石化工程建設(shè)模塊化建造應(yīng)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(shè)周期、安全、質(zhì)量和費(fèi)用等方面的有優(yōu)勢(shì)，在石油化工工程建設(shè)項(xiàng)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(shè)計(jì)要點(diǎn)以及建造過程中需要關(guān)注的問題進(jìn)行了分析研究，以期該技術(shù)能夠得到更進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模塊化建造；集成設(shè)計(jì)；施工

建造模塊化建造概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，近幾年我國(guó)工業(yè)企業(yè)迅猛發(fā)展，國(guó)家對(duì)化工企業(yè)的要求也日趨嚴(yán)格。模塊化建造在對(duì)工藝系統(tǒng)整體分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以實(shí)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(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。但這也需要依靠技術(shù)積累與豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，以及先進(jìn)的軟件技術(shù)對(duì)模塊進(jìn)行分割-組裝，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。

1裝置模塊化建造

1.1項(xiàng)目管理優(yōu)勢(shì)

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

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

1.1.2質(zhì)量控制現(xiàn)場(chǎng)施工由于原材料檢驗(yàn)設(shè)施缺乏不完善，焊接容易受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)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(duì)較大，留給土建施工、基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)的時(shí)間有限。而采用模塊化建造模式，進(jìn)廠原料檢驗(yàn)程序嚴(yán)格，檢驗(yàn)設(shè)施、措施齊備，工廠屬于室內(nèi)環(huán)境，避免了室外環(huán)境對(duì)施工作業(yè)的影響；可專門設(shè)立檢測(cè)中心以便于執(zhí)行整套的質(zhì)量保障體系，相對(duì)于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理難度大大降低，對(duì)建造質(zhì)量的控制更加便捷。

1.1.3費(fèi)用控制現(xiàn)場(chǎng)施工由于施工機(jī)械的購買或租賃以及轉(zhuǎn)運(yùn)、保護(hù)等，使得施工費(fèi)用增加，而現(xiàn)場(chǎng)施工人員通常以外包形式雇傭，也會(huì)使得人力費(fèi)用增加，由此造成的項(xiàng)目措施費(fèi)增加，占用了資金，還使得工期延長(zhǎng)。而模塊化建造的工廠施工機(jī)具完備、人員穩(wěn)定，施工機(jī)具費(fèi)、工廠施工勞動(dòng)力成本較低，完善的倉儲(chǔ)和吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)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(fèi)用會(huì)大大節(jié)省。

1.2應(yīng)用領(lǐng)域

1.2.1發(fā)達(dá)與不發(fā)達(dá)地區(qū)高度發(fā)達(dá)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(jìn)行模塊化建造來降低成本。特別在工程項(xiàng)目投資需要壓縮的情況下會(huì)使得投資方主動(dòng)考慮采用這種建造模式；而相對(duì)于不發(fā)達(dá)地區(qū)的資源保障通常不能及時(shí)配套，模塊化的建造模式，通常也會(huì)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(dǎo)致的項(xiàng)目建設(shè)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(yùn)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(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，以及復(fù)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(yīng)用。

1.2.3政治不穩(wěn)定地區(qū)由于政治的不穩(wěn)定(工會(huì)強(qiáng)勢(shì)，罷工頻發(fā)地區(qū))，現(xiàn)場(chǎng)施工的危險(xiǎn)極大增加。而模塊是降低這種危險(xiǎn)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(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也使一些化工設(shè)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(xiàng)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(yīng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)能力。

2模塊化設(shè)計(jì)

2.1技術(shù)要求

模塊化項(xiàng)目建造每個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的項(xiàng)目建造，所以工程設(shè)計(jì)依然是項(xiàng)目執(zhí)行的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)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(shè)計(jì)首先需要將整套系統(tǒng)按工藝流程劃分為功能相對(duì)獨(dú)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(shè)計(jì)工作以外，要求較傳統(tǒng)建造提高一個(gè)級(jí)別。設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)水平、設(shè)計(jì)質(zhì)量及設(shè)計(jì)進(jìn)度是整個(gè)設(shè)計(jì)周期中必須要控制的關(guān)鍵點(diǎn)。設(shè)計(jì)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(biāo)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(shí)現(xiàn)裝置集成與空間合理布局，要求設(shè)計(jì)進(jìn)度必須要早于建造進(jìn)度，并在建造前就定型，應(yīng)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(dòng)場(chǎng)地、材料、人員等的準(zhǔn)備與動(dòng)員。

2.1.3滿足運(yùn)輸、吊裝需求模塊化設(shè)施的尺寸對(duì)運(yùn)輸費(fèi)用的計(jì)量影響很大，如果由于異形尺寸導(dǎo)致重心偏向，會(huì)在吊裝時(shí)容易出現(xiàn)技術(shù)問題。同時(shí)，運(yùn)輸條件也是影響模塊化設(shè)計(jì)的重要因素之一，模塊可能遇到公路、鐵路及船運(yùn)等交通工具的運(yùn)輸能力，港口、鐵路及現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)施的負(fù)荷能力等，都需要在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮。為此，要對(duì)從工廠到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的路線運(yùn)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(yùn)輸方式并對(duì)確定好的模塊單元編制吊裝方案，必要時(shí)還需根據(jù)運(yùn)輸過程中模塊防側(cè)滑、防傾覆的受力分析及加固需要進(jìn)行專門的防護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1.4便于安裝、檢修模塊化建造能夠極大縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期，可以和現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施的建造并行；這同時(shí)也要求完成模塊劃分后的設(shè)計(jì)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)安裝時(shí)的準(zhǔn)確定位。設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)對(duì)于運(yùn)輸、安裝過程中模塊化拆裝及接口要求等注意事項(xiàng)予以明確；同時(shí)由于設(shè)計(jì)布置相對(duì)緊湊，裝置運(yùn)行期的檢修、拆卸空間在劃分與設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮。

2.2集成化設(shè)計(jì)管理

隨著工程建設(shè)領(lǐng)域集成化設(shè)計(jì)成為主流發(fā)展趨勢(shì)，集成化設(shè)計(jì)給模塊化建造帶來的優(yōu)勢(shì)不言而喻。該方式的實(shí)施，能夠明顯的降低項(xiàng)目成本，縮短項(xiàng)目工期，優(yōu)化裝置空間設(shè)計(jì)，通過保證多維度數(shù)據(jù)的同源進(jìn)而降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1三維設(shè)計(jì)開展裝置模塊化設(shè)計(jì)，全專業(yè)參與的三維設(shè)計(jì)是必須實(shí)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(duì)操作環(huán)境進(jìn)行檢查，極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度。對(duì)于例如土建專業(yè)精度要求高于常規(guī)設(shè)計(jì)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(shí)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?duì)象的多維數(shù)據(jù)通過工程位號(hào)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)管理關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二三維設(shè)計(jì)信息間的交互和校驗(yàn)，以及檢查三維布置與流程設(shè)計(jì)的流向及邏輯關(guān)系等是否一致，滿足工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理用于調(diào)整匹配項(xiàng)目中的各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)，能夠從唯一的數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)生成多種格式的報(bào)表，提升了設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量和異地協(xié)同工作能力，并且降低了變更對(duì)成本、日程、質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)的影響。由此在工程設(shè)計(jì)過程中可及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)不一致性的問題。由此帶來提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低后期昂貴的設(shè)計(jì)變更和返工風(fēng)險(xiǎn)的作用對(duì)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(shè)的核心要素，開展模塊化集成設(shè)計(jì)前，需要建立包括各類模板、編碼在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，在項(xiàng)目的實(shí)施中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用貫穿于模塊化建造全流程以及后續(xù)維護(hù)的全生命周期，能夠支撐裝置在建造和維護(hù)時(shí)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(fù)雜程度，也避免了現(xiàn)場(chǎng)建造帶來的材料管控難題。

2.3.2工程材料管理目前應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型工程公司使用材料管理與應(yīng)用系統(tǒng)的目的主要是管理材料編碼和材料等級(jí)庫，實(shí)現(xiàn)了與常用三維工廠設(shè)計(jì)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(yīng)用，能夠使模塊化裝置的設(shè)計(jì)，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(guān)人員的工作量，為復(fù)雜裝置的實(shí)施提供借鑒。

3模塊化裝備的建造

3.1模塊預(yù)制

模塊預(yù)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(shè)計(jì)圖紙給出關(guān)聯(lián)設(shè)備及材料，完成設(shè)備及散裝材料采購后，發(fā)運(yùn)到指定制造商或現(xiàn)場(chǎng)，再經(jīng)過生產(chǎn)加工得到的成品即構(gòu)成預(yù)制模塊，將在后續(xù)的施工任務(wù)中作為整體被運(yùn)輸、安裝。模塊預(yù)制需要將建造材料依據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行采購打包，打包過程主要是依據(jù)不同規(guī)則對(duì)采買的物資進(jìn)行快速分包的過程。制定分包規(guī)則時(shí)，可以依據(jù)物資項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)材料、項(xiàng)目特殊件等對(duì)象的相關(guān)屬性進(jìn)行條件設(shè)置，依據(jù)設(shè)置的條件從相應(yīng)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(yù)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(diǎn)，就是其框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造，需要特別在拆卸、吊裝及土建方面予以突出關(guān)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(jìn)行二次設(shè)計(jì)，但模塊化框架的設(shè)計(jì)預(yù)制應(yīng)采取一體化協(xié)作的模式進(jìn)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(duì)吊裝的影響是模塊化設(shè)計(jì)與建造過程中必須認(rèn)真對(duì)待的。

3.3模塊拆分

為了滿足運(yùn)輸規(guī)格的限制，從而實(shí)現(xiàn)整體遷移的目的。建造中需要明確拆分點(diǎn)的設(shè)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(fù)裝順序、各專業(yè)安裝指導(dǎo)要求以及過程中涉及的專用工具等。模塊拆分點(diǎn)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(shí)，則應(yīng)盡量減少法蘭連接以確保裝置今后的安全運(yùn)行。此類裝置在制造時(shí)應(yīng)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(shí)施模塊化設(shè)備

在建造完成后，安裝實(shí)施過程中要求工廠內(nèi)的預(yù)組裝、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)吊裝及再組裝需要做好的技術(shù)儲(chǔ)備和計(jì)劃，組裝時(shí)應(yīng)按次序進(jìn)行吊裝，實(shí)施過程中，模塊的平衡以及準(zhǔn)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(shè)計(jì)時(shí)的法蘭連接后，是否對(duì)連接質(zhì)量給予檢查；電氣、儀表電纜接通后，需要進(jìn)行專門的調(diào)教工作等，都應(yīng)是此時(shí)檢查工作的關(guān)注內(nèi)容。

4結(jié)論與展望

（1）模塊化方式建造主要應(yīng)用在海外欠發(fā)達(dá)、氣候、環(huán)境條件苛刻的國(guó)家或地區(qū)，可以有效降低項(xiàng)目運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避制約因素，縮短項(xiàng)目工期，提高項(xiàng)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(shè)置是建造的關(guān)鍵，它關(guān)系到制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)裝配的各個(gè)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(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在工程開始階段即需要提前分析模塊的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)輸及安裝方案，并將整個(gè)過程中發(fā)生的業(yè)務(wù)流程、技術(shù)更新以及知識(shí)庫的建立和應(yīng)用持續(xù)不斷地進(jìn)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(xiàng)目的實(shí)施逐漸豐富數(shù)據(jù)庫，以此輔助提高模塊化設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。同時(shí)，可將數(shù)據(jù)庫從設(shè)計(jì)領(lǐng)域擴(kuò)展到生產(chǎn)領(lǐng)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(yīng)用于模塊零部件的采夠和物資管理。

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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