模塊化設計在工程項目中的應用

王朝陽

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

模塊化設計在國外項目中日益受到業主方的青睞。模塊化設計節省現場施工周期，節約大量人工和時間成本，大大降低了項目施工安裝階段費用，為業主節約了投資，在實際應用中也取得了理想的效果。模塊化設計是將工業廠房按設定的拆分規則拆分為若干個子單元，每個子單元集成建筑、結構、管道、設備、電氣、儀表，控制系統中的全部或部分內容。每個單元均在異地制作拼裝。運抵現場后按設計好的組裝方案對各子單元進行拼裝完成。模塊化設計對于施工現場人工費用昂貴的業主有顯著的實用價值。

1 項目概述

項目位于澳大利亞境內，現場離澳大利亞港口較遠，且人工成本高昂。為了盡可能節省現場施工成本，業主方要求進行模塊化設計。項目涉及到的子項均采用模塊化設計完成，項目包含40多個子項，各子項模塊均在中國設計、預組裝，按設計劃分的模塊單元經海運、澳大利亞內陸運輸至施工現場拼裝。業主方測算的結果顯示模塊化設計與現場施工相比項目費用將大幅降低。

項目模塊化遇到的最大瓶頸是運輸方案，方案既要考慮海運，同時還要考慮澳大利亞內陸運輸，模塊尺寸受限于內陸運輸的道路條件。業主方選定了Newcastle港和Pirie港，作為模塊運輸抵達港口。Newcastle港距施工現場550 km，運輸限定尺寸7.5 m×5.5 m×34 m，最大運輸噸位<100 t。Pirie港距施工現場1 150 km，最大限定運輸尺寸9 m×7.5 m×34 m，運輸噸位>100 t。綜合考慮車輛的輪高及安全包裝等要求最終確定模塊的最大設計尺寸為7 m×8 m×34 m。完成后的模塊單元適合Newcastle港線路運輸尺寸的海運至該港口，適合從Pirie港運輸尺寸海運至Pirie港。不能被模塊化的結構散件，小型設備及設備組運抵Newcastle港，不能從Newcastle港運輸的模塊，設備運至Pirie港。

圖1 子項模型

2 模塊化分

根據項目特點對項目模塊類型進行劃分，主要劃分為：結構類、設備類、管廊類和皮帶類。同一模塊單元中與結構發生關系的設備，管道，電儀等均盡可能的納入同一模塊單元整體制作運輸。各模塊化分即要保證運輸的可行性，又要保證拼裝的安全性。現場拼裝時盡可能的用栓接形式，少用焊接。

圖2 結構單元

圖3 結構+設備單元

2.1 結構類模塊

結構類模塊分為純結構件模塊單元，含有設備，電儀，管道等集成性結構單元。各模塊單元之間采用栓接形式連接?，F場安裝時結構散件連接同樣采用栓接形式。

圖4 結構桿件

圖5 鋼梯單元

表1 子項模塊化分表

2.2 設備類模塊

項目采用濕法冶金技術，項目涉及的設備有較多的槽體、罐體。根據生產工藝 大型設備(如高壓釜)獨立運往項目現場。項目中大型的槽體、罐體無法整體運輸，需要在中國境內預制成滿足運輸條件的拼接片，在中國境內預組裝完成，然后拆分成運輸單元，運至施工現場拼裝完成。需要焊接的設備在施工現場完成最后焊接工作，需要栓接的設備在施工現場完成最后的栓接工作。項目中需要被拆分的設備主要有槽罐類設備和濃縮機。

圖6 罐體設備拆分圖

表2 罐體設備拆分表

表3 濃縮設備拆分表

圖7 濃縮機拆分過程圖

2.3 管廊類模塊

項目的管廊指項目廠區內各種管線集中布置的管廊橋架。管廊類模塊化分主要包括：標準模塊，調節模塊和非標模塊三個類別。標準模塊尺寸為4.5×6.5×18 m，每兩個標準模塊之間放置一個調節模塊，調節模塊尺寸為4.5×6.5×6 m，非標模塊主要指管廊的過路段或管廊的轉彎或丁字形交結點模塊。每個模塊單元均包含管廊承載的所有管線，管件，電纜盒和管廊鋼結構體。

圖8 管廊標準模塊

圖9 管廊非標模塊

圖10 管廊調節段

2.4 皮帶廊模塊

項目中皮帶廊是為了完成幾個工序間的物料接續工作。根據模塊化設計要求皮帶廊劃分為：標準模塊，調節模塊和非標模塊，皮帶廊的頭、尾部為單獨模塊。標準模塊，調節模塊和非標模塊在預制時需包含上托輥，下托輥，中間支架及支腿，兩側走道板等除皮帶面之外的所有部件。項目的皮帶廊為露天皮帶廊，走道板兩側需要添加欄桿扶手，該部件預制成插拔式標準件，皮帶廊拼裝完成后統一安裝。

表4 管廊模塊化表

3 模塊拼裝

圖11 皮帶廊標準模塊

圖12 皮帶廊標準模

圖13 調節模塊

項目按要求將經歷兩次拼裝，第一次是在中國境內進行的各子項預拼裝，第二次是在澳大利亞施工現場最終拼裝。完成后的各子項模塊需要在中國境內進行預拼裝，驗證模塊單元的制作精度是否滿足要求，解決模塊間拼裝連接精準性，確?，F場拼裝時準確無誤。預拼裝目的是要把模塊單元內部和模塊單元之間拼裝時可能出現的問題盡可能的在中國境內解決，節約施工現場的安裝時間。施工現場拼裝屬于現場施工階段，主要從基礎預制，桿件放置，模塊定位，模塊拼裝幾個方面進行。

圖14 調節模塊

圖15 非標模塊

圖16 非標模塊

表5 皮帶廊模塊化分

3.1 基礎預制

基礎預制主要針對混凝土類基礎(柱基礎，設備基礎，管架支座等)均采用現場預制或現澆混凝土的形式。模塊安裝前相關的基礎部件按相應的施工方案布置完成。

圖17 設備基礎

圖18 皮帶廊基礎

3.2 桿件放置

模塊化設計中的桿件包括無法模塊化運輸的結構散件，管廊橋架中無法被納入模塊的結構部件，無法隨管道一體模塊運輸 的管道支吊架。桿件的放置根據結構桿件在子項中所處的位置具體確定放置的先后順序，如管廊結構柱部分需要在基礎預制完后，管廊模塊安裝前放置。廠房類的結構件就需要在模塊安裝的過程中按模塊的相互關系確定結構桿件的具體放置時間。欄桿類桿件則是在模塊安裝完成后統一放置標準欄桿件(非焊接方式)。

圖19 桿件連接

圖20 模塊桿件連接

3.3 模塊定位

模塊拼裝實施前，拼裝子項的模塊單元按照拼裝方案布置到指定的位置。結合考慮模塊的拼裝順序，牽引車的運行方式，起吊設備的行走線路、起吊高度、安全距離等，確保模塊拼裝過程安全高效運行。所以模塊定位也是模塊拼裝的關鍵環節。

3.4 模塊拼裝

所有拼裝前的工作都準備就緒了就可以開始模塊拼裝工作，按照各子項的拼裝方案主逐步實施。如示意圖：

圖21 子項模型

圖22 模型拼裝圖

圖23 模型拼裝

4 結束語

項目模塊化設計說明在未來的海外工程中模塊化設計可能成為常態。模塊化設計解決了在人工成本昂貴的國家建立工業廠房降低施工費用的要求。在人工成本相對較低的國家制造為集成式模塊并完成預組裝，運抵施工現場只需拼裝完成相應拼裝工作，大大的降低的施工現場的人工成本，施工周期，帶組業主方的是直接降低成本投入。

項目的模塊化方案得到了主業方的認可。通過項目模塊化設計工作為將來的工業廠房模塊化設計提供了基本的方法和思路，對大型項目的模塊化設計實施積累了經驗，形成了一些行之有效的模塊化設計方案。