高速鐵路工程建設模塊化技術應用研究

唐元寧，蔡俊俊，周芳汀

(1.西南交通大學交通運輸與物流學院，成都 610031;2.西南石油大學石油工程學院，成都 610500)

高速鐵路工程建設模塊化技術應用研究

唐元寧1，蔡俊俊1，周芳汀2

(1.西南交通大學交通運輸與物流學院，成都 610031;2.西南石油大學石油工程學院，成都 610500)

高速鐵路工程是典型的大型復雜線型建設工程，管理十分復雜，對模塊化技術在施工中的應用進行探討。通過歸納模塊化生產方式的特點，總結工程模塊化得以發展的基礎，提出工程模塊化的優點。通過實例應用分析，發現與傳統現場澆筑方式相比優勢明顯，通過模塊化生產不僅可以從源頭保障工程建設的質量，而且可以實現模塊化部件的批量化生產。此外，通過模塊化分解與集成將復雜的高速鐵路建設系統進行了離散化表示，通過模塊組合方式為高速鐵路工程建設管理提供了新思路。

高速鐵路;工程建設;模塊化;工廠化

自20世紀60年代世界上第一條高速鐵路開通運營以來，已有十多個國家投入高速鐵路建設。為了適應大規模的高速鐵路建設，各種先進的管理技術和方法正逐步被廣泛地應用于我國高速鐵路工程管理當中。原鐵道部副部長盧春房在全路建設標準化管理暨質量現場會上，提到高標準、講科學、不懈怠，把鐵路建設標準化管理推向深入，指出了“工廠化”作為支撐手段可以大力提高工作效率和經濟效益［1-2］。周國華等運用貝葉斯網絡研究了京滬高速鐵路建設項目中關鍵質量管理的風險因素，認為“工廠化”作為實現標準化的支撐手段可以有效地保障工程質量、降低風險［3］。“工廠化”是模塊化在工程上應用中的代名詞，自2008年京滬高速鐵路應用“工廠化”手段推廣標準化管理以來，各路局、建設單位均在進行學習推廣該方式，模塊化施工將在今后的高速鐵路建設中得到應用和推廣。

1 模塊化理論及發展

隨著全球范圍產業的融合趨勢逐步增強，模塊化理論已成為運營管理和戰略管理領域具有前瞻性的熱點問題［4］。目前，模塊化理論在全球范圍內受到理論界和實踐界的普遍關注，哈佛商學院Baldwin和Clark就認為伴隨著21世紀產生了一個嶄新的模塊化時代［5］。

模塊化主要被應用于汽車、飛機、通信為代表的制造業中，應用于京滬高速鐵路建設可以說是模塊化在我國高速鐵路領域應用的開端。

1.1 模塊化理論

模塊(Module)最早由IBM公司提出，由于模塊可以把復雜系統簡單化，逐漸成為學術界和實業界的共識，在眾多領域中被視作一個有用的概念。其是半自律性子系統，通過和其余的同樣的子系統遵照一定規則相互聯系構成的更為復雜的系統或者過程［6］。

由于可以解決產品模塊化、產業組織模塊化、生產網絡模塊化等方面具有獨特優勢，并隨著社會各界對復雜產品的創新與生產成本和效率關注的不斷深入，模塊化理論已經成為國內外管理學、經濟學和工程業界解決復雜產品設計和制造的一項關鍵技術。

1.2 模塊化發展

模塊化不僅是一種產品設計方法，也是一種組織管理方法［7］，在工業經濟時代最先是作為一種工藝設計方法被運用到鐘表、手機和汽車制造行業，后來在其他行業也得到發展。模塊化的演變過程，大致經歷了產品的模塊化分解、產業組織的模塊化、模塊化價值網絡的形成3個階段［8］。

高速鐵路建設系統是一個復雜的組織形態，由不同主體構成價值增值性網絡，可以把它看成為一個半自律的系統。因此，模塊化理論可以運用到高速鐵路建設系統中，同時也是對模塊化理論的進一步擴展。

1.3 與傳統方式相比的優點

模塊化與傳統生產方式相比，具有以下幾方面的特點。

(1)標準化、通用化更強。

(2)產品質量上，模塊化生產方式提供了更加可靠的保障。進行標準化的模塊化生產，無論是工藝技術上還是流程管理上都明顯優于傳統生產方式，為產品的高質量奠定了堅實的基礎。

(3)可以集成供應，滿足多需求點的需求。模塊化生產與工程供應鏈管理相結合，可以充分發揮模塊化節點集成下游各節點需求這一優勢，進行集中生產和供應，實現適當的集中管理和規模效應。

(4)可以實現同步生產，提升整體效率。模塊化生產為后續的模塊化裝配提供了基礎，可以大大縮短系統總裝配時間，提高總效率，并在一定程度上實現規模經濟，是滿足需求多樣化、個性化生產的有效生產方式。

(5)庫存方面，改善了建設系統中施工單位庫存積壓的現象，物資品種和數量都得到一定程度的縮減，從而降低庫存。

1.4 模塊化生產的局限性

高速鐵路建設工程是一個由多方參與、多組件組成、需求多樣化的復雜系統。這些不同的模塊子系統中，存在模塊可分部分和模塊不可分部分，比如高速鐵路建設工程的橋梁無砟軌道模塊子系統，由橋墩、梁、混凝土軌枕、道床、軌道板、鋼軌、配件及其他部分組成。

其中梁、板、混凝土軌枕、鋼軌等可以實現批量模塊化生產，道床、橋墩等其他部分由于工藝和技術的原因目前實踐中均只能現場澆筑生產。橋墩更是由于工程承受力要求和交通運輸限制等原因很難采用批量模塊化模式生產。

此外，一些偏遠施工作業區，比如高原、沼澤等公路運輸很難到達的區域，隧道、極高山區等難以用吊具作業的區域，采取的依舊是現場澆筑模式。

2 工程模塊化

2.1 工程模塊化的基礎

工程模塊化的成功應用得益于三大支撐基礎。

(1)持續穩定的需求，這是工程模塊化推廣的前提。模塊化的實現要以合理的投入產出比為前提，而目前國內工程界，包括高速鐵路、房建、橋梁等建設需求的不斷挖掘，給模塊化這一新方式帶來了機遇。

(2)大型吊裝等先進設備的出現，使模塊化有了現實應用的條件。模塊化在建設過程運輸以及現場裝配環節對大型吊裝設備提出了更高的要求，特別是在高速鐵路、大型橋梁等建設中尤為突出。

(3)模塊化理論的不斷發展。這是最根本的理論基礎，隨著基于施工工藝對工程主體模塊化處理的不斷深入和成熟，高速鐵路建設工程的模塊化實踐將越來越普及。

模塊化施工是一種現代先進的施工理念，在保證質量的同時，由于引入模塊作業，極大地縮短了生產工期，產生了良好的經濟效益。

2.2 工程模塊化的優點

模塊被生產出來之后，在下游環節進行組裝，從而實現了預制部件生產和下游組裝的同步進行。模塊化為施工現場提供了標準化的預制件，主要優點如下。

(1)優化現場實物流

工程模塊化通過將現場工作移至預制廠內，減少了施工現場活動，從而減少了相應的實物流。

(2)增加了項目結果的可預測性

工程模塊化簡化了項目的復雜性，增加了項目結果的可預測性。同時，工程模塊化減少了施工現場的工序，也使得工期的預測更加精確。

(3)增加了靈活性和適應性

工程模塊化的預制件可以通過設計多次重復使用或重新安裝。

(4)保證了質量，縮短制造和施工工期

工程模塊化實現了工廠的機械化和連續性生產，實現現場施工和預制廠制造的同步進行，施工現場的作業相對簡化，也就減少了現場施工工期。

與此同時，工程模塊化改善了現場的工作條件和控制條件，保證了預制件的工藝過程，提高了預制件的質量保證，從而也改善了工程的質量。

(5)保證了預制件制造的連續性

工程模塊化有利于預制件制造的連續性，可以在惡劣的氣候環境中持續工作，從而避免了現場澆筑中由于天氣等不可抗力因素造成停工、歇工等現象。

(6)減少對環境的影響

減少了施工現場的各種原材料、機器設備的堆放，因而減緩了施工現場擁擠的狀況。既對工程本身帶來好處，也改善了施工環境，例如減少了施工中的噪聲、灰塵和材料浪費等。

3 工程模塊化的應用

工程模塊化的應用不僅為工程質量提供了更加有效的保障，而且可以提高工程的總體效率。中鐵十二局在大西客運專線項目中組建的預制場設計應用模塊化技術，取得不錯的生產效率和經濟效益［9］。CRTSⅡ型軌道板在京津、京滬等高速鐵路得到應用，其質量可靠、精度可控、安全和高效［10］。這都歸功于模塊化是工程上實現按單裝配的有效手段。

3.1 按訂單裝配策略

高速鐵路工程建設可以看成一個典型的按單生產項目，每項工程最終都創造出新成果，成為其他工程參考的一個范本。盡管工程界基本不存在重復生產，沒有兩個完全一致的項目，但是針對類似的項目供應鏈管理的過程和策略可以十分相似。

不同工程項目在業主訂單到達之前會存在不同的規范過程，Anders等人提出了4種生產策略［11］。根據運輸至施工現場的各部件完成程度的差異，對應著不同的解耦點和策略，如圖1所示。

圖1 4種不同的工程建設系統施工策略

其中按訂單設計建造(ETO)策略，往往是基于業主的需求、規范和標準，負責工程的設計和建造。按訂單修正(MTO)策略，擁有標準的設計框架，只需按照通用的結構進行修改。按訂單裝配(CTO)策略，在設計框架和標準規格的預制件的基礎上，進行組合裝配。最后一種選擇(SL)策略，相當于直接根據需求選取現有標準規格的產品。

顯然高速鐵路建設工程模塊化屬于第二和第三個策略之間，通過通用的框架對工程管理進行設計，對可模塊化施工部分采用標準的預制件生產，實現工程的部分部件批量化生產。實現了預制部件生產和下游現場組裝的同步進行。

3.2 某高速鐵路的應用分析

從某高速鐵路建設管理實際情況來看，建設中貫徹了“施工生產能工廠化的則工廠化”的原則，通過工廠化集中生產，從源頭上對生產材料進行把關，不僅降低了生產成本，提高了產品的合格率，降低了構件的質量風險，同時也提高了標準構件的預制速度，保證了全線施工按照施工組織計劃順利實施。雖然目前采取工廠化會增加很多的前期投入，短期內不能體現很明顯的經濟優勢。但在全面保障質量的高速鐵路建設大環境下，推廣工廠化勢在必行，隨著工程需求的增加和穩定，其規模優勢也會凸顯。因此，為了保障預制梁的質量，目前工程基本上采用工廠化進行集中生產，但根據趙成貴的研究［12］，在某些工程條件限制的標段沿用的仍然是現場澆筑，比如架橋機無法正常通過的山區、陡坡等地和特殊橋跨限界的局部區段。

與此同時，根據資料統計，對32 m簡支箱梁現澆和工廠化2種方式下對比分析現場澆筑和模塊化預制2種方式的時間耗用情況。根據對比可以發現，工廠化方式下的作業效率是現場澆筑方式效率近2倍，模塊化施工使得作業效率大大提升，應用模塊化生產對于縮短高速鐵路建設工程的工期十分有利。

此外，在某高速鐵路建設工程中，工廠化的應用為實現標準化作業無偏差奠定了堅實的基礎，在施工質量、生產制造效率、控制工程成本、降低作業人員要求、改善勞動條件等方面優勢十分明顯。實現了全線模塊化部件的工藝標準化。全線應用情況如下。

(1)全線混凝土全部由拌和站進行集中供應。

(2)級配碎石由采石場破碎分級，改良土采用廠拌。(3)絕大部分箱梁由預制梁場和軌道板廠預制。(4)遮板、欄桿、柵欄、蓋板等小型構件全部工廠化預制。

(5)100 m鋼軌在焊軌廠焊接成500 m長鋼軌，道岔在工廠預組裝。

(6)接觸網腕臂實現預配中心組裝。

(7)通信信號設備在模擬中心組裝調試檢驗。

4 高速鐵路建設模塊化集成與分解

對應于高速鐵路建設工程的復雜性，對其進行模塊化劃分也是一個復雜的系統過程。區別于飛機、汽車等制造系統，高速鐵路建設工程系統不能像傳統制造系統那樣對所有的工藝過程進行模塊化管理。飛機、汽車等傳統制造之所以能夠依托模塊化技術很好地實現大規模定制，在滿足客戶需求的同時最小化成本，是因為制造業本身的工藝和管理過程具有相似性和可分性，能夠充分發揮模塊化的優勢，但以高速鐵路建設為代表的工程業不盡如此，一方面是工程的出現晚于制造業，模塊化理論在制造業的應用更是優于工程業;另外一方面是由于工程本身的工藝過程很難完全進行模塊化劃分。

但模塊化理論依舊適用于工程建設管理，部分可模塊化子系統在工程中被不斷實踐應用，模塊化將會在工程建設管理中發揮越來越重要的作用。圖2表示的就是高速鐵路建設工程模塊化的分解與集成過程。

圖2 高速鐵路建設工程模塊化分解與集成示意

其中建設單位和設計單位負責制定系統的規則，并按照規則進行分解，將復雜的高速鐵路建設工程系統分解為相對簡單的模塊子系統，每個系統再根據可分性進行子模塊劃分，形成高速鐵路建設工程系統模塊體系，簡化了復雜系統的管理;高速鐵路建設工程模塊化集成是在不同目標約束的前提下將分解的子系統集成為新的高速鐵路建設工程系統，實現了系統的還原。

因此，利用模塊化理論對高速鐵路建設工程系統進行研究，為高速鐵路建設工程的有效管理提供新的理論與技術支持。

5 結論

模塊化技術在高速鐵路建設工程中的應用是一種現代先進的施工理念，是工程中實施CTO策略的有效手段，在保證質量的同時，由于引入平行作業，極大地縮短了生產工期，產生良好的經濟效益。高速鐵路建設工程系統通過模塊化分解與集成將復雜的高速鐵路建設系統進行了離散化表示，將各種可能出現的高速鐵路建設方案通過模塊及模塊組合的方式表示出來，為高速鐵路工程建設管理提供了新思路。

［1］ 盧春房.高標準 講科學 不懈怠——把鐵路建設標準化管理推向深入［J］.鐵道工程企業管理，2009(4):3-5.

［2］ 盧春房.科學有序推進鐵路建設為鐵路科學發展作出新的貢獻［J］.中國鐵路，2012(3):9-15.

［3］ 周圍華，彭波.基于貝葉斯網絡的建設項目質量管理風險因素分析——以京滬高速鐵路建設項目為例［J］.中國軟科學，2009(9):99-106.

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［5］ Baldwin C Y，Clark K B.Managing in an age of modularity［J］.Harvard business review，1997，75(5):84-93.

［6］ 朱瑞博.價值模塊整合與產業融合［J］.中國工業經濟，2003(8):24-31.

［7］ 張治棟，榮兆梓.模塊化悖論與模塊化戰略［J］.中國工業經濟，2008(2):67-74.

［8］ 閆星宇.零售制造商的模塊化供應鏈網絡［J］.中國工業經濟，2011(11):139-147.

［9］ 黃友浩.大西客運專線混凝土預制構件工廠化生產技術［J］.鐵道標準設計，2012(S):156-158.

［10］張立青.客運專線CRTSⅡ型無砟軌道板場建場技術研究［J］.鐵道標準設計，2009(9):5-8.

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［12］趙成貴.津秦客運專線簡支箱梁支架現澆施工方案比較［J］.鐵道標準設計，2013(1):82-85.

Application Study on Modularity Technology of Engineering Construction of High-speed Railway

TANG Yuan-ning1，CAI Jun-jun1，ZHOU Fang-ting2
(1.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

High-speed railway project is a typical larger-scale complex construction project in relation to line types with very complicated management system.So the modularity technology used for the construction was discussed in this paper.By summarizing the characteristics of modularized production pattern，and by concluding the development basis of modularized project，the paper put forward the advantages of modularized project.Through the application and analysis on actual cases，it is found that the modularized production has remarkable advantages compared with traditional cast-in-situ mode;with the modularized production the construction project quality can be ensured from the source，and the mass production can be realized.In addition，the discretization expression for the complex high-speed railway system can be achieved through modular decomposition and integration.This study provides a new idea for high-speed railway construction project management by means of module integration.

high-speed railway;engineering construction;modularity;industrialization

U238;N945.1

A

1004-2954(2013)09-0121-04

2013-03-13;

2013-03-21

鐵道部科技研究開發計劃重點課題《高速鐵路建設管理關鍵技術研究》(2011G010-D);中央高校基本科研業務費專題項目《大型復雜線型工程項目管理關鍵技術研究》(SWJTU12ZT12)

唐元寧(1967—)，女，副教授，1998年畢業于西南交通大學，工學碩士。