一體化建造所需的設計工序工藝匹配探討

郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

一體化建造所需的設計工序工藝匹配探討

郝孟江

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

在海洋工程領域，采用建造一體化可以節省施工人力、場地以及生產機具等資源，從而達到提高生產效率、降低生產成本、提升產品質量的目的。通過優化設計過程中的工序及工藝，實現設計工序及工藝與一體化建造方法的匹配，可促進一體化建造的實施。根據專業設計的特點，從促進建造一體化的角度出發，提出了諸多優化設計工序及工藝的方法，從而可以避免設計過程對一體化建造的制約。

海洋工程；一體化建造；工序；工藝；工期

0 引 言

隨著海洋石油開發進程的不斷加速，油田的規模越來越大，平臺上部組塊也越來越復雜，使得平臺結構物的尺寸與重量越來越大，所需要的設計和建造的時間也隨之延長[1]。而目前海洋工程的建造工期普遍較短，為了滿足工期要求，往往設計的深度不夠就開工建造，隨著設計的深入，不可避免會有后期的修改返工。因此，促進建造一體化的實施將是未來海洋工程建造的趨勢。

海洋工程傳統建造模式是典型的順序工程，把結構建造視為首道作業，結構分段建造并涂裝后組裝并固定于滑道上，然后進行設備、管線、支架、舾裝等設施的施工[2]。在施工過程中，需要進行大量的腳手架高空作業，對結構進行切割和焊接并安裝相關設備設施，破壞結構涂層后再重新補涂。

一體化建造是根據建造預舾裝和公司實際生產設施情況要求，對設計方法、建造工序等進行革新，在預舾裝階段分片完成結構、設備管線等設施的安裝及整體涂裝，提高施工效率，降低項目成本。本文從設計角度出發，研究了設計工序及工藝與一體化建造方法的匹配，以促進一體化建造的實施。

1 一體化建造簡介及設計制約因素

傳統建造工序及工藝為在甲板片滑道吊裝后，高空安裝立柱、拉筋、管線支架、電纜托架支撐、腳手架、欄桿等散件。傳統建造工序及工藝如圖1所示。

一體化建造工序及工藝為在甲板片預制完成后，地面安裝拉筋、管線支架、電纜托架支撐、小型設備底座、腳手架、欄桿、等散件，最后再進行整體吊裝。一體化建造工序及工藝如圖2所示。

圖1 傳統建造工序Fig.1 Conventional construction technology

圖2 一體化建造工序Fig.2 Integration construction technology

在組塊建造過程中，實現一體化的關鍵是盡早確定組塊建造模塊分區方案。作為最小單位的模塊，既是一個作業單位，又是一個供安裝用的零、部件及器材集配單位。組塊建造過程中有大量的舾裝件要預制與安裝，為便于施工和管理，把它們按作業階段和作業場所劃分成一個個比較小的單位。每個模塊建造均為一個小工程，在相同階段、同一場所內完成，同時明確規定每個模塊建造工程項目的開工和完工日期。這樣，整個工程計劃、工程進度和物資器材供應也都可以一一落實了。就信息和資源而言，“模塊建造”意味著：設計方面，包括圖紙及其材料表；材料采辦方面，一整套材料的采辦；生產方面，包括工作量、勞動力和設備。就工作進度計劃而言，“模塊建造”意味著：設計方面，圖紙及其材料表的完工和發送日期；材料采辦方面，一整套材料的發送日期；生產方面，一定時期內工時和設備的分配。

通過傳統建造與一體化建造工序及工藝對比，發現一體化建造實施效果明顯?？偨Y在建海洋工程項目的經驗，可以明確一體化建造的優勢主要體現在如下幾個方面。

(1) 提高生產效率。主要體現為設備管線等與結構在地面交叉施工，能明顯縮短工期，加快項目進度。散件安裝就位后，大部分附屬構件可與甲板片一起涂裝，提高涂裝效率。另外，一體化地面交叉施工很大程度避免了施工人員的工作量，提高了工作效率。

(2) 降低安全隱患及勞動強度。主要體現為將部分高空作業工作量轉為地面作業，減少了空間交互式作業量，大大降低安全風險，為施工人員提供了更為安全、便捷的作業環境。

(3) 降低機械臺班成本。主要體現為由于施工高度下降，降低了對吊車能力的需求，同時減少了吊車的占用時間，降低機械臺班成本。傳統工藝拉筋、支架的安裝需要大型履帶吊將構件吊至高空；而一體化工藝使甲板片上方的構件用汽車吊便可完成，甲板片下方的構件用叉車就能運輸到位。

(4) 保證焊接質量，減少二次補漆。低空焊接作業環境更好(如避風、預熱等)，更有利于保證焊接質量；同時減少由于后上散件對甲板片油漆的破壞，省去打磨和補漆工作。圖3為傳統支架安裝照片；圖4為一體化支架安裝照片。兩相對比，后者顯示出明顯的效果。

圖3 傳統支架安裝Fig.3 Conventional support installation

圖4 一體化支架安裝Fig.4 Integration support installation

綜上所述，一體化建造的優勢十分明顯，而其中最主要的表現是建造階段的施工效率高、建造周期大大縮短。例如，渤海某海洋平臺上部組塊重5 271 t,從詳細設計啟動到陸地建造結束并完成平臺拖拉裝船，總共歷時不足1年，刷新了當時的組塊陸地建造紀錄。之所以能取得如此業績,一體化建造起到了非常重要的作用[3]。

然而，一體化建造也存在一些不足，比如實行一體化建造對前期方案設計的要求較高，這勢必導致設計周期延長及投入的人力增加；另外，一體化建造需要分成多個模塊進行托盤設計，無形中增加了諸多界面方面的工作及陸地總裝拼接的工作。但是考慮到建造階段的人力和財力投入遠遠大于設計階段，從整個工程角度出發，實行一體化建造還是利遠大于弊。

從設計角度出發，設計對一體化的制約因素主要體現在兩方面：設計階段和深度，設計工期。

在國內的海洋工程行業中，在設計的前期階段，與一體化建造相關的設備、管線、舾裝等設施的基礎規劃、布置類方案或圖紙是不涉及的。而按照國際慣例，前期設計包括所有的主要預舾裝件布置、規劃的圖紙、設計文件、清單，而且必須做到一定深度；后期設計階段結合廠家資料，進行加工設計。為推進一體化建造工作，根據新的設計、建造需求，有必要參考國際同行的經驗和做法，對現有的設計階段和深度重新思考和配置，合理調整、充實各階段設計內容和深度，提高設計各階段的效率和成果。

在設計工期方面，當設計滿足施工要求時，就可以有條件地邊設計邊施工，而且設計與施工部門能有效地交流互動，從而節省工期、優化方案、提升項目效益。從總體上看，實施一體化建造要考慮的設計工期，一是要滿足基本的設計方案的確定，二是要考慮影響施工的廠家資料信息的獲取時間。站在設計角度，主觀和客觀上都要考慮技術方案與采辦的有效配合。否則非但達不到一體化建造的效果，還給現場施工帶來重大影響甚至造成返工。

綜上所述，通過研究優化設計過程中的工序及工藝，實現設計工序及工藝與一體化建造方法的匹配非常必要。

2 設計工序工藝匹配研究

2.1 設計工序中一體化的限制因素及改進建議

首先是設計理念及設計要求完善。近年來的海洋工程項目，設計工序可理解為從整體到局部進行的設計思路，這與一體化設計建造理念相吻合。然而，由于大多數項目并未執行一體化建造，在設計工序中并不會體現出如何滿足一體化建造需求來進行設計，從而導致在設計工序中的確認設計要求這一階段，不會提出將一體化建造的思路作為重點考慮項貫穿整個設計。

因此，建議增加如下工序，完善目前專業設計工序以匹配一體化建造：(1)增加一體化設計建造的要求及理念，要求建造方在項目初期就參與到設計當中，提出一體化設計建造思路并跟蹤執行；(2)設計初期各方協調確認一體化建造的分塊方案、建造工序及工藝；(3)根據已確定的建造方案，總體設計時按照建造資源協調相關方進行模塊化設計；(4)設計階段按照一體化思路，按計劃配合提供設計圖紙及設計、采辦料單。圖5為建議完善后的設計工序流程圖。

圖5 設計工序完善Fig.5 Optimization of design procedure

其次是圖紙計劃差異。在設計過程中，由于內部因素和外部因素，各個項目不同程度地存在設計施工圖紙提交時間晚于現場一體化建造需求時間的現象。針對此問題，建議在滿足設計工期的條件下，在設計工序方面采取如下措施進行匹配：(1)加強設計方與建造方之間的溝通，熟悉組塊每一分段的建造方法及順序，并據此微調設計工序，保證設計文件的提交順序匹配建造需求；(2)建議在制定設計計劃工序方面，根據一體化建造方法編制詳設出圖計劃，調整出圖順序和時間；(3)在人力計劃方面，建議協調調整關鍵點上的人力和計劃，另外，可根據模塊建造計劃的順序，制定出圖計劃，做到不影響一體化施工；(4)根據合理的設計計劃，適當保證設計工期，確保詳設文件提交時間匹配一體化建造。

2.2 設計工藝中促進一體化建造的方法

在設計工藝范疇，布置類圖紙及典型安裝圖與一體化設計建造息息相關。因此，促進一體化需要從模塊化標準化、新技術新方法、新材料新產品三方面進行優化。

2.2.1模塊化標準化

模塊設計定義為模塊的劃分及其模塊內物資的確定。這需要根據總體建造方案的劃分原則，由設計方以模塊管理表形式分類規劃物資的集配，以便據此進行物資采購或制造，并按規定的交付期送到生產現場。

方案設計中針對組塊中的密閉空間區域，如房間等，如果不執行一體化設計及建造，將會有大量的返工，嚴重影響施工進度和施工質量。因此建議前期總體布置時盡量將密閉空間區域集中布置，設計時將其作為獨立模塊進行一體化建造。

模塊的劃分通常根據如下因素進行確定：(1)根據平臺整體功能體系，按照系統將其分類分區進行模塊化設計，使每個模塊自成體系，例如典型的平臺一般可考慮分為主工藝處理模塊、公用設備模塊、電站模塊、生活模塊等；(2)模塊劃分及布置時，須考慮將危險的生產設施和非危險的生活設施進行隔離，確保平臺整體的安全最大化；(3)綜合考慮平臺整體的重量中心以及主鋼結構受力因素，盡量使各個模塊的整體重心偏移不大，并使各個模塊的結構受力至最佳；(4)模塊劃分須提前考慮建造資源的因素，比如滑道資源、吊裝資源等，建造資源對單獨模塊的規模、尺度及重量等具有一定的限制。

圖6為國外某半潛式平臺上部組塊的模塊劃分布置圖，可供一體化建造模塊設計參考。

圖6 某半潛式平臺模塊劃分布置圖Fig.6 Modules layout of a semi-submersible platform

在各個模塊之間的接口精度控制方面，主要體現在如下幾個方面：(1)在設計階段，應根據場地的施工條件及能力，各個模塊之前的施工間距確保足夠以保證安全拼接及管線電纜等正常連接；(2)在建造階段，應制訂合理的合攏方案及合攏順序，以保證各個模塊的總裝精度；(3)在焊接控制方面，應根據各個工序的實際情況進行模擬試驗，盡量控制焊接收縮量對模塊建造精度的影響。

在標準化方面，以管道設計為例，需加強地漏布置設計及管廊支架設計的標準化設計程度，降低圖紙受其他因素制約的程度，保證與鋼結構同步施工。另外，建議開發研究一些非焊接支架標準安裝形式，應用于工況不太苛刻的場合中，可以減少由于后續修改導致的焊接施工破壞；針對管廊支架型鋼尺寸無法提前確定的問題，建議在主管廊區域設計標準化的管廊，這樣可以保證管支架與結構同步施工。

2.2.2新技術新方法

在新技術方面，建議大力推行智能管道儀表流程圖(PI&D)的應用，便于后續專業的閥門采辦工作及其他工作順利進行，進而促進一體化的實施。

在新方法方面，建議根據一體化建造各個模塊的需求料單，按照計劃提供料單，同時局部調整采辦策略，將設備資料提供時間作為關鍵節點進行控制，盡早消除影響施工圖紙的因素，如設備管口信息、滑道梁信息、儀表元件資料等，盡量做到與結構同步施工以促進一體化建造。

2.2.3新材料新產品

以管線的保溫材料為例，目前項目應用的管線保溫材質為玻璃棉材質，由于其纖維較短小，添加了結合劑，韌性差，抗拉強度小，使用壽命短，因此不太適合施工大管道和保溫設備，這在一定程度上影響了一體化建造的進程。而目前市場上開發的新型保溫產品，如無機保溫毯，有幅面大、強度高、柔韌性好等優點，在大氣環境中使用壽命一般在10年以上，最重要的是適宜于任意曲面形狀施工，可以大大提高施工效率，促進一體化建造。

以管線支架產品為例，針對尺寸較小的管線，建議適當應用一些非焊接的新型支吊架，這樣可以從一定程度上避免動火焊接，提高施工效率，促進一體化建造的實施。

另外，關于管道非焊接連接的方法，通常應用的有法蘭連接、螺紋連接、卡箍連接等。這些連接形式存在一些很明顯的弊端或應用局限性。因此，尋求經濟、可靠、易于安裝的管道非焊接產品對促進一體化是有利的。

3 結 語

一體化建造對設計和采辦提出了豐富而具體的高標準、高要求，是設計、采辦、建造綜合匹配的應用活動。本文從設計角度出發，探討了開展一體化建造對設計工作的影響，提出了針對一體化建造需要而改進設計工作的建議和措施。

近年來，已有不少海洋工程項目明確提出按照一體化建造實施。通過不斷的工程實踐，逐步將一體化的理念和技術投入應用，海洋工程一體化設計建造的程度將不斷提高并取得令人矚目的成績。一體化設計建造的推廣應用將成為海洋工程項目的必由之路。

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會．海洋石油工程設計概論與工藝設計[M]．北京：石油工業出版社，2007．

[2] 楊勝, 于琦, 杜偉, 等. 海洋平臺生活樓一體化建造技術研究[J]. 中國海洋平臺,2015,30(6):31.

[3] 張占立, 沈留兵. 海洋平臺一體化建造新工藝的效益淺析[C]. 深海能源大會，2015.

DiscussiononMatchingDesignProcedureandProcesstoIntegrationConstruction

HAO Meng-jiang

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

In the field of offshore engineering, integration construction technology can save manpower, construction sites and machines etc., so as to speed up the production efficiency, reduce production costs, and improve product quality. If the design procedure and process could match the integration construction technology, then we can promote the implementation of the integration construction through optimizing the design procedure and process. According to the design characteristics and perspective of promoting construction integration, some optimization methods for the design procedureand process are put forward, so as to solve the restricting factors of the integration construction.

ocean engineering; integration construction; procedure; process; project time limit

2016-09-23

郝孟江(1983—)，男，工程師，主要從事平臺總體布局與管道設計方面的研究。

P75

A

2095-7297(2016)05-0310-05