模塊化變電站的工程造價研究

楊麗萍,逄 健,李紫薇

(1.國網天津市電力公司經濟技術研究院,天津 300171;2.國網天津市電力公司建設分公司,天津 300143)

0 引言

模塊化變電站是一種全新的變電站建設方式。模塊化變電站按功能進行模塊化設計,工廠化生產,然后把工廠化生產的模塊運抵現場,現場進行安裝和調試。與傳統變電站建設方式相比,模塊化變電站具有占地面積小,建造和安裝周期短,利于環境保護和資源節省等優點。模塊化變電站包括設備模塊和建筑模塊,其中,設備模塊主要包括進線模塊、主變壓器模塊、出線模塊、自動化模塊、無功補償和消弧線圈模塊等5個部分[12];建筑模塊包括主控樓、配電樓、圍墻和電纜溝等。

現有研究主要集中于模塊化變電站的技術層面,對于模塊化變電站的經濟效益很少涉及。童學勝等[3]通過對模塊化變電站和常規智能變電站的經濟性和技術性對比,指出模塊化變電站的靜態投資要低于常規智能變電站,無論建筑工程費、安裝工程費還是其他費用都比常規智能變電站低,但是設備購置費比常規智能變電站要高;而王少暉等[2]得到的結果恰恰相反,模塊化變電站的靜態投資比選擇的室外變電站要高,但低于選擇的室內變電站。經過對比發現,造成上述區別的重要原因是設計方案差異較大,不具備較強的可比性,原則上2個變電站布置型式需相同,例如都是室內站,或者各項分部工程基本一致,模塊化和非模塊化工程造價才具有一定的可比性。馬樹堂[4]對220 k V變電站工程造價進行了系統分析,劉午陽等[5]對變電站鋼接地網和銅接地網的經濟性進行了對比分析,說明設備材質的不同也會導致工程成本存在差異。本文在假設2個方案具備可比性的基礎上,建立了模塊化和非模塊化2個方案的投資確定模型,從而給出模塊化降低變電站工程造價的條件,并用變電站圍墻進行案例分析。

1 模塊化與非模塊化施工流程的對比分析

為了簡化模塊化和非模塊化的對比,在理論分析中只截取一個可以進行模塊化或非模塊化比較的施工模塊,比如某設備模塊或者建筑模塊,相應流程統稱為施工流程。

傳統的非模塊化施工流程見圖1。對于界定的施工模塊,根據施工圖設計,確定進行該模塊施工所需要的材料種類及數量、配件種類及數量、設備種類及數量;確定完成該施工模塊需要哪些工種的工人,每個工種需要的人數;確定需要哪些施工機械,每臺機械的數量。對材料、配件、設備進行招標采購,進行施工人員招聘或調配,進行施工機械租賃或調配。合理調配資源、組織施工,完成施工模塊的施工。對施工模塊進行驗收。確定施工模塊造價及各項費用組成。

模塊化施工流程見圖2。對于界定的施工模塊,確定哪些部件可以進行工廠化模塊制造,給出每個部件的模塊設計,委托企業進行批量化生產,對生產出來的模塊化產品進行采購,組織運力在計劃時間把產品運往施工現場。根據模塊化設計的要求確定,確定完成該施工模塊需要哪些工種的工人,每個工種需要的人數;確定需要哪些施工機械,每臺機械的數量。進行施工人員招聘或調配,進行施工機械租賃或調配。合理調配資源、組織施工,完成施工模塊的施工。對施工模塊進行驗收。確定施工模塊造價及各項費用組成。

如果模塊化產品是通用的,即可以省略定制環節,直接采購即可。

由上述2個流程的對比分析可知,模塊化施工流程不僅改變了施工組織、施工質量,也會對總體工程造價及費用構成產生影響。模塊化施工的優點有以下幾個方面。

(1)模塊化產品在工廠進行生產,高度機械化、標準化的生產方式,熟練地人工投入和高質量的保障體系,使得生產方式由粗獷生產轉為精益生產,提高了產品的質量和精度,不僅提高了施工質量,也對施工模塊的驗收提供了便利條件。

(2)模塊化施工改變了傳統的現場作業方式,減少了施工現場的揚塵與噪聲污染,改善了工人的施工環境,其特有的生產方式有利于采用各種新型環保的材料和節能設備等。

(3)有利于縮短施工工期。工廠化生產模式減少了模塊化產品生產對天氣與氣候情況的依賴程度,模塊化產品進入施工現場后,只需對產品進行現場安裝、整體聯調,可以大大降低勞動成本的投入,縮短施工工期。

2 模塊化與非模塊化施工工程造價差異分析

首先從交易成本、人工費、材料設備費、運輸費和機械費五方面對模塊化施工和非模塊化施工的費用差異進行比較。

非模塊化施工由于進行多次材料、配件和設備的采購,交易成本比較大。交易成本是指達成一筆交易所要花費的成本,也指買賣過程中所花費的全部時間和貨幣成本,包括傳播信息、廣告、運輸以及談判、協商、簽約、合約執行的監督等活動所花費的成本。由于電力工程設備、材料采購主要采用招投標形式,交易次數越多,交易成本則越高。模塊化施工雖然也有少量的材料和配件采購,但總體來說由于交易次數少,所以交易成本較低。

非模塊化施工由于施工的起點是基本材料、配件和設備,不僅施工工序復雜,對工人的技術水平要求也高,還有可能由于施工工序和產品特質等問題耽誤工期,因此,不僅需要工人的人數比較多,素質也比較高,因此非模塊化施工的人工費用比較高。而模塊化施工由于施工起點為模塊化產品,現場只需把模塊化產品根據圖紙組合、安裝成最終產品,由于安裝工藝簡單、工作量小,因此不僅需要的工人數目少,技術要求也不會太高,再加上施工周期短,因此人工費用相對較少。

由于模塊化產品的價格不僅包含了初始材料、部件和設備等費用,還包含生產該產品的勞動投入、設備損耗、技術投入、管理費用、企業利潤和產品稅收等多項費用,模塊化產品的價格比較高,因此模塊化施工的材料設備費用很高,而非模塊化的材料設備費用只包含材料、部件和設備的費用,因此材料設備費用較低。

由于模塊化產品體積比較大,生產工廠距離施工現場相對較遠,因此可能產生較高的運輸成本,現場安裝主要采用機械吊裝加拼裝,機械化程度顯著提高,因此模塊化施工機械費用也比較高,非模塊化產品的材料和配件可以就地采購,安裝時也不需要大型的吊裝設備,因此機械費比較低。

其次從變電站工程的四項組成費用,即建筑工程費、設備購置費、安裝工程費和其他費用來進行對比分析。因為把部分屬于安裝工程費的材料、配件等固化到模塊化產品中,會造成模塊化施工安裝工程費的降低,再加上模塊化施工人工費用大幅度降低,雖然設備費用有一定幅度提高,總的來說會造成模塊化施工安裝工程費降低;但由于模塊化產品的費用一般比非模塊產品的費用高,因此模塊化產品的建筑工程費比較高;通常來說非模塊化施工其他費用比模塊化施工其他費用要高[3]。模塊化施工和非模塊化施工工程造價構成對比,見表1。

表1 模塊化施工與非模塊化施工造價構成項費用比較

基于上述分析,建立判斷模塊化施工和非模塊化施工工程造價決定的數學模型,并給出模塊化施工工程造價低于非模塊化施工的條件。基本假設如下:界定的施工模塊可以進行模塊化施工或非模塊化施工;模塊化施工對應的人工費、材料設備費、機械費和其他費用分別為PC1、MEC1、MC1和OC1;非模塊化施工對應的人工費、材料和設備費、機械費分別為PC2、MEC2、MC2和OC2;模塊化施工和非模塊化施工規模相同。那么模塊化施工的工程總造價

非施工模塊總的工程造價

則模塊化施工工程造價和非模塊施工工程造價的差:

要使ΔC＜0,應有

即模塊化施工帶來的材料設備費用的增加值與機械費用的增加值之和,要小于人工費減小值和其他費的減小值之和。下面來判斷這個條件是否能夠得到滿足。

由于技術水平的先進性、生產的標準化程度和員工技術熟練等因素,在同樣的生產要素投入下,工廠化制造的成本更低,如果勞動力的工資水平很高,較低的成本加上合理的利潤和物流成本還是有可能使上式得到滿足。但是也有可能上述條件得不到滿足,主要包括2種情況:一是,模塊化施工和非模塊化施工的主要材料、配件和設備相同,但是模塊化產品生產企業生產規模比較小,無法使生產成本較大幅度的降低,再加上企業布局不合理,模塊化產品生產工廠距離施工現場比較遠,物流費用比較高,施工條件惡劣,施工現場機械費用支出比較高,這3個因素都有可能使模塊化施工的工程造價高于非模塊化施工。二是,模塊化施工和非模塊化施工投入的除人工以外的生產要素成本有很大的差別,造成模塊化產品價格高昂。

總之,如果模塊化施工和非模塊化施工投入的材料、配件、設備等生產要素是相同的,規模化生產、企業合理布局帶來的模塊化產品價格下降和運輸成本降低,人工費用節省,會使模塊化施工比非模塊化施工的工程造價低。隨著變電站工程模塊化水平的提高,對模塊化產品的需求會大幅度增加,會促進模塊化產品生產企業擴大規模,合理布局。長期來看,模塊化施工在一定程度上可以降低工程造價。但是如果要素投入差異較大,模塊化施工未必一定會降低工程造價,但可能會提高質量、保護環境和縮短工期。下面以變電站的圍墻工程為例,分析模塊化施工的經濟效益。

3 模塊化圍墻的經濟效益分析

模塊化建筑是指在工廠完成單體模塊的生產與拼裝,然后運輸到施工現場,通過吊裝單體模塊使其與主體結構以及其他單體模塊實現組合安裝的一種高預制率、裝配化程度較高的裝配整體式建筑。對于變電站工程,主控樓、配電樓和圍墻均可以采用模塊化進行建造。國內有很多學者對變電站模塊化建筑的經濟效益進行了研究,例如王偉等[6]對變電站外墻的分析,蘇杭[7]對變電站圍墻的分析,董德永[8]對模塊化變電站的經濟效益分析,主要包括設備模塊化和建筑模塊化。本文對模塊化智能變電站進行技術經濟分析,選取2019年竣工的模塊化變電站項目103個,其中含有模塊化圍墻的變電站項目有40項,每平米造價見圖3。

圖3 裝配式圍墻每平米造價分布

由圖3可知,部分項目單位造價很低,有8個項目每平米造價低于300元,3個項目每平米造價高于1 300元,大部分項目每平米造價在300～1 300元。

通過反事實分析法,假設采用非模塊化圍墻建造方式,估算非模塊化圍墻的工程造價,與已建成變電站模塊化圍墻工程造價進行對比,如果模塊化圍墻工程造價小于非模塊化圍墻,那么模塊化建設方式會帶來直接經濟效益,如果模塊化圍墻工程造價高于非模塊化圍墻,則需分析具體原因。由于樣本變電站項目位于全國各地,變電站的地形、環境特點也各有不同,為此采用2種方法進行分析:選取1個典型的非模塊化圍墻項目,與每個模塊化圍墻項目進行比較,如果模塊化圍墻項目造價低于典型非模塊化圍墻項目,則說明模塊化建造方式節省了工程成本;從已知文獻記錄中選取傳統非模塊化圍墻的單位造價,作為參照項目,用以判斷模塊化圍墻工程造價的合理性。

本文選取典型非模塊化變電站圍墻,周長212 m,墻高2.3 m,采用傳統砌體圍墻型式,總造價214 400元,每平米造價439.7元,伍紹慧等[9]給出的結果表明粗灰砂飾面磚砌圍墻每平米造價為400元,說明該非模塊化變電站圍墻項目具有一定典型性。以此項目作為參照項目,可以發現共計12項模塊化圍墻項目每平米造價低于439.7元,說明采用模塊化建設在一定程度上可以節省工程成本。

對于每平米造價高于439.7元的模塊化圍墻項目,基于定額成本測算分析,表明即使模塊化圍墻和非模塊化圍墻采用同樣的材料,也存在模塊化圍墻每平米造價高于非模塊化圍墻每平米造價的情況,主要是因為模塊化圍墻采用了更高成本的材質。模塊化圍墻一般采用以下4種材質:清水混凝土預制條板、ALC板(蒸壓輕質加氣混凝土板)、FC板(纖維水泥板)和水泥基擠塑空心板[10]。不同材質的模塊化圍墻每平米造價也有較大的差異,蘇杭[7]文中模塊化圍墻每平米造價構成為:清水混凝土預制條板,500元;ALC板,400元;FC板,450元;董德永[8]文中2個模塊化圍墻的每平米造價分別為:1 203.48元和1 102.68元,其中墻板采用材質較好的鋼框輕質板,提高了模塊化圍墻每平米造價。

4 結論

模塊化變電站是一種比較新型的變電站建設方式,具有建設周期短、施工效率高、環境友好等優點,但其在控制工程成本方面褒貶不一,本文采用數學建模和實例分析的方法,重點分析了模塊化施工和非模塊化施工工程造價方面的區別。

通過建立模塊化施工和非模塊化施工工程造價的數學判定模型,得到模塊化施工工程造價低于非模塊化施工的條件,即模塊化施工帶來的材料設備費用的增加值與機械費用的增加值之和要小于人工費減小值和其他費的減小值之和。理論分析表明如果模塊化產品和非模塊化產品投入的材料、配件、設備等生產要素是相同的,使得模塊化施工工程造價低于非模塊施工。但是如果模塊化的材質優于非模塊化有較大概率產品,從而帶來材料成本的大幅度上升,則模塊化施工的工程造價會高于非模塊化施工。基于模塊化圍墻的實證分析表明,小部分模塊化圍墻的工程造價低于非模塊化圍墻,反而大部分模塊化圍墻的工程造價卻高于非模塊化圍墻,其原因主要是模塊化產品采用材質提升,導致工程成本增加。本文采用對比分析的方法,分析了模塊化變電站相對于非模塊化變電站的經濟效益,對變電站建設是否采用模塊化施工,合理科學控制工程投資具有一定的指導意義。