探索工程項目“模塊化”施工之路助推本質安全發展

馬洪艷

中石化第四建設有限公司 天津 300270

1 模塊化施工的意義

模塊化施工在發達國家中應用比較普遍，也是近年來國內外各行各業普遍關注的研究課題。模塊化施工的先進性在于大量引入模塊作業，極大地縮短了工期，產生良好的經濟效益。對于施工安全來講，模塊化施工中大部分員工集中在預制場工作，可有效減少風險較大的施工現場作業人數；隨著預制深度的增加，極大降低了高空作業、交叉作業的風險。

模塊化施工將傳統的施工理念進行優化，依靠當今的先進技術，由局部小模塊到大模塊，逐步實現最大模塊化。模塊化施工在很大程度上依賴于制造、吊裝、道路、運輸、人力、物力、財力、信息化程度等。依據中國石化集團對模塊化施工的總體要求，我公司進行了一些有益的探索和嘗試，以新建裝置及主要設備為重點，認真研究模塊化施工方案，以技術研發為依托，在工程項目部不斷實踐和推進，目前已在鋼結構、工業爐、設備組裝等方面初步實現了部分模塊化施工,在降低施工現場安全風險、改善公司安全生產環境方面收到了一定成效。

2 模塊化施工基礎和原則

隨著制造技術、加工技術和信息技術的快速發展以及相當規模能力的運輸吊裝設備推廣應用，模塊化施工技術具備了發展的基礎和保證。公司積極創造條件自主研發設計,將采購與施工深度結合，并應用先進的信息技術、制造技術，改變當前現場預制、現場安裝的作業模式，建立制造基地預制、輻射供應的施工組織模式，模塊在工廠預制、組裝，可做到與現場同步甚至可以提前，保證了流水作業，現場工廠兩不誤，大幅度提高勞動效率、降低安全風險、保證工程質量，可有效緩解石油化工裝置建設工期緊、建設工程實物量大、勞動力緊張、安全風險高等實際問題。

公司根據自身的實際情況，考慮員工技能、資金投入、設備機具資源等方面因素，進行費用分析對比和統籌規劃，制訂了如下原則：

（1）優先考慮大噸位設備、設施的模塊化組裝；

（2）滿足運輸條件的設施、設備要實現模塊化；

（3）對現場安裝工作量大的設施、設備盡可能模塊化；

（4）體積大、重量輕的設施進行散件模塊式設計和散件模塊安裝。

3 主要做法

模塊化施工是施工組織模式的一種創新，更是管理理念的一次革命，推廣模塊化施工方法，重在實施。

3.1 成立專門組織機構實現組織保證

公司十分重視模塊化建設技術研發和施工現場應用。公司成立了領導小組，領導小組下設專門工作組，公司分管技術和工程的領導為工作組組長；成立了以技術質量處為主體的技術研發辦公室；以工程管理處為責任部門的推廣應用辦公室；以安全環保處為主體的督辦辦公室。安全環保處定期檢查模塊化施工的應用情況，定期向領導小組匯報，并將應用情況作為安全考核的重要內容之一。項目部在模塊化施工中是公司方案的具體實踐者。

3.2 技術研發是模塊化施工的先決條件

3.2.1 夯實基礎，組建四個模塊

經過對煉化工程特點分析，針對煉化工程施工具有多級結構的特點，依據功能、結構層級分解不同，提出了整個煉化工程模塊化建設規劃，即以結構模塊、建筑模塊、設備模塊、連接模塊等4個模塊作為裝置模塊基本組成的煉化工程模塊分解方案。

模塊化制造采取分級制造方式，一是以制造基地為主的一級制造，主要進行管道、結構、設備深度加工及功能模塊組成；二是以流動工廠形式建設的二級制造場，即使用流動、組裝式建造設施在項目建設地附近或裝置臨近地點建設一個“活動式”組裝場，將預制好的結構件、小型設備、管道以及電儀等工程組件進行組裝，組裝成較大的模塊，然后運抵安裝位置，使用自卸拖板車或吊裝就位。

圍繞4個模塊建造，公司編制了《鋼結構設備模塊施工作業指導書》、《管道預制作業指導書》、《電動倒鏈應用作業指導書》、《電動扳手應用作業指導書》。

3.2.2 信息化為先導，應用三個軟件

在模塊化施工前，需要對整體工藝流程進行拆分。首先拆分為施工單元或者功能區域、獨立撬塊等模塊，然后單獨生成這些模塊的規格書，包括設計圖紙、材料信息、幾何信息等，最后按照模塊的規格書，完成模塊的施工工作。模塊拆分依賴專業設計軟件來完成，模塊施工依托于專業的施工過程管理軟件來管理。專業化管理軟件是模塊化施工的一種有效手段和應用工具，在模塊化施工過程的各個環節中得到廣泛的應用，它為模塊化施工提供了準確的數據信息，節約了大量的人力物力。

經過多年的信息化建設，目前公司的專業施工管理軟件已經發展為縱向貫穿施工準備、施工管理、交工驗收全項目管理過程，橫向覆蓋安全、質量、計劃、資源、經營、技術全項目職能部門專業施工信息管理系統。以項目管理為核心的專業施工管理軟件開發應用凸顯了公司管理優勢，其中PDSOFT 管道軟件、管段預制施工管理軟件和Tekla Structures 鋼結構軟件，可滿足模塊化施工的設計功能和施工過程管理功能，這三個軟件的有效應用為順利實施項目模塊化施工奠定了基礎，起到了至關重要的支撐作用。

TEKLA 軟件具有三維建模、碰撞校核功能，圖紙、報表、多用戶操作等詳細設計功能，三維立體既能從視覺上讓施工人員了解到最終的產品形狀、構成，又能協助設計單位提前發現設計失誤，減少變更。

PDSOFT 軟件引進了IDF 接口軟件，實現與設計院PDS 或PDMS 軟件的無縫對接，生成單線圖和流程圖。

管道施工過程管理軟件，能夠完成預制安裝的配套管理，技術管理、質量控制、進度管理、倉儲管理實現全過程的信息化控制和數據檢測、查詢和追溯。

3.3 分步實施

依據目前工程建設實際情況，我們采取了“積極挖潛、分步實施”的思路推動模塊化施工，重點在結構模塊、塔（設備）模塊和連接模塊上做了一些工作，將傳統施工理念進行優化，大量引入平行作業，依靠先進技術，將土建、安裝、調試等工序深度交叉，依賴發達的制造技術、加工技術與信息技術和相當規模能力的運輸吊裝設備，滿足大型模塊安全便捷運輸與安裝，應用施工管理信息化手段，滿足有條不紊的同步管理。

3.3.1 結構模塊實施及應用

我們應用Tekla 軟件，提前根據設計圖紙和相關標準圖集建模，創建鋼結構的立體三維圖形，先完成鋼結構所有型材的搭建，生成型材材料清單，為現場施工備料提供依據。實施過程主要包括軟件模型、集中下料、集中預制、現場基礎上組對，鋼結構成平臺（鋼格柵安裝）、組裝（包括一梁一柱整體吊裝），分層施工（管道一層、結構一層，避免穿管），整體吊裝。

鋼格柵地面安裝、成片成框吊裝，大大減少鋼格柵作業高處墜落的風險。在公司2012年承建的燕山石化15萬t/ a 碳五分離裝置施工中，采用成片、成框的鋼結構安裝方法比傳統的施工方法效率大幅提高，不但成框施工焊縫高空作業比成大片減少18%，對架設依賴性減少60%，極大降低冬季高空作業的風險因素，而且機械費也大幅度降低。

3.3.2 塔（靜設備）模塊化實施及應用

隨著公司裝備實力的提升，大型設備在地面進行勞動保護、工藝管線、儀表線路、燈具、保溫、設備內件等全部安裝，再進行整體吊裝，做到“塔起燈亮”。大量工作在地面完成，一方面塔的安裝由特級高處作業變成5m 以下的高處作業，風險系數大幅降低；另一方面又減少了密閉空間作業及交叉作業，降低了安全風險，而且工程質量控制能力同時得到提升。

實例1：北京燕化15萬t/ a 碳五分離裝置塔整體吊裝

北京燕化15萬t/ a 碳五分離裝置及配套設施，現場17 具塔采用臥式組對，在地面完成平臺安裝、水壓試驗、附塔線安裝、電器儀表安裝、保溫安裝，最后整體吊裝的模塊化施工方法，勞動保護、照明都在預制場完成，架設量大量減少，原來需要在現場高空完成的電氣、保溫等作業隨之大幅降低，員工的交叉作業風險得到有效控制。“塔起燈亮”，減少了高空作業，提高了勞動效率，縮短了工期。

實例2：寧夏500萬t/ a 常壓蒸餾裝置常壓爐模塊化施工

公司承建的寧夏500萬t/ a 常壓蒸餾裝置常壓爐，采用了模塊化設計、制造、安裝。常壓爐主體金屬總重約579.122 t（不含梯子平臺、煙囪、預熱回收系統），通過模塊化設計可進行工廠模塊化制造的金屬總重近80%，工廠模塊化制造深度較大，爐體鋼結構為方便運輸和裝卸，分化為幾個模塊。爐底、爐頂、輻射段墻體各模塊到達現場后，先在地面上進行預組裝，連成整片后再進行吊裝。對流段模塊預制程度最高，整體模塊分四塊，現場僅對整體模塊進行安裝。常壓爐模塊間的連接方式主要為螺栓等緊固件連接，采取積木式組對、安裝，安裝單次最大起吊重量約為64t，相比傳統的現場建造模式顯著縮短了現場安裝工期，現場占用場地面積小，大幅減少了起重機械臺班使用數量和腳手架搭設工作量，減少了進現場作業和高處作業人數。常壓爐采用模塊化制安模式在現場安裝階段實際僅用117個有效工作日即完成安裝、襯里及烘爐，而傳統的現場建造模式完成等同工作通常需要7個月左右的工期。

3.3.3 連接模塊模塊化實施應用

公司重點在管道模塊的建造和管廊管道電動化安裝方面進行了嘗試。管道深度預制是模塊化施工的基礎，以管理軟件及全自動焊機為核心，以專業施工管理軟件為手段，管道模塊建造采取了“工序分解、流水作業、體系封閉、成品出廠”的管理組織模式以及“焊接方式以自動化為主、物流方式以輸送軌道為主、設備工裝以移動式為主”的施工組織模式，體現了高效率、高質量、低成本、低安全風險。

公司在天津一體化、武漢煉油和乙烯、沙特延布加氫裂化等30 多個系統內大中型項目，以及漳州騰龍、大唐阜新等十幾個系統外項目中成功實施了管道工廠化預制模式，為模塊化施工奠定了基礎，減少了進入施工現場的作業人數，有效降低了現場作業風險，深受業主及相關單位的認可和好評。

在燕化碳五分離裝置，管線施工實施流水作業、分類實施、深度預制。4in. 以上管線55d 預制24380in.D , 預制深度達48.3%；4in.以下預制完成40000in.D，預制深度57%，每名焊工平均日完成預制量達55in.D。

2008 ～2013 年，公司近6年裝置管道總體制造率逐年增大，目前已達41.2%左右，從人數變化來看，2008年完成每萬in.D月需人數77 人，2013年遞減到53 人，比2008年顯著遞減了31%。

在管廊管道安裝時，采用自行設計的安裝工裝，工裝由垂直提升、對口平臺、水平運輸三個部分組成。利用電動葫蘆及配套軌道進行垂直提升，減少吊車使用，對口時集中使用安裝平臺，減少硬隔離需要，水平運輸時，使用穿管器，減少了高空落物風險。

4 實施效果

公司以新建裝置及主要設備為重點，以技術研發為依托，已在鋼結構、工業爐、設備組裝等方面初步實現了部分模塊化施工, 大量工作在地面完成，其實施效果就安全生產方面而言，可用四減少、四提高來概括：減少用工人數，提高施工效率；減少高空作業，提高監管力度；減少技能需要，提高風險應對能力；減少設施用量，提高安全系數。舉一實例進行說明：

2012 年，公司承擔燕山石化15萬t/ a 碳五分離裝置施工，有效日歷工期僅為170d，工期緊、任務重；主要工程量為塔18具、鋼結構2905t、管道50km/ 12.1萬in.D、設備273 臺、電儀電纜300 km、燈具1100 套；施工場地狹小，設計、采購、施工同步推進，冬季施工及節假日資源組織更增加了施工難度。

公司及項目管理者多次分析工程特點，反復討論并制定一系列提高生產效率的措施，形成了最終的加大預制深度、模塊化施工組織的思路。在施工方案上主要采取17 具塔整體吊裝、主體結構成框、成片、成平臺吊裝、管廊管道與平臺分層安裝、小口徑管道的流水作業、深度預制及“搭積木”安裝、儀表管道的二次設計。準確地說，碳五裝置施工方法是采取了模塊化施工的思路，距離真正意義上的模塊化施工尚存在很大的差距，但已經讓我們感受到了其在降低施工現場風險、推進本質安全進程方面的優勢，主要表現在：

(1) 作業人數減少：塔整體吊裝中架設人員約減少60%，保溫人數約減少40%，鋼結構成片、成框、成平臺人員減少20%。

(2) 高空工作量減少：特別是鋼格柵安裝近幾年發生事故較多，碳五裝置框架共有鋼格柵5000m2，采用平臺組片安裝38 片共計完成2400m2，減少48%高空鋪設。鋼結構框架安裝焊道延長米132m，在8m 高空焊接31m，占焊道總量的23%。傳統安裝方法高空焊道延長71m，占焊道總量的53%。高空作業量減少的同時，也方便了安全、質量的監督管理。

(3) 作業高度降低：鋼結構施工最高在24m 高空，采用模塊化施工降到8m 以下。塔的安裝（包括組對、焊接、安裝勞動保護、工藝管道、防腐保溫等）由最高的67m，全部變為5m 以下完成。

(4) 架設材料減少：塔整體安裝節省架設材料約80%，鋼結構安裝節省架設50%。

(5) 施工尾項少、零星高空作業少：主要體現在塔的整體吊裝、鋼結構成框吊裝的結果是減少漏焊、補漆等常規高空施工尾項。

(6) 吊裝作業范圍小：模塊化施工場地占用小，高度降低，吊裝時的作業范圍小，容易有效地控制危險源。

(7) 交叉作業少：主要表現在鋼結構成框安裝施工中。

(8) 現場正式照明提前投用，不但滿足夜間作業安全需要，而且避免了臨時用電帶來的風險。

(9) 項目施工使用了大量的電動工具代替人工，應用了仿形切割機、電動倒鏈、電動扳手、半自動切割機、墊鐵加工機、檢修吊臂，地牛，充電式手槍鉆、電動液壓溝槽機等10 多種電動工具，降低了勞動強度，為施工增加了安全系數。

公司歷經3年實施模塊化施工方法的探索和實踐證明，模塊化施工是一種先進的施工理念，是現代化施工的方向。在項目執行中實施模塊化施工，是施工企業安全管理邁向本質安全的重要一步，也是施工企業有效降低安全風險的可行之舉。公司實施并推進模塊化，對煉化工程建設領域的工程安全管理做出了有益探索。