石化工程建設模塊化建造應用研究

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摘要：模塊化建造的推廣，有利于發(fā)揮其在工程建設周期、安全、質(zhì)量和費用等方面的有優(yōu)勢，在石油化工工程建設項目中得到越來越廣泛的推廣。本文就該建造模式中涉及的適用條件、設計要點以及建造過程中需要關注的問題進行了分析研究，以期該技術(shù)能夠得到更進一步的推廣與應用。

關鍵詞：模塊化建造；集成設計；施工

建造模塊化建造概念最早出現(xiàn)在20世紀60年代，近幾年我國工業(yè)企業(yè)迅猛發(fā)展，國家對化工企業(yè)的要求也日趨嚴格。模塊化建造在對工藝系統(tǒng)整體分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以實現(xiàn)不同的單元操作過程。通過模塊的劃分，可以提高整體設計效率，縮短設計時間。但這也需要依靠技術(shù)積累與豐富的工程經(jīng)驗，以及先進的軟件技術(shù)對模塊進行分割-組裝，進而形成標準化的解決方案。

1裝置模塊化建造

1.1項目管理優(yōu)勢

與傳統(tǒng)建造方法相比，模塊化建造具有諸多優(yōu)勢，尤其可明顯的縮減建設工期，降低項目成本與風險。在工程工藝條件十分成熟的今天，為了達到集約化管理及利益最大化的目的，模塊化建造是國外許多業(yè)主和工程公司的必然選擇與發(fā)展趨勢。

1.1.1進度控制現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣，場地條件、氣候環(huán)境的影響，使得施工不得不暫停?，F(xiàn)場施工時間主要為白天施工，并有一定的順序。而且在工期緊張時，還會存在各專業(yè)交叉施工，這樣難克會相互影響，使得工作效率低下。同時，由于存在施工誤差，使得部分管道必須根據(jù)現(xiàn)場情況預制，現(xiàn)場組焊的效率也會隨之降低，對現(xiàn)場“三通一平”的要求較高。這些因素都會影響工程進度的推進。

1.1.2質(zhì)量控制現(xiàn)場施工由于原材料檢驗設施缺乏不完善，焊接容易受環(huán)境溫度、濕度、風速等多方面因素影響，管道探傷不便、熱處理難度大；施工組織管理難度相對較大，留給土建施工、基礎養(yǎng)護的時間有限。而采用模塊化建造模式，進廠原料檢驗程序嚴格，檢驗設施、措施齊備，工廠屬于室內(nèi)環(huán)境，避免了室外環(huán)境對施工作業(yè)的影響；可專門設立檢測中心以便于執(zhí)行整套的質(zhì)量保障體系，相對于項目現(xiàn)場管理難度大大降低，對建造質(zhì)量的控制更加便捷。

1.1.3費用控制現(xiàn)場施工由于施工機械的購買或租賃以及轉(zhuǎn)運、保護等，使得施工費用增加，而現(xiàn)場施工人員通常以外包形式雇傭，也會使得人力費用增加，由此造成的項目措施費增加，占用了資金，還使得工期延長。而模塊化建造的工廠施工機具完備、人員穩(wěn)定，施工機具費、工廠施工勞動力成本較低，完善的倉儲和吊裝轉(zhuǎn)運設施，減少了管道及鋼結(jié)構(gòu)露天堆料的損耗，與傳統(tǒng)施工相比費用會大大節(jié)省。

1.2應用領域

1.2.1發(fā)達與不發(fā)達地區(qū)高度發(fā)達的地區(qū)由于高額的人工成本使投資者考慮在低成本地區(qū)進行模塊化建造來降低成本。特別在工程項目投資需要壓縮的情況下會使得投資方主動考慮采用這種建造模式；而相對于不發(fā)達地區(qū)的資源保障通常不能及時配套，模塊化的建造模式，通常也會被優(yōu)先考慮。

1.2.2自然條件受限地域由于受自然條件限制導致的項目建設受限，例如因寒冷氣候造成施工周期只有數(shù)月，或者因沿海運輸及其便利，使得一些巨型模塊可以在一些低成本的地區(qū)建造再運輸至項目現(xiàn)場，以及復雜地域的施工不便利性等，使得模塊化建造的方式得到越來越多的應用。

1.2.3政治不穩(wěn)定地區(qū)由于政治的不穩(wěn)定(工會強勢，罷工頻發(fā)地區(qū))，現(xiàn)場施工的危險極大增加。而模塊是降低這種危險的唯一解決途徑；

1.2.4工藝保密的裝置為了工藝技術(shù)不外泄而采用模塊化建造，可以極大地保護知識產(chǎn)權(quán)，也使一些化工設備的建造直接跳過了EPC公司，變成了業(yè)主+制造商的新一代項目執(zhí)行組合。它要求業(yè)主有一定的工程能力而制造廠也要有相應的詳細設計能力。

2模塊化設計

2.1技術(shù)要求

模塊化項目建造每個環(huán)節(jié)之間的關聯(lián)度要遠高于傳統(tǒng)的項目建造，所以工程設計依然是項目執(zhí)行的最關鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)模塊化施工的重要前提條件之一。

2.1.1工藝劃分合理裝置設計首先需要將整套系統(tǒng)按工藝流程劃分為功能相對獨立的裝置單元，各單元除在滿足工藝生產(chǎn)功能要求的前提下開展傳統(tǒng)的專業(yè)設計工作以外，要求較傳統(tǒng)建造提高一個級別。設計方案、設計水平、設計質(zhì)量及設計進度是整個設計周期中必須要控制的關鍵點。設計水平與質(zhì)量的不足將直接制約模塊建造的工期與質(zhì)量。

2.1.2空間合理模塊化建造的目標之一就是要使得各模塊內(nèi)部空間非常緊湊，從安全性、操作性、美觀性實現(xiàn)裝置集成與空間合理布局，要求設計進度必須要早于建造進度，并在建造前就定型，應減少異形模塊的數(shù)量，需要將外連管線等置于框架之內(nèi)。這樣能夠大大減少后期變更造成的建造影響，并可提前啟動場地、材料、人員等的準備與動員。

2.1.3滿足運輸、吊裝需求模塊化設施的尺寸對運輸費用的計量影響很大，如果由于異形尺寸導致重心偏向，會在吊裝時容易出現(xiàn)技術(shù)問題。同時，運輸條件也是影響模塊化設計的重要因素之一，模塊可能遇到公路、鐵路及船運等交通工具的運輸能力，港口、鐵路及現(xiàn)場吊裝設施的負荷能力等，都需要在設計時需要特別考慮。為此，要對從工廠到項目現(xiàn)場的路線運行調(diào)研，根據(jù)模塊的尺寸及重量確定適合的路線，綜合考慮不同的運輸方式并對確定好的模塊單元編制吊裝方案，必要時還需根據(jù)運輸過程中模塊防側(cè)滑、防傾覆的受力分析及加固需要進行專門的防護設計。

2.1.4便于安裝、檢修模塊化建造能夠極大縮短現(xiàn)場施工周期，可以和現(xiàn)場的基礎設施的建造并行；這同時也要求完成模塊劃分后的設計模塊能夠?qū)崿F(xiàn)安裝時的準確定位。設計過程中就應對于運輸、安裝過程中模塊化拆裝及接口要求等注意事項予以明確；同時由于設計布置相對緊湊，裝置運行期的檢修、拆卸空間在劃分與設計時應予以充分考慮。

2.2集成化設計管理

隨著工程建設領域集成化設計成為主流發(fā)展趨勢，集成化設計給模塊化建造帶來的優(yōu)勢不言而喻。該方式的實施，能夠明顯的降低項目成本，縮短項目工期，優(yōu)化裝置空間設計，通過保證多維度數(shù)據(jù)的同源進而降低項目風險。

2.2.1三維設計開展裝置模塊化設計，全專業(yè)參與的三維設計是必須實施的。通過全專業(yè)三維模型的建立，體現(xiàn)出模塊空間布置方案，并可在虛擬空間內(nèi)對操作環(huán)境進行檢查，極大地提高了設計質(zhì)量，降低了現(xiàn)場施工難度。對于例如土建專業(yè)精度要求高于常規(guī)設計的情況，通過該方式亦能很好地解決。

2.2.2智能PID智能PID的繪制，能夠?qū)崿F(xiàn)在流程圖繪制過程中，同時完成工程數(shù)據(jù)在二維模型數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，能夠?qū)⒐こ虒ο蟮亩嗑S數(shù)據(jù)通過工程位號實現(xiàn)關聯(lián)管理關系，實現(xiàn)二三維設計信息間的交互和校驗，以及檢查三維布置與流程設計的流向及邏輯關系等是否一致，滿足工程設計信息能夠被需要且有權(quán)限的各工程參建方有效管理和方便地訪問。2.2.3設計數(shù)據(jù)管理設計數(shù)據(jù)管理用于調(diào)整匹配項目中的各項工程數(shù)據(jù)，能夠從唯一的數(shù)據(jù)庫中自動生成多種格式的報表，提升了設計效率、質(zhì)量和異地協(xié)同工作能力，并且降低了變更對成本、日程、質(zhì)量和風險的影響。由此在工程設計過程中可及時發(fā)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)不一致性的問題。由此帶來提升設計質(zhì)量、降低后期昂貴的設計變更和返工風險的作用對模塊化建造十分有益。

2.3工程材料管理

2.3.1工程數(shù)據(jù)管理工程數(shù)據(jù)庫是開展工程建設的核心要素，開展模塊化集成設計前，需要建立包括各類模板、編碼在內(nèi)的基礎數(shù)據(jù)庫，在項目的實施中，基礎數(shù)據(jù)庫應用貫穿于模塊化建造全流程以及后續(xù)維護的全生命周期，能夠支撐裝置在建造和維護時的材料采購、替換等工作則，降低了模塊化建造在安裝方面的工作復雜程度，也避免了現(xiàn)場建造帶來的材料管控難題。

2.3.2工程材料管理目前應用于國內(nèi)外大型工程公司使用材料管理與應用系統(tǒng)的目的主要是管理材料編碼和材料等級庫，實現(xiàn)了與常用三維工廠設計系統(tǒng)的集成，數(shù)據(jù)一致性良好的材料管理系統(tǒng)得以成熟應用，能夠使模塊化裝置的設計，采購，施工等環(huán)節(jié)無縫連接，提高材料控制效率，減少相關人員的工作量，為復雜裝置的實施提供借鑒。

3模塊化裝備的建造

3.1模塊預制

模塊預制是由采購的材料加工制造后完成模塊化構(gòu)件，一般由設計圖紙給出關聯(lián)設備及材料，完成設備及散裝材料采購后，發(fā)運到指定制造商或現(xiàn)場，再經(jīng)過生產(chǎn)加工得到的成品即構(gòu)成預制模塊，將在后續(xù)的施工任務中作為整體被運輸、安裝。模塊預制需要將建造材料依據(jù)設計方案進行采購打包，打包過程主要是依據(jù)不同規(guī)則對采買的物資進行快速分包的過程。制定分包規(guī)則時，可以依據(jù)物資項、標準材料、項目特殊件等對象的相關屬性進行條件設置，依據(jù)設置的條件從相應的材料目錄中篩選符合條件的物資并形成工程量清單，后續(xù)以此為依據(jù)直接轉(zhuǎn)入采購及預制過程。

3.2框架結(jié)構(gòu)制造模塊化

結(jié)構(gòu)制造的一大突出特點，就是其框架結(jié)構(gòu)的設計與制造，需要特別在拆卸、吊裝及土建方面予以突出關注。盡管框架的拆卸在部分有能力的施工單位建造過程中能夠進行二次設計，但模塊化框架的設計預制應采取一體化協(xié)作的模式進行建造；而框架建造后，模塊化框架整體的多層、單層、偏心、高重心等問題的研究以及其對吊裝的影響是模塊化設計與建造過程中必須認真對待的。

3.3模塊拆分

為了滿足運輸規(guī)格的限制，從而實現(xiàn)整體遷移的目的。建造中需要明確拆分點的設置方式和方法、裝置整體情況及安裝內(nèi)容、裝箱總單情況與復裝順序、各專業(yè)安裝指導要求以及過程中涉及的專用工具等。模塊拆分點宜優(yōu)先選用非焊接的連接方式，主要包括全螺栓拼接和法蘭盤式連接兩種，但在涉及高溫、高壓管道時，則應盡量減少法蘭連接以確保裝置今后的安全運行。此類裝置在制造時應考慮不需要再拆分，以便于其內(nèi)部管道采用焊接連接方式。

3.4模塊化裝備的安裝實施模塊化設備

在建造完成后，安裝實施過程中要求工廠內(nèi)的預組裝、運輸及現(xiàn)場吊裝及再組裝需要做好的技術(shù)儲備和計劃，組裝時應按次序進行吊裝，實施過程中，模塊的平衡以及準確是最為重要的因素。安裝完成后，模塊間銜接檢查工作是質(zhì)量保證的最后環(huán)節(jié)，如管道按設計時的法蘭連接后，是否對連接質(zhì)量給予檢查；電氣、儀表電纜接通后，需要進行專門的調(diào)教工作等，都應是此時檢查工作的關注內(nèi)容。

4結(jié)論與展望

（1）模塊化方式建造主要應用在海外欠發(fā)達、氣候、環(huán)境條件苛刻的國家或地區(qū)，可以有效降低項目運行風險，規(guī)避制約因素，縮短項目工期，提高項目質(zhì)量。（2）合理的模塊化尺寸及布局是模塊化建造的重要影響因素，建造過程中需要多方聯(lián)合參與才能得到最優(yōu)化方案。模塊拆分界限的設置是建造的關鍵，它關系到制造、運輸和現(xiàn)場裝配的各個環(huán)節(jié)，需要在建造過程中持續(xù)優(yōu)化。（3）裝置模塊化建造流程涉及到工程建設的各個環(huán)節(jié)，在工程開始階段即需要提前分析模塊的設計、建造、運輸及安裝方案，并將整個過程中發(fā)生的業(yè)務流程、技術(shù)更新以及知識庫的建立和應用持續(xù)不斷地進行優(yōu)化和創(chuàng)新。（4）充分發(fā)揮工程軟件的數(shù)據(jù)庫功能，建立起數(shù)據(jù)庫的基本架構(gòu)，并隨著工程項目的實施逐漸豐富數(shù)據(jù)庫，以此輔助提高模塊化設計的效率和質(zhì)量。同時，可將數(shù)據(jù)庫從設計領域擴展到生產(chǎn)領域，增加數(shù)據(jù)庫的物資編碼和物資管理功能，使數(shù)據(jù)庫直接應用于模塊零部件的采夠和物資管理。

參考文獻

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作者：沈志洵 單位：神華工程技術(shù)有限公司安徽分公司