管道模塊化預制裝配施工在大型制冷機房中的應用

劉森成 張寧波 陳國慶 陳翰軼

1. 上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080；2. 上海上安機電設計事務所有限公司 上海 200439

建筑業為傳統施工行業，機電安裝的多數工程都在施工現場進行。大型制冷機房的管道系統安裝，切割、焊接、組裝工作量大，勞動強度高，施工環境較為臟亂，安全問題也比較嚴峻。為此，行業內已經基于BIM技術，對上述問題的改善進行了一些有益的探索和嘗試[1-5]。本文基于高精度三維分割設計，以上海博物館東館為例，對管道模塊化預制裝配施工技術在大型制冷機房中的應用進行了分析和討論。

上海博物館東館位于上海市浦東新區聯洋社區10#地塊，西鄰楊高南路、北鄰世紀大道、東鄰丁香路，東西寬185.6 m、南北寬108.8 m，高44.95 m，總建筑面積約113 000 m2，其中地上6層建筑面積約81 000 m2，地下2層建筑面積約32 000 m2。制冷機房位于建筑地下2層，軸線長8.7 m、寬8.7 m，建筑面積約1 200 m2。各類大型設備共包括：制冷機組6臺、板式換熱器5臺、分水器1臺、集水器1臺、各類循環水泵28臺。其中，冷凍水泵9臺、冷卻水泵8臺、空調熱水泵7臺、鍋爐熱水泵4臺。管道系統包括DN100～DN700的各類冷熱水管道2 150 m，各類管配件1 240個。冷卻水和冷凍水管道系統的安裝采用模塊化預制裝配施工的方案，首先基于高精度三維BIM綜合機電模型進行管段模塊單元的分割設計，然后依托由分割設計模型導出的裝配施工圖紙進行管段模塊單元的工廠化預制加工，最后在現場進行預制管段模塊單元的裝配安裝。

1 管段模塊單元分割設計

大型制冷機房內的管道系統按特征屬性的不同大致可分為2類，一類是位于機房內上部空間的主干管，另一類是與水泵、制冷機組等設備相連接的分支管。主干管的特點是管徑較大，一般在DN300～DN800，直管段較多，輔以少量三通、彎頭、異徑管等配件，管段之間采用焊接連接或法蘭連接。主干管的模塊化預制加工需重點關注不同管段之間法蘭或焊縫與支吊架的相互位置關系，防止焊口或法蘭與支吊架處于同一位置；分支管的特點是管徑相對較小，多在DN100～DN400，直管段較少，異徑管、短管、彎頭、過濾器、閥門等配件較多。管段之間以法蘭連接為主，焊接連接為輔。分支管的模塊化預制加工需重點考慮的尺寸和細節問題較多，在導出裝配化預制加工圖紙的管段模塊化分割設計階段，如果尺寸控制不當，將造成現場管段模塊單元的裝配安裝無法順利進行，從而導致多次返工，不利于成本和質量的控制。

在對管道模塊單元進行分段、組對的焊接處理時，需根據不同管徑、壁厚通過專用夾具限制焊縫的預留間隙，確保相同規格管徑不同焊縫的寬度一致，以有效減少因焊縫預留縫隙不一致而產生的累積誤差。在進行管段模塊單元的分割設計時，應充分考慮焊縫預留間隙的影響。

1.1主干管模塊單元

理論上講，對于主干管模塊單元的分割設計，模塊單元的分割越長越好，單個模塊單元的分割長度越長，多個模塊單元組對拼裝的工作量越少，不僅有利于工程施工成本控制，而且管道系統的潛在泄漏點也能大幅度減少。實際工程中，大于DN400的制冷機房水系統管道，多以螺旋焊接鋼管為主，市場供貨長度基本為12 m。結合上海博物館東館制冷機房的實際情況，反復勘查現場后發現，其運輸通道較為狹窄，長度12 m的大口徑螺旋焊接鋼管無法正常運輸到制冷機房。綜合考慮運輸便利性、預制加工性和裝配施工可行性后，確定以6 m為基礎模塊單元長度，在三維綜合機電模型中進行主干管模塊單元的分割設計，即在工廠化預制加工階段，將供貨長度為12 m的螺旋焊接鋼管一分為二，進行主干管模塊單元的預制加工。

由于設計文件要求，DN700的冷卻水管道系統需采用熱浸鋅鋼管，因此不同管段之間只能采用法蘭連接。根據我國國家標準[6]，DN700的平焊法蘭厚度基本為60 mm，6 m長管道焊接法蘭后，管段長度勢必超過6 m，這正是一些工程進行管道預制加工時尺寸控制不力的主要原因之一。此外，現有施工及驗收規范[7-8]，對采用平焊承插法蘭連接時管道需深入法蘭內部的具體尺寸沒有給出明確規定。根據類似工程采用手工焊接的施工經驗，該深入尺寸為法蘭厚度的2/3，即40 mm。若管段深入法蘭內部過淺，將不利于平焊承插法蘭連接的整體連接強度；若管段深入法蘭內部過深，則內部焊接時容易損壞法蘭密封面。

本工程對主干管模塊單元的預制加工，采用壓輥式自動焊機進行管段與法蘭的自動焊接作業，即管段轉動而焊槍不動的自動焊接方式。經在預制加工廠內的反復試驗驗證，最終確定管段深入法蘭內壁的尺寸為法蘭厚度的50%～70%。如此一來，長度6 m的管段模塊單元，加上焊接法蘭后管段兩端各自延伸的20 mm法蘭厚度，管段模塊單元的實際長度為6 040 mm。此外，考慮到12 m長螺旋焊接鋼管的切割損耗為2～3 mm，不同管段連接時2片法蘭之間金屬墊片的厚度為3 mm，造成裝配組合后管段模塊單元的施工完成長度為6 040～6 041 mm。之前一些工程，在工廠內預制加工的管段到施工現場后無法順利拼裝，很可能就是對管段預制加工尺寸與現場施工完成尺寸的差異理解不到位造成的。

1.2分支管模塊單元

分支管模塊單元分割設計的合理性，取決于對制冷機組、水泵、板式換熱器及集分水器進出口管段細部連接的數據化解析是否正確，這直接決定了分支管模塊單元預制加工尺寸的正確與否，也是水系統管道模塊化預制裝配施工在大型制冷機房成功實施的重要影響因素。對分支管模塊單元進行分割設計時，采取在安裝壓力表或溫度計的水平段短管部位預留自由段，同時在靠近主干管三通下部的豎直立管第1個法蘭接口處預留自由段的方式，來調整預制加工的分支管模塊單元對現場裝配安裝的適用性。自由段的一端采用焊接承插法蘭連接，另一端則僅預留管口。圖1給出了某空調冷凍水循環泵分支管豎直管段模塊單元和水平管段模塊單元的具體連接示意。由圖1可知，豎直管段模塊單元的自由段長度為784 mm，在進行本管段模塊單元的預制加工時，應考慮將該自由段長度多預留100～200 mm，經現場復測后再根據實際情況進行微調。對于長度為300 mm的水平管段模塊單元的自由段預制加工時，多預留的長度為50～100 mm。

圖1 空調冷凍水循環泵分支管模塊單元示意

大型制冷機房可能采用的閥門、過濾器等成品部件廠家眾多，外形尺寸千差萬別。在進行分支管模塊單元的分割設計時，需及時提供各種成品部件的品牌及規格型號，以便能準確確定水平管段模塊單元和豎直管段模塊單元涉及的各類成品部件的外形尺寸，尤其是軸向長度需精確到毫米為基本要求。從圖1可以看出，該空調冷凍水循環泵出口的豎直管段模塊單元，從泵體第1片法蘭到主干管順水三通下面第1片法蘭之間的長度為2 611 mm。在進行該豎直管段模塊單元的分割設計時，具體可分解成長度為378 mm的變徑管段、長度為784 mm的自由段等8個不同的功能段。其中，1個蝶閥自帶2個密封墊，對于不同管段法蘭連接的5個墊片，經過反復對比后，確定采用金屬墊片。這是因為聚四氟乙烯墊片壓縮后厚度變化較大，而金屬墊片壓縮后厚度變化很小，后者更有利于管段模塊化單元預制加工和現場裝配安裝的精度控制。

圖2給出了某板式換熱器進口端豎直管段模塊單元分割設計示意。從圖2可以看出，進行該管段模塊單元的分割設計時，不僅考慮了過濾器、閥門等管配件的軸向尺寸，也考慮了壓力表、溫度計等儀器儀表的安裝位置，同時還考慮了法蘭及墊片厚度等細部連接的具體數據，即DN200的法蘭厚度為26 mm，相應的金屬法蘭厚度為3 mm。

圖2 板式換熱器進口端豎直管段模塊單元分割設計示意

1.3現場復測調整

在傳統機電深化設計模式下，對于制冷機房設備及管線的定位，多以軸網為參照標注出設備、管線與建筑結構的位置關系，再以建筑結構為參照標注出設備及管線相互之間的定位尺寸。然而，實際工程中，建筑結構往往存在施工誤差。基于建筑結構確定機電設備與管線的位置關系，在傳統施工模式下可能問題不大，但在模塊化預制裝配施工模式下則行不通，必須在現場設備就位后進行實測復核調整。

準確的模塊單元分割設計是進行管道預制裝配化施工的必要前提，若忽視了現場實測復核工作，必然導致模型中分割設計的模塊單元與現場情況存在偏差[9]。只有將現場復測數據正確地反饋到對管段模塊單元的分割設計中，做到現場實測數據與分割管段模塊單元無縫對接，管道的模塊化預制裝配施工才能得以順利實施。例如，在設計圖中，根據均勻一致的原則，并聯連接的6臺水泵，相鄰2臺水泵之間的中心距皆為2 700 mm，對應水泵出口連接到主干管上相鄰2個順水三通接口的中心距也皆為2 700 mm。但是，水泵安裝就位后，現場實測得到相鄰2臺水泵之間的中心距分別為2 676、2 760、2 775、2 753、2 682 mm，如圖3所示，設計圖紙數據和現場實測數據之間差別明顯。需注意的是，現場應選擇同一個合適的基準點，進行設備中心距和對應主干管段間距的復測，以便正確地將現場實際尺寸反饋在分割設計模型中，進而調整分割管段模塊單元的尺寸，從而減少不同管段模塊單元預制裝配施工的誤差。

以圖3泵組的情況為例，具體復測調整方案如下：以圖中方形標注的立柱中心為基準參照點，復測時的水平垂直對準以柱子中心的十字線為參照線，先測量并標注第1臺水泵與基準參照點的位置關系，接著以第1臺水泵的定位尺寸為相對參照測量并標注第2臺水泵，再以第2臺水泵的定位尺寸為相對參照去測量并標注第3臺水泵，以此類推，直至測量并標注完成第6臺水泵。類似地，對主干管模塊單元分割設計的復測調整也需以該立柱中心為基準參照點，隨之根據復測的水泵定位尺寸測量、調整并標注主干管模塊單元三通開口的定位尺寸。后續進行此路主干管模塊單元的現場裝配施工時，也需以該立柱中心為基準參照點，采取遞推式施工的方式以減少累積誤差的產生。

圖3 水泵中心距復測示意

需要指出的是，圖3所示的復測調整方案適用于同一路管線及設備，以相近位置的同一個基準參照點為基準點進行現場復測調整的情形。對于多回路的制冷機組管路系統而言，則需基于圖3所示的復測調整方案，按冷凍水供水、冷凍水回水、冷卻水供水、冷卻水回水這幾個不同管路，分管路進行某一管路模塊單元分割設計的復測調整。如果制冷機組某管路的分支管模塊單元與主干管模塊單元對接時包括彎頭，也需以制冷機組接口為相對參照，進行該管路主干管模塊單元接口的復測調整。

2 工廠化預制加工

對基于高精度模塊化分割設計模型導出的管道裝配化預制加工圖紙進行管段模塊單元的預制加工時，精度和質量應是首要關注的問題。采用自動焊接為主，裝配平臺和手工輔助配合的方式提高管段模塊單元的預制加工精度和質量。管段模塊單元的工廠化預制加工流程如圖4所示。

圖4 管段模塊單元的工廠化預制加工流程

圖4中的管段模塊單元的工廠化預制加工生產線主要包括2個部分，即焊前準備作業區和組對焊接作業區。預制加工生產線采用專業的機械化組對機具和自動化焊接設備，以提高生產效率和保證預制加工質量。機械化組對機具將專業卡具、主動輪、可升降支撐等按需組合，實現管段模塊的機械組對并為后續的自動化焊接工序做好準備。自動化焊接設備則包括短管焊機、長管焊機、全位置焊機等不同形式，以滿足不同管段模塊單元的預制加工需要。

雖然都是將直管段與不同管配件進行焊接裝配，但主干管模塊單元和分支管模塊單元的預制加工作業量不盡相同。經統計分析，分割設計的管段模塊單元中，中長管段（長度3 000～5 500 mm）居多，平均每4 m有1個接頭；中短管段（長度1 000～2 000 mm）部件的工作量更大，平均每1 m就有1個接頭。為此，需合理地將組對和焊接劃分為2個工作區來統籌安排，以使機械化組對和自動焊接工作區可連續工作，確保整條預制加工生產線的高效與協調。考慮到工序之間的連貫性，并兼顧各工作區不同的接頭形式、管壁厚薄與其他特殊情況的組對與焊接需要，以管段長度為標準進行組對和焊接工作區的劃分。2個工作區的設置既相互獨立又互為補充。短管與管件組對焊接區主要服務于下列分支管模塊單元，包括端部帶彎頭、異徑管的短節；端部帶法蘭、支管、附件的短管；端部帶法蘭，中部帶支管、附件的連接管等。多功能組對焊接區則主要服務于主干管模塊單元，同時也進行一些短管的組焊。

3 現場裝配化拼裝

為避免現場裝配化拼裝時產生不同管段模塊單元的混用、亂用以及管路系統安裝不連續的問題，應按模塊化分割設計模型中設定的管段模塊單元編號順序進行工廠化預制加工，并在預制加工好的管段模塊單元上做好編號標記。

管段模塊單元運輸到施工現場后，應仔細核對到貨清單并做好記錄，通過編號和相應參數確認管段模塊單元的一致性。然后根據裝配施工圖紙上的編號領取相應管段模塊單元進行現場管路系統的裝配化拼裝。在現場裝配化拼裝過程中，應根據不同的管路系統，遵循同一管路系統先主干管模塊單元、后分支管模塊單元，先上部管段模塊單元、后下部管段模塊單元的拼裝順序。不同管段模塊單元按照裝配施工圖就位后，不宜一次性全部硬連接，應結合自由段的設置，根據現場整體情況調節完成后，再進行不同管段模塊單元拼裝的最終連接固定。

對于自由段的安裝，可在其前后管段模塊單元都拼裝完成后，基于現場復測得到的自由段最終安裝尺寸進行二次預制加工（圖5），從而完成自由段的精準拼裝連接。

圖5 自由段現場拼裝示意

4 結語

大型制冷機房內管道的模塊化預制裝配施工，需要將管段模塊單元的分割設計和工廠預制加工，通過現場復測調整的方法緊密結合起來，缺一不可?；诟呔热SBIM綜合機電模型的管段模塊單元分割設計，是進行管路系統工廠化預制加工的基礎。分割設計的管段模塊單元與現場安裝設備的協同復測調整，是預制裝配施工得以順利實施的必要條件。將現場復測數據如實反饋到工廠化預制加工的管段模塊單元實物上，則是現場進行管道裝配化拼裝的關鍵。同時，合理運用自由段的設置，有助于現場不同管段模塊單元的順利裝配拼裝。