船厂水工设计内容有各种机械化移船下水设施、纵向船台滑道、船坞、修造船码头等,都是船厂的关键设施。解放前,遗留的船厂水工设施为数甚少,且很简陋,上海较早建立的几家船厂经历了近百年,其船台滑道还是土质地坪,甚至没有起重机。1953年,上海船舶设计室设立水工工程设计专业。其后,第三航务工程局也组建设计室(现第三航务工程勘察设计院),从1966年起,部分从事船厂水工工程设计。解放初期,在学习和消化吸收苏联设计技术基础上,水工设计技术人员,按建设工程各种要求和不同场地、水域条件,开拓思路,逐步发展,总结提高,推陈出新。40多年来,船厂水工工程设计,已建成具有世界上各种类型的机械化移船下水设施,不仅数量多,而且各有特色。从60年代起,上海还承担多项国外水工工程设计任务。1980年后,船台滑道设计从万吨级扩大到10万吨级,并能设计20万吨级船坞和码头。

一、机械化移船下水设施

横向滑道下水

浮船坞接运下水

机械化移船下水设施有纵向滑道、横向滑道、垂直升船机和浮船坞接运等型式。

纵向滑道设计是从50年代起步。1955年,在武昌造船厂建成第一座斜架式滑道。在设计中选用50年代前期的欧美型,采用斜船架,纵向辊柱移船,多船位布置,起重量1000吨。弧形滑道长375.5米,呈斜坡伸入水中。船舶在斜架上用卷扬机拉曳上墩或下水,用横移架移到6座水平船台。滑道水下部分筑围堰干施工,其下段为短木桩、现浇钢筋混凝土板。滑道能供多船台使用,开创了国内机械化移船下水的先例。

1953年,在苏联专家建议和指导下,由九院设计的上海沪东造船厂第一座下水重量1500吨高低轨式横向滑道,长65米,宽100米,有20组高低2层的钢轨,舰船从水平船台到横移区和滑道采用机械化移船,由整体式下水架载船沿斜坡滑道横向下水。初次设计筑土围堰干施工,滑道钢筋混凝土大梁结构计算开始应用弹性地基梁公式,滑道建成后第一批新型舰艇下水。1959年设计的金陵船厂1000吨级滑道,按苏联资料采用横向梳式,滑道长92米,宽88米。下水架为楔形分节式,在滑道斜坡与水平横移区交接处,轨道交叉排列成梳式。陆上用可转向船台小车纵横移船,载船进入室内船台。滑道结构设计,采用轨枕道碴,是较早应用预制轨枕组成分段和预拼装,在水上定位吊放和连接的水下施工方法。关键设备可转向液压自动船台小车,是第一次专项设计,为移船方法开拓了思路,并扩大应用。

较早的船舶垂直升降是用吊杆吊船回转和下放水中。1954年,为广州造船厂专项设计70吨固定式回转起重吊杆,臂幅36米。

60年代起,纵向斜架式滑道结构设计有所改进。在上海闵行船厂等8座滑道设计中,改用预制钢筋混凝土构件,取消施工用围堰,木桩发展为钢筋混凝土桩,梁板改为预制井字梁。移船和下水方式按工程要求和场地条件,演化有多种型式,其中援助阿尔巴尼亚舰艇修理所设计的滑道架面设2组轨,为小艇设横移区。西江造船厂水位高差达28米,设计构思了弧形斜架式滑道与船排滑道相结合。

同期,纵向滑道设计还创造多种新型式。1960年,在上海渔轮修造厂设计中,针对岸边水浅、淤积,研究提出国内未应用过的摇架式方案。在滑道上端,加设1座钢质摇架,长34米,承载250吨重,使渔轮在摇架上由斜转平,移到11座水平船台。结构设计开发滑道水下施工方法,提出桩基井字梁方案,在水上吊装,开创了滑道结构新型式,在其后滑道设计中应用较广。1963年,芜湖江东船厂扩建设计,在下水重250吨的滑道与江堤有36°夹角条件下,构思在滑道上端,加设34米长转盘式船架,用螺旋形轨道使船架载船摇平和旋转,形成转盘式纵向滑道。1967年,在杭州船厂160吨滑道工程中,研究创造变坡横移式船排滑道,将滑道顶端船架设计成在不同坡度轨道上运行,能载船横移并同时摇平。1969年,陈文正等用于天津新河船厂l000吨级滑道设计中,这在国内属首创,国外也未见有类似型式。由于设备少、投资省、建设快,并简化了操作,为不少中小型船厂采用,陆续建成24座,该设计获1980年我国出色设计奖。

横向滑道设计结合国情研究有所改进。1964年,旅顺海军工程200吨滑道,1965年,梧州船舶修造厂500吨滑道设计,均将水下高低轨改在陆上横移区,在下水架上设高低2套走轮,形成高低腿式横向滑道。使水下各滑道简化为单轨结构,缩小滑道梁,便于施工,并实现预制条形梁水上吊装。

1968年设计的上海东海船厂,在岸边筑港池,用钢质平台承船下沉水中飘浮的垂直升船机,升船平台长100米,宽14米,举力2万千牛(2000吨)。经厂、院合作设计,采用顺岸式布置,有吊重为1500千牛(150吨)的卷扬机20台,并用可转向船台小车载船,移至7座水平船台。

浮船坞应用于造船厂水平船台接船下水,始于60年代初黄埔造船厂。设计中,在岸边筑2条水下支墩,搁置钢质浮坞,在舰船移上浮坞后排水上浮,载船移至沉坞区。浮坞长87米,总宽23.4米,举力1.7万千牛(1700吨),具有水下工程量小,陆上布置紧凑的特点。

70年代,纵向滑道的陆上移船方式进一步发展,开拓水池内转向和水垫移船工艺。1970年设计的川东造船厂1600吨斜架式滑道,全长585.2米,与陆上船台呈较大夹角,舰船要纵横移和转向后联到滑道上。设计构思用钢质浮箱载船,在多边形水池内移船。池长80米,宽78米,深4米,舰船从船台移出后在池内横移和旋转。重庆造船厂2000吨斜架滑道,也处在水位差特大地区,滑道长434米,从室内船台移出的舰船,须多次纵横移和旋转73°。1971年,研究设计用自行式可转向载船小车进行纵横移,在长100米机械式大转盘上旋转。1979年,设计应用水垫载运重件技术,将转盘架改装加设水垫,利用水压贴地浮起,沿水垫道用卷扬机纵横移船和旋转,在国内第一次实现整船水垫移船。移船架长77米,宽9米,装有66个水垫盘,结构简单,运行阻力小,移行和定位方便。横向滑道设计进一步得到发展,在设计中,上海吴淞修船厂900吨级整体斜架式和南宁船厂300吨级高低腿分节架式。吴淞厂滑道设计,将预制井字梁水上吊装技术发展为横向5条成平面结构,预装后在水上定位。

垂直升船设施则针对场地条件发展,采用龙门起重机吊船移行和下水。1970年,在宁波渔轮修造厂设计中,针对甬江淤积情况,第一次使用2台200吨起重机,在码头上垂直吊运350吨渔轮。起重机走轮可转向,吊船纵横移到水平船台。1975年,设计的上海港务局船厂600吨级升船机,采取垂直岸线布置挖入港池式,防淤口门第一次采用U形沉井结构,研究开发地下连续墙池壁结构新技术,在施工中测试和验证基本机理,后在各类工程中应用和发展提高。此项成果获1985年我国科技进步三等奖。

1980年,设计的上海四八〇五工厂3000吨升船机,是国内较大的船厂升船机,升船平台长119.9米,港池深12.8米。为30台提升用卷扬机,专项设计同步电动机,使各吊点同步升降。港池内壁与相邻建筑较近,结构设计应用带剪力墙的地下连续墙。设计获1993年我国出色设计银质奖。

二、纵向船台滑道

50年代,船台滑道设计采用实体结构船台和围堰干施工桩基滑道。1955年,设计上海江南造船厂3座1000吨级,将泥地上临时铺墩造船的简陋形式改进为固定坡度,带形钢筋混凝土板梁结构。同年,该厂5000吨级船台滑道全长174.2米,下水重量3000吨,采用整体式钢筋混凝土船台和钢筋混凝土基础桩,专项设计40吨门座起重机供分段焊接造船。第一次设计万吨级船台滑道是1957年大连造船厂2座,为天然地基、抛石基床、钢筋混凝土板梁结构。

60年代滑道采用水下施工,船台改进为部分架空。1966年设计的上海求新造船厂工程,下水重量550吨,开始采用钢筋混凝土预制大头桩和预制井字梁水上吊装。1969年设计的上海沪东造船厂万吨级船台滑道,采用高承载力31米长桩,船台上段56米为架空式,利用船台下空间布置生产辅助用房,船台起重机增大到100吨。

随着船舶吨位和尺度增大,船台滑道向大型化发展。1980～1985年沪东造船厂两次进行扩建改造,先将2座船台扩大为3.5万吨级,在设计中利用原有结构,增大船台滑道尺度和荷载。滑道按无首支架下水新工艺,降低船舶尾浮压强,做到投资省、收效快,分别以1年时间完工投产。其后,该厂2号船台再次扩建,以制造6万吨级船,船台拓宽到39米、下水重量1万吨。加设挡潮闸门,形成半坞式,船台使用长度增加。并采用钢珠承船滚动下水新工艺,改善下水操作和避免滑道油脂对江水污染。同期,还以大连造船厂为主组成设计组,厂、院联合设计了该厂新区国内较大的10万吨级船台滑道,全长307米、宽52米,采用半坞式。设计获1985年我国科技进步三等奖。

三、船坞

解放前,上海遗留的船坞共10座,设施简陋,工艺落后,操作靠体力,无起重设备,结构大多是木桩、木底、阶梯式木坞壁,年久失修,破旧损坏。船坞设计从1956年老坞修理起步,按原尺度将坞底、坞壁改为钢筋混凝土结构,坞口改建采用钢筋混凝土整体式,结合修理配备坞侧起重机。

1962年,为广州文冲船厂设计第一座新建万吨级船坞,分析国内外大量万吨船资料,论证确定船坞尺度及负荷分布,坞室设计采用两踏步式直壁,坞侧配设动力管线和进出坞用的引船小车,第一次新坞设计,国内尚无规范和成熟计算公式,设计用多种计算方法校核,采用整体重力式钢筋混凝土结构,并将抽水泵站和进水廊道结合在门墩结构内。1960～1966年,设计的渤海造船厂万吨级舰船下水用注水式船坞,是我国重点工程中大型水工项目,面积18760平方米,下坞阶长194米,宽38米,深16.2米。设计结合国情,对苏联原设计方案进行革新,创造用钢质浮箱载船的浮箱式低注水坞,使高于地面14.35米的坞墙减为1.4米,坞口20多米高人字形闸门改为一般浮箱式门,使工程造价大幅度降低。

70年代,船坞设计有多方面革新。上海草镇船厂3000吨级船坞要在江岸浅滩上,利用内凹地段建坞,施工困难多。张永龄和吴祖荣工程师研究开发桩基浮箱式船坞新型式,1974年将坞体结构设计成长93米,宽24米,深7.7米的巨型预制钢筋混凝土浮箱。在预制同时进行水上基坑开挖和桩基施工,浮箱拖运和沉放在桩基上,建成国内第一座浮箱式整体钢筋混凝土船坞。设计获1980年我国出色设计奖。1976年设计的江南造船厂5万吨级3号船坞,是当时上海规模较大的船坞,设计采用直壁式,侧壁上设坞壁作业车,提高修船机械化程度。负责设计的方思久在结构设计中,构思新的方案,将钢坞门支承在坞墩上传力替代围堰,以降低造价,缩短工期。坞壁因地制宜采用轻型结构,逆作法施工,保证邻近建筑安全正常使用。设计获1984年我国出色设计奖。这一期间,还为马耳他30万吨船坞专项设计了150吨大型门座起重机,型式新颖,获1980年国防工办科技成果奖。

1988年完成设计的国内较大的大连造船新厂20万吨级船坞,为我国重点建设项目。设计的坞长365米,宽80米。可制造30万吨巨型油船。在设计中,吸取国外先进技术,采用直坞壁和平坞底,坞侧设机械化引船小车、人员登船塔和大型龙门起重机。

四、码头

上海解放前,船厂码头以框架式木结构为主,无起重设备。50年代,设计探索钢筋混凝土码头。1955年,第一批设计上海沪东造船厂、求新造船厂舾装码头,靠船吨级3000吨,采用钢筋混凝土框架式高桩结构,桩长21～23米。第一次在上海设计斜桩,排架间距仅3.5米,上部承台为早期的框架式,在水上浇捣。码头上设5吨门座起重机。

60年代,开拓预制化结构。1960年,设计沪东造船厂5000吨级5号舾装码头时,将现捣框架承台改为陆上预制钢筋混凝土箱形梁板在水上吊装,减少水上施工和缩短工期,成为预制结构过渡形式,排架间距增为6米。1962年,上海求新造船厂5000吨级码头设计,第一次采用预制纵梁、吊车梁、面板等,形成高桩承台板梁式新结构,其后在船厂码头设计中广为应用。1964年,江南造船厂万吨级修船码头设计,进一步采用预应力桩、梁和板,改进大桩基设计,在软土地基上将31米长桩打入硬土,提高承载力和减少桩数,排架间距扩大为7米。其后,长桩技术在上海地区水工工程中推广应用。60年代起,在广州黄埔造船厂等码头设计中,开始采用预制混凝土方块重力式结构,其后发展为空心方块并增大方块尺度。

70年代,码头吨级逐步提高和出现多层平台形式。1976年设计的芜湖造船厂5000吨级码头,研究构思双层平台式,设计分片式横框架和预制梁板,形成多层平台预制化结构形式。随着船舶增大,新建舾装码头吨级提高,码头起重机从15吨增大到25吨、40吨,不少码头增建后平台,以扩大生产场地,其中有沪东造船厂2.5万吨级和上海船厂3.5万吨级。

80年代,码头吨级和起重设备进一步提高。1984年,沪东造船厂新区6万吨级舾装码头设计,采用30吨门座起重机,并能行驶载重150吨平板车,大面积后平台宽36米。1988年,设计的大连造船新厂20万吨级舾装码头,长420米,宽30米,设有70吨起重机,是国内船厂较大吨级码头,配有齐全的水、电、动力管线地沟和登船塔。

1980年,设计的上海四八〇五工厂3000吨升船机,是国内较大的船厂升船机,升船平台长119.9米,港池深12.8米。为30台提升用卷扬机,专项设计同步电动机,使各吊点同步升降。港池内壁与相邻建筑较近,结构设计应用带剪力墙的地下连续墙。设计获1993年我国出色设计银质奖。