貨櫃船解析／大船微妙平衡 搖擺幅度有學問

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2012/09/17  【聯合報╱本報記者郭錦萍】

貨櫃船越造越大，航行時如何維持平衡，是個大學問。圖中是貨櫃船在台北港掉頭，前後各有一艘小船往順時鐘方向推大船，這時大小船人員都得高度戒備。 記者曾吉松／攝影



為了讓運能達到最大化，貨櫃船的尺寸愈來愈大，以船隊數量在全球名列前茅的長榮海運為例，有數十艘能承載7000、8000個TEU（20呎標準櫃）的大船。這些船動輒有300公尺長以上，如何讓不同重量的貨櫃擺放位置，既能讓航行安全，又能讓貨品裝卸有效率，是個既有物理、也有數學的問題。

大型貨櫃船一個航程去向可能就要靠泊十個港口，每個港口都有貨櫃要上裝或下卸，上下的貨重不見得相同，加上船隻在航行過程會不斷消耗燃油，在這些不停的變動中維持船舶穩定度與船體應力平衡，需要不斷的計算。

船隻要確保航行安全，要考慮立體的力學平衡，這包括橫向、縱向及垂直平衡。

搭小船時，大家都知道不能都坐同一邊，這指的就是橫向平衡的概念。貨船的橫向平衡，簡單來說，就是要儘可能把貨物均勻放在船中線的兩側；若不能放在中線上，就要設法把同樣的重量放在另一舷。

長榮海運船航務本部副總經理林沛樵指出，船橫向擺動（也稱橫搖）周期，受重量的重心位置影響。重量愈往船底處集中，左右搖擺的速度會加快，搖擺的周期會變短。

若重量愈往高處集中，船搖擺的速度會變緩，往復的周期較長，理論上，這種擺動方式船上的人員會感覺較舒適。不過，一旦擺動超過船隻的安全限度，產生「傾覆力矩」，船就可能因搖不回來而翻覆。

有多年航海經驗的大副王聰馨表示，較合理的擺動幅度，約在一側是10到15度間，即最多是在30度間擺動。若超過這個範圍，不見得船會翻過去，但有些人就會感覺「很恐怖」了！

至於縱向（指的是船首至船尾方向）平衡，林沛樵舉了個例子，以現在台北港很常見的300公尺大船來說，若把重量分布兩端，在海上若遇到兩波峰正好在船的兩端，受應力影響，船體有可能會從中間折斷；若波峰出現在船中間，船也可能折斷。

但若都把過多的貨櫃放在船的中間，雖有利於抵消船體的應力，但對裝卸作業效率，卻很不方便，會增加作業時間，不但會讓靠港費用增加，也可能因壓縮航行時間，船得耗用更多燃油好趕上後續期程。

重量的垂直分配也會影響船隻穩定度。若重量太集中於上甲板以上，會造成穩度變小，反之若重量太集中於艙底，穩定度會增加，但過大的穩定度，船舶橫搖周期短，若遇上天候惡劣，會因橫搖劇烈，容易造成貨櫃移動及人員不適。但若穩定度過小，船舶反應遲鈍，操縱不靈活，進港口要靠碼頭時，就得花很多時間，才能「喬好位置」。

前述都是理論上的狀況，但在實際操作時，因為每個港口出口貨的特性不同（如有的港是出口石材為主、有的是輕質玩具的出口港），加上為了節省停靠港口的時間，必須讓貨櫃快速裝卸最有效率，所以貨櫃裝載位置，不大容易完全符合理想要求。

船長林家裕說，這時，就得靠「壓艙水」來調整各處的重量。壓艙水可以互通，也可鎖在特定位置。所以每到一處停泊後，就會視貨物的位置和重量，壓艙水的量和儲放的位置也要跟著調整。

林沛樵表示，大船因貨載分配不當而造成船體結構斷裂的例子，在國際間並不罕見。也曾有貨櫃船因超載，開不了船的例子。今日的航運應用許多科技，數學、物理、電腦能力是現代船員必備的技能。所以一艘三、四百公尺的船，通常只有十幾名工作人員，因為多數工作都由電腦代替了，唯一的例外是船上的廚師。

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2012/09/17  【聯合報╱本報記者郭錦萍】


台北港貨櫃碼頭管理站，港務人員藉由密集攝影機，可直接指揮碼頭吊車人員堆疊貨櫃。 記者曾吉松／攝影

貨櫃船一次能載的貨愈多，每個物件分攤的運費成本愈低，但如何在載最多貨重又能安全抵達目的地間找到平衡，需要繁複的計算。

在實際的操作上，船上的大副從貨物要運上船艙之前，就要開始預先計算。包括因每個港口有不同數量的貨櫃要上或下，支撐船隻的肋骨在每一站的應力都不同，而一艘船可能有300多根龍骨的應力要計算。

航程中船隻會消耗多少燃油或加油，這些都會造成重量的變動，所以整個航程中，船隻的應力，一直在改變，取得平衡安全與載貨的對策也要跟著變動。

從船舶本身重量、承載的貨物及乘客的重量，及燃油及壓艙水等的重量的綜合作用，可以算出船隻的重心位置（G）。

同時，船隻在水面會承受水的浮力，這股作用的集中點，會落在水面下體積的幾何中心，這個中心點稱為浮心（B）。

當船靜止處於正浮位置時，重心和浮心會在同垂直線上。當船傾向一側時，浮心的位置會跟著改變。

當船傾斜時使船體之浮力中心外移，對船舶穩定性非常重要，這種特性不僅是依靠乾舷，船的寬度及船型也會影響；例如較低、較寬的船，以及船舷之外傾，均可使浮力中心有較多之外移。

當船小角度傾斜時，浮力作用線與船中線的交點，稱為穩定中心或質心（M），重心和質心間的距離稱為「定傾高度（GM）」，船長或大副等人必須隨時掌握GM值，從而了解船隻的穩定情形。

GM值的狀況分三種：

當M在G之上方時（GM>0），表示船在略傾時會形成「扶正力矩」，這種狀況可視為穩定平衡（Stable equilibrium）。

當M與G重疊時（GM=0），表示船隻在略傾時無力矩產生，形成「隨遇平衡」（Neutral equilibrium）。

當M在G之下方時（GM<0），則該船在略傾時產生「傾覆力矩」，而為不穩定平衡（Unstable equilibrium）。

舉個簡單的例子。一對情侶約會划小船，兩個人原本前後坐著，小船安穩舒適，男朋友提議換位置，兩人若站起來，重心就會變高、遠離質心，這時只要動作大一點，很容易就形成傾覆力矩，造成翻船。

大船的狀況也一樣，GM若太大，船體橫搖的角速度大，周期小，人會感覺不舒服，貨物也被容易滑動，許多貨櫃落海或人員摔傷都在在這種狀況下發生。

此外，船體橫搖易與波浪同步，導致橫搖愈演愈烈，船體受橫向變形應力大，對船體結構也有影響，因此船舶GM值的大小要控制在多少，就必須作仔細考慮。

在300公尺長大船服務的長榮海運大副王聰馨表示，以他的經驗，GM值若低於70公分時，船舶的操縱反應會變得遲緩；正常較佳的狀況，應該是維持在1公尺左右；尤其在進出港口時，必須能適度搖擺，GM值不能太小。

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2012/09/10  【聯合報╱本報記者郭錦萍】


貨櫃船進台北港後，快速裝卸貨櫃，以節省後續航行油費。 記者曾吉松／攝影

很多人印象中的港口可能還停留在：搬運工人進進出出，人車雜沓、擁擠吵雜... 這些現在幾乎都看不見了。以位於新北市八里的台北港為例，在碼頭上沒看到幾個人，數十部巨大的裝卸機具，飛快在我們頭上作業，全是無人操作。

台北港董事長陳志哲表示，台北港的貨櫃碼頭採電腦自動化儲櫃系統，在這裡的操作人員的工作和機場的航管員類似，這裡堪稱台灣最高科技的港口。

陳志哲解釋，台北港有一套進出站車及櫃號自動辨識系統（OCR），外來載送貨櫃的卡車一抵達港口管制點，就會領到一個比手機大一些的顯示器，指示車子到那個點去裝、卸貨，而且港區內密布訊號監測點，司機該做什麼動作，也都會透過顯示器通知，好比「港區塔台」的管制室也會從顯示幕，同步監看碼頭地面、空中的立體作業情形。

陳志哲說，台北港使用的都是無人操作門式機（專司把貨櫃從停放區放到外場卡車上或反向操作）或橋式機（用在把貨櫃從場內卡車捉到船上或反向操作），但為求作業更安全，在車上卸櫃上下拖車時都還是會由管制室遠端操控台，由人員透過設在門式機上的六台監視器，確認安全才執行。

陳志哲指出，大型貨櫃港的貨櫃，數量多時可達數萬個，每個貨櫃要送去的地點各不相同，港口管理單位、航運公司及貨運承攬商，必須透過電腦連線，才有辦法在最短時間，把每個貨櫃排在對的地方、送到對的船上、排在對的艙位、送到對的港口。只要其中一個環節搞錯了，要再找回來，都是「翻箱倒櫃」的大工程，而且成本高昂。

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2012/09/10  【聯合報╱本報記者郭錦萍】


貨櫃船上，貨櫃堆疊較下層會再扣上交叉纜線，以免滑動。 記者曾吉松／攝影

今天到處可見的貨櫃，發明不過半個世紀，但因貨櫃的便利，造就了當年日本的經濟爆發，更是中國大陸崛起的關鍵因素。

航運業者一般公認，貨櫃是美國人發明的，但確切發明者已不可考。一開始僅是公路運輸業者為解決理貨的麻煩，打造一些大小一致的車體。早期跨海運輸不發達，「外國貨」在以前所以很貴，是因為運輸費太貴，但真正貴的其實是陸地上的運輸。美國有人研究，一趟海上要航行4、5千哩的跨洋運輸，兩邊岸上總共可能只有40哩路就要占一半運費。

根據美國「BOX」一書作者的研究，1956年4月26日，58個鋁製卡車車體被吊上美國新澤西州紐華克港的一艘名為「理想-X號」的舊油輪，五天後運抵德州休斯頓港，這段航程應是貨櫃海運的起源。

早期貨物散裝 費時費工

在沒有標準化貨櫃的時代，所有貨物都是散裝貨，每換一次交通工具，就要清點一次、重新包裝，費時又費工。但有了貨櫃之後，因為規格標準化，不管是上下卡車、火車、船舶，只要一種工具就可搬各家的箱子。

因理貨時間和人力大幅降低，運輸費用大大節省，所以只要製造成本夠低，就算長程運輸也可維持商品競爭力，也推動國際貿易盛行。

貨櫃興起 和越戰有關

貨櫃在幾十年間就席捲全球，到處可見，和越戰有關。

1970年代末期，美國深陷越戰的泥淖中，為了讓戰爭快點結束，美國把大量戰備物資用貨櫃送到越南，但當年越南港口沒啥設備、卸貨效率低落，美國人乾脆幫越南建造全新的貨櫃碼頭。

從此越太平洋貨櫃船運絡繹不絕，但回程的空船怎麼辦？當時日本工業產品崛起，貨櫃船的回程就到日本載銷往美國的產品，也因這個契機，造就了後來20年日本經濟的高成長。

貨櫃很快就形成全球統一規格，則和碼頭工人有關。

早年，港口碼頭必須依靠人力作業，就算是貨櫃化的初期，仍要由人手操作機具，碼頭工人若不配合，貨就不能及時送抵，所以碼頭工人不但薪水高，且都有強大的工會支持；在台灣，碼頭工作到幾年前都還是世襲制。最先打破這個局面的是美國，他們把所有工作都改成自動化，先決要件即是貨品必須規格化。理論上，以現在發展出來的貨櫃系統，除了運送的卡車外，幾乎全程都可以不必用到人工。

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2012/09/17  【聯合報╱本報記者郭錦萍】


這棟色彩繽紛的樓房，是倫敦港區小有名氣的貨櫃屋。 圖／取自網路

有經濟調查單位統計過，全球的貨物有90%是透過貨櫃船運送。根據全球最大貨櫃出租買賣業者TEXTAINER集團估算，他們每年平均生產300萬個20呎標準櫃，一年要淘汰100萬個貨櫃。你有沒有想過，那些不再用來裝貨在海上旅行的貨櫃，都到那裡去了？

在台灣常可看到貨櫃改裝的檳榔攤，或工地臨時辦公室，它們通常是隨便放，也不太維修。

但在國外，近幾年受環保概念影響，不少建築師發現的貨櫃的好處，美國紐約有家建築公司，從2007年起開始把廢棄的貨櫃，透過切割、焊接、加上門窗等，改造成時髦的住家或辦公室，大受歡迎。

荷蘭建築師更用貨櫃，蓋了全球最大的貨櫃屋城，現在是大學生的宿舍，每個貨櫃就是個單人套房，有空調、浴室、廚房。

根據建造這個貨櫃屋城業者公布的資料，以1萬平方公尺的學生宿舍為例，貨櫃屋與磚混結構房屋相比，施工用水量是磚混結構房屋的1/30，混凝土用量是1/50；減少施工和裝修垃圾約99%，建材回收率比傳統建築提高70%，建築工期縮短50%，總體節能約40%。

而且貨櫃可承載5萬磅重量，最高可以疊到8層樓。

英國的都市空間規劃組織，2001年時也曾在倫敦碼頭區，由著名建築師蓋了一個「貨櫃城市（Container City）」，有趣的是，建築師花了五月內做工程規劃、改造貨櫃，但組裝只花了4天。他們用了個15個貨櫃組成一個四層樓的建物。現在這裡是個藝術村。

長榮海運表示，貨櫃也是海運公司的資產，打造一只20呎的貨櫃，大約要2500美元，40呎的貨櫃一只則要4000美元，約合台幣12萬元。

理想的情形下，貨櫃運東西到A地後，櫃子應該再裝貨品至B地。但回程沒有貨品可載也是常有的事，例如許多非洲地區，製造業不發達，沒東西可以出口，貨櫃運貨到此，常得空櫃而回，航運公司會計算，若運回不敷成本，就會把貨櫃在當地賣掉。所以貨櫃屋在這些地區也很普遍。

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2012/09/10  【聯合報╱本報記者郭錦萍】

container 貨櫃

cargo vessel（cargo ship）貨船

deck 甲板

pier 碼頭

Panama Canal 巴拿馬運河

延伸閱讀

箱子：貨櫃造就的全球貿易與現代經濟生活／李文森（Marc Levinson）／財信出版

現代運輸學／張有恆／華泰文化