船舶上层建筑结构设计与结构建模一体化研究
张继勋 张迎春
【摘要】居住区构造采用边设计边建模的作业模式，将节省整体的设计工时及模型作业工时、提高工作效率、提高设计质量，方便舾装设计提前作业，缩短居住区设计周期。
【关键词】居住区；边设计边建模；结构设计方；生产
一、设计背景
船舶上层建筑是指上甲板以上的各种围蔽建筑物的统称，它可以设置各种用途的舱室，如工作舱室、生活舱室、储藏舱室、仪器设备舱室等。驾驶室一般设置在上层建筑的顶层，视野较好。通常在首部的上层建筑成为首楼，在尾部的上层建筑成为尾楼。此外上层建筑还设置在机舱上方，用以围蔽机舱开口，又叫做机舱棚，通常和烟囱结构结合在一起。
（一）上层建筑结构特点
上层建筑的功能主要是船员居住、工作及储藏部分工具，其结构主要由前、后端壁，左右侧壁、内墙及各层甲板围成，船体结构相对平直方整，非常直观，但是详细设计图纸量比较多，承载了大量的结构及舾装相关的信息，各专业作业信息交叉，研讨事项较多，导致结构设计与结构建模两个专业作业量均较大且繁琐。
（二）上层建筑受力特点
由于上层建筑位于干舷甲板以上，且一般不大于船长的0.15倍，很少承受船舶的总纵弯曲应力，因此在计算时不参与总纵强度计算。受力主要来自局部载荷，上层建筑外墙受力主要来自波浪冲击力，尤其是上层建筑第一层没有保护的前端壁及侧壁受力较大。
（三）目前设计模式及不足
按照我司传统做法，在新船设计时上层建筑与其他结构设计图纸一样，由结构设计科利用AUTO CAD软件设计出图后，交由生产设计科进行TRIBON三维建模，结构设计和结构建模使用不同的设计软件，两种软件完全独立，导致这种模式设计周期长，大量的舾装信息二次传递，重复劳动多，且前期设计瑕疵较多，容易出错，结构设计与生产设计之间的对应工作量较多。
（四）结构设计与结构建模一体化构想
上层建筑结构相对独立，不需要考虑总纵强度、外板线型的影响，仅需要对其本身结构进行强度、振动等计算；其结构设计图纸不需要像其他船体图纸那样需要船东及船级社审核，仅计划图11-006（STRUCTURAL ARRANGEMENT OF DECK HOUSE）需要获得船东船级认可，其他详细结构图仅用作结构建模或其他部门参考。所以，省略详细结构图的作业，直接建模在理论上是可以实施的。经长期研究摸索，进行设计作业创新，融合结构设计和结构建模两道工序，发挥各自人员的专业特长，成功实现居住区结构设计与建模一体化的作业模式。
二、结构设计和结构建模一体化设计模式准备工作
由于一体化设计模式需要作业人员同时掌握两方面的专业知识，需加强作业人员的专业知识教育，同时需要对作业流程，人员职责进行从新规定，以确保一体化作业的准确性。
（一）设计人员必要的知识与教育
一体化设计人员须熟练掌握上层建筑规范计算、振动计算、强度校核、结构布置等方面的设计知识；熟悉各种居住区内的舾装布置，又需掌握相关结构的生产工艺、制造经验；熟悉AUTO CAD操作方法及熟练掌握TRIBON建模能力。在综合考虑后，由结构建模人员进行结构设计方面的知识学习，承担一体化设计作业。按照构想，组成了一个四人的上层建筑设计小组，结构设计1人，结构建模3人。为了适应这种作业模式，对居住区结构设计的知识进行了全面的总结，并对结构建模人员进行了详细的专业知识教育，使作业者初步具备了进行详细居住区结构的设计技能，并在实际作业中予以指导，不断进步。
（二）作业流程及职责划分
为了防止作业质量下降，实船作业时须明确各专业的职责：
1、结构设计科负责新船上层建筑设计指导、图纸审核、他科图纸协议审核、船东及船级对应指导等。2、结构建模负责一体化设计工作。在结构设计的指导下，负责具体的结构设计、制图、结构建模、内部对应及协调、船东船级间的对应协助等相关工作。3、结构设计对最终的设计负责，结构建模仅是具体的作业者。结构设计仍在有资格的设计专家的控制下进行，作业质量得到保障。4、有关图纸协议。上层建筑其他专业相关图纸协议仍以结构设计方为窗口，将协议图转发给结构建模作业者，由其进行协议；协议结果经结构设计担当确认后，返却给相关专业。结构建模人员及时把协议结果落实到具体的图纸中。
三、实船作业
采用新的设计模式，我司对28，000吨多用途船、61，000吨散货船、60，000吨大开口散货船、308，000吨VLCC、36，000吨多用途船等船舶上进行了一体化设计作业。
（一）设计要领
居住区边设计边建模模式设计主要分二部分：一是初步设计及建模（11-006制作）；二是详细设计及精细化建模（各层甲板RELEASE图制作）。
（二）初步设计及建模
根据船舶总布置图（G/A）、内装布置图等确定钢墙的布置，确定暴露甲板的倾斜坡度及走向；通过规范计算和振动计算，确定各甲板和钢墙的厚度，确定DECK BEAM SPACE及DECK BEAM规格，确定内外壁的STIFF SPACE及STIFF规格，确定内壁波形壁布置。初步确定主要的分段划分，利用TRION软件对甲板、内外壁、DECK BEAM、门孔等进行大骨架进行结构建模。通过振动计算，确定GIR.的布置并计算其规格。初步设计结束后将各层甲板图及主要截面从TRIBON中调出，导入AUTO CAD中，进行结构计划图（11-006）的制图作业。11-006初步完成后发给船装、机装、内装等设计科及制造部门进行协议，并进行居住区的分段划分、组立要领和搭载要领的确定。协议结果编入11-006，本图经结构设计方审核签字后，送审船东船级并配布给他科作业。
（三）详细设计及精细化建模
基于11-006及最新的舾装来图及其他信息，在TRIBON系统内进行居住区的详细设计及精细化建模。
按照其他专业要求进行必要的结构及布置调整。比如：
1、加入分段缝，根据钢材的采购规格布置板缝；2、门、窗、设备开孔的布置和调整；3、确认DECK BENM布置及规格及端部形式；4、确认GIR.布置及规格，部材贯穿孔追加、肘板的确定及GIR.端部形式的确认。5、确认电梯井加强材的布置及顶部吊钢丝绳用的横梁设计。6、内外墙壁的板厚确认及调整，悬挑甲板下结构加强计算和校核，他科的设备加装在居住区甲板或壁上，进行强度校核，布置补强材加强。7、确认与周边结构的连接部分，需要加强的，通知相关构造的设计者进行补强追加。8、根据制造要求，追加焊接收缩量、撘载余量、坡口、过焊孔、添加防变形条材等相关信息。等等。根据CHECK LIST，逐项进行检查确认设计图纸，最终由结构设计担当检查确认后签字发行。
（四）对应事项
1、船东、船级意见对应
以结构设计方为窗口，由结构设计方具体负责对应事务，为提高结构建模相关人员的结构设计水平，可参与协助对应。处理结果指示建模相关人员具体落实。
2、内部对应
内部对应即指居住区建造过程中，公司内部各部门或设备厂家间的对应。一般直接由建模作业者进行对应，结构设计科应及时了解并进行指导。最终结果应在结构设计担当确认后执行。
四、结构设计与结构建模一体化作业模式的优点与不足
（一）一体化作业的优点
1、设计周期缩短。采用设计和模型一体化作业模式，省去了结构设计出图的设计周期，结构建模提前进行，模型提前完成，在结构模型基础上的进行舾装作业，相应提前。我司308K VLCC整个居住区的设计周期比传统提前了两个月左右，节约了大约1500工时。2、有效避免信息的二次传递造成的错误现象。作业人员直接与船、机、电相关人员协议，协议结果直接体现在图纸中，取消了结构设计科对信息的二次传递。3、设计工时明显减少。减少信息的二次传递，提高了信息传递的效率及准确性，模型作业人员直接与船、机、电相关人员协议，协议结果直接体现在模型图纸中，取消了结构设计科传递信息的环节，效率提高，准确性提高。省去结构详细设计图纸的制作，如11-601、11-602等，模型RELEASE图与结构图合二为一，减少了二维结构图纸制图及不必要的重复事务性工时。4、设计不具合减少、且更合理。由于建模人员具备生产设计及制造经验，模型比较直观，能很方便地发现一些比较隐蔽的设计错误和不合理设计，可以及时进行修正，大幅度提高了设计合理性与正确性，设计不具合大大减少，减少现场的返工，设计出的结构更加方便制造，提高了制造效率。5、扩展员工作业技能。一体化作业人员，掌握和融合了两个专业的知识，增加了员工技能，充分体现了我司着重培养多技能复合型人才的人才策略，边设计、边建模，使原先简单枯燥的建模作业不再乏味枯燥，作业强度降低，提高了作业者的学习积极性与主动能动性。
（二）一体化作业的不足
由于一体化作业周期提前，在详细设计与精细化建模阶段，其他专业有些信息不能及时准确给出，导致后期TRIBON系统中模型修正量增大，浪费了工时。一体化作业还需要舾装等相关专业给予适当配合，上层建筑舾装布置设计尽量提前，并尽早取得船东的认可，以减少后期的修改工作量。
五、总结
通过目前几艘实船设计验证，我司采用的上层建筑结构设计与结构建模一体化的作业模式，有效地提高了设计及制造效率，上层建筑设计周期大幅缩短。一体化作业目前尚在进一步完善阶段，相信在累积更多经验以后，一体化作业可在更大范围内推广，以提高设计效率、缩短设计周期。
