養殖工船上層建筑改進設計

張怡,王靖,王慶偉,楊索賢

(1.中國水產科學研究院 a.漁業機械儀器研究所;b.農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室,上海 200092;2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室深藍漁業工程裝備技術聯合實驗室,山東 青島 266237)

近年來為應對生態環境惡化、過渡捕撈等情況導致的海洋漁業資源萎縮問題,海水養殖產量逐漸超越了傳統捕撈產量。

近海網箱養殖因有污染海水、養殖品質差等弊病正逐漸被包括大型網箱、固定式養殖平臺、大型移動式養殖平臺等的深遠海養殖裝備所替代[1-2]。

作為深遠海養殖工船領域探索者的10萬 t級“智慧漁業大型養殖工船”首制船“國信1號”已于2022年5月20日在青島交付運營。該養殖工船使用相對封閉的船艙作為養殖魚艙,通過管道汲取深層海水并將養殖廢水通過凈化處理后經排出以使養殖魚艙水質達到適合養殖魚類生長要求,同時降低養殖海域海水污染[3-4]。該養殖工船具有自航功能,在養殖水域面臨臺風或水環境不適合養殖魚類生長的情況下可快速轉場。因有航行瞭望需求,該船設計了與常規運輸船同樣帶有駕駛室并配備航行船員居室的上層建筑,以實際建造并運營之后,發現在一些技術問題需要在設計階段給予充分的考慮,針對這些問題提出對后續養殖工船上層建筑設計改進措施。

1 上層建筑設計依據

“國信1號”作為國信系列“智慧漁業大型養殖工船”的首制船,在設計過程中沒有成熟的規范可參考。其間,中國船級社頒布了《海上漁業養殖設施檢驗指南》(以下簡稱指南),對設計工作進行指導[5]。根據指南的要求,養殖工船屬于移動式養殖設施,其上層建筑的設計主要需符合《海上移動平臺入級規范》《鋼質海船入級規范》《國內航行海船建造規范》《海上人命安全公約》等的要求。

2 首制船上層建筑設計考量

與常規船型相比養殖工船作業工況有一定特殊性。其中,與捕撈漁船相比,養殖工船主要工況為位于養殖錨地的系泊工況,大量的船上人員主要是養殖相關作業人員與科研人員。而與海洋平臺相比,在臺風季或赤潮等不利的自然災害來臨,或養殖水域水溫、水質有變化時,養殖工船要有轉場的能力,需要配備符合自航工況要求的船員。上層建筑的設計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。

上層建筑的設計主要分艙室布局與結構形式兩大部分。根據前期調研,并經過經濟性分析,以35人為設計定員數,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、網絡設備間、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生需求的服務處所與衛生處所、滿足辦公與魚類養殖需求的公共處所、養殖研究與控制的養殖實驗室與養殖集控室、通道處所等。為保證航行安全,駕駛室設置高度需滿足一定的視線要求[6],為減少上層建筑對甲板面通行的影響,在符合艙室數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,將上層建筑設計為5層,每層甲板層高設計為3.0 m,主甲板區域上層建筑占地面積628.2 m2。

在結構形式上,上層建筑整體布局采用中央橫向單走廊的長板樓式布局,整體結構采用橫骨架式布局,將中央走廊設置為兩道連續橫艙壁并作為跨距支撐點,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。為減少機艙棚與煙囪的噪音影響,煙囪與居住區域分離,煙囪前壁與居住區域后壁間距6.4 m。

3 養殖工船后續船上層建筑改進方案

3.1 首制船遇到的問題

經實船投入養殖作業后,發現上層建筑設計方案需調整,如布局方面,包括高峰工作時間廚房人員與其他人員上下樓工作動線易發生沖突、維持船舶動力的船員與養殖生產作業等其他船上人員按工作性質集中居住,導致同一時間所有的人都擁擠在唯一的樓梯間入口處;構件余量方面,結構構件尺寸取值過于保守,設計余量過大導致居室有效利用空間不足;房間數量方面,首制船規劃的養殖操作人員數量經運營后發現還需增加,導致總人數大于設計定員數量,上層建筑內船員居室數量不足等。

3.2 布置改進

3.2.1 抬高駕駛室高度

已有研究表明,船舶航行時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[7]。養殖工船主要工況為系泊工況,且在轉場時對航速要求不高,煙氣回卷效應不明顯,因此考慮適當增加上層建筑高度。

由于養殖工船主甲板有大量吊機,首制船雖然通過調整吊機位置解決了部分視線問題。但后續船考慮到為更好地觀察指揮主甲板上養殖投飼裝備運行情況并盡量避免吊機對視線的影響,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及冷藏機室、冷庫、養殖實驗室等高度較高的大型設備,首制船建造之后發現局部層高剩余空間不足,設備安裝困難,故在后續船設計中該層層高增加500 mm。同時,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在1.58倍船長處,完全可以滿足《國內航行海船法定檢驗技術規則》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限制,船員居室布局不得不十分緊湊。為滿足船員居室數量要求,大量船員居室設計為狹長形式,每間船員室平均面積16 m2,平均寬度2.25 m。衛生單元與船員室門一同布置于近走道側。衛生單元淋浴區寬度僅夠采用400 mm型號的產品,淋浴時甚至無法轉身。室內為增大空間采用850 mm單人床與900 mmm的小型寫字臺,但剩余空間仍不足5 m2,工作人員長時間居住于如此局促的空間中不利于其心理健康。僅有一間公共會議室,管理人員居室會客區域狹窄,無法同時開展多場小型會議。后續船通過居住區域后端壁向后移動一個肋位,并結合增加一層居住甲板,使居住生活區域面積增加580 m2,為改善居住生活區域條件提供了更多可能。同時,煙囪前壁向前移動2個肋位,煙囪每層面積也可增加45.76 m2,有效改善煙囪內熱氣排放不暢的問題。

圖2 養殖工船上層建筑典型甲板布置改進對比

3.2.3 居住區域布局

在增加居住區域總面積的前提下,采用擴大室內面積、增加房間數量、調整人員動線、挪移艙室布置的方式改進上層建筑的布局,以達到改善生活空間、符合實際需求、減少人流對沖、剝離不利環境影響的目的。

擴大室內面積,主要是擴大船員居室面積。普通船員居室增加面積至18 m2以上,其中衛生單元增加至2.3 m2,淋浴區800 mm×800 mm滿足正常體型沐浴轉身需求。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間高級船員房間采用包含會客空間的套間形式,既保證隱私又可在會客空間召集小型會議。首制船的會議室面積狹小,僅能召開14位人員的會議,大型會議只能使用餐廳,后續船采用46 m2的大會議室布局,一次會議可容納近30位人員,同時增加投影儀使用區域以適應會議實際需要。擴大養殖部、甲板部、輪機部辦公室面積,為更多管理人員提供辦公空間。

增加房間數量,一方面是增加定員至40人,保證養殖工作人數需求,相應增加居住艙室;另一方面是增加符合海事局《船舶與海上設施法定檢驗規則》要求的娛樂室、健身房等,滿足船員休息娛樂的需求。為便于高級船員餐廳和普通船員餐廳分別配餐,增設一間配餐間。

調整人員動線見圖2。

主要措施為在將上層建筑內“豐”字型單走道布局改為“回”字型走道布局,將內部主樓梯每層原僅一個出入口調整為兩個出入口,單個樓梯間入口由通達最大20個居室減少為9個居室,減少人流雙向匯集。通過增設電梯,并結合工作時間與同時搭載人數選擇合適承載能力的電梯型號進一步減少梯道對沖現象。電梯間設于靠近食品庫處,便于搬運食品至廚房。每層船員居室由相同工作性質布置在一起,改為以工作時間分配居室,使相同工作時間的人員分布居住于各層中,同一時段每層進入梯道或電梯的人員均布。

挪移艙室布置,包括房間在整個上層建筑范圍內的分布形式、房間內部硬軟裝的布置形式調整及上層建筑區域設備擺放位置的調整。對于居住生活環境有不利影響的存放二氧化碳、垃圾、應急發電等艙室改進布置到機艙棚及煙囪區域,改善居住生活條件。考慮到養殖工船的主業,需要定期解剖研究魚體以檢驗養殖效果,在養殖實驗室面積基本不變的前提下重新布置內部布局,采用統一的中央試驗臺替代分散布置的實驗臺,使原限于6人的空間可以容納更多實驗人員。

3.2.4 煙囪布局

經首制船實船驗證,煙囪內噪音對居住區域影響有限,故在后續船中將煙囪前壁向艏部移動2個肋位,增加機艙棚與煙囪占地面積。結合機艙內將主機位置移動至煙囪正下方的優化方案,減少主機排煙管道因直角轉彎過多導致的排放不暢的問題。擴大后的煙囪面積也使尾氣的熱量更快擴散并通過煙囪艉部頂端的百葉窗散熱。

3.3 結構改進

3.3.1 原則

結構改進以安全為前提,通過保證結構構件尺寸在滿足規范計算要求的范圍內減少取值余量及改變結構形式等方式,以使在上層建筑總體積增加的情況下盡量減少結構重量過多增加,同時考慮避免截面積過小導致產生振動等不利影響,兼顧考慮施工便利性避免產生施工人員無法進入的小空間區域。

3.3.2 結構形式

改進后的上層建筑內部布局因采用“回”字型布局,中央走道、電梯井、電纜通道、洗衣間等區域整體采用鋼質艙壁強結構,船員房間圍壁不再采用首制船做為跨距支撐點的形式,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%,減少結構骨材的剖面積。縱壁采用橫骨架式扶強材形式即兼顧結構強度要求,又便于上層建筑內部冷凝水沿豎向扶強材快速排出,避免因采用水平縱骨而產生長期積水導致銹蝕等不利影響。

3.3.3 結構強度

首制船上層建筑居住區域與煙囪部分完全分離,當因極端波浪引發船體產生縱向扭曲時,兩部分結構會對主甲板產生撕扯,尤其是主甲板機艙棚大開口區域缺少有效結構支撐,存在較大安全隱患。后續船通過在B甲板區域使煙囪與居住區域連通,主甲板與B甲板形成框架結構增加上層建筑整體結構強度,同時煙囪與居住區域仍保持一定距離減少煙囪噪聲對居住區域的影響。

3.4 救生艇布置改進

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,應急情況發生時會存在人員滯留于樓梯上等待的情況。后續船將救生艇移至船艉主甲板上,當預備登艇時人員可在空曠的主甲板上等待。

4 改進前后設計方案對比

4.1 結構重量

根據后續船設計方案,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,若結構構件直接采用首制船的規格,后續船上層建筑結構部分總重量與首制船相比必然有所增加。

上層建筑結構總重量

P=P駕駛室+nP’+P煙囪

式中:P駕駛室為駕駛室結構重量;n為上層建筑駕駛室以下層數;P’為居住區域駕駛室下單層平均結構重量;P煙囪為煙囪區域結構重量。

上層建筑改進前后結構重量對比見表1。

表1 上層建筑改進前后結構重量對比 t

注*:首制船為4層居住區域平均值,改進后后續船為5層居住區域平均值。

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

后續船在結構方面主要采用以下改進措施。

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W經計算需達到55 cm3,而后續船改成縱骨架式后甲板縱骨剖面模數W經計算只需達到37 cm3,在構件總長度不變的情況下骨材橫剖面減少33%,減少相應的結構重量。

2)強肋骨在符合規范要求的前提下采用了橫截面積更小的構件。

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

4)煙囪上部寬度減小,通過改進煙囪整體體積,大幅減少煙囪結構重量。

通過這些結構改進措施抵消了整個上層建筑因整體體積增加后對結構重量帶來的不利影響。

4.2 動線對比分析

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