集装箱船舶设计探讨与研究

李成海刘 杰胡甚平崔建辉

（1.山东交通职业学院，山东潍坊 261206；2.上海海事大学，上海 201306；3.天津理工大学，天津 300191）

自20 世纪50 年代出现迄今，经历了四个发展阶段集装箱船运输日臻成熟。集装箱海运发展对港口、装卸货机械及装卸系统等港口硬件设施建设产生了巨大影响。集装箱船具有节省装卸劳动力，减少运输费用；利用集装箱船运输，可减少货物损耗和损失，保证运输质量；集装箱船装卸效率高等优点。

目前国内相关研究成果有，顾进[1]为保证集装箱船舶结构可靠，在小震状态下对比结构指标与现行设计规范、标准的差异，分析中震和大震的弹塑性，评判塑性铰对结果的影响程度。对箱体梁柱节点建模分析，证明其结构在各工况下设计合理、安全可靠。郑兰[2]在集装箱船舶设计中采用响应面法进行优化合设计合理应用，从分析大型集装箱船舶特点角度出发，论证响应面法在集装箱船舶设计优化中的应用。于金虎等[3]通过分析内河集装箱船舶尺度标准和通航管理规范，结合京杭运河集装箱船舶运输特点，对船体结构、船舶尺度及舱室布局进行分析，完成了载箱量48 TEU、64 TEU 和96 TEU的集装箱船舶设计。夏玉涛[4]为集装箱船舶建造满足CSS Code 修正案MSC.1/Circular.1352要求。特别分析修正案对集装箱船舶设计的具体要求极其对对货物通道设计影响的研究。瞿荣泽等[5]在充分论证集装箱船舶总体结构和总体布置的基础上，论证设计13000 TEU 大型集装箱船舶施工工艺，对选用钢材、生产设备、焊接技术和优化工艺进行重点分析介绍。胡振锡等[6]研究多年来世界主要国家研究建造的250 多艘集装箱船舶设计规范资料，分析主尺度、载箱量和总体布置间的关系，提出了集装箱船舶主尺度计算方法和总体设计问题。

本研究基于船体线型和航速、船体结构优化、载箱量和总体布置方面提高了自己的观点，为利于方便探讨集装箱船的设计工作。

1 中小型集装箱船设计的指标

1. 1 中小型集装箱船主要衡量指标

集装箱的载箱总量由层和行、列决定。通常按船舶上下深度设置为层，以沿船舶纵向方向设置为行，以沿船宽的横向设置为列。放置在甲板或舱内箱子均可有不同层、行、列编号。通常1 个40 英尺为标准箱是2 个20 英尺标准箱的位置，即

1FEU=2TEU[7]。

全船载箱量Md等于甲板载箱数Mc加货舱载箱数Mm之和，即Md=Mc+Mm。

随着船舶设计稳性更加合理和绑扎技术的提高，船舶甲板放置箱位逐步提高，Mc和Md比例也逐步增大。

1. 2 集装箱船的载重量

集装箱船的载重量有箱货重量、燃油、淡水、船员、备品和压载水重量，通常为满足稳性要求，满载出港也需压载航行。船舶设计时，为提高船载箱位，选定船舶尺度后需充分考虑稳定性，满载出港尽量减少压载水量[8]。

1. 3 估算集装箱船空船重量

由于现代集装箱船使用比例不同的高强度钢，以及设计人员业务水平不同而难以用公式估算空箱重量。但有两种参考的估算方法：

（1）估算立方米法

船舶尺寸的长、宽和高的乘积就是总的容积，即：DM=LAF×A×C

船舶空船重量LQ=H×LAF×A×C=H×DM

上式中，H=0.136～0.176，适合中小型集装箱船。

（2）估算分装备重量

在初期设计时空船重量（t）可用下式计算

WD=WR+WT+WG+WS（1）

船结构重量：WR=HR×LAF×A×C（2）

舾装备重量：WT=HT×L(A+C)（3）

机电装备重量：WG=HG×EF（4）

船壳重量余度：WT=HT×(WR+WT+WG)

上式中，HR取值范围0.085～0.10；HT取直范围0.20～0.24；HG取值范围0.098～0.11；HT取值范围0.03～0.05；A代表船宽；C代表型深；EF代表主机马力。

在船舶初期设计阶段，需要上述两种估算，并根据船舶特点和经验值确立最终取值。

1. 4 稳性要求

集装船的稳性是安全的根本，集装箱船甲板需要堆积货箱，这势必提高了船受力重心，航行时受风力面积也增大了，因此，设计集装箱船主尺寸尺度时，需充分考虑稳性的要求。集装箱船开航需满足如下条件：（1）航行集装箱船风力作用求取静倾角，在复原力臂曲线上小于上层连续甲板入水角的1/2且不大于12°；（2）各载重条件下的初稳性高度经自由液面修正后均大于0.3～0.4米；静稳性曲线的力臂应小于0.3米，转折角大于25°；（3）为满足稳性要求，每个箱子的垂心位置应在箱高的1/2处[9-10]；（4）计算箱重时，货舱内的箱重/只按照14吨均货货物或20 吨、25 吨计重。集装箱船进出港甲板货箱位/只总载量计算，应满足稳性要求，即甲板货箱位/只重量要求。

1. 5 确定各集装箱船各尺度系数

1.5.1 确定集装箱船垂线间总长

设计集装箱船的主尺度时，需要考虑装载总箱数这一主要因素，还要考虑船舶航行外部水阻力及造船费用等因素，因此集装箱船的船长、船宽、型深和船形系数与载箱总数有很大关系[11]。装箱总数的排列长度值和首尖舱、机舱的长度值为集装箱船的垂线间总长度，如果此船设计有首侧推，则首侧推及船首部的消防泵舱所占用的船舶长度应充分考虑。集装箱船垂线间总长的表示式为：

LAF=L1+L2+L3+L4+L5（5）

式（5）中，LAF表示垂线间长，L1表示首尖舱的长度，L2表示首侧推及（船首）消防泵舱的长度，L3表示货舱总长，L4表示机舱的长度，L5表示船尾尖舱的长度。集装箱船货舱长度：

L3=a×L0×X0（6）

式（6）中a表示舱长系数，取值1.2～1.3，L0表示20 英尺标准箱6.058 米的长度，X0表示集装箱行数。

式（7）中，M表示所载20英尺标准集装箱的总数，X1表示集装箱货舱内的列数，Z1表示集装箱在舱内的层数，X2表示集装箱在甲板上的列数，Z2表示集装箱在甲板上的层数。

全船所载的20英尺标准箱总数。

式（8）中，W代表船舶货箱的总重量，γ表示每个货箱的平均重量，δ表示货箱系数，系数取值1.06～1.36.船舱尾尖舱一般L5=6～9米。

机舱长度L4=Ln+（9～10）米 （9）

式（9）中，Ln代表主机长度（米），一般L4=6～8 米；L1距离垂线间长不大于3 米加5%船长且不小于总船长的5%，对于有球鼻首的船舶船长延伸至球鼻首的中点位置。

1.5.2 确定船舶宽度

集装箱船舶的宽度视船舶稳性、货舱内及甲板上集装箱排列而定，一般取大者。

（1）从货舱内箱位排列角度设计船舶宽度

假如货舱内设置有活络导架，计算公式为：A=2g+[X1×（a1+b）]+[( )X1-1 ×d]+2C (10）

式（10）中，X1代表货舱箱位的列数，b 代表箱位和导箱架间的空隙，一般不超过0.025～0.03米，g表示箱位与舷侧舱壁纵向的距离，一般取值0.15米，d 代表导箱架构件的厚度，一般取值0.18 米；C代表边舱的舱宽，一般2.4～3.2米；a1代表20英尺标准箱宽度为2.438米。

假如货舱内不设置活络导架，则计算公式为：

A=2g+（X1×a1）+（d×X1-1）+2C（11）

式（11）中，d 代表箱位间的空隙，一般取值0.025米，g、X1、a1和C在式（6）中已经说明了。

（2）从船舶甲板上放置箱位排列角度考虑船舶宽度：

A=（X2×a2）+d×（X2-1） （12）

式（12）中，X2代表船舶甲板上箱位的列数，d代表船舶甲板上箱位的空隙，一般取值0.025米。

选取A时，须参考甲板和货舱的宽度，同时应注重船舶稳性，同时应注重船舶稳性，因为集装箱船相对其他船型船舶中心偏高[12]。

1.5.3 确定船舶型深

货舱内的箱子种类和层数时确定型深的主要因素；另外，货舱双层底高度和舱口围高度也是影响型深的因素。在船舶吃水限制的条件下，根据载重线的要求，需具有满足要求的干舷。船舶型宽计算公式为：

C=（RC+j+Rr+P）-（Rd+S） （13）

式（13）中，RC表示船舶双层底的高度（米）；j表示货舱最下层的集装箱和舱内底板间的空隙，一般取值0.025～0.027米；Rr=r×Z1表示货舱内可放置集装箱的总高度（米）；r表示20英尺集装箱的高度2.591 米；9.5 英尺箱子称为高箱，标高为2.896米；Z1表示货舱内可放置箱子的层数；P表示货舱内最上层箱子顶端与舱盖版下缘间的距离，开敞式甲板大开口时取值0.3～0.5 米[13]；Rd表示舱内围中心线高度，要求不小于0.6 米，还需要考虑到人员在两舷箱下正常操作和运行；S 表示梁拱高，一般取值不大于A/50（米）。

1.5.4 确定设计船舶吃水

船舶进出港口受到航道和泊位水深的制约，船载货重量和吃水量有关，估算公式为：

式（14）中，H 代表篇系数；CW 小于万吨时，H取值0.333～0.334；CW 大于等于万吨时，H 取值0.334～0.336；CW代表船载重量。

1.5.5 选取方形系数

因为集装箱船舶速大于散、杂货船，弗劳德数PV值也较大，一般0.20～0.28；但其方形系数DA相对散、杂货船小。

DA=0.85-PV；

DA=1.11-2PV；

DA=0.65-1.68PV±0.005；

上述公式适用于大型或超大型集装箱船选取方形系数DA，对于小型和中型集装箱船可以DA取0.68～0.77或根据船舶排水量情况确定。

2 集装箱船的特征

2. 1 船速

船公司追求航运利润，千方百计降低油耗，一般万吨集装箱船船速16 节左右，其经济船速在15节左右。当船速低于经济航速（15节）时航运收益减少，但是高于正常船速（16节）马力增大，油耗增大，其航运收益也减少。但是对于大型或超大型集装箱船船速都大于16节。

2. 2 箱位数量

集装箱船的衡量标准是载箱量，即装载20 英尺标准箱（TEU）箱数M为指标。

2. 3 均质箱重和实箱率

满足船舶稳性前提下的载箱总量均重（均质箱重）是衡量集装箱船的主要技能指标之一。实箱数指每一20 英尺标准箱为14 吨的载箱数，同类型集装箱船通常以实箱数或者载箱率比较其不同指标，载箱率指实箱数和箱位量之比。

实箱数大载箱率高，则集装箱船平均箱箱重。平均箱重指甲板上和货舱内所有货箱，且采用统一的均质箱重，载箱总量不影响驾驶人员视线（盲区需小于2倍船长），通过巴拿马运河时，巴拿马运河当局要求盲区小于1倍船长。

从统计资料分析出，14吨标准箱实箱载箱率，1000 标准箱及以上大约55～65%，2500 标准箱及以上巴拿马型箱船大约70～80%，超巴拿马型箱船大约83%。

3 集装箱船的总体设计

3. 1 型线

现代集装箱船横剖面采用了比传统V 有很大改进的极V型，对阻力推进有优良的性能。船舶船尾甲板和船宽一致，但是船首、尾及水线上型线均有外飘。采用新型SV球鼻首设计，在船舶压载或满载时均能减少水阻力。新型Sv球鼻首即外侧轮廓S 型，横剖面V 型，其突出在首柱前吃水标志线上具有导弹形状得球鼻首，新型SV 型球鼻首，在压载或满载状态可节省功率8～15%。

3. 2 总布置

集装箱船设计总布置时，需考虑对上层建筑、货舱、机舱和压载水舱等区位有一合理的安排。

（1）驾驶室。设计集装箱船时充分考虑到驾驶人员航线要求，尾机型在船尾端设置6～8 层甲板楼室。但是也有小型或短途集装箱船将驾驶室设置在船首，这种设计的优点是载箱量增大，缺点是船舶造价高，机舱工作不方便。

（2）船员住舱。从减少噪音的目的出发，船员住舱一般设置在船尾部。因为主机产生很大噪音，所以将储物间、CO2室、空调机室和电工间等设置在机舱上部作为缓冲从而减少噪音影响。

设计船舱时考虑机舱和上层建筑分离，这样避免机舱噪音传到船员住舱。如果条件允许可将厨房、船员餐厅、甲板办公室和医务室等设置在船尾第一层甲板，船员舱室设置在船尾第二层及以上，尽最大可能减少噪音和振动，提高船员生活舒适度。

（3）首楼及挡浪板。集装箱船船首尖瘦、方形系数小、船速快、容易上浪，所以很多集装箱设有首楼。为增加船载总箱量，有些集装箱船的首楼上设有第1 舱的舱口。另外，一些高速集装箱船，船首上浪严重，为减少波浪冲击，在1 舱货舱口前设置挡浪板。

（4）设置货舱的开口。为增强集装箱船的防撞击和抗沉能力，集装箱船采用了舷侧大开口结构，这种结构既增加了抗弯曲强度，又加强了船体横向、纵向和抗扭曲强度。设置大开口货舱需要考虑采用什么形式的舱口盖，是否安装克铃吊；吊离式和折迭式舱口盖占用空间不同；是否安装克铃吊所占用空间不同；相邻货舱间要留出0.6～0.8米宽度的人行通道。

（5）货舱。集装箱船的货舱长度与货舱的舱数和货舱所载箱子类型密切相关，一般货舱需应对装载特殊规格的箱子以外，通常每一货舱载2 行IAA箱或者4～5行ICC箱。个别集装箱船在船首设有载2 行ICC 箱的货舱，对于设置货箱的数量，主要满足载箱总量的要求，还要充分考虑分舱和抗沉性的要求。设置货舱长度按照式（2）计算求解。

（6）压载舱。集装箱船设置了双层底，大多数船舶将双层设置成压载（水）舱，为满足船舱吃水要求和船尾螺旋桨工作效率，通常首、尾尖舱设置为压载（水）舱，两舷的边柜通常也设置为压载（水）舱。边柜作为压载（水）舱发挥平衡横倾的作用，左右边柜各装1/2的压载水。

压载航行的压载（水）量一般为排水量的1/5左右，但是需要根据航程距离、海况和船型具体情况而定。由于现在技术的提高，在稳定是第一位的船舶航行要求下，船舶设计合理的主尺度，可使船舶出港时不需压载或少量压载，从而增加装箱量。

（7）绑扎。集装箱船配载时需要考虑绑扎形式。货舱内：可用导轨架也可用箱脚设施固定。甲板箱：对20英尺标准箱进行单端绑扎，但是对40英尺箱必须两端绑扎。绑扎工作需要留有不小于0.6米的通道，，对于大型集装箱船为方便绑扎操作，通常舱口间设有绑扎桥。

（8）机舱。集装箱船大多数采用尾机型，即机舱设置在舱尾部。现在集装箱船大多采用中速机，因为中速机的体积小，可减少机舱空间，从而增大货舱的空间，使用中速机的尾机型机舱长度在船长占比为13%～15%，而选用低速机的尾机型机舱长度在船长占比为18%～20%。

4 结束语

本研究结合集装箱船设计规范及其特点，提出了集装箱船设计的主要衡量指标，对船舶结构布置，总纵强度等总体设计方案进行了研究。本研究提出的重量重心估算和主尺度估算方法仅作为初步设计时参考，每一型集装箱船或者每一艘集装箱船有着不同的要求；因此，根据母 船型实际估算，才能取得比较准确的计算资料。