集装箱船的种类和设计

信德海事网 郭建平

最早的货船是用来运输散装货物的。在大多数杂货船上，也会使用木制容器或箱子来装载成组货物。但是，随着所包含的货物类型越来越多，集装箱运输被认为适合于装载小件、易碎和在运输过程中需要特别照顾的货物。因此，人们认为有必要设计一种特殊类型的船舶，不仅能够装载这些集装箱，而且还能够满足集装箱内货物的安全条件。

在本文中，我们将讨论集装箱船设计方面的内容。这篇文章主要是解释了货物的类型、航线上的港口、船舶的功能以及市场的经济趋势是如何影响一种特定类型船舶的设计。此外，在了解集装箱船的设计之前，我们需要对基本的船舶术语和船体几何形状(如方形系数、中横剖面系数等)有基本的了解。

集装箱船的设计和建造

根据不同的分类标准，集装箱船有不同的分类。最常见的分类如下：

根据总尺寸分类

l根据装载体积分类(以前的集装箱船是根据体积分类)

l根据TEU（载箱量）分类(这是现代集装箱船的尺寸参数，TEU是指该船可以装载的20 英尺标准集装箱的数量)

根据船长、船宽、船深和吨位分类

l巴拿马型

l超巴拿马型

l苏伊士型

l超苏伊士型

lMalacamax型

根据货物装载方式分类

l箱式集装箱船——这是最常见的集装箱船设计类型。这种船型只能装载海运集装箱，通过港口的岸桥来进行货物装卸。这种船只在装有岸边集装箱起重机的主要集装箱港口航行。

l滚装集装箱船——该类集装箱船可使用集装箱牵引拖挂车和叉车可将集装箱装入船舱内或从船舱内将集装箱搬运出。在某些情况下，这种类型的船在不同的甲板上同时装载车辆和集装箱。

l吊装船——Lift on / Lift off，吊装船配备有船上起重设备，用于吊装/吊卸集装箱。这种类型的船只通常只在较小的集装箱码头停靠，这些码头不像大型码头那样配备岸上集装箱装卸起重机。

根据服务航线的范围分类

l母船——大型船舶，容量通常在10000 TEU以上，只在一个国家的主要集装箱码头之间往返航行。由于吃水大、体积大，这些船不能进入较小的港口。

l支线船——支线船在大型和小型集装箱码头之间运营，运载集装箱往返于母船之间。通常，这些船是吊装船，因为较小的港口没有配备岸边集装箱起重机。

集装箱船的设计——船体：

针对任何类型的船舶的设计，其船体的形状往往是首先考虑也是最突出的方面。在我们理解为什么集装箱船的船体成为特有的形状之前，我们应该首先注意到其几何形状本身。如果把集装箱船的船体与散货船或油轮的船体进行比较，很明显地可以看出，集装箱船的船体比其他两类船的船体更加“纤细”。换句话说，集装箱船的前后部分都是流线型的，而不像散货船或油轮那样“饱满”。这是为什么呢?

图片来源：维基百科

要回答这个问题，我们首先需要了解集装箱行业的另一个方面。集装箱运输的货物往往价值较高，享受较高的优先级。例如，如果在中国造船厂建造的一艘船的船用主机就需要要从德国运来，而这样的货物通常也是用集装箱来装运的。这是一个高优先级的运输，因为将主机安装到机舱是施工过程中的重要步骤，这将决定了施工后期出现的延误的可能性，同时该设备在运输途中不能有任何冲击或损坏。此外，集装箱船时效性很强，周转时间非常少。为了能不延误地到达下一个港口，集装箱船必须把在港口装卸货物的时间压缩到最短。因此，集装箱船被划入了高速船舶的行列。为了达到高速，船体的阻力需要尽可能最小，因此集装箱船船体外形狭长。也就是说，集装箱船的方形系数很低，在0.6 - 0.7之间。

集装箱船的另一个显著的几何特点是较高的菱形系数（菱形系数表示排水体积沿船长方向的分布情况）。也就是说，菱形系数大者表示排水量平均分布于船的全长，所以船的两端较钝，船长方向上的船体几乎是矩形的。这样做主要是为了在船舱内尽可能多装载集装箱。

集装箱船船中剖面

在进行集装箱船设计时，最重要的结构之一就是船中剖面。针对船中剖面的构建需要考虑许多设计和功能方面的因素，包括货物的类型、船舶的积载方式、船舶容量等。实际上，一艘船的类型通常是由它的船中剖面来确定的。

一艘典型的集装箱船的船中剖面如下图所示。最重要的是，要从设计师的角度去理解这张设计图。以下是集装箱船船中剖面的一些常见特征：

1.      所有的集装箱船都是双层底的，船底部不能装载集装箱的部位设置双层底舱可以用来装压载水。

2.      集装箱船是垂向直壁式结构，多变的装载条件往往使得中拱弯矩和中垂弯矩较大，从而导致较大的纵向弯曲应力。

3.      船中剖面的形状几乎是盒状的。用专业的话来说，就是中横剖面积系数很高，从0.75到0.85不等。

4.      舭列板连接船壳边板和内底板。由于舭列板的存在会使得集装箱无法在该部分的角落进行积载，因此舭列板的长度要尽量减小。然而，在最近的一些案例中，集装箱船根本不配备舭列板，从而获得其最大的积载能力。

5.      集装箱船最重要的结构特征是抗扭箱，我们将在下文中详细讨论。

6.      集装箱船的货舱没有舱盖。也就是说，这艘船没有连续的主甲板贯穿整艘船。这种开放的盒状结构（与船中剖面图相关）使得从内底板到主甲板的最上层都易于集装箱的装载。唯一的甲板是在双层船体内，它更像是全长的纵梁，并在提供在船长方向上的通道。

双壳集装箱船的船中剖面图

双壳集装箱船的抗扭箱

让我们先回忆一下水桶的形状。你会注意到每个水桶的边缘总是向外扭转。你认为这是为什么呢?

试着剪断水桶的边缘，或者同样地，剪断纸杯的边缘，试着在里面盛一些液体。你会注意到纸杯无法抵抗扭转，最终会破裂。这是因为桶或纸杯或任何打开的盒子的整体结构具有非常低的截面惯性矩，从而导致它的抗扭强度非常低。因此，为了加强开放式盒状结构抗扭转的能力，需要在这类结构的边缘添加额外的加固材料。换句话说，就是增加结构横截面的截面惯性矩。但这和集装箱船有什么关系呢?

我们知道集装箱船的船体是一个开放的盒状结构。船在海上航行时，会受到各种波浪荷载的作用。例如，当波浪方向与船的航行方向大约成45度时，船头的左舷和船尾的右舷将同时经历一个波峰，反之亦然。这产生了一种导致船体产生扭转变形的周期性负荷，称为船体扭转，如下图所示。

遭遇艉斜浪时集装箱船的扭转

想象一下把纸杯的加固边缘剪掉的效果。同样的情况发生在集装箱船上，将导致船体结构由于扭转产生严重破坏。为了防止这种情况的发生，集装箱船的左舷和右舷的顶部边缘都采用了较高的桁部来加固，在每个框架上都形成了一个类似盒子的结构，即抗扭箱。抗扭箱沿着船长方向从艉尖舱壁贯穿到前防撞舱壁。

下图为双壳集装箱船的抗扭箱。值得注意的是，在扭转箱中腹板的宽度比在它下面的通道周围使用的腹板的宽度要大。此外，在通道的腹板是在3到4个桁架的间距，但扭转箱的腹板则是在每一个桁架上都有。

双壳集装箱船的抗扭箱

船级社对集装箱船的抗扭箱的设计单独制定了一套规则。目前，船体桁梁在有限元平台上建立了模型，并对不同海况下的扭转效应进行了分析。当船体桁梁上的扭转应力超过安全极限时，需要重新设计抗扭箱。在船体结构年度检查中，对抗扭箱的检验一直是重中之重，因为它在决定船体结构强度的方面起着重要作用。

集装箱的配载

集装箱船上集装箱的装载是设计者必须处理的另一个方面。虽然这个问题相对来说微不足道，但大多数与集装箱船有关的事故都是由于配载不当造成的。

•集装箱总是沿着长度方向从前向后积载，这是因为船舶更容易横摇，而不是纵摇或者艏摇。以这种方式积载，可以确保集装箱内货物的移动空间更少，从而使得集装箱内货物少受冲击，保证货物安全。

•舱内的集装箱通过箱格导轨固定，从而抑制其横向或纵向移动。该装置主要是通过集装箱的边角位置固定箱体，同时也可以作为集装箱装载时的辅助工具。但是，这些并不是主要结构的一部分，也就是说，它们不承担船体应力。

•甲板上的集装箱采用各种绑扎装置系固。安装在集装箱之间的扭锁可以防止垂直移动，绑扎杆防止集装箱纵向和横向移动。绑扎通常在绑扎桥上进行，绑扎桥的高度间隔为一层或两层集装箱。绑扎杆在其两端通过花蓝螺套固定，保持拉杆的张力。

图片来源：Danny Cornelissen/维基百科

集装箱的装载计划是随设计图一起生成的，它规定了在不同装载情况下不同集装箱在船上的位置要求。这个计划考虑到在每个航程中不同的集装箱数量和货物重量以及配载情况，每个集装箱在哪个港口卸货。如果一艘船舶分别在A,B,C三个港口停靠，若所有集装箱都在A港装船，那么一个将在B港卸下的集装箱最好是不要放在卸货港为C港的集装箱下。但这又出现了一个问题，如果大多数要在B港卸下的集装箱比要在C港卸下的更重怎么办？因为较重的集装箱不能堆放在较轻的集装箱之上，这会提高船舶的重心，使得稳性裕度降低。

复杂的集装箱船舶设计问题通过专门的计算机程序来解决，该程序可以根据特定的装载情况生成集装箱配载图，能够同时考虑到船舶需要停靠的一系列港口以及船舶的强度和稳定性方面的问题。在装船计划中经常考虑的另一个因素是驾驶台的可视范围。装载在甲板上和驾驶台前部的集装箱，应在不影响驾驶台视线的情况下装载。这也就解释了为什么如果遇到一艘装载集装箱的船，当你移动到最前面的一堆集装箱时，会发现驾驶台前方装载的集装箱会降低高度。但是这确实减少了船舶可以装载的集装箱总量。因此，许多超大型集装箱船(如Maersk Triple E class)将上层建筑移到船中部，以便能够充分利用上层建筑到船尾的空间来容纳集装箱。