AP1000模塊化設計控制方法研究

李 陽

（中國核電工程有限公司，北京100840）

1 “模塊化”建造

模塊，是指一個由材料和元件組裝而成的組合件。可分為結構模塊和機械模塊兩大類。

1.1 “模塊化”的建設流程

“模塊化”的建設流程包括三維設計、工廠制造、現場安裝三個環節。

在電廠綜合布置設計完成以后，通過三維設計軟件建立電廠的三維模型；然后對三維模型進行碰撞檢查和專業綜合；并充分考慮模塊化的需求，進行合理的布置優化；在此基礎上，建立完善的三維設計模型；然后根據一定的模塊切割原則，分割出模塊。同時，在模塊設計方面采用了設計與建造一體化的虛擬驗證系統[1]。以便驗證模塊分割的合理性，優化制造和安裝工序和進度安排，并在模塊制造和施工之前提前解決存在的問題。

在模塊分割以后，通過三維模型和三維軟件的設計輸出功能，完成最終的制造文件、圖紙和材料清單。制造廠根據設計文件進行加工制造。

模塊的現場安裝分為兩類。小型的結構模塊或者機械模塊，由工廠制造完成后直接運輸到現場進行吊裝。大型的結構模塊，實現整體遠程運輸非常困難，因此必須將結構模塊分割成一個個小的子模塊，在制造廠完成子模塊的制造以后，運輸到現場預留的大型模塊拼裝場，在現場拼裝成完整的結構模塊，并使用大吊車進行吊裝就位，然后完成現場安裝。

1.2 “模塊化”的優點

采用“模塊化”方式將很大部分的土建和安裝工作放在了模塊制造廠，現場土建工程到某一個層位以后，該層的模塊已提前在制造廠制造完成，在現場直接吊裝就位，澆筑混凝土，然后繼續土建施工，使得土建和安裝交叉施工成為可能，極大地縮短了建設工期。繼而減少了項目的財務成本。同時大部分施工工作從現場轉移到了模塊制造廠，將工程施工工作變為了工廠制造，一定程度上降低了施工成本和人員成本。同時，“模塊化”使得部分土建、安裝工作大幅度提前，降低了安裝高峰期的成本投入壓力。相較于傳統核電站建設施工的環境較差，有大量的高空作業，密閉環境作業等。通過“模塊化”，部分施工作業環境得到了大幅度改善，有利于提高產品質量和制造效率。同時，工作環境的改善更減少了安全事故的發生。

2 “模塊化”對設計的要求

2.1 模塊劃分需考慮施工需求

由于結構模塊尺寸、重量較大，在模塊預制、運輸、組裝、翻轉和吊裝的過程中不可避免地產生形變，且難以控制；同時，模塊的組裝大量采用焊接作業，且焊縫較長。同時模塊內部空間以及房間的內部空間狹小，不便于模塊安裝作業，管道和電纜的布置、維修操作困難加大。

AP1000采用的模塊化建造和“開頂法”施工，需要考慮成品保護工作。大量安裝在模塊上的設備隨著機械模塊就位以后，就長期暴露在惡劣的施工條件下，需要制定合理有效的成品保護措施，同時，也需要考慮安全殼廠房的排水設計。因此，模塊的劃分需要考慮施工過程中的形變、施工可操作性以及施工過程中的成品保護。

2.2 設計方案需盡早固化

綜合依托項目的經驗反饋，模塊設計產生了較多的設計變更。對于結構模塊，大量的結構模塊充當了廠房樓板和墻體，模塊中包含了大量的管道留洞和電氣留洞，以及設備支撐、預埋件等內容涉及工藝系統設計、電氣設計、設備設計以及廠房布置設計的內容。上述任一設計的修改都有可能引起留洞、支撐以及預埋件的位置、大小發生重大變化。

對于機械模塊，內部包含大量的泵、容器、箱體、閥門等設備以及閥門等管件，例如KB10和KB13，包含氣動雙隔膜泵，以及阻尼器、閘閥、球閥、電磁閥等設備，R216包含了球閥、截止閥等管件。如果其中設備采購不能夠按時開展，影響設備提資和確認工作，就會導致該設備模塊的設計工作延遲或存在開口項。所以需考慮在工程準備階段進行設計方案的固化，減少由于設計產生的變更。

2.3 進度安排需滿足現場安裝

設計進度的安排需要考慮以下因素：

2.3.1 模塊的按時完整到場

根據依托項目經驗反饋，大部分機械模塊不能完整到場。以輔助廠房為例，包含KB類模塊20個，包含工藝設備和各類管件。雖相對后續安裝的設備來說，數量不多，但種類較多，涉及多個采購包。同時，大部分模塊處于廠房底層，需較早就位，例如KB1013模塊需要在FCD前預埋，而CA20內部的KB20等7個設備模塊需要在FCD+2之前移入CA20并固定。這就需要將模塊設計的進度安排提前，滿足施工需求。

2.3.2 模塊相關廠房設施滿足施工需求

部分模塊需要在制造廠完成制造后運輸到現場進行拼裝，需要加設模塊拼裝廠房。制造和拼裝完成的模塊通過大型履帶吊車（2 800～3 200 t）進行吊裝。同時，為滿足大型履帶車的行走和定點吊裝，重件道路的設計需考慮荷載和路徑范圍要求，同時需要在安全殼廠房一側設T形平臺。

由于模塊廠在FCD-4前可用，重件路、T形臺和吊車在FCD前可用，這就需要設計提前進行上述設施的設計工作。

同時，AP1000的總平面布置中綜合管廊與重件路有部分交叉，需要在FCD-9完成該部分綜合管廊的設計，FCD-7完成施工，以滿足重件路按期可用。另外，對于考慮水路運輸的廠址來說，也應該考慮碼頭提前可用，保障模塊運輸到場。

2.4 重點關注設計、采購接口關系

由依托項目經驗反饋，模塊內設備接口提資較晚也是造成設計不能按時完成的原因之一。AP1000模塊化使得設備接口關系產生了變化，增加了模塊提資部分，設計、采購之間的關系更為復雜，需要重點關注。

3 加強設計控制的措施

3.1 固化模塊設計方案

應建立項目組織下的、設計主導、項控、采購、施工配合的、三維模型為目標的模塊設計方案固化機制。

首先，完成廠房和模塊的三維模型。針對模塊的三維模型以及導出的設備、材料清單，由采購、施工部門進行合理性驗證：針對模塊內設備，需提出采購和提資方案；針對模塊，需提出制造、安裝方案；同時要考慮平行交叉施工下對廠房其他區域安裝作業的影響。設計部在各部門驗證的基礎上，對模塊設計方案進行優化。方案優化應考慮以下4個方面：

（1）模塊內機械設備和大宗材料的通用化，便于減少設備接口，推動后續的設計固化工作，也便于組包采購和制造備料。

（2）部分大型模塊的小型化，便于運輸和吊裝，利于減少安裝過程中產生的形變。同時，模塊的小型化減少了單個模塊的設備接口，也利于后續設計固化。

（3）模塊安裝、檢修的操作空間和人員通道，施工過程成品保護。

（4）合理的施工進度安排，除考慮土建、安裝平行交叉作業。同時考慮項目準備階段設計、采購的成本投入和進度匹配。

同時，要考慮設備和材料的標準化。設備、材料的質量、外形以及材質的變化，都有可能造成設計方案的修改。所以優化完成的設計方案必須以設備標準化為前提。

在此基礎上，完成設計方案的固化，形成了由項目下各部門統一的三維模型。

3.2 合理安排設計進度

設計進度的安排應滿足模塊施工的需求。分析現場需求最早的機械模塊和結構模塊，其中機械模塊，首個需要就位的機械模塊為KB1013，需要在FCD-18完成上述設備的設計工作。而結構模塊，首個需要就位的結構模塊為CA20，要在FCD-22完成相關設備的設計工作。由上述分析可知，需要在FCD前兩年就開始模塊相關設備的設計工作。在FCD前一年半就開始模塊的設計工作。

為保障FCD后能夠連續施工，必須在FCD前完成安全殼廠房118＇6"和輔助廠房117'6"以下的模塊設計，包括機械模塊47個，結構模塊81個，分別占模塊總量的92%和76%。可見，必須在FCD前投入大量的資源滿足模塊設計、采購、制造工作，以及核島廠房的設計和長周期設備的采購。同時要兼顧吊車、重件路、綜合管廊的設計進度，以滿足吊車在FCD時可用。所以，FCD前的工作變得至關重要，已經成為隱形的關鍵線路。

由分析可知，FCD前模塊設計的工作量較大，除了單純地將設計進度提前以外，更需要結合已經固化三維設計模型，通過與進度管理軟件的集成，匹配采購需求和施工邏輯，合理地安排模塊設計進度。同時，模塊設計離不開大量的設備信息作為輸入條件，在編制模塊設計進度時更要關注相應設備接口的交換時間，以及設備設計、采購的進度安排。為設計及時提供相應的設計輸入，保障設計工作能夠按照計劃開展。

3.3 專項管理模塊接口

良好的接口管理是設計過程控制的有效措施。對于模塊設計來說，設計、采購之間的關系更復雜。模塊接口不應局限于單純設備參數的接口，應將含義擴大化，包含設計、采購的全部配合關系。

對于模塊化，設計、采購配合關系包括設計提供設備采購規格書、采購提供設備參數接口，設計提供模塊制造圖紙三個方面，并存在因果關系的影響。所以應建立一個統一的數據庫進行專項管理，實現設計過程可控。

4 結語

AP1000的“模塊化”技術使得核電站的施工變為平行交叉作業，有利于進度、成本和質量的控制。這與良好的設計控制措施密不可分。在設計方面，需要完成以設備標準化為基礎的模塊設計固化，建立完善的模塊三維模型，并以此為基礎加強進度和接口管理的控制，以達到加強設計控制，滿足工程需求的目的。