設置，可以保證該船橫向強結構的布置更加規(guī)整。

圖2 橫向水密艙壁布置

2.3 機艙布置

目前大型甲板運輸船采用的推進方式主要有電力推進和柴油機推進。電力推進的優(yōu)勢有：1）電力推進系統(tǒng)整體布置靈活，在使用電力推進的甲板運輸船中，電動機艙一般設置在船尾，內部設置有推進電機和泵組，而動力電站一般布置在船首，動力電站內設置有電站管理系統(tǒng)、變壓器、配電系統(tǒng)等。通過這種布置，排氣煙道可以設置為從首部甲板煙囪直接排放，使整個載貨甲板平整規(guī)范，沒有突出的結構，提高甲板運輸船的有效載貨面積。2）節(jié)約燃料，提高船舶的經濟性。在電力推進系統(tǒng)中，電動機的轉速通過變頻器來調節(jié)，自動電站輸入的功率可以控制最優(yōu)額定轉速，其運轉狀態(tài)不受船舶操縱影響。柴油機推進系統(tǒng)中，轉速在逐漸加速的過程中功率會相對降低。根據(jù)國內廠家提供的數(shù)據(jù)，電力推進系統(tǒng)船舶的綜合油耗比普通柴油推進的要低8%左右。雖然電力推進系統(tǒng)有一定優(yōu)勢，但是其缺點在于成本過高，整套系統(tǒng)比常規(guī)推進系統(tǒng)復雜，使用電力推進系統(tǒng)的建造成本要高出70%左右，對于資金緊張的船東來說，柴油推進系統(tǒng)是比較合適的選擇[4]。

機艙部位是總布置設計時必須認真研究的問題。因為它影響到全船不同區(qū)域的布局和上層建筑的位置，從而也影響到船的使用效能與技術經濟問題。通常，按機艙沿船長所處的不同位置可把船分為尾機型、中機型和中后機型船等，本船所采取的是尾機型，該布置的優(yōu)點是機艙布置在尾部可使中部方整的船體設有貨艙，便于貨物裝卸與清艙，也有利于貨艙口布置，這對于提高整體使用效能和經濟效益都非常有利。但尾機型也有一定的缺陷，比如船舶的浮態(tài)調整顯得尤為困難。同時，若機艙等都在尾部，對該部位上層建筑的船員的生活舒適性也有影響。另外，尾機型對船體尾部型線的收縮也有一定難度，容易給水動力性能帶來不利影響，比如阻力增大、螺旋槳推進效率難以提升等。因此，機艙的設計尤為重要。

本船的機艙布置使用常規(guī)的柴油機推進，機艙和煙囪均設置在船舶尾部，這樣設置主要是為了降低排氣管路系統(tǒng)的復雜度。同時，方便船體前段布置貨物，機艙前端設置2個燃油艙，煙囪設置在尾樓甲板最頂端。

2.4 載貨甲板區(qū)域布置

載貨甲板是甲板運輸船最重要的技術指標，關系到整條船舶的營運性能和碼頭的裝卸效率[5]。本船在尾部設置生活艙室和煙囪、桅桿、纜樁、系泊絞車等設備，載貨甲板設置在船舶中部，因此其裝卸方式為側面滾裝或者吊裝。本船在進行載貨甲板布置時應盡量減少載貨區(qū)域甲板艙室和設備布置。載貨甲板布置圖如圖3所示。

圖3 載貨甲板布置圖

2.5 船舶壓載系統(tǒng)布置

甲板運輸船由于裝載的貨物重量一般較大，貨物通過吊裝進行裝載時，船舶浮態(tài)的變化會比較劇烈。因此，合理設置壓載水艙和保證足夠的調節(jié)能力十分必要。本船在載貨甲板下左右舷側及船尾設置壓載水艙，既可以降低船舶重心，也可以增大橫傾力矩，提高穩(wěn)性。

為保證本船能夠快速調整浮態(tài)，沿舷邊從船首至機艙布置2套壓載水管系，如圖4和圖5所示，整個壓載水管系布置簡單，不占用船舶中部空間，使用2臺500 m3/h的壓載泵，可以在1.5 h內完成壓載水排舷操作。

圖4 壓載水艙布置圖

圖5 壓載水艙管路布置圖

2.6 首樓的設計布局

首樓的設計一般與船舶用途、船的大小、船舷高度、海域環(huán)境和干舷高度有關，還與甲板上的設備布置有關。根據(jù)規(guī)定，為了使船首的最小高度符合要求，對于通過設置艏樓來滿足首部最小干舷高度的船舶，首樓的長度自艏垂線算起應不小于0.07Lpp。除此之外，首樓甲板的面積還需要滿足甲板上設備的布置要求。一般而言，甲板運輸船首樓甲板的長度為船長的8%～10%。

本船首樓的設計首先考慮甲板上浪，因為對于甲板運輸船，首部型線一般比較寬扁肥大，航速較高時，非常不利于首部水的排開。當船迎浪航行，波浪較大時，容易出現(xiàn)首部上浪情況，而對于甲板運輸船，水會直接作用于載貨甲板上，對甲板上人員、貨物以及設備的安全構成威脅[6]。因此，首樓的設計對甲板運輸船很有必要。本船在首樓布置錨機、錨鏈艙、燈具間等。具體布置如圖6所示。

圖6 首樓布置圖

2.7 系泊設備的布置

甲板運輸船的系泊設備一般布置較為靈活，可以在首尾甲板設置帶纜樁、帶纜孔，也可以在中部載貨甲板舷邊設置下沉式帶纜樁。本船在首部設置4個帶纜樁，8個導纜孔，在尾部設同樣數(shù)量的帶纜樁和導纜孔。出于甲板整體性和經濟性的考慮，本船中部載貨甲板未設置下沉式帶纜樁。

2.8 上層建筑布置

本船在主甲板之上設起居甲板、駕駛甲板和羅經甲板。而各甲板室高度的確定需要根據(jù)規(guī)范要求、駕駛室盲區(qū)要求和上層建筑對舾裝數(shù)的影響等3個方面決定[7]。首先，規(guī)范中對層高的要求是凈高必須大于2030 mm；其次，本船屬于布置型船舶，艙室布置在滿足正常生活需要的前提下，根據(jù)布置進行設計。

各層甲板室主要布置情況如下： 上甲板室內布置有廚房、餐廳與娛樂區(qū)、船員室、機艙棚、雜物間、辦公室、吸煙室、貨油控制室、應急發(fā)電機室、CO2室、船員室（2間）、衛(wèi)生間、索具間、油漆間、機艙棚、管弄、梯道。尾部設有液壓系泊絞車2臺和帶纜樁、導纜孔、導纜滾輪等系泊設備。

起居甲板內布置有船員間、衛(wèi)生間、大副室、三管輪室、樓梯。

駕駛甲板室內布置有駕駛室、報務區(qū)、海圖區(qū)、船長室、輪機長室、會客廳、梯道。羅經甲板上設有信號桅、船名牌、磁羅經、探照燈和各種天線。

主甲板起居處所具體布置如圖7所示，其它各層甲板室的具體布置情況如圖8～圖10所示。

圖7 上甲板室內布置圖

圖8 起居甲板室內布置圖

圖9 駕駛甲板室內布置圖

圖10 羅經甲板室內布置圖

3 結語

通過對甲板運輸船的總布置進行設計，對縱橫艙壁、載貨甲板、首樓、尾樓、系泊設備、壓載系統(tǒng)等進行討論。全船從船首至船尾分別設置帆纜艙、錨鏈艙、首尖艙、壓載水艙、空艙、燃油艙、機艙、舵機艙、尾壓載水艙等水密艙室，壓載水艙對稱設置在載貨甲板下，壓載水艙之間設置空艙，以保證其有足夠的穩(wěn)性。除此之外，還設置有應急消防艙、測深儀艙、滑油儲存艙和冷卻水艙等。本船在船尾設置3層甲板，分別是起居甲板、駕駛甲板和羅經甲板。載貨甲板四周設置圍板，形成巨大的露天載貨甲板，各甲板艙室按照工作要求和生活要求，力求簡潔和完備。