从设计角度浅谈船体结构建造成本控制

邱伟强，高晓磊，叶红盛，燕家乐，袁海通

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2.中国人民解放军91412 部队，广东湛江 524000）

0 引 言

近年来，船舶的大型化趋势越来越明显。船舶大型化之后形成的规模效应在给船东和船厂带来更多经济效益的同时，使得船体建造的难度和工作量越来越大，船厂的船舶建造成本激增。中国船舶集团有限公司在2018 年的管理提升专项行动启动会上指出，各成员单位必须狠抓成本管控，增强成本管控意识，丰富成本管控手段，提高成本管控的执行力，努力实现经济效益提升。

对于某些大型运输船而言，由于其船体结构的物量较多、构型较复杂，船体结构设计与建造成本控制是船舶建造整体成本控制中的重要一环，仅船体的钢材采购和建造成本就可能超过船舶建造总成本的30%。影响船体结构建造成本控制的一个关键因素是船体结构优化设计。一个优秀的船体结构设计师需具有很高的综合素质，应具备统筹全局的能力和“成本控制”意识，在完成设计指标的同时，尽量减少设计和建造成本。船体结构优化设计考虑的因素不仅包括空船结构重量控制，而且包括船厂管理成本和工艺成本控制，这是一个综合管控的过程。

1 从设计的角度控制结构材料成本

首先要考虑“用什么”的问题，也即，对船舶结构的材料进行成本控制。在初步设计阶段，结构设计师应根据总体布置图、设计规格书和以往积累的船体结构材料布局的经验，结合规范计算，统筹规划好全船每块区域结构的材料选用。例如：

1）为降低船舶的重量和重心，需考虑是否要在上层建筑的选材中考虑铝合金材料、夹层板或纤维增强复合材料。若选用非钢制材料，还要考虑后期维修的便利性和维护成本。

2）需考虑在某个特定的区域，选用何种等级的高强度钢材更为合适。通常情况下，对于总强度裕度较小的船舶而言，在甲板区域采用屈服极限较大的高强度钢能节省较多的船体结构重量。是否使用高强度钢不仅仅取决于结构的轻量化要求，还要考虑船体结构大量采用高强度钢之后带来的船体梁刚度减弱、固有频率下降和拉应力偏大造成钢板腐蚀加剧等问题。虽然各国的船级社规范和《共同结构规范》（Common Structural Rules，CSR）对采用高强度钢的船体结构的刚度和疲劳强度衡准作出了严格的规定，但结构设计师在选用屈服极限较大的高强度钢时仍需与船东和船厂沟通，必要时应将其写入设计规格书中。

建议结构设计师按构件承载能力划分数值区间，同一数值区间内的构件选取统一规格的尺寸。表1 为某船的屈曲加强筋规格选取建议表，一般在满足CSR要求的船型上使用。这样不仅能减少材料的规格种类，降低绘图人员选取构件时的盲目性，而且能降低船厂工人用错材料的可能性，同时能提升船体构件放样套料的材料利用率，降低船厂的材料管理成本。

表1 某船的屈曲加强筋（兼开孔自由边屈曲加强筋）规格选取建议表

结构设计师应了解船厂的采购习惯和影响采购成本的关键因素，如船厂习惯合作的钢厂生产的型材的规格和价格、每吨高强度钢中厚板与每吨普通钢材的差价等。若设计中出现的某种型材不在船厂的采购范围内，且用量不大，则可考虑用其他型材或组合型材代替这种型材。在某个区域选用高强度钢虽然能减轻一定比例的结构重量，但若该高强度钢的价格成本超过普通钢的价格成本和相当于可减轻重量的钢料的价格成本，则该区域未必一定要选用高强度钢。

2 从设计的角度控制建造工艺成本

结构设计师应了解如何运用船体结构零件建造船舶，也即，解决“怎么用”的问题。在进行结构设计过程中，要与船厂的生产设计及工法部门加强沟通，了解船厂常用的节点形式、平面生产线的使用要求、小组立到大组立的组装顺序和焊接规程等，并参与船厂的分段划分工作。

2.1 根据船厂的船舶建造能力和习惯完善典型节点的形式

由于不同船厂的船舶建造习惯不同，其典型节点形式会略有不同。例如，某船厂在对靠近实肋板人孔的底部纵骨贯穿孔形貌及其包头补板进行优化设计之后，发现纵骨贯穿孔的开孔高度更小，此时若再将全包头补板改为半包头补板，不仅能减少焊接工作量，而且能使局部结构强度余量更大，见图1。

图1 临近人孔的底部纵骨贯穿孔及其包头补板的优化形式

2.2 根据船厂的船舶建造工艺流程改进结构设计方案

某些船厂采用自动化水平较高的平面焊接流水线，在1 个分段范围内的较长的平板横向板缝要求不大于2 条。由于平板内各区域的应力分布不均衡，导致当1 个分段内的平板最佳板厚分布应为变化值时，需权衡1 个分段长度范围内平板板厚设计值变与不变的利弊，以及如何优化加强筋的布置和尺寸，在控制重量的同时，使建造工艺得到简化。图2 为某船因外底板不满足双向屈曲要求而实施的额外加强方案，其中：方案1 以增加横向板缝为主，对船厂平面生产线的使用效率的影响比较大；方案2 以增加横向屈曲加强筋为主，会导致结构的件数较多，同时会影响到船底的流水畅通性；方案3 综合考虑了方案1 和方案2 的优点，在控制底部板架重量、合并横向板缝和增加屈曲加强筋之间取得平衡，对于船厂简化工艺而言是相对较优的方案。

图2 外底板双向屈曲加强的3个方案

对于大型运输船而言，由于其底部区域的剖面模数裕度不大，极限强度很难满足要求，因此其底纵桁上的纵骨一般连续穿过实肋板，并参与总纵强度，这样对实现结构轻量化有明显的益处，但这种结构形式会极大地影响船厂小组立的组装效率。图3 为某散货船底部纵桁上纵骨的连续性对其底部分段建造流程的影响示意图，该船的底部分段建造以内底板为底面，先焊接内底纵骨，再安装底纵桁，接着安装实肋板，最后盖上外底板（含外底纵骨）。

图3 某散货船底部纵桁上纵骨的连续性对其底部分段建造流程的影响示意图

在安装实肋板过程中，底纵桁上纵骨间断与否直接影响到实肋板的安装方式（是能从上方直接落入，还是必须采用拉入法）。前者的建造效率远高于后者，但要求底纵桁上的纵骨必须间断于实肋板。若船厂不愿意改变建造工艺流程，则结构设计师需寻找方法使底纵桁上的纵骨既间断于实肋板，又满足规范关于极限强度的衡准要求。因此，结构设计师需在增加结构重量与节省建造工艺成本之间做出权衡。一般说来，小型船舶采用底纵桁上的纵骨间断于实肋板的设计方案引起的重量增加远小于大型船舶，可实施性相对更强。

2.3 提高焊接便利性方面的结构设计方案改进

目前船厂的船舶建造周期相比以往缩短很多，而船厂的人工成本一直在增加，因此提升船厂的焊接便利性一直是结构设计师关注的重点。例如，某些艏部、艉部和机舱底部区域的施工空间狭小，焊接工作量较大，在这些区域不应使用过小的肋距，不应增加过多的加强筋、肘板或板缝，应想办法增大结构构件间距和施工空间。图4 为优先考虑建造便利性的情况下，滑油循环舱下部施工空间狭小区域的结构设计示意，为保证在滑油循环舱下部区域有足够的施工空间，应在保证结构强度满足要求的前提下，尽量在实肋板上设置较大的开孔，并避免在开孔周围设置加强筋或面板，以减少在狭小空间的焊接工作量。

图4 滑油循环舱下部施工空间狭小区域的结构设计

此外，为提升焊接的便利性，结构设计师应配合船厂改进焊接超厚板角焊缝时的坡口和焊接规程。图5 为焊接超厚板角焊缝时的坡口和焊接规程改进方案，相比原设计方案，改进方案能节省很多焊接工作量，同时能使工人在开敞空间内施焊，避免仰焊，提升焊接的便利性。改进的焊接方式虽然在焊缝强度方面略不如原方案，但也能满足结构安全性的要求。设计院所应在坚持安全性的前提下，积极配合船厂做这种改进工艺的尝试，因为这也是一个相互学习的过程。这样，在赢得船厂的信任的同时，有利于理解结构设计的内涵，设计出既安全又便于建造的结构节点。

图5 焊接超厚板角焊缝时的坡口和焊接规程改进方案

2.4 提高分段合拢效率方面的结构设计方案改进

若要提高分段合拢的效率，最重要的一个原则是使与分段线相交的结构零件数量尽可能少。图6 为某机舱外板的骨材布置方案优化改进示意图。由于分段线位于机舱平台上且与机舱平台平行，在原设计中有过多的横向肘板与分段线相交。经优化设计，在基本不影响结构强度裕度的前提下，将局部的多个横向肘板替换为一根不与分段线相交的外板纵骨，这样不仅能减少构件数，而且能提高分段合拢的效率。

图6 某机舱外板的骨材布置方案优化改进示意图

3 从设计的角度控制结构总重量

最后要解决“用多少”的问题，也即，结构设计师要考虑使用多少材料能完成对整个船体结构的搭建，这直接关系到船厂的建造成本。专业技术水平很高的结构设计师不一定能做到有效控制空船重量，因为这里起决定性作用的是结构设计师的综合素质，除了依靠结构设计师自身的技术水平之外，还需要与设计团队内部的其他专业设计师沟通。控制船体结构重量的工作需要团队成员共同努力来完成。

控制空船结构重量的难度系数通常随着轻量化指标的提高而急剧增加。结构设计师要善于合理分配自己的精力、体力和心力，做好组织协调和决策，如根据成本控制的重要性对每套图纸的设计、校对和审定做出最合适的安排。重量控制问题既包括结构的统筹布局，又包括局部构件的尺寸选取。前者要求设计师具有掌控全局的能力和丰富的设计经验；后者更多考验设计师的细心和耐心。下面将就这2 个方面的内容展开研讨。

3.1 从总布置的角度控制空船结构重量

优秀的总布置是控制结构建造成本的最佳切入点，甚至能直接决定超过50%的可优化结构重量。结构设计师应以最好的工作状态尽早参与到总布置的决策中，从保障结构安全和控制建造成本的角度对总布置图提出修改意见。此时，结构设计师应坚持重量控制的技术要点，为整船的空船结构成本控制打下坚实的基础，只有这样才有条件抵消设计中后期一系列结构成本增加带来的负面影响。因为在设计中后期，结构设计师也应配合设备相关专业的人员根据生产设计放样结果不断调整局部结构，此时局部结构会变得不均等和无规律，结构重量控制和建造成本必然有所增加。

结构设计师必须掌握总体设计的基本常识，了解影响舾装、轮机等专业设备布置的重要因素，以便与这些专业的设计师深入讨论总布置方案。一些船体内部空间的设备和舾装件排列得很密集，结构设计师应仔细平衡不同专业对占用空间的诉求，做出必要的结构布置调整。

在总布置方案设计阶段需考虑的问题包括：

1）尽可能地在满足船舶技术指标要求的同时压缩主尺度，尤其是结构吃水线以上的任何空间；

2）在保证操船者配载的便利性的前提下，合理分舱，以将船舶设计静水弯矩和剪力控制在一个合理的范围内；

3）合理设计舱室、甲板、平台、舱壁的位置和边界，在满足规格书和规范的要求的条件下，适当减少或减小舱室、甲板、平台和舱壁的数量、长度、面积、体积，甚至取消非必要的舱室、甲板和平台；

4）通过优化舱室边界形状，减轻钢制舱室边界的重量；

5）力求局部乃至更大范围内的骨材间距、强框/立柱间距均等设计。

为在油舱总体积满足要求的前提下减少油舱的围壁表面积，应避免设置形状过扁的油舱，通过求取油舱围壁总面积的最优解设计最优的舱室形状，见图7。

图7 参考油舱围壁总面积数值的最优解开展油舱边界形状参数优化

以上统筹优化工作对总设计师团队的数学基础、逻辑判断能力、综合统筹能力和知识的广度提出了较高的要求。

3.2 从结构设计的角度控制空船结构重量

3.2.1 结构布置的优化

考虑到基本结构图的重要性，结构设计师应在思想上对结构设计予以足够重视，并投入足够多的时间和精力。应对基本结构图的每处细节都精打细算，充分发挥自己的聪明才智，将自己的设计思想和成本控制理念体现在基本结构图中。

在进行结构布置时，应尽可能地避免设置“冗余”的船体构件，而不是仅仅局限于参考母型船。删除一个可有可无的船体构件相比单纯地减小该构件的尺寸，减重效果要好很多。例如，根据结构力学计算结果，尽可能地取消对总强度、局部强度和动力性能贡献较小的构件。图8 为某油船的机舱区域上甲板，若该区域为纵骨架式，且甲板纵桁两端的横舱壁或立柱间距较大，则该甲板纵桁跨距较大，自身的刚度较弱，无法对强横梁形成有效支撑，是否需设置此类甲板纵桁还需结构设计师仔细斟酌、予以取舍。

图8 某油船的机舱区域上甲板

3.2.2 拓扑优化的应用

拓扑优化的基本原理是考虑尽量将主要的支撑构件布置到传承载荷的最佳路径上。图9 为某单纵舱壁超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的横向主要支撑构件按拓扑优化的固体各向同性材料惩罚函数（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）方法得到的最佳传力路径。一个较优的结构设计方案必然能体现出应力均等的原则，即：整个结构的应力水准在满足安全性要求的同时，其安全利用因子应尽可能大且接近，使得“材”尽其用。

图9 某单纵舱壁VLCC的横向主要支撑构件基于SIMP法求得的最佳传力路径

在引入适当的约束条件之后，拓扑优化同样适用于规模和体量较小的构件，如型材。常见的型材形式有球扁钢、不等边不等厚角钢、不等边等厚角钢和船厂轧制的T型材。同时，由于T型材的采购成本较低、形状可设计、适用的剖面模数范围大，多数船厂都能自行生产，因此设计力学性能更优的T 型材值得结构设计师注意。曾有多位研究人员通过拓扑优化推演出T 型材的最佳构型形似于双球头球扁钢。设置面板等截面、腹板平直化等约束条件之后的T型材面板的最佳拓扑构型是形似双球头球扁钢的球头。

以上拓扑构型要经过形状参数优化设计之后才能在实船上应用。中国船舶及海洋工程设计研究院曾综合拓扑和形状参数优化，设计一种力学性能更优的T型材，并已获得国家专利局的授权，内容详见文献［9］，此处不再赘述。

3.2.3 形状参数优化的应用

主要支撑构件的形状参数优化往往与有限元分析技术相关。目前，有限元分析技术已在结构设计中得到广泛应用，甚至可能占到结构设计总工作量的50%，计算结果仅用于校核船体结构强度是否满足规范的要求较为可惜，还可将其作为结构轻量化的技术依据和创新设计的依据。在确保有限元计算的精度可控和计算工况全面的前提下，结构设计师通常以有限元分析结果为基础，依据双向渐进优化的筛选原则，在高应力区域增加构件的几何尺寸，在低应力区域减小构件的几何尺寸或增加开孔，从而达到控制结构重量成本的目的。

图10为按双向渐进优化方法优化得到的某阿芙拉型油船中纵舱壁横向强框下部区域的形状优化及开孔设置（分段施工现场）。通过仔细分析图10 a中的应力云图和变形特征发现：油船中纵舱壁横向强框靠近面板处具有较大的压缩变形，横向压缩应力水平较高，应考虑增加横向强框端部放大的范围；横向强框下部靠近中纵舱壁的位置应力水平较低，可考虑在此处设置较大的开孔，由此演变成图10 b所示的形状。

图10 某阿芙拉型油船中纵舱壁横向强框下部区域的形状优化和开孔设置

3.2.4 尺寸优化的应用

结构构件尺寸优化不能盲目地以降低结构安全余量，牺牲结构的安全性为代价。尺寸优化适用于全船各个角落的结构构件，因此细节工作有很多，总工作量较大，其中包括所有构件板厚的设计和骨材的剖面优化等。这样做虽然能很可观地减轻结构的总重量，但有可能增加构件损伤、加大局部振动响应、增加船级社退审意见率，因此结构设计师在进行尺寸优化时，除了要通过全面细致的计算满足规范中各种强度的衡准要求之外，还要考虑整体和局部板架振动频率是否与主要激振频率重叠。此外，盲目追求减轻空船结构重量也有可能导致建造结构所用型材的种类、屈曲加强筋、肘板和补板的数量急剧增加，给船厂施工带来诸多不便，引起船体建造成本增加。因此，需在空船结构重量与结构零件数之间取得平衡。

因为结构成本控制竞争的激烈程度增加，结构优化的对象已覆盖全船。不仅货舱、艏部、艉部、机舱和上层建筑等总重量通常在数百吨甚至几万吨的区域是结构重量控制的重点，挂舵臂、艉轴铸钢件和机舱海水门结构等以往对结构安全性要求很高的重点区域也是结构建造成本控制的对象。此外，设备基座、舷墙和舭龙骨等重量仅为几吨甚至几百千克的小体量、细节结构也属于结构重量控制的范畴。图11 为某大型散货船的舭龙骨结构形式简化及轻量化设计，将原来的组合式舭龙骨简化为普通型材，构件数量和重量均减少30%以上。尽管构件尺寸优化看起来是一种技术含量不高的“苦功夫”，但起到积极作用的“苦功夫”好于“没功夫”。结构设计师应秉持“积小胜为大胜”的长期主义理念，肯在细微处下“苦功夫”。结构尺寸优化既不能忽视细节，又不能拘泥于细节，同时还要注意不能在细节设计中花费太多精力，造成对整体结构重量成本的控制力下降。

图11 某大型散货船的舭龙骨结构形式简化及轻量化设计

4 结构建造成本控制的其他方面

4.1 技术创新

从理论上看，空船重量控制没有止境，所有参考母型都存在减轻重量的空间。但是，在某个相对稳定的技术周期内，结构重量控制实际上存在一个上限，越接近该上限，结构轻量化设计付出的代价越大。因此，结构设计师既不能盲目追求结构轻量化，又要不断进行技术创新。

创新精神和敢于担当是每个结构设计师都应具备的优秀品质，既要通过练习和阅读其他设计方案培养创新设计的灵感，又不能盲目相信这种灵感。结构创新设计要落实到实船设计中，一般要经过更多的验算和试验证明这种设计的有效性。因为采用新技术会改变原来的成本基本构成，对成本控制的改变可能是革命性的。要对失败的创新设计保持宽容和理解，制定合理的规章制度鼓励设计师勇于创新，使其劳动价值得到充分的体现。

4.2 结构设计时间成本控制

结构设计时间成本控制也是船体建造成本控制中的重要一环，不仅直接关系到船厂能否及时交船，而且直接决定留给船厂进行生产设计的时间，间接影响到船厂结构的建造成本。

首先要设法减少设计团队内部的沟通时间成本和设计返工。团队协作精神一直是设计师极为重要的个人素质之一。整个设计团队中的各成员之间若能良好地沟通协作，有助于大幅缩短设计周期，节省大量的工时成本。

通过充分地进行市场调研获得最佳的船型优化需求信息，以避免设计师多走弯路，在最短的时间内设计出受市场欢迎的船型；通过全周期的三维参数化设计提高设计的效率，以节省设计师的时间；通过应用现代化生产管理系统降低结构设计师的内外部沟通时间成本。以上均是控制设计时间成本的重要手段，也是各设计单位正在运用的技术手段。

5 结 语

船体结构建造成本控制是一项系统工程，需从大处布局，从细节做起。结构设计师要对船体结构成本控制的各个环节和技术要点进行统筹规划，与设计团队内的各位成员精诚合作，智慧地分配自己的精力、体力和心力，善于将复杂问题分解为多个简单问题。不管是宏观总布置还是微观细节设计，都应经过反复计算论证和自我否定。同时，要重视技术创新和再学习，不断地实现设计技术改进，与包括船厂生产设计在内的整个设计团队一起，共同完成整个建造周期的船体结构成本控制。