中型邮轮典型异型结构特点分析

徐耕读 甘 进 吴卫国

（1.武汉理工大学 绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心 武汉430063；2.武汉理工大学 交通学院 武汉430063）

0 引 言

邮轮被誉为造船业“皇冠上的明珠”，也有人形容其是“技术与工艺”的最佳融合，是我国高技术船舶中仍没有取得突破的重点领域，是我国船舶工业综合能力迈向高端的重要标志。普通客船需为乘客提供多种类、高密度且高规格的服务功能，但是普通客船往往很难拥有舒适的住宿空间、优美的观光体验，充足的娱乐设施以及安全的搭乘环境。中型邮轮拥有众多层数且庞大丰满的上层建筑，邮轮主船体及上层建筑结构设计中采用的异型结构满足了其娱乐功能以及美观的需求。

1 中型邮轮异型结构分类

1.1 中型邮轮异型结构定义

异型结构指满足邮轮外观、布局、功能和结构安全等多方面需求而不同于传统船舶结构形式的结构。邮轮上中庭、剧院等舱室考虑到空间及艺术性结构设计；高腹板开孔桁材等考虑到管线铺设、减轻结构等功能需求的结构设计，皆可视为异型结构。

1.2 中型邮轮异型结构分类

中型邮轮异型结构可分为传统船舶异型结构和艺术造型结构：传统船舶异型结构指从功能需求与美观性出发，将传统船舶上的结构设计经过改进应用在邮轮上的异型结构，它们在结构设计与承载特性等方面与传统设计有较大的差异；艺术造型结构指从艺术性与结构功能需求出发，将陆地上的经典建筑结构设计引入中型邮轮上的异型结构。由于中型邮轮需要为乘客提供舒适的游玩环境，所以将陆上部分娱乐设施搬至邮轮上，而艺术造型结构设计也应运而生。

2 中型邮轮上层建筑传统船舶异型结构

中型邮轮上需要布置众多的海景房以及大型商超、剧院等娱乐设施，虽然不同的邮轮上异型结构的类型不同，但是有一些传统船舶异型结构设计则是共通的，有的异型结构设计是为了满足游客的各项需求，有的异型结构设计则是从邮轮功能与结构安全性来考虑。中型邮轮上较为常见的传统船舶异型结构有舷侧的落地窗开口、甲板大开口和开孔高腹板桁材等结构。

2.1 中型邮轮上层建筑舷侧开口结构

与常规船舶的小舷窗和窄门不同，中型邮轮上层建筑采用了大量的落地窗结构，开口率大，下边缘与甲板距离极近且开口形式多样、位置各异、连续密集。如此设计提升邮轮外观艺术性，满足了游客观景需求，但是给邮轮的结构安全带来了挑战。

2.2 上层建筑舷侧结构特点分析

2.2.1 整体结构分析

中型邮轮上层建筑部分参与主船体的总纵弯曲，上层建筑与主船体之间存在剪力与弯矩的相互作用。中型邮轮上层建筑舷侧外板主要承受主船体与上层建筑相互作用时产生的纵向剪力，并沿各层甲板向上传递。研究表明，舷侧大开口与其抗剪加强筋对全船总纵强度有显著影响，上层建筑舷侧开口使得舷侧外板刚度降低，抵抗变形能力变弱，对整个高度上的船体梁应力分布影响较大，数量众多的舷侧开口明显降低了舷侧结构的抵抗纵向剪切载荷的能力，因此舷侧结构需布置纵向的抗剪加强筋，以加强舷侧结构。除了影响舷侧结构抗剪刚度，舷侧大开口会使上层建筑甲板总纵弯曲应力迅速降低，使主船体需要承担更大的总纵弯曲应力。舷侧开口长度比舷侧开口高度影响更大，所以针对舷侧开口结构进行设计时应首先考虑舷侧开口长度这一因素。

2.2.2 局部结构分析

关于局部舷侧开口板架，目前劳氏船级社将每层甲板和主船体简化为附着在舷侧板架上的梁单元，施加一对由波浪弯矩计算得到的剪力载荷来评估舷侧外板整体强度。有试验表明，当舷侧开口板架受到剪切载荷作用时，靠近加载端的开口角隅处率先发生破坏，面板处的主要应力集中在开口角隅处，因此舷侧开口外侧角隅在设计时应着重考虑补强。由于中型邮轮多为落地窗开口，当开口越接近甲板，舷侧开口板架在纵向剪力作用下的极限抗剪能力逐渐下降，板厚越薄、下降幅度越大，因此在设计舷侧结构时应选取适当的板厚来调整舷侧抗剪能力。

2.3 中型邮轮甲板板架结构

与常规船舶甲板小开口舱室不同，为了满足乘客娱乐游玩的需求并兼顾建筑美学，中型邮轮上层建筑布置了泳池和中央大厅、剧院这类大跨度结构。这些舱室开设的甲板开口往往需贯穿数层甲板，形式各异且跨度巨大，如图1所示。此类舱室虽然满足了游客在邮轮上的生活娱乐需求，但也给邮轮的结构安全带来了不少影响。

图1 邮轮上的甲板大开口

中型邮轮甲板多采用开孔高腹板桁材，开孔以腰圆孔与圆孔为主。由于现代邮轮上层建筑船员及旅客舱室众多，人员对温度、舒适度等需求造成邮轮管系尺寸及走线复杂，噪声要求高，腹板开孔通常可用来作为风管，电缆，水管，减轻孔使用，此类桁材不仅能将设备层与结构层合二为一，还能减轻自身质量。

2.4 上层建筑甲板结构特点分析

2.4.1 整体结构分析

为了满足游客游玩的需求，中型邮轮上层建筑甲板又宽又长，层数众多。由纵桁、纵骨和甲板板组合构成的甲板板架，主要分工较为明显：纵桁抵抗总纵载荷，纵骨承受面内载荷，甲板板两者均有参与。上层建筑甲板与纵绗部分参与船体总纵弯曲，通常采用一种无量纲参数有效度来表征上层建筑甲板参与船体总纵弯曲程度。但是，由于用严格的理论来计算有效度非常困难，因此目前并没有统一的有效度计算方法，使用最广泛的是英国劳氏军规及俄罗斯近似计算公式。针对多层上层建筑客船，有学者采用英国劳氏规范来计算有效度。

研究表明：对于多层上层建筑客船，结构在线弹性变化范围内，总纵弯曲应力的变化对甲板有效度的影响不大。甲板层数、长度和舷侧开口对有效度影响较大。随着甲板层数的增加，甲板参与总纵弯曲程度逐渐降低；甲板长度越长，甲板有效度越大，但是甲板宽度与甲板开口对有效度影响较小。所以在设计时，若想控制上层建筑对总纵强度的影响，应主要从甲板长度设计和甲板层数的布置入手，而特殊的甲板开口和开孔高腹板桁材则主要影响局部板架的结构安全。

2.4.2 局部结构分析

目前国内外学者针对甲板开口板架的结构可靠性都进行了许多研究。有学者发现腰圆孔与圆形孔对于甲板极限承载能力影响相近，而相比于圆形孔，腰圆孔板的应力分布更均匀，更能发挥材料的性能。在设计中央大厅这类大型舱室时，选择腰圆形的开口可能是更优选择。除了圆形开口，邮轮上的方形甲板开口也十分常见。试验研究表明：方形开口沿垂直于加强筋的方向的宽度会显著影响甲板板架极限承载能力。轴压载荷作用下，大开口结构两侧纵骨与甲板最容易发生破坏；在轴压载荷作用下，方形开口加筋板在轴向荷载作用下，因开口的存在而使加筋板的破坏模式由加强筋开始破坏变为板初始缺陷开始破坏。设计时应针对开口角隅处进行补强，并注意控制沿甲板宽度方向的开口尺寸。

对于甲板板架桁材，长宽相同的板架，纵骨对板架极限承载能力影响较大，而桁材腹板开孔率与开孔位置则对板架极限承载能力影响不大。与传统船舶不同的是，提高纵桁高度难以增强邮轮甲板板架极限承载能力，而适当地增加腹板厚度、纵桁面板宽度与面板厚度，增多较弱纵骨数量更能提高结构可靠性。

3 中型邮轮上层建筑艺术造型异型结构

不同的邮轮通常会设计代表性的异型结构来提升邮轮设计艺术性与美感，例如地中海荣耀号邮轮的奢华水晶旋梯与海上超长LED梦幻天幕，以及公主邮轮上浪漫的全透明海景廊桥。它们就像城市中的地标性建筑，吸引着游客前来体验。中型邮轮上层建筑将陆地上的建筑结构形式引入中型邮轮之中，在满足邮轮某些结构设计要求的同时，提升了中型邮轮的艺术感。中型邮轮上较常见的艺术造型结构有玻璃幕墙（见图2）和网壳式穹顶等。

图2 邮轮上的玻璃幕墙

3.1 中型邮轮上层建筑玻璃幕墙

中型邮轮上层建筑通常采用以下3种玻璃幕墙：

（1）点支式玻璃幕墙

点支式玻璃幕墙是指由玻璃面板、点支承装置及其支承结构构成的建筑玻璃幕墙。根据各种不同类型的支承结构，点支式玻璃幕墙钢结构主要有点支承玻璃幕墙、玻璃肋点支承玻璃幕墙和索结构点支承玻璃幕墙3种结构。

（2）构件式玻璃幕墙

构件式玻璃幕墙分为明框玻璃幕墙与隐框玻璃幕墙。通常由玻璃面板、铝合金结构框架、密封胶条（放置在玻璃与铝合金结构框架间）、连接件（铝合金框架之间及铝合金框架与主体结构之间）等组成。其中，铝合金结构框架是构件式幕墙的支承结构体系，由横梁与立柱连接而成的玻璃幕墙。

（3）全玻璃幕墙

全玻璃幕墙中的玻璃面板与支承框架均为玻璃，玻璃面板和竖向玻璃肋按照支承方式的可分为坐地式和吊挂式。全玻璃幕墙玻璃面板和玻璃肋间由硅酮结构密封胶连接。

3.2 玻璃幕墙结构特点分析

玻璃幕墙材料包含钢材、玻璃和密封胶等，通常承受自身重力荷载、风荷载、地震荷载以及温度的影响，而不同类型的玻璃幕墙也有所不同。

（1）点支式玻璃幕墙

点支式玻璃幕墙支承结构体系为点支式玻璃幕墙主要受力构件，其负责将玻璃面板所受到的各种荷载传递到建筑的主体结构上，支承点处应力集中明显。点支式玻璃幕墙对承载性能的贡献与玻璃尺寸、节点约束强度息息相关，玻璃尺寸越大、节点约束越强、玻璃承载越多。在中型邮轮建造过程中应注意节点约束力的大小以防止玻璃参与承载过多出现安全事故。

（2）构件式玻璃幕墙

构件式玻璃幕墙主要通过连接件将玻璃面板所受到的载荷传递给横梁及立柱，最终传递给主体结构。这类玻璃幕墙承载能力主要依靠其框架结构的承载能力，设计时可考虑适当的加强框架结构。

（3）全玻璃幕墙

作为支承的玻璃称为玻璃肋，利用结构胶或机械连接件与玻璃面板垂直连接，共同承担荷载。全玻璃幕墙分为吊挂式与坐地式，不论是哪一类其玻璃面板都难以承担面内载荷。这类玻璃幕墙通常作为某些娱乐舱室的舱壁出现，在考虑包含全玻璃幕墙的结构承载时应忽略全玻璃幕墙对结构承载能力的贡献。

总体而言，相对于全玻璃幕墙，点支式玻璃幕墙与构件式玻璃幕墙在中型邮轮上更为常见。玻璃幕墙主要依靠支撑结构承受载荷，而玻璃面板通常只承受面压载荷，在考虑船体总纵强度或是局部结构的承载能力时，应当控制玻璃面板对结构承载能力的影响。

3.3 网壳式穹顶结构

位于中型邮轮上层建筑顶层甲板大跨度舱室通常布置网壳状穹顶（见图3），这类穹顶通常由网壳状钢结构与面板组成，不仅跨度大，钢材料使用较少，且利于减轻整体质量，加强舱室的采光。网壳结构形式大致可分为球面网壳与圆柱面网壳。

图3 邮轮上的网壳状穹顶

（1）球面网壳

球面网壳壳面分为径向的肋和纬向的环线，两个方向的肋相互连接；再用斜杆将每个梯形网格分为2个或4个三角形。按网格划分的不同球面网壳可以分为： 肋环型球面网壳，施威德勒型球面网壳，三向网格型球面网壳，凯威特型球面网壳，联方型球面网壳和短程线型球面网壳。

（2）圆柱面网壳

如果建筑顶部是正方形或矩形，常常选用圆柱面网壳。圆柱面网壳是由若干条曲梁作为受力构件，曲梁的下端等距离固定在建筑物的环梁或者屋面板上，上端汇交并固定于主顶中心铁制环梁或节点板上。圆柱面网壳两相邻曲梁间在必要时设置水平肋杆作为连接，穹顶的面板固定于每两相邻的曲梁和肋杆上。按网格类型的不同，圆柱面网壳又可以分为单向斜杆正交正放网格，单向斜杆正交正放网格、联方网格和三向网格。

3.4 网壳结构特点分析

从整体看，拱壳因其支座水平推力对每一截面产生负弯矩，减少了每一截面总的弯矩。将弯矩转化成为轴压力，因此结构跨度可大大增加，而网壳状的设计则保证了其表面受力更为均匀。稳定性为网壳设计分析的重要问题，缺陷的类型对其稳定性影响程度各不相同，例如节点偏差、杆件缺陷与节点转动等缺陷都会对网壳稳定性产生影响。在将网壳结构引入中型邮轮时应着重考虑这几类因素。

自 1951 年英国建成“探索”穹顶后，跨度巨大，形式多样铝合金空间被广泛应用于体育场、车站等公共建筑以及储煤仓等工业领域，类似于铝合金材料这类合金材料具备质量轻、耐腐蚀和易加工等优点而备受关注。很显然，中型邮轮穹顶的设计建造也可以考虑引入这类合金材料。

4 结 语

通过系统梳理和分析中型邮轮上层建筑典型异型结构特点可知：

（1）中型邮轮舷侧的异型结构为落地窗结构，开口率大且连续密集，对舷侧剪切刚度影响较大。甲板板架异型结构为甲板大开口、开孔高腹板桁材，这两类结构对甲板极限承载力影响较大；在考虑传统船舶异型结构可靠性时，需要借鉴传统船舶设计经验，但不可随意套用。

（2）中型邮轮上玻璃幕墙结构的常见形式为点支式幕墙、构件式幕墙和全玻璃幕墙，不同种类的玻璃幕墙承载特性各不相同，金属框架比玻璃面板对结构承载能力的影响要大得多。中型邮轮上穹顶多为网壳式穹顶，网壳式穹顶有着跨度大、质量轻等特点，网壳结构能将弯矩转化成轴向力，增加结构跨度同时使受力更为均匀。艺术造型异型结构通常对全船总纵强度影响不大，他们主要影响中型邮轮局部结构的可靠性。在进行这类异型结构设计时可更多借鉴陆地建筑设计经验。

（3）与传统船舶不同，中型邮轮有着更复杂的舱室布置与更丰富的功能划分，在考虑经济效益的同时，独特的上层建筑设计也给中型邮轮的结构可靠性带来挑战。