GBS和HCSR的前世今生

GBS

IMO的GBS要求 , 简单来说就是 “ 船级社结构规范的规范 ” 。 它规定了各船级社150米及以上船长的油船、散货船（不包括矿砂船及兼装船）结构规范必须符合IMO的GBS的要求 , 并通过IMO的审核。

长久以来，IMO的更多的是关注海上人命安全以及环境污染等方面的问题，其法规更多体现在“描述性要求”上。例如要求船上有多少件救生衣，有多少灭火器，使用什么成分的油品，具体排放数值是多少等等。而相对的，还有一种叫做“目标性要求”，也就是说，只给出需要达到的目标，但并没有具体通过什么手段达到目标的表达。举例来说，我只要求你的船这里要避免火灾，发生火灾要有有效的灭火设备，具体怎么做，并没有具体说明。

考虑到新船建造标准已由各船级社规范做了规定，IMO通常采用承认各国海事主管机关认可的船级社规范的做法，而不直接介入制定。但因为船舶结构缺陷而导致的海难事故频繁发生，IMO开始逐步介入到与船舶结构有关的标准和要求的制定当中。

IMO的GBS要求的推出也是这一趋势的进一步发展，在它的背后有复杂的政治、经济因素及技术需求，首先，在政治、经济层面，船舶结构问题引发的散货船事故，造成船舶保险业的亏损 ；Erika和“威望”号污染事故对欧洲沿岸国造成的环境损害，以及油轮污染导致索赔大幅度增加；传统西方航运大国逐渐淡出航运市场并转化为国土利益、国际航运资本利益，将压力向造船国转移等因素，直接导致西方各利益国推动 IMO介入船体结构标准制定；另外，在技术层面，各家船级社各自制定自己的规范标准，各自执行，如果按最低要求执行，易造成船舶安全水平的高低差异，最后导致低安全水平船的出现。同时，基于经验的船级社传统规范体系已经不能满足现代船舶设计建造的要求，随着现代计算技术的发展和船舶大型化，基于分析计算、符合第一力学原理、确保风险指数的理论型规范更符合现代船级社规范的发展。

在上述背景下，经过各方多轮激烈的磋商讨论，在进一步考虑了IACS的HCSR的研发时间表后，最终在2009年的MSC第87次会议上明确了IMO的GBS的要求和执行时间，即2016年7月1日及以后签订建造合同，或2017年7月1日及以后安放龙骨，或2020年7月1日及以后交船的所有150米及以上船长的油船和货舱区域单甲板、有顶边舱和底边舱的散货船 ( 不包括矿砂船及兼装船 ) ，必须符合目标型船舶建造标准。

IMO的GBS对目标型船舶建造标准规定了自上而下的五层要求。第一层（Tier I）目标，提出了符合船舶建造和航运安全、环保的整体目标；第二层（Tier II）功能要求，提出了为实现第一层目标，船舶结构必须符合的15项功能要求；第三层（Tier III）符合验证，提供必要的程序及规定以验证船舶设计和建造规范及规定符合第一层和第二层的要求；第四层 （Tier IV）船舶设计和建造规范及规定，为了满足Tier I目标和Tier II功能性要求，由IMO主管机关和\或船级社开发，并被主管机关和\或代表主管机关的船级社所采纳的关于船舶设计和建造的细节要求；第五层（Tier V）工业应用及标准，即涉及船舶建造、营运、维护、培训、配备等的工业标准、应用规则和安全质量标准，它们一般被船舶设计和建造规范及规定纳入或引用。

所谓“IMO的GBS要求”，其核心内容就是第二层功能要求和第三层的符合验证。第二层的15个功能要求按船舶生命周期——设计、建造、营运、拆解四个阶段进行分解，在设计阶段涉及设计寿命、环境条件、结构强度、疲劳寿命、剩余强度、腐蚀保护、结构冗余度、水密与风雨密完整性、人员因素考虑，以及设计透明度等10个功能 ；在建造阶段涉及建造质量程序、建造中检验等2个功能 ；在营运阶段涉及检验与维护、结构可靠性等2个功能 ；在拆解阶段涉及拆解1个功能。

第三层符合验证就是如何围绕着15个功能要求对规范进行审核，把每个功能要求展开为目标、文件和资料要求、评价衡准等三个方面，进而分解细化为215项审核要求。这215项规范进行的审核，概括起来有四个方面 ：一是规范内容是否涵盖15个功能要求，二是规范是否有效考虑了或如何考虑所有对船舶及人命安全构成危险的因素，三是规范能否提供足够的文件和资料证明规范建立的方法论是正确的，四是规范能否提供足够的文件和资料证明规范的安全水平是足够的。

随着IMO的GBS第三层要求的明确，针对船级社层面的第四层，即船舶设计和建造规范及规定，成为当前IACS以及所有船级社所要共同面对的课题。为此，IACS专门工作组根据IMOGBS的215项审核要求，对共同结构规范进行了初步分析，根据与GBS要求存在的技术差距，区别为 a、b、c、d、e五种情况。a类为全部涵盖，不需要进行改进，b类为全部涵盖，但需要改进技术背景，c类为部分涵盖， 需要发展新的要求和技术背景，d类为没有涵盖，需要IACS进一步改进，e类为没有涵盖，但IACS无需行动。

根据IACS的研究分析，在215项分解要求中，大概有三分之一属于a类内容。b类也大概占三分之一，就是说，这三分之一在CSR中的要求没有问题，但为什么需要这样要求却没有说明白。因为GBS要求，一个是要求科学合理，同时还要透明，你得告诉 IMO官员为什么，要把原理给他说清楚，这就要求船级社要在技术背景方面进一步改进。

最后的三分之一是c类和d类内容。即原规范没有这一部分内容，比如船舶发生碰撞以后的残存强度、船舶搁浅以后的残存强度，这是任何一家船级社在规范要求里都没有的，但是GBS提出了要求，船级社就要补充完整。 这三分之一需要分成两部分来解决，一部分要通过对原规范进行补充完善，另一部分则要另外建立项目组来完成。 如 IMO的GBS中有9.3,.2的要求和9.3.4的要求， 是关于人为因素的要求，就由统一要求工作组（UR）来解决，GBS要求船舶建造的时候，就要为船员居室处所创造一 个比较好的环境，以减少后期的人为因素事故。为此， 需要在船舶设计建造之初，能够在通风、照明、减少震动等方面满足GBS的要求。目前，IACS联合工业界组成 的共同项目组负责程序要求（PR）、统一要求（UR）等方面的修改补充工作，这方面不是船级社的传统强项，需要 与工业界联合攻关。

总的来说，在215项要求中，需要目前IACS协调后的共同结构规范（HCSR）来完成的占 80％～ 90%。而在2013年12月31日IACS所上交给IMO审核的HCSR已经顺利通过认证，这就意味着船级社就已经通过了GBS的80%~90%的要求，而剩下10%多的文件就相对容易很多。


CSR和HCSR

为了抑制各船级社间因市场竞争而引发的规范应用不统一导致低标准船出现，消除船级社在规范应用中技术上的”黑箱操作“，同时为了顺应发展中的IMOGBS要求。IACS于2006年4月推出了共同结构规范（CSR）。该规范与以前的传统规范相比具有更高的安全性、合理性和先进性，即在规范体系上具有先进性（以第一力学原理为基础，理论分析和经验应用相结合等）在规范应用上更加统一和透明（如规范技术背景透明、IACS各船级社统一执行等），安全水平更高（北大西洋波浪环境、25年设计寿命等），对提高船舶的安全性起了巨大的推动作用 , 符合IMO提出的船舶设计和建造应 “ 更坚固 ” 的发展潮流 。

但是，由于共同结构规范的开发时间短、开发过程错综复杂，推出后在某些技术方面一直饱受工业界的争议和讨论，例如普遍增加的船重，BC和OT两份独立的规范在载荷、有限元直接计算、疲劳强度、屈曲强度等方面存在一定的差异。同时 , 在共同结构规范的实际应用过程中 , 工业界也提出了规范需要进一步完善和更新的建议和要求 , 并呼吁要进一步确保如此复杂、完全依赖计算软件的规范统一执行和应用 。 

IACS从2008年开始陆续成立专项工作组，按国际海事组织（IMO）的目标型船舶建造标准（GBS）要求，对共同结构规范进行研究，着手编写协调共同结构规范（以下简称 HCSR），完成了对载荷、屈曲强度要求、有限元分析、疲劳强度要求、腐蚀与焊接要求、规定性规范要求等若干方面内容的协调。

HCSR在净尺寸要求、载荷、最小板厚要求、 屈服强度评估、屈曲强度评估及疲劳强度评估等方面进行了协调，同时还增加了对散货船和油船的部分特殊要求。

在载荷工况方面，HCSR采用了类似CSR-BC的等效设计波方法，相比CSR增加考虑了迎浪状态下首垂线处的垂向加速度为最大值的等效设 计波和扭转载荷工况，并对橫浪、斜浪等效设计波分别考虑了左舷、右舷状态，HCSR更加详细地分析了波浪对船舶运动响应和强度的影响。

关于强度评估衡准，HCSR采用了类似CSR-OT的“屈服利用因子”形式对船体结构强度进行评估，但在具体内容上存在一定差异。

关于有限元分析，HCSR要求模型范围覆盖的更多。HCSR计算方法只采用了CSR-BC的公式法，取消了CSR-OT的高级屈曲方法。边界条件上，HCSR不但新采用了用中心线和内底板的交点来约束X方向的线位移的方法，减少了独立点的影响，还新增了“端面梁”约束，即在有限元模型的最前端和最后端的两个端面建立一圈梁单元来模型前后结构带来的刚度，进一步完善了CSR-BC的边界条件。

关于疲劳强度评估，HCSR规定了更多的热点类型，评估细节上，HCSR同CSR-BC选取形状参数 ξ 恒为1，疲劳概率水平由CSR的10的-4次方调整为10的-2次方，这种做法可以从一定程度上消除形状参数的选取带来的误差。在S-N曲线的选取、累积损伤及疲劳寿命的计算方面，HCSR新增考虑了腐蚀环境的影响。