張怡,王靖,王慶偉,楊索賢

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 a.漁業(yè)機(jī)械儀器研究所;b.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237)

近年來為應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境惡化、過渡捕撈等情況導(dǎo)致的海洋漁業(yè)資源萎縮問題,海水養(yǎng)殖產(chǎn)量逐漸超越了傳統(tǒng)捕撈產(chǎn)量。

近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖因有污染海水、養(yǎng)殖品質(zhì)差等弊病正逐漸被包括大型網(wǎng)箱、固定式養(yǎng)殖平臺(tái)、大型移動(dòng)式養(yǎng)殖平臺(tái)等的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備所替代[1-2]。

作為深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船領(lǐng)域探索者的10萬 t級(jí)“智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船”首制船“國信1號(hào)”已于2022年5月20日在青島交付運(yùn)營。該養(yǎng)殖工船使用相對(duì)封閉的船艙作為養(yǎng)殖魚艙,通過管道汲取深層海水并將養(yǎng)殖廢水通過凈化處理后經(jīng)排出以使養(yǎng)殖魚艙水質(zhì)達(dá)到適合養(yǎng)殖魚類生長要求,同時(shí)降低養(yǎng)殖海域海水污染[3-4]。該養(yǎng)殖工船具有自航功能,在養(yǎng)殖水域面臨臺(tái)風(fēng)或水環(huán)境不適合養(yǎng)殖魚類生長的情況下可快速轉(zhuǎn)場(chǎng)。因有航行瞭望需求,該船設(shè)計(jì)了與常規(guī)運(yùn)輸船同樣帶有駕駛室并配備航行船員居室的上層建筑,以實(shí)際建造并運(yùn)營之后,發(fā)現(xiàn)在一些技術(shù)問題需要在設(shè)計(jì)階段給予充分的考慮,針對(duì)這些問題提出對(duì)后續(xù)養(yǎng)殖工船上層建筑設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

1 上層建筑設(shè)計(jì)依據(jù)

“國信1號(hào)”作為國信系列“智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船”的首制船,在設(shè)計(jì)過程中沒有成熟的規(guī)范可參考。其間,中國船級(jí)社頒布了《海上漁業(yè)養(yǎng)殖設(shè)施檢驗(yàn)指南》(以下簡(jiǎn)稱指南),對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行指導(dǎo)[5]。根據(jù)指南的要求,養(yǎng)殖工船屬于移動(dòng)式養(yǎng)殖設(shè)施,其上層建筑的設(shè)計(jì)主要需符合《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》《海上人命安全公約》等的要求。

2 首制船上層建筑設(shè)計(jì)考量

與常規(guī)船型相比養(yǎng)殖工船作業(yè)工況有一定特殊性。其中,與捕撈漁船相比,養(yǎng)殖工船主要工況為位于養(yǎng)殖錨地的系泊工況,大量的船上人員主要是養(yǎng)殖相關(guān)作業(yè)人員與科研人員。而與海洋平臺(tái)相比,在臺(tái)風(fēng)季或赤潮等不利的自然災(zāi)害來臨,或養(yǎng)殖水域水溫、水質(zhì)有變化時(shí),養(yǎng)殖工船要有轉(zhuǎn)場(chǎng)的能力,需要配備符合自航工況要求的船員。上層建筑的設(shè)計(jì)不僅需要滿足船上所有人員居住生活的要求,也要考慮到航行安全的要求。

上層建筑的設(shè)計(jì)主要分艙室布局與結(jié)構(gòu)形式兩大部分。根據(jù)前期調(diào)研,并經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性分析,以35人為設(shè)計(jì)定員數(shù),其中15人為滿足自航工況要求的船員。

除居住處所與滿足航行和控制要求的諸如駕駛室、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間、消防控制室的航行控制處所外,上層建筑中還需布置滿足自持力要求的糧食處所、滿足船上人員就餐與衛(wèi)生需求的服務(wù)處所與衛(wèi)生處所、滿足辦公與魚類養(yǎng)殖需求的公共處所、養(yǎng)殖研究與控制的養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室與養(yǎng)殖集控室、通道處所等。為保證航行安全,駕駛室設(shè)置高度需滿足一定的視線要求[6],為減少上層建筑對(duì)甲板面通行的影響,在符合艙室數(shù)量與總面積要求的前提下盡量壓縮上層建筑所占用的主甲板面積,將上層建筑設(shè)計(jì)為5層,每層甲板層高設(shè)計(jì)為3.0 m,主甲板區(qū)域上層建筑占地面積628.2 m2。

在結(jié)構(gòu)形式上,上層建筑整體布局采用中央橫向單走廊的長板樓式布局,整體結(jié)構(gòu)采用橫骨架式布局,將中央走廊設(shè)置為兩道連續(xù)橫艙壁并作為跨距支撐點(diǎn),使上層建筑中縱桁跨距減少為6.4 m,有效控制縱桁腹板高度。為減少機(jī)艙棚與煙囪的噪音影響,煙囪與居住區(qū)域分離,煙囪前壁與居住區(qū)域后壁間距6.4 m。

3 養(yǎng)殖工船后續(xù)船上層建筑改進(jìn)方案

3.1 首制船遇到的問題

經(jīng)實(shí)船投入養(yǎng)殖作業(yè)后,發(fā)現(xiàn)上層建筑設(shè)計(jì)方案需調(diào)整,如布局方面,包括高峰工作時(shí)間廚房人員與其他人員上下樓工作動(dòng)線易發(fā)生沖突、維持船舶動(dòng)力的船員與養(yǎng)殖生產(chǎn)作業(yè)等其他船上人員按工作性質(zhì)集中居住,導(dǎo)致同一時(shí)間所有的人都擁擠在唯一的樓梯間入口處;構(gòu)件余量方面,結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸取值過于保守,設(shè)計(jì)余量過大導(dǎo)致居室有效利用空間不足;房間數(shù)量方面,首制船規(guī)劃的養(yǎng)殖操作人員數(shù)量經(jīng)運(yùn)營后發(fā)現(xiàn)還需增加,導(dǎo)致總?cè)藬?shù)大于設(shè)計(jì)定員數(shù)量,上層建筑內(nèi)船員居室數(shù)量不足等。

3.2 布置改進(jìn)

3.2.1 抬高駕駛室高度

已有研究表明,船舶航行時(shí)煙囪頂高于上層建筑約2.45 m可以有效防止煙囪排放的煙氣回卷至上層建筑內(nèi)[7]。養(yǎng)殖工船主要工況為系泊工況,且在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)對(duì)航速要求不高,煙氣回卷效應(yīng)不明顯,因此考慮適當(dāng)增加上層建筑高度。

由于養(yǎng)殖工船主甲板有大量吊機(jī),首制船雖然通過調(diào)整吊機(jī)位置解決了部分視線問題。但后續(xù)船考慮到為更好地觀察指揮主甲板上養(yǎng)殖投飼裝備運(yùn)行情況并盡量避免吊機(jī)對(duì)視線的影響,采用抬高上層建筑整體高度的方式減小視線遮擋范圍。

A甲板下由于主要布置的是空調(diào)及冷藏機(jī)室、冷庫、養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室等高度較高的大型設(shè)備,首制船建造之后發(fā)現(xiàn)局部層高剩余空間不足,設(shè)備安裝困難,故在后續(xù)船設(shè)計(jì)中該層層高增加500 mm。同時(shí),將上層建筑由5層甲板增至6層甲板,并將其余每層層高由3.0 m提高至3.1 m,駕駛室視角高度共可增加約4 m,從駕駛位置與艏部舷墻頂端連線延長線與基線的交點(diǎn)在1.58倍船長處,完全可以滿足《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》和《國際海上人命安全公約》的不大于兩倍船長的要求見圖1。

圖1 上層建筑改進(jìn)方案

3.2.2 增加上層建筑長度

如圖2a)所示,首制船上層建筑受每層空間面積與總層數(shù)限制,船員居室布局不得不十分緊湊。為滿足船員居室數(shù)量要求,大量船員居室設(shè)計(jì)為狹長形式,每間船員室平均面積16 m2,平均寬度2.25 m。衛(wèi)生單元與船員室門一同布置于近走道側(cè)。衛(wèi)生單元淋浴區(qū)寬度僅夠采用400 mm型號(hào)的產(chǎn)品,淋浴時(shí)甚至無法轉(zhuǎn)身。室內(nèi)為增大空間采用850 mm單人床與900 mmm的小型寫字臺(tái),但剩余空間仍不足5 m2,工作人員長時(shí)間居住于如此局促的空間中不利于其心理健康。僅有一間公共會(huì)議室,管理人員居室會(huì)客區(qū)域狹窄,無法同時(shí)開展多場(chǎng)小型會(huì)議。后續(xù)船通過居住區(qū)域后端壁向后移動(dòng)一個(gè)肋位,并結(jié)合增加一層居住甲板,使居住生活區(qū)域面積增加580 m2,為改善居住生活區(qū)域條件提供了更多可能。同時(shí),煙囪前壁向前移動(dòng)2個(gè)肋位,煙囪每層面積也可增加45.76 m2,有效改善煙囪內(nèi)熱氣排放不暢的問題。

圖2 養(yǎng)殖工船上層建筑典型甲板布置改進(jìn)對(duì)比

3.2.3 居住區(qū)域布局

在增加居住區(qū)域總面積的前提下,采用擴(kuò)大室內(nèi)面積、增加房間數(shù)量、調(diào)整人員動(dòng)線、挪移艙室布置的方式改進(jìn)上層建筑的布局,以達(dá)到改善生活空間、符合實(shí)際需求、減少人流對(duì)沖、剝離不利環(huán)境影響的目的。

擴(kuò)大室內(nèi)面積,主要是擴(kuò)大船員居室面積。普通船員居室增加面積至18 m2以上,其中衛(wèi)生單元增加至2.3 m2,淋浴區(qū)800 mm×800 mm滿足正常體型沐浴轉(zhuǎn)身需求。在居室空間富足的情況下采用1 250 mm×2 050 mm大床替代單人床;6間高級(jí)船員房間采用包含會(huì)客空間的套間形式,既保證隱私又可在會(huì)客空間召集小型會(huì)議。首制船的會(huì)議室面積狹小,僅能召開14位人員的會(huì)議,大型會(huì)議只能使用餐廳,后續(xù)船采用46 m2的大會(huì)議室布局,一次會(huì)議可容納近30位人員,同時(shí)增加投影儀使用區(qū)域以適應(yīng)會(huì)議實(shí)際需要。擴(kuò)大養(yǎng)殖部、甲板部、輪機(jī)部辦公室面積,為更多管理人員提供辦公空間。

增加房間數(shù)量,一方面是增加定員至40人,保證養(yǎng)殖工作人數(shù)需求,相應(yīng)增加居住艙室;另一方面是增加符合海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》要求的娛樂室、健身房等,滿足船員休息娛樂的需求。為便于高級(jí)船員餐廳和普通船員餐廳分別配餐,增設(shè)一間配餐間。

調(diào)整人員動(dòng)線見圖2。

主要措施為在將上層建筑內(nèi)“豐”字型單走道布局改為“回”字型走道布局,將內(nèi)部主樓梯每層原僅一個(gè)出入口調(diào)整為兩個(gè)出入口,單個(gè)樓梯間入口由通達(dá)最大20個(gè)居室減少為9個(gè)居室,減少人流雙向匯集。通過增設(shè)電梯,并結(jié)合工作時(shí)間與同時(shí)搭載人數(shù)選擇合適承載能力的電梯型號(hào)進(jìn)一步減少梯道對(duì)沖現(xiàn)象。電梯間設(shè)于靠近食品庫處,便于搬運(yùn)食品至廚房。每層船員居室由相同工作性質(zhì)布置在一起,改為以工作時(shí)間分配居室,使相同工作時(shí)間的人員分布居住于各層中,同一時(shí)段每層進(jìn)入梯道或電梯的人員均布。

挪移艙室布置,包括房間在整個(gè)上層建筑范圍內(nèi)的分布形式、房間內(nèi)部硬軟裝的布置形式調(diào)整及上層建筑區(qū)域設(shè)備擺放位置的調(diào)整。對(duì)于居住生活環(huán)境有不利影響的存放二氧化碳、垃圾、應(yīng)急發(fā)電等艙室改進(jìn)布置到機(jī)艙棚及煙囪區(qū)域,改善居住生活條件?？紤]到養(yǎng)殖工船的主業(yè),需要定期解剖研究魚體以檢驗(yàn)養(yǎng)殖效果,在養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室面積基本不變的前提下重新布置內(nèi)部布局,采用統(tǒng)一的中央試驗(yàn)臺(tái)替代分散布置的實(shí)驗(yàn)臺(tái),使原限于6人的空間可以容納更多實(shí)驗(yàn)人員。

3.2.4 煙囪布局

經(jīng)首制船實(shí)船驗(yàn)證,煙囪內(nèi)噪音對(duì)居住區(qū)域影響有限,故在后續(xù)船中將煙囪前壁向艏部移動(dòng)2個(gè)肋位,增加機(jī)艙棚與煙囪占地面積。結(jié)合機(jī)艙內(nèi)將主機(jī)位置移動(dòng)至煙囪正下方的優(yōu)化方案,減少主機(jī)排煙管道因直角轉(zhuǎn)彎過多導(dǎo)致的排放不暢的問題。擴(kuò)大后的煙囪面積也使尾氣的熱量更快擴(kuò)散并通過煙囪艉部頂端的百葉窗散熱。

3.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.3.1 原則

結(jié)構(gòu)改進(jìn)以安全為前提,通過保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸在滿足規(guī)范計(jì)算要求的范圍內(nèi)減少取值余量及改變結(jié)構(gòu)形式等方式,以使在上層建筑總體積增加的情況下盡量減少結(jié)構(gòu)重量過多增加,同時(shí)考慮避免截面積過小導(dǎo)致產(chǎn)生振動(dòng)等不利影響,兼顧考慮施工便利性避免產(chǎn)生施工人員無法進(jìn)入的小空間區(qū)域。

3.3.2 結(jié)構(gòu)形式

改進(jìn)后的上層建筑內(nèi)部布局因采用“回”字型布局,中央走道、電梯井、電纜通道、洗衣間等區(qū)域整體采用鋼質(zhì)艙壁強(qiáng)結(jié)構(gòu),船員房間圍壁不再采用首制船做為跨距支撐點(diǎn)的形式,甲板骨架采用與主船體縱骨間距一致的縱骨架式,較首制船的橫骨架式跨距減小25%,減少結(jié)構(gòu)骨材的剖面積?？v壁采用橫骨架式扶強(qiáng)材形式即兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,又便于上層建筑內(nèi)部冷凝水沿豎向扶強(qiáng)材快速排出,避免因采用水平縱骨而產(chǎn)生長期積水導(dǎo)致銹蝕等不利影響。

3.3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

首制船上層建筑居住區(qū)域與煙囪部分完全分離,當(dāng)因極端波浪引發(fā)船體產(chǎn)生縱向扭曲時(shí),兩部分結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)主甲板產(chǎn)生撕扯,尤其是主甲板機(jī)艙棚大開口區(qū)域缺少有效結(jié)構(gòu)支撐,存在較大安全隱患。后續(xù)船通過在B甲板區(qū)域使煙囪與居住區(qū)域連通,主甲板與B甲板形成框架結(jié)構(gòu)增加上層建筑整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)煙囪與居住區(qū)域仍保持一定距離減少煙囪噪聲對(duì)居住區(qū)域的影響。

3.4 救生艇布置改進(jìn)

首制船救生艇位于上層建筑A甲板上,所有人必須通過室外樓梯到達(dá),應(yīng)急情況發(fā)生時(shí)會(huì)存在人員滯留于樓梯上等待的情況。后續(xù)船將救生艇移至船艉主甲板上,當(dāng)預(yù)備登艇時(shí)人員可在空曠的主甲板上等待。

4 改進(jìn)前后設(shè)計(jì)方案對(duì)比

4.1 結(jié)構(gòu)重量

根據(jù)后續(xù)船設(shè)計(jì)方案,上層建筑不僅整體占地面積增大,總高度也較首制船有一定提高,若結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接采用首制船的規(guī)格,后續(xù)船上層建筑結(jié)構(gòu)部分總重量與首制船相比必然有所增加。

上層建筑結(jié)構(gòu)總重量

P=P駕駛室+nP’+P煙囪

式中:P駕駛室為駕駛室結(jié)構(gòu)重量;n為上層建筑駕駛室以下層數(shù);P’為居住區(qū)域駕駛室下單層平均結(jié)構(gòu)重量;P煙囪為煙囪區(qū)域結(jié)構(gòu)重量。

上層建筑改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)重量對(duì)比見表1。

表1 上層建筑改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)重量對(duì)比 t

注*:首制船為4層居住區(qū)域平均值,改進(jìn)后后續(xù)船為5層居住區(qū)域平均值。

首制船居住區(qū)域駕駛室下每層平均面積約435 m2,后續(xù)船約為460 m2,后續(xù)船層高也比首制船高100 mm,改進(jìn)后的上層建筑居住區(qū)域每層總體積雖與首制船相比有所增加,但結(jié)構(gòu)重量并未大幅增加,單層結(jié)構(gòu)重量仍為107 t,而煙囪區(qū)域結(jié)構(gòu)重量甚至大幅下降,最終改進(jìn)后的上層建筑結(jié)構(gòu)重量比首制船更輕。

后續(xù)船在結(jié)構(gòu)方面主要采用以下改進(jìn)措施。

1)首制船甲板面采用的是橫骨架式,所需甲板橫梁剖面模數(shù)W經(jīng)計(jì)算需達(dá)到55 cm3,而后續(xù)船改成縱骨架式后甲板縱骨剖面模數(shù)W經(jīng)計(jì)算只需達(dá)到37 cm3,在構(gòu)件總長度不變的情況下骨材橫剖面減少33%,減少相應(yīng)的結(jié)構(gòu)重量。

2)強(qiáng)肋骨在符合規(guī)范要求的前提下采用了橫截面積更小的構(gòu)件。

3)上層建筑艙壁板材因跨距減小,板材總面積減小同時(shí)采用更薄的規(guī)格,艙壁扶強(qiáng)材也在符合規(guī)范的前提下采用截面積更小的規(guī)格。

4)煙囪上部寬度減小,通過改進(jìn)煙囪整體體積,大幅減少煙囪結(jié)構(gòu)重量。

通過這些結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施抵消了整個(gè)上層建筑因整體體積增加后對(duì)結(jié)構(gòu)重量帶來的不利影響。

4.2 動(dòng)線對(duì)比分析

首制船上層建筑中養(yǎng)殖人員主要居住于B、C甲板,與維持養(yǎng)殖工船航行工況的船員共同居住,所有人員都需主要經(jīng)過中央梯道上下樓。根據(jù)養(yǎng)殖工作每日定時(shí)投喂的特點(diǎn)(每天投喂頻次為3次),養(yǎng)殖人員需在投喂前從居室經(jīng)走廊、中央梯道到達(dá)主甲板的養(yǎng)殖集控室、養(yǎng)殖工更衣室、各養(yǎng)殖魚艙等處;廚房人員又需要每日3次通過主甲板處的食品庫經(jīng)中央梯道搬運(yùn)食物至位于A甲板的廚房處;甲板部人員需通過中央梯道至駕駛室、機(jī)艙等處;高峰時(shí)唯一的梯道上樓與下樓人流沖突,尤其是當(dāng)養(yǎng)殖工作發(fā)生狀況養(yǎng)殖人員需下樓處理又遇廚房人員搬運(yùn)食物上樓的極端情況極易發(fā)生碰撞事故。后續(xù)船增加1臺(tái)電梯,其批量間斷運(yùn)輸功能可有效減少中央梯道人流對(duì)沖現(xiàn)象,搬運(yùn)重物或不急于上下樓的人員可在走廊內(nèi)等候,與急于通過梯道下樓的人員分流。即使是在發(fā)生火災(zāi)、失電等緊急情況下,中央梯道采用的雙門設(shè)計(jì)也可將單向下樓撤離人流更快疏散至主甲板等開闊處。