水面舰船总体区域设计分析研究

1 引 言

区域造船就是运用先进的设计、制造理论，将整艘船按空间而不是按系统组成区域，然后在不同的工艺阶段按不同的施工区域去组织高效、有序的生产，其主要特征是将传统造船按功能/系统/专业为导向的设计、生产、管理方式改变为按区域/阶段/类型为导向的设计、生产、管理方式。在“区域”(块)代替系统过程中，以“区域”为建造的一个中间产品[1]，在完成的过程中，以合理的空间分道，在时间有序的原则下实施壳、舾、涂一体化，实施设计、工艺、管理一体化。具体来说，区域造船的方法是把船体分为若干环形总段和上层建筑总段，这些总段在车间内或外场平台上制作，并进行壳、舾、涂一体化施工，实现高度的预舾装，即各总段的油漆、舾装、船机电设备、管系、电缆以及武备、电子设备和系统基本上安装就位，然后在船坞或船台上进行总段及分段的大合拢，安装连接各总段之间电缆和剩余的管系，最后完成整艘船的建造。整船下水后，经少量的码头舾装工程，即可进坞和重量重心检验、系泊试验、航行试验。

区域造船的优势是可提高舰船建造质量，缩短造船周期，有利于现代化改装。

实现区域造船，应从源头解决区域设计问题，这是区域造船的重要基础。由于舰船具有不同于民船的特点，舰船本身按功能和结构可分为平台和作战系统，而平台和作战系统之间有能量和信息传输关系。平台包括船体、电气、动力、辅助系统和装置；作战系统包括传感器、指控系统以及武器装置。舰船的使命任务是在规定时间内完成规定的作战任务，而每项任务的完成，都是舰船平台分系统与各武器系统有机结合的结果。由此可见，舰船所含系统设备众多，系统管系、电缆贯穿全船，种类多而复杂，要在舰船上实现区域建造，相比民船要复杂得多。我国军船区域设计起步晚，至今尚未有从方案开始进行区域设计的经验，因此，如何确定合适的建造区域或环形总段，如何在设计初期确定合适的区域设计的区域，并在各设计阶段实施，适应区域造船需要，这是我国舰船设计人员需要解决的首要问题。本文将从舰船的系统特点出发分析区域设计及区域建造的可行性，提出区域设计的方案。

2 传统舰船设计与区域设计的分析

根据我国军工产品研制程序规定和国军标的要求，舰船设计通常分为方案设计、初步设计、技术设计、施工设计几个阶段。由于传统的建造模式是以功能/系统/专业为导向进行生产、管理，因而，传统舰船的设计也是以功能/系统/专业为导向进行，各个设计阶段都是面向系统，总布置和各系统设计中不需考虑建造的分段与区域问题，主要根据舰船的特点，充分利用空间、利用能源，合理布局，提高适居性，注意噪声源与生活区、工作区的远离，各专业的各个系统从全舰设备的需求出发按系统的功能进行设计和布置，最大限度满足武器使用和舰船航行要求，充分发挥各系统的效能。施工设计均按系统出施工图，提供船厂进行生产设计及施工建造。

区域设计考虑到并行设计技术的先进性，结合区域造船方法，在舰船总体区域设计之初，即方案设计中就要考虑建造问题、维修问题、改装问题等；提前引入建造方法，并一直传递下去，也就是使设计的成果便于区域建造生产。因此，必须在方案阶段规划，确定功能区，然后确定舰船设计区域，各系统按区域设计实现区域供图。

理想的功能区划目标是实现在该功能区内设置区域配电系统、区域海水消防系统、区域空调通风系统等，提供武器功能模块封装体之间、作战与平台之间的标准信息、能源接口，达到某一功能区可基本实现独立地完成某项功能[2]。因此，原则上说应尽可能以主横隔壁为边界设置独立功能区，同一系统尽可能划分在同一功能区内，以实现理想的区域设计与建造。从生命力角度分析，对于全舰分布式系统采取分区设计，当某一区域该系统发生由破损或设备故障引起的内部故障时，可保证未受损区域中的系统负载不发生服务中断，这种理想的功能区设计对提高系统生命力也是有好处的[3,4]。

由于舰艇是一个形状、尺寸、结构复杂的具有各种不同类系统的聚合体，是一个复杂的水上运动建筑，其空间环境有限，资源、能源有限，作为作战之用需要装备各种战斗武器，保障其航行性能又必须装备动力装置和发电机，同时为武器提供能源，并且舰上还配有大量辅助系统及设备，既为武器提供服务，也为舰船上的生活提供保障。因此，若要实现同一系统划分在同一功能区内，也就是为系统服务的所有配套设备或分系统都必须在同一功能区内，方可形成闭环。区域系统设计是从区域的设备需求出发进行设备配置，这样势必造成系统设备重复设置，由此造成舱室需求量增大。因此，实现舰船理想的区域设计与建造需要舰总体在排水量、空间容积、能量等资源上付出代价。而舰船的空间体积相比民用船舶要紧张得多，这是舰船区域设计的难点，需要在实践中不断摸索总结。

3 舰船区域设计方案分析

3.1 区域划分的分析

进行舰船区域造船设计，首先应进行全舰的建造区域划分,而建造的区域划分又与舰船的功能区划、结构需求、安全性设计和建造厂的吊运能力是密切相关的。合理的区域划分将为区域设计、区域建造提供良好的条件和基础。

1) 功能区分析

区域划分时要考虑功能区不要跨区域设置，一个建造区域可以包含几个功能区。因此，在建造厂吊运能力许可的情况下，建造区域应尽可能地大，这样系统与设备实现区域设计的可能性就大，由此引起的重复设置的设备将可减少。

2) 结构需求分析

区域划分要结合船体分段划分考虑船体纵、横舱壁的位置、船体主要结构的位置、舱口角隅等应力集中的部位。为保证分段合拢后船体的结构强度，分段接缝应靠近横舱壁，并背离舱壁结构面，避开船舯、双底向单底结构过渡处以及甲板开口角隅等结构突变处。同时为保证分段在运输、起吊过程中不变形，要求分段具有足够的刚度，在分段(或总段)的端部有强横向构件(如舱壁、强横向框架)。

3) 安全性设计分析

为确保全舰的火灾控制安全性，舰船设了主竖防火壁；为确保全舰抗沉性，舰船均设了主横水密隔壁；为保证水灭火系统的使用有效性，全舰设了水灭火隔离段；为保证集防区的密性，舰船还设有三防通道,并且防护区设有严密的防护周界。由此，区域划分应以不破坏各种边界为原则，以主横隔壁为基础，考虑防火和防护边界与区域的关系。

4) 建造厂的吊运能力分析

区域划分应分析分段/总段的重量是否适应船厂的起重和运输设备的能力，以保证分段能顺利进行吊运、翻转和船台安装。

3.2 舰船区域设计方案分析

区域造船技术在民船建造方面的应用已取得长足进展，民用船舶的系统较少，任务单一，主要是保障航行和规定运输任务的系统，空间相对宽敞，设备布置、系统设计本身区域性较强，较易实现按区域设计。而军船，由于其全舰性系统比较多，各种设备和系统繁杂，空间紧凑，需要满足作战上的一些特殊要求，信息交互多，其上的设备、管路、电缆的种类和数量大大超过民用船舶，目前，在国内从研制开始就应用区域建造技术进行舰船设计的经验几乎没有。因此，对于舰船来说，在确定区域划分后，全舰各系统区域设计的可行性和区域设计的程度如何，尚没有依据可循。为此，有必要针对我国水面舰船的电子武器装备、机电设备的基本配置和主要系统组成进行区域设计的方案分析研究，以期探讨提出舰船区域设计的基本准则。

3.2.1总体布置

舰船总体布置是进行区域造船设计的基础,其早期规划的优劣直接影响各系统区域设计的程度。通常，国内外现代水面舰船主要系统大致分为：船体与属具、推进系统、电力系统、辅助系统、直升机舰面系统和作战系统等，而作战系统主要包括主炮武器系统、副炮武器系统、导弹武器系统、反潜武器系统、警戒探测系统、通信导航系统等[5]几大部分。按照理想的功能区划原则：同一系统尽可能划分在同一功能区内，使之形成回路，这与总布置设计的基本要求是一致的。总布置设计要求根据战术技术任务的需求，尽量发挥舰艇上各种系统及武器、装备、器材等的功能，布置应合理紧凑，协调一致，提高舰船战斗力和生命力；组成同一个武器系统的各舱室和设备宜相对集中布置，尽量设在同一个水密隔舱区域内或相近布置，尽量设在同一防火主竖区内；功能相近的不同分系统的舱室，以相互远离布置为宜。因此，对平台系统设备舱室、作战系统所属设备的主要舱室设置在同一区域内是可以实现的，其辅助设备和配套供电设备或供气设备的舱室尽可能设置于同一区域也是可以实现的[6],只是会出现同种类的配套服务舱室或设备(如为某一武器系统的配电箱或板)增多，否则同一系统在同一区域中的基本完整性将难以保证。

3.2.2推进系统

水面舰船的推进系统主要包括推进机组、控制(机旁、集控、驾驶)、后传动和辅助设备等。从其系统设备功能和使用上，设计要求舱室布局和推进系统主要设备、管线分布是按区域相对集中的，主要布置在推进机舱内，牵涉区域较广的设备和系统主要是轴系、燃油输送系统和进排气系统，轴系一般从推进机舱开始，穿越机舱后部的几个舱段或区域，直到艉轴管、出水；而燃油输送系统一般分布在从首至尾设置燃油舱的纵向区域内，进排气管路系统从底部机舱延伸到上层建筑。集中控制设备一般靠近机舱布置或布置于机舱上方或在机舱内隔出一专用舱室[7]。由于动力系统的主要设备有较高的安装要求，其安装精度直接影响到整个动力装置的运行稳定性和可靠性，如推进主机、轴系和螺旋桨等，这些设备的安装定位基准是轴系的中心线，在区域建造阶段轴线无法精确给出。但按照目前我国区域总段建造方式，推进系统的设备安装将分为两个阶段：预安装和定位安装。

由此分析，对于推进机舱及其设备设置于单独区域中是不成问题的，可以实现区域设计和出图。

对于燃油输送系统管路和动力装置的进排气管路，考虑到在总段合拢前，一般应完成各区域内部设备之间的管路连接，对于跨区域的管路系统应做好接口的定位工作。因此，通过三维建模设计，精确确定管路的走向，并给出穿越区域划分处水密隔壁的通舱件的定位尺寸，实现区域设计与出图也是可行的，可以作为区域管路、管段制造和安装的依据。

对于轴系按区域设计也是可行的，其跨区域的接口和轴线定位，设计中采用三维建模精确定位可以实现按区域供图，余下的问题在于建造厂如何控制区域合拢精度，解决轴线的精确对中。

而推进控制由于驾驶部位的控制设备难以设置成与机舱同区域，跨区较大，因此，设备可按区域设计出图，控制电缆只能跨区设计与供图。

3.2.3电力系统

舰船电力系统通常主要由电站、配电、照明、消磁四个分系统组成。电站分系统设备主要包括柴油发电机组及主配电板，总体设计中一般设置电站舱和主配电室，就设备而言，其舱室是可以按区域设置的，故实现区域设计与供图是可行的。由于电站就相当于发电厂，其输出的电需通过主干电缆提供给全舰各用电处，纵向贯穿全船首尾，垂向通过各层甲板到上层建筑，因此全舰由发电机组出来的大量主干电缆只能跨区域进行设计。

配电系统主要实现全舰分区供电，由配电箱等设备组成，按照区域造船的区域进行配电设计是可行的，总体上需要每个区域至少设置一个区域配电舱室或布置专用配电设备[8]，目前的舰船基本已做到了区域配电。因此，配电分系统大部分可以按区域进行配电的设计与供图，对于跨区配电的，其配电设备可按区域设计与供图，供电电缆跨区设计。

照明配电分系统在设计时只要在每个区域内设置若干分配电箱供电到区域内的各照明灯具，即可以按确定的区域进行配电。因此，照明配电分系统可以按区域设计与供图。

消磁分系统主要由消磁机组、控制设备和消磁电缆组成，其原理是舰船上敷设一定量的消磁电绕组，通过消磁控制设备控制绕组中的电流，达到消磁的目的。消磁系统需分布全舰设有垂向绕组、纵向绕组和肋骨绕组。显然，垂向绕组和纵向绕组均是贯穿首至尾的水平敷设绕组和纵剖敷设绕组，肋骨绕组可设置在确定的区域内，因此，从系统电缆设计来说必须全舰综合设计，消磁机组、控制设备等可按区域设计和出图，肋骨绕组可按区域出图敷设，其余绕组全舰出图。若采用分区消磁设计方式，垂向绕组和纵向绕组可按跨区域设计与供图。若船厂的调运能力强，划分区域范围可以相应加大，消磁设计时综合研究消磁分区与建造区域的统一，则消磁分系统可基本实现区域设计与供图。

3.2.4舰船辅助系统

舰船辅助系统包括全船空调通风、消防灭火、损管安全防护、淡水、海水、冷却等十多个分系统和设备，其传统设计的特点是管路及风管往往贯穿全船纵向及横向，各系统的管系可能会穿越几个确定的设计区域，显然，这不符合区域设计的思想。通过对舰船辅助系统常规的各分系统设置和功能分析，目前较易实现区域设计的系统主要有：空调通风系统，机舱、电站通风系统，甲板漏水及疏排水系统，油污水系统，压载水系统,灭火系统,底部附件,舷部附件、全船测量、通气管系统等；而目前多数水面舰船尚未做到区域设计的系统有：水灭火系统,冷媒水系统,生活污水、灰水系统，水幕喷淋系统，饮用水、洗涤水、热水系统，蒸汽系统，日用压缩空气系统，损管系统控制等。

从这些跨区设置的系统分析来看，其主要由设备和管系组成，其服务处所分布全船，目前采取由舰上1台或几台设备集中提供服务。对系统设备来说，其总是设置于某个区域中，实现区域设计与出图是可行的；管系虽然跨区域，但在系统总体设计时借助三维设计精确定位，并对通过强力甲板及水密主隔壁和划分区域的管系设置通舱附件，不影响分区的建造，因此管系也可以按区域设计与供图。

当然，若一定要实现这些系统按区域设计，则必须在相应区域中增加系统设备的数量，引起相应区域舱室需求量增加，这对提高系统生命力是有利的[9]。因此，在舰船空间容积及排水量许可的情况下，应推行区域设计。

对损管系统不仅涉及管系，还涉及控制电缆，设备管系可以区域设计与出图，若损管控制也采取区域设计，则损管的中心部位应按区域设置，这会引起设备及舱室增加。若不能实现，则电缆只能跨区设计。

由于三防集防系统设计的最基本条件是对其周界要求气密，区域设计建造过程中的密性控制和密性试验必须严格，因此，只要在三防集防系统设计早期结合分区建造将集防区域合理划分好，实现区域设计与出图是可行的，也是必须的。

3.2.5舰船装置

由于舰船装置涉及系统和设备较多,且分布范围广,包括舰船运动控制系统，如舵装置、减摇装置；海上补给和接受系统；锚及其存放操作系统、拖曳和系泊装置、小艇及其收放装置；船体属具，如门、窗、梯、盖、栏杆等；舱室设备，如居住舱、工作舱等舱室设备、舱室绝缘及内装；甲板防护材料；舰船防腐和防护；其它，如桅杆、救生设备、船用升降机、舷梯等。根据区域造船的原则，我们初步分析对于船体属具、舱室设备、舱室绝缘及内装、甲板防护材料以及舰船防腐和防护等设计内容，均可按区域进行综合设计和出图。海上补给和接受系统、锚及其存放操作系统、拖曳和系泊装置、小艇及其收放装置以及桅杆等也可分属于某个区域，可以按区域设计与供图。

对于舰船运动控制系统中的舵装置、减摇装置，其设备装置是分布在某个区域的,但对其系统来说，由于控制设备采用两套合一的布置方式，控制电缆必然跨区，因而，就其设备装置来说布置仍可按区设计，其系统要采用跨区设计与供图。

3.2.6作战系统

由于作战系统的各武器系统基本由探测器、控制设备和武备共同组成，各武器系统为保证探测器具有良好的视界，控制设备具有较好的生命力，武器装备具有较大的射击区域，在舰船有限的空间里，探测器、控制设备和武器装备往往分区布置；同时由于武器装备对舰主基准平台均有相对安装精度要求，这就要求全舰分区合拢必须具有相当的精度，以保证合拢后武器使用精度。因此区域设计和建造对作战系统是极大的挑战。对于舰船来说，由于排水量及舱容空间的限制及舰船控制重心的要求，要做到将作战各系统设备包括传感器的布置控制在一个独立区域内是很难的，因此，设计中应尽可能将同一武器系统的探测设备、控制设备和武备布置于同一区域中，由同一区域的配电中心供电；同一武器系统不能全部实现同一区域设计的，尽可能将武器装置与控制设备设置于同一区域；对全舰分布的通信系统和设备，如广播、总动员警铃、闭路电视设备、指挥电话、自动电话等，设计时也尽可能以区域为单元配置设备，以减少区段与区段间电缆的贯穿。此外，作战系统不仅有各武器分系统，还有全舰的集中控制指挥，即使同一武器系统尽可能地做到了在同一区域设计，但系统之间的信息交互仍然要贯穿全船。

因此，按此分析，作战系统的设备布置可实现区域设计与供图，而系统设计大部分需采用跨区设计与供图。

3.2.7直升机舰面系统

直升机舰面系统的舱室和设备主要分布在舰尾部，也就是主要布置在主船体的中后部区域和艉部上层建筑区域。

对于设备布置设计来说，直升机舰面系统的设备基本可分区域设计，若助降网和安全网中的个别设备出现跨区域设计时，利用三维设计考虑确定跨区安装的设备在何区进行安装，因而可采用分区供图。

对于喷气燃料管路、设备等，尽可能设置于同一区域，若难以做到时，在管路设计时，通过三维设计的精确定位，可以解决管路接口问题，不影响区域建造，可以按区域设计与供图。

对于系统电缆设计，通过区域配电设计，大多数控制电缆可按区域设计，满足区域建造的需求。不能按区域设计的控制电缆如助降灯光等分布较广，可借助三维设计考虑这些设备控制电缆的装配问题，采取跨区设计。

3.2.8信息网络系统

信息网络系统主要是为电子信息设备提供开放、分布的公共信息传输环境，具有信息互通、共享以及系统间的协同。目前，信息网络系统已越来越多地应用于舰船上。根据国外舰船的技术发展分析，未来将发展为全舰一体化网络信息系统。无论是全舰一体化的网络，还是分别设置的多个全舰性网络，都主要由网络交换机、接入设备、管理设备和网线等组成。因此，从区域设计规划来说，信息网络设计需要早期与区域设计的区域一并考虑，将信息网络按区划分，每个区域设置一组区域层交换机；区域内的各类电子设备根据需要选择链路方式连接区域层交换机，区域层交换机通过核心层网络总线跨区接入核心层交换机，全舰的核心层网络总线负责完成跨区域和跨区域层网络的所有信息传输。各系统根据自身的应用需求，可在区域内设置控制网络，但控制网络的线缆不允许跨区域存在。这样，信息网络系统设备和大部分网络可实现分区设计与出图。但网络总线不能分区设置，必须全舰敷设，须按全舰跨区设计与出图。

3.3 设计手段分析

基于计算机技术的三维设计，作为一种设计工具和手段，能将船舶精细而又准确地在计算机中完成“建造”。因此,在设计各个阶段，从方案设计、初步设计开始，一直到技术设计、施工设计均应全面采用三维设计，使设计人员在三维环境下并行协同地开展各自相关的设计工作，可方便地进行以总段或分段为对象的区域综合布置及区域设计，直观地判断总段、分段或舱室综合布置的合理性，方便地进行总、船、机、电、武器装备综合布置的优化和调整、干涉检查，有效地解决传统施工设计和生产设计的主要问题，从而提高设计质量和设计效率。随着设计阶段的进展，生成的图纸文件和电子信息能满足生产所需各种信息的要求。并且，采用三维设计技术可方便地进行以总段或分段为对象的区域建造管理，进而为实现由传统的按系统分阶段完成逐次施工设计、综合放样和生产准备向分区域直接完成详细设计和生产准备的转变提供可靠保障，缩短研制周期，降低建造成本。

因此，实现区域造船设计技术的关键和基础是舰船三维设计。

4 分析结论

通过上述的区域设计方案分析，笔者认为舰船实现区域设计是可行的，也是必要的，但不可能百分之百按区域设计，不同的舰船，不同的建造厂，舰船区域设计的程度不尽相同。综合上述分析，可初步总结归纳舰船区域设计的基本准则如下：

1) 区域设计的区域划分应综合考虑功能区划、船体结构需求、安全性要求及建造厂的吊运能力后给出，在建造厂的吊运能力许可的情况下，尽可能地将区域划分得大一些。

2) 总布置设计应根据划定的区域布局功能区，并尽可能按区域布置同一系统设备的舱室，以及为系统配套服务的辅助舱室、配电舱室。

3) 舰船方案初期在排水量、舱容和重心上应留有区域设计的余量。

4) 推进系统、船舶辅助系统及直升机舰面系统应尽可能按区域进行系统设计与规划，方案初期应提出布置需求。对于总体上难以实现区域设计的系统，其设备布置必须按区域设计，管系可借助三维的精确设计实现按区域设计与出图。对于必须跨区域的控制电缆可采取区域设计与出图。

5) 船舶装置大部分设备及装置均应区域设计与出图，仅部分涉及控制电缆的分系统或装置，对于电缆部分采取区域设计与出图，其设备或装置仍应按区域设计与出图。

6) 电力系统的设备和配电分系统、照明分系统应尽可能按区域设计，并应在方案初期进行区域设计规划，提出布置需求。主干电缆应按全舰设计与出图。消磁分系统应结合划定区域进行消磁的分区考虑，减少跨区的绕组，其设备应按区域设计与出图。

7) 作战系统由于涉及的设备从露天到舱内，并且系统之间信息交互较多，因此，对于武器装置及其控制设备应尽可能按区域设计，并应早期规划，提出区域布置需求；对于探测器及其控制设备也应尽可能布置于同一区域。实在难以实现区域设计的，设备布置应按区域设计与出图，控制电缆跨区域设计与出图。

8) 信息网络系统应按区域设计，设备和大部分网络可分区设计与出图。但网络总线必须全舰敷设，按全舰跨区设计与出图。

5 结束语

实施区域造船是现代舰船研制的必需，做好区域设计是区域造船成功的基础。作为设计人员，应从设计思路和方法上做革命性的变革，在确定全舰区域划分的基础上，尽早对全舰各系统的区域设计进行规划和方案分析并提出方案。从方案设计至完工全面采用三维数字设计技术，加强总体设计过程中生产信息的融合，按区域进行总体设计并提供建造图纸，对于提高舰船生命力、提高设计质量、缩短建造周期具有重要意义。但鉴于军船的复杂性和我国的国情，实施区域设计与建造的程度应循序渐进，这对全面推进区域设计是十分重要的。

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