石油化工裝置模塊化鋼結構設計

周垚 邢煥森

摘要：最近這幾年，國家致力于發展建筑工業化。鋼結構由于先天具備裝配式建造的特點而得到大力推廣，模塊化鋼結構建筑相對于傳統鋼結構具有更高的工業化水平，并具有生產周期更短、成本較低、勞動強度低、質量高、綠色環保等優點，預期將成為建筑業發展的一大趨勢。

關鍵詞：石油化工裝置；模塊化；鋼結構設計

引言

隨著全球化進程，能源的緊缺以及人工成本的增長，未來工程項目必向著工業化、標準化發展，石油化工裝置模塊將是未來工程項目發展的必然趨勢。

1鋼結構概述

經過多年的發展，建筑技術也取得了飛速的進步，各種新型建筑結構在工程建設中被廣泛采用，并取得了顯著成效。其中，鋼結構憑借著其強度高、重量輕、整體剛性高等優勢，在包括石油化工裝置在內的眾多領域受到了廣泛重視，甚至已經成為了這些領域最基本的建筑結構。考慮到鋼結構會對整體工程的安全和進度等方面產生重要影響，所以其在生產中的質量就變地極為重要。鑒于此，我們有必要對鋼結構框架的安裝工藝及其質量加強管控，以保證工程質量和進度不受影響。本文以石油化工裝置中的鋼結構框架安裝為例，對其施工特點、安裝工藝原理進行了分析，并在此基礎上對安裝技術進行了探討，希望對石油化工裝置的安裝施工工作能夠產生借鑒。

2模塊單元形式

2.1墻體承重模塊

墻體承重模塊由承重墻體、樓板、天花板組成。重力荷載可通過每一片縱墻直接傳至下面的模塊最后傳至基礎。橫向荷載由支撐、蒙皮承受，或單獨的抗側力系統，如框架或核心筒等承受。該結構體系的優點是避免了四個角柱傳遞重力荷載，使上下模塊單元的角柱連接方式較為簡單，但應保證由于整體抗彎引起的承重墻體的抗拉和抗壓承載力要求和整體穩定性。各縱向承重墻通常采用密排柱，用于低層建筑時，承重墻體的豎向龍骨可以采用C型鋼，用于多層和高層建筑時宜采用矩形鋼管。橫向填充墻一般開有較大門窗洞口，由帶有支撐的托梁或墻體立柱組成。樓面板和天花板一般放置在C型鋼托梁上，托梁的跨度方向平行于模塊單元的短邊。角柱一般由熱軋角鋼或方鋼管組成，作用是提供吊點和提高結構穩定性。為使建筑內部模塊布局更加靈活，可通過合并多個模塊單元來實現大的內部空間。此時需對墻體承重模塊的側向墻體進行局部開孔設計，并對開孔附近設置附加邊梁或支柱進行補強。

2.2角柱支承模塊

角柱支撐模塊類似于傳統的框架結構，由四根角柱和角柱間的縱向邊梁組成。模塊梁柱構件一般為熱軋鋼構件，如方鋼管截面角柱和槽鋼邊梁。角柱支承模塊的優點在于可做成開敞式，組合形成較大的內部空間。由于模塊間連接節點一般較弱，為了提高模塊單元的抗側能力，可以在模塊內部增加支撐或鋼板剪力墻，根據結構的不同形式和功能需求，形成框架支撐、框架剪力墻模塊單元。支撐和剪力墻大大增加了模塊單元的抗側剛度。

2.3非承重模塊

非承重模塊一般用于具有特定建筑功能的房間，例如廁所、浴室、廚房、陽臺和設備室等，模塊本身只承受自重，不承擔其他荷載，需要依靠其他結構構件的支撐，如嵌入到其他承重結構中或置于樓板構件上等。廁所、廚房和浴室一般在送到現場時是配備齊全的，包括水暖、電氣、配套家具和裝飾。這些模塊單元主要用于辦公樓、旅館、學生公寓以及酒店等的建造和擴建中，在英國已有較為廣泛的應用。此外，還有一些特殊模塊單元，如電梯、樓梯模塊等。電梯模塊為上下表面開敞，四面由剛度較大的墻板組成。樓梯模塊也為上下表面開敞的模塊單元，包括樓梯梯段和中間休息平臺和樓層平臺。它們一般與常規公寓模塊（臥室、客廳等）一起使用組成模塊化住宅公寓樓，平臺都由縱向墻體支承，并根據需要設置額外的支撐構件，這種結構形式一般用于全模塊化建筑中。

3石油化工裝置模塊化鋼結構設計

3.1框架分段確定

（1）根據現有吊車及場地布置情況確定分段重量。錦化機租用630t（SCC6300型）三一履帶吊進行脫氣倉吊裝，根據吊車工況表以及施工場地布置，脫氣倉吊裝只能選用塔式超起工況，并在管廊基礎中間位置行走站位才能滿足脫氣倉的吊裝要求。

相同情況脫氣倉框架吊裝也只能選擇塔式超起工況，在管廊基礎中間位置行走站位，根據吊裝安全規程，以頂部框架吊裝制圖演算后確定最佳吊裝工況，吊裝半徑R=32m；主臂長度72m，塔臂長度48m；額定載荷Q=108t，因此每段框架聯合吊鉤、吊索、吊耳的吊裝總重量必須小于98t。

（2）根據脫氣倉分段情況確定框架的分段。脫氣倉框架和脫氣倉必須交錯吊裝，這就需要保證兩個問題，首先是必須先框架吊裝后脫氣倉吊裝，始終是設備穿入脫氣倉框架，因為框架平臺可以保證設備安裝人員有足夠的空間控制脫氣倉穿入框架，而大型框架高空落位時無法控制其精確套入脫氣倉；二是脫氣倉框架每段框架的底層平臺保證在每段脫氣倉設備組對接口的頂部，在安裝框架時不需要讓框架套入設備減小施工難度。

（3）根據以上兩條要求，將鋼結構分為四段吊裝，第Ⅰ段高10.55m，底標高58.95m，頂標高69.5m，重68t；第Ⅱ段高5.6m，底標高69.5m，頂標高75.1m，重47t；第Ⅲ段高8.4m，底標高75.1m，頂標高83.5m，重67.7t；第Ⅳ段高6.1m，底標高83.5m，頂標高89.6m，重63.3t，符合吊裝安全規程。

3.2吊裝平穩保證

分段吊裝組對最重要的是確定重心位置來保證吊裝過程平穩，而且框架本身的結構和平臺格柵布置在四個方向并不是均勻對稱的，重心計算難度相當大，必須確定了每段框架的重心位置，才能保證順利安裝。

3.3高空組對安全保證

為減少個專業的高空作業，在框架地面預制時即安裝完鋼結構本體勞動保護和平臺格柵，并搭設好腳手架，掛好防護網。

3.4框架高空組對

框架六根立柱組對，需要水平移動或旋轉框架，但高空作業場地狹窄，這就需要吊裝作業時始終保持框架的安裝方向，使用兩根溜索時刻調整能解決此類問題，但是要保證框架水平移動與下端立柱銜接難度非常大，這就需要兩方面的技術措施來保證。首先確保吊車站位和作業半徑的準確，根據圖紙、吊車工況表、安裝位置實際尺寸聯合演算，并在場地實際測量，現場號線控制吊車站位，并嚴格控制吊臂仰角角度，確保各項數據符合吊裝方案要求。再就是通過特殊卡具保證立柱組對，經過分析確定在框架（不含樓梯間）四對立柱內側兩面翼緣板位置安裝龍門板（地面預制時即安裝完），在框架落位至條形卡具聯接范圍內時即安裝條形卡具，靠自身重力使框架在四個水平方向受力從而使以條形卡具作為導軌順利完成定位，再通過銷子等工具完成立柱精組對。

結語

模塊化鋼結構設計是工業裝置模塊化的重要環節，其中，合理的模塊劃分，準確的結構計算，以及恰當的節點選擇與設計是鋼結構模塊順利實施的基礎，也是項目安全性、經濟性和適用性有效實現的保證。結構設計人員不僅要具有扎實的結構設計能力，更應具有相應的鋼結構加工、安裝的經驗，重視專業間的協調配合，只有這樣才能滿足于工業裝置模塊化設計的要求，確保工業工程項目的順利進行。

參考文獻

[1]梁田甜.石油化工裝置模塊化鋼結構設計[J].低溫建筑技術，2015（4）：41-44.

[2]朱勇.試論石油化工工程模塊化趨勢[J].化工設計，2013，23（5）：24-26.

[3]郭弘翔.鋼結構模塊化設計初探[J].建筑設計管理，2013（5）：65-67.

（作者單位：中海油石化工程有限公司）