方堃

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 引言

隨著深海領域的國際競爭日趨激烈，更多的海上平臺由淺海走向深海，重量在平臺中占據(jù)很重要位置，影響整個工程的投資。生活樓一般位于整個平臺的最高處，生活樓重量的降低對于平臺重量重心的控制最為有效，因此生活樓的輕量化需求在設計中占據(jù)重要地位。

本文針對目前國內外所做的海洋平臺上輕型生活樓設計方案，對于輕型生活樓在設計過程中遇到的問題和解決方法進行探討。

2 傳統(tǒng)平臺生活樓設置方案

傳統(tǒng)平臺上的生活樓一般定員數(shù)為30人-120人，主要設計依據(jù)是《固定平臺安全規(guī)則》[1]，一般設計要求為：在經(jīng)濟實用性基礎上，設計出符合規(guī)范、安全規(guī)則、法律法規(guī)。符合作業(yè)方工作和生活要求。符合地方海域要求。

生活樓內主要包括：居住處所、公共處所、衛(wèi)生處所、辦公處所、炊事處所、醫(yī)療處所等。

傳統(tǒng)平臺生活樓結構主要是梁柱式框架+波紋板的桁架式結構。

3 輕型生活樓設置方案

針對生活樓的輕量化設計，從生活樓總體設計方案優(yōu)化、板架式結構替代常規(guī)桁架式結構以及輕型設備及材料的設計三個方面進行研究，技術方案減重效果明顯。

3.1 生活樓總體設計方案優(yōu)化

生活樓總體設計方案優(yōu)化設計主要結合人機工程學，充分考慮視覺空間和心里空間對生活樓總體布局、房間布局、家具選型等進行優(yōu)化設計。實現(xiàn)整個生活樓的空間的最大化利用。對于房間的布置，應考慮房間可利用空間、人員操作便捷性、居住舒適性等。如對于床位的布置方位、方向、層高等。采用書柜、床位一體式定制設計，可最大限度節(jié)約空間，增加人員活動空間，提升居住舒適性。

圖1 房間布置圖

3.2 輕型生活樓結構形式

生活樓結構設計采用板架式結構來替代常規(guī)的桁架式結構并獨立完成了板架式生活樓的結構設計工作。

區(qū)別于由梁、柱組成的傳統(tǒng)桁架式結構，板架式結構主要由平板、大梁（T型材）及加強筋（角鋼）組成。生活樓的甲板及墻板均由板架組成，能夠充分利用墻板及甲板參與結構強度計算，達到整體結構減重的目的。此外，取消立柱及斜撐之后，房間內部空間利用率提升，門窗開孔更加靈活不受約束。

圖2 板架式結構圖

為了驗證結構有效性，采用SESAM有限元分析軟件進行生活樓結構計算分析，分4步對板單元及梁單元的屈服及屈曲強度進行校核。

1.結構建模：

甲板板、墻壁板、大梁腹板、肘板及局部細化節(jié)點采用板單元進行模擬，加強筋、大梁面板及立柱采用梁單元進行模擬。

計算模型分為整體模型和局部模型。整體模型包含下浮體、上部組塊及生活樓粗網(wǎng)格模型，用于通過設計波法計算得到各工況下生活樓區(qū)域的整體變形數(shù)據(jù)。局部模型為生活樓的細化模型，通過邊界條件將整體變形數(shù)據(jù)傳遞至此模型。

整體模型局部模型

2.在關鍵結構連接部位（如直升機甲板支撐區(qū)域、吊點連接區(qū)域及生活樓與組塊連接區(qū)域）采用細化的有限元網(wǎng)格進行計算，使結果更加準確。

圖3 單元網(wǎng)格細化

3.計算分析：

根據(jù) ABS MODU規(guī)范中的相關要求分別選取操作工況和極端工況下的設計波對生活樓整體結構進行計算分析。

表1 操作工況設計波

表2 極端工況設計波

4.強度衡準：

對于板架式結構有限元分析，根據(jù)ABS MODU規(guī)范相關要求，許用應力安全系數(shù)應按以下要求選取

Design Condition Safety Factors Yield(Equivalent Stress) Buckling Operating (DOC) 1.43 1.67 Extreme (DEC) 1.11 1.25

圖4 典型應力云圖

經(jīng)過計算該方案生活樓結構滿足要求，具有較強的穩(wěn)定性。同時為考慮平臺總體變形對生活樓結構強度所產生的重大影響，在位工況下將下浮體、上部組塊及生活樓進行整體模擬，通過設計波法得到上部組塊在各危險工況下的變形數(shù)據(jù)，并通過邊界條件的形式傳遞至生活樓并對其進行強度校核。此計算方法能夠使生活樓結構強度分析更加全面、準確。

3.3 輕型設備及材料的設計選型

對于輕型生活樓對比于傳統(tǒng)生活樓的主要設備材料與家具、設施全部采用輕型材料替代，總體減重效果明顯，可為今后生活樓減重設計提供數(shù)據(jù)參考。

3.3.1 鋁合金直升機甲板的應用代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制直升機甲板

鋁合金直升機甲板具有重量輕、成本效率低、維護成本低、組裝方便、材料回收價值高等特點。由于結構形式與材料特性，鋁合金直升機甲板與傳統(tǒng)鋼制直升機甲板相比重量減輕約30噸。

圖5 鋁合金直升機甲板構造圖

3.3.2 鋁蜂窩板家具替代傳統(tǒng)鋼質家具

對于生活樓內家具采用鋁蜂窩家具，鋁蜂窩板組裝式家具的芯材為鋁蜂窩，面材為防火板，輔材為鋁板，采用環(huán)氧膠粘劑，因而家具的整體防火性能達到阻燃要求。鋁蜂窩板組裝式艙室家具的結構特點是用鋁蜂窩等不燃材料或阻燃材料復合成家具的基本部件，然后根據(jù)鋁蜂窩板的特點，有選擇地用專用板式家具連接件進行連接組裝。該鋁蜂窩板組裝式家具的重量與鋼質家具相比，約可減輕40%；

圖6 鋁蜂窩材料構造

3.3.3 其他輕型舾裝材料選型

輕型生活樓舾裝材料采用鋁蜂窩板替代傳統(tǒng)復合巖棉舾裝板，PVC+LVT地板替代傳統(tǒng)復合地板，玻璃鋼底盤敷設環(huán)氧地面型式獨立衛(wèi)生單元替代傳統(tǒng)鋼制底盤獨立衛(wèi)生單元，無論從美觀性和經(jīng)濟性都能達到要求。通過材料的選擇，達到整體減重效果。

4 結論

本文針對平臺輕型生活樓的技術特點進行了介紹與探討，從新技術、新材料，以及人體工程學角度出發(fā)，對于生活樓結構形式、布置方案和材料選型充分進行優(yōu)化設計，既能最大化滿足人員的生活需求，又能有效的降低生活樓重量，降低工程成本。為以后類似海洋平臺生活樓的設計方案提供借鑒作用。