模塊化與工期優化的再認識

劉霞光，王振中，吳宇翔，邰江，徐春富，賈小攀，劉玉林，謝利平，羅崢嶸，席鈺金

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中國核工業第二二建設有限公司，湖北 武漢 430051；3.中國核工業第二四建設有限公司，河北 廊坊 065201；4.中國核工業華興建設有限公司，江蘇 南京 210019）

20 世紀60—70 年代，美國Bechtel 公司計劃將核潛艇模塊化建造的成功經驗應用于核電工程建造并進行了大量基礎研究，70 年代后將模塊化設計和建造理念推向正在大力發展核電的日本，與日立公司一起推進核電工程模塊化技術的應用研究和項目實施試驗。以壓水堆為主的日本三菱重工最初于70 年代開始研究管道與設備模塊，1970 年在美浜1 號（Mihama-1）機組進行了小型設備模塊的吊裝，1974 年在美浜3 號（Mihama-3）機組應用管道模塊的吊裝。80 年代以后，日本開始對結構模塊進行研究，并在核電站中進行了局部應用。本世紀以來，西屋公司在AP1000 機型上采用了大范圍的模塊化建造技術，并在我國三門建造了首堆示范工程。引進的AP1000 機型全面采用了模塊化技術，在核電建造領域是一個全新的嘗試，但在實際建造過程中遇到了很多困難和挑戰，使得建造工期不斷延誤。

我國自主設計的核電站雖然有局部模塊化的應用，如反應堆廠房穹頂、筒體鋼襯里、核取樣實驗室等，但是模塊化設計和建造技術的系統性開發和規模化應用還處于空白階段。

本文嘗試在總結AP1000 示范工程經驗教訓的基礎上，排除環境中各種風險因素，對AP1000 的建造工期進行重新優化和評估，發現結果與采用模塊化技術宣稱能夠實現的理論工期仍有不小差距。因此，有必要深入研究模塊化技術的應用與建造工期之間的聯系，正確認識模塊化技術對于建造工期的各種正面和負面效應，從而為未來核電技術選擇科學合理的模塊化設計方案提供依據。

1 關于模塊化與工期的傳統認識

模塊化的理念起源于造船業，在化工行業中也有廣泛的應用，主要應用的是機械模塊，就是將原來現場安裝的設備、管道、以及鋼制結構等物項提前組裝成模塊，然后運輸到現場進行整體吊裝以及模塊間的現場連接。機械模塊技術并未改變原來物項的材料，主要的施工工藝基本不變，只是將原來大量現場的作業提前在車間進行，然后在現場進行整體安裝（見圖 1）。由于可以多個模塊平行預制，并且不受現場施工邏輯和條件的制約，從而具備大幅度減少現場工作量，縮短現場施工工期的優勢。

圖1 機械模塊示例[5]Fig.1 Mechanical module example[5]

日本對于結構模塊的研究和應用開展得較早，于20 世紀80 年代開始鋼板混凝土（SC）結構的基礎研究和試驗工作，90 年代初開始進行SC 設計和施工的研究工作，并建立了SC 設計導則JEAG 4618—2005 和設計規范JEAC 4618—2009，為SC 結構在工程上的規模化應用創造了條件。

SC 結構首次在核電項目上應用是2002 年在沸水堆（柏崎刈羽電站）的廢物焚燒車間和壓水堆的廢物車間，后續的沸水堆和壓水堆中都開始采用SC 結構的設計[1]。相比于RC 結構，SC 結構不需要在現場綁扎鋼筋，減少了支模和拆模的工作，只需在現場進行模塊的吊裝和拼接即可進行混凝土的澆注，理論上能夠縮短50%的工期（見圖2）。

圖2 RC 和SC 結構結構施工對比[4]Fig.2 Comparison of RC and SC structure

西屋公司設計的AP1000 機型采用了大范圍的模塊化技術，其中結構模塊包括：鋼板混凝土結構模塊（CA）、單鋼板模塊（CB）、鋼結構模塊（CS）、鋼樓梯模塊（CH）、鋼制安全殼模塊（CCV）等。根據西屋公司的宣傳，示范項目的計劃工期為50 個月（從FCD 到首次裝料，見圖3）。針對后續AP1000 機組的建設，通過“有經驗的施工經理對施工順序作4-D（三維模型加時間）模擬審查”，現場施工工期可以在36個月內完成（從FCD 到首次裝料，見圖4）[2]。

圖3 AP1000（從FCD 到裝料）50 個月關鍵路徑Fig.3 50 months critical path of AP1000(from FCD to fuel loading)

圖4 AP1000（從FCD 到裝料）36 個月關鍵路徑Fig.4 36 months critical path of AP1000(from FCD to fuel loading)

從圖3 和圖4 可以看出，從50 個月到36個月，主要是壓縮了土建施工工期13 個月，以及采購進一步提前，而壓縮13 個月工期相應的措施和可行性并不可知。西屋公司曾試圖與國內設計單位聯合研究實現36 個月工期的方法，但其缺乏基礎的研究成果和明確的研究方向。

傳統上認為，模塊化技術是縮短核電工期必須依賴的方法，先進堆型也將采用模塊化技術作為其工期縮短的主要支撐，但關于模塊的劃分和設置，以及在安裝過程中遇到的技術難點，如安裝精度要求和變形控制，還需要結合實際情況仔細分析和優化。

2 模塊化的施工實踐

2.1 AP1000 模塊化建造情況

三門核電站是AP1000 機型的全球首堆，在施工過程中存在設計變更頻繁、物項到貨滯后、建安深度交叉等問題，兩臺機組建造工期（FCD—商運）分別為113.7 個月和106.8 個月。海陽核電站兩臺AP1000 機組建造工期分別為108 個月和102.5 個月。

在三門和海陽建造經驗的基礎上，排除示范項目存在的制約因素，業主和施工單位優化后的總工期目標為54 個月（從FCD 到首次裝料48 個月），與西屋公司所宣傳的目標還有一定差距。

理論上采用結構模塊可以明顯縮短施工工期，但從AP1000 的實施情況以及優化后的工期目標來看，并沒有體現出結構模塊的明顯優勢。

2.2 應用SC 結構的內部結構工期

在核電建造過程中，反應堆廠房的內部結構施工是整個核電建設的關鍵路徑，是廠房封頂和主回路系統安裝的重要先決條件。因此，縮短內部結構的工期，對縮短核電建造總工期有重要的貢獻。

但SC 結構在實際的應用中并沒有體現出明顯優勢，模塊安裝焊接工作的技術難度和消耗工時還需根據實際經驗詳細分析。經過三門和海陽項目的實踐經驗總結，在排除設備物項延誤、結構變形、天氣等影響因素，AP1000 經過優化后的工期為：

（1）三門3、4 號機組：內部結構工期（從CVBH 就位到110 m 平臺完成，下同）21 個月；

（2）海陽后續機組：內部結構工期19 個月。

經評估，AP1000 反應堆廠房內部結構采用模塊化施工，在排除風險因素的情況下，優化后的最短工期為19 個月。

我國經消化吸收 AP1000 技術后研發的CAP1400 機型采用同樣的模塊化設計理念，工程量相對AP1000 有所增加，其示范工程內部結構計劃工期19.5 個月，實際內部結構工期21.6 個月。

2.3 應用RC 結構的內部結構工期

2.3.1 采用施工效率法評估

根據核電行業定額，并結合工程公司總承包的核電項目實際建造經驗，已經總結出一種施工效率評估工期的方法，輸入土建結構的混凝土量、含筋率、施工面積，考慮施工難度系數，套用施工效率模型即可以計算出合理的施工工期。

施工效率模型為：

其中：

F1——基準項目施工效率指數，人工時/m3；

F2——修正后的施工效率指數，人工時/m3；

k2、k1——基準項目含筋率，t/m3；

k2——目標項目含筋率，t/m3；

R——定額計算下，每立方米鋼筋混凝土中，鋼筋含量每增加1 t 所需增加的人力投入，人工時/t；

t——日工時，8 h；

E′——施工效率修正系數；

δ——施工難度修正系數，與基準項目對比，根據結構復雜程度、作業空間等綜合施工難度評價。

利用修正后的施工效率指數F2，可以計算施工工期，公式如下：

其中：

QF1——鋼筋混凝土工程量，m3；

ρF2——施工強度，人/m2；

Ak2、Ak1——施工作業面積，m2。

通過施工效率模型計算，M310 機型內部結構施工工期為13.85 個月，“華龍一號”內部結構施工工期為20.23 個月。而根據以往M310機型的實際建造情況，反應堆廠房內部結構的平均施工工期約13.77 個月（見表2），“華龍一號”與M310 內部結構對比，混凝土量增加了69.8%，含筋率增加了75.7%（見表1），實際建造工期平均為20.35 個月（見表3）。采用施工效率模型進行工期計算的結果，與實際工期有很好的符合性，可以用來進行類似結構的工期評估。

表1 各種核電機型內部結構工程量對比Table 1 Comparison of internal structural quantities of various nuclear power models

表2 M310 內部結構實際施工工期統計Table 2 Actual construction period statistics of internal structure of M310

表3 “華龍一號”內部結構實際施工工期統計Table 3 Actual construction period statistics of internal structure of Hualong One

由于施工效率法考慮了結構的復雜程度，引入了難度系數δ，同時也考慮了施工作業面積和能夠投入的勞動強度，所以，若AP1000 機型內部結構改為RC 結構，結構布置和工程量不變，也可以采用施工效率法進行施工工期計算評估。

根據表1 中的工程量和其他參數，經計算，AP1000 按照M310 的含筋率，施工工期為12.85個月，按照“華龍一號”的含筋率，施工工期為17.68 個月，均比采用結構模塊型式的的施工工期更短。

2.3.2 采用專家法評估

若AP1000 內部結構改為RC 結構，布置和混凝土工程量不變，采用專家法進行評估，不同專家評估的工期分別為18.7 個月和17.5 個月，平均施工工期為18.1 個月。

2.4 小結

通過對比分析，AP1000 反應堆廠房內部結構采用結構模塊，施工工期最短為19 個月；而在同樣的工程體量下采用RC 結構，通過施工效率法計算，按M310 的含筋率工期為12.85個月，按“華龍一號”的含筋率工期為17.68，采用專家法評估工期為18.1 個月，均比結構模塊工期短。AP1000 的結構模塊應用于內部結構，在節省工期方面沒有體現出明顯的優勢。以下將對具體原因開展進一步分析。

3 結構模塊分析

3.1 AP1000 內部結構特點

AP1000 反應堆廠房內部結構底部為坑道結構（見圖 5），上部是以最大的模塊——CA01為核心，周圍設置許多小模塊——主要有單鋼板模塊CB 和樓板模塊CA3X 和CA5X 系列與其拼接。內部結構雖然房間較少，以CA 和CB模塊分割成各個房間，但結構錯層較多（見圖 6），而且CA01 結構模塊底部錯層多，CA01安裝就位后還需要進行多次常規鋼筋混凝土結構的施工，才能進行模塊內側的混凝土澆筑。AP1000 反應堆廠房內部結構施工工序如圖 7所示。

圖5 AP1000 坑道結構剖面圖Fig.5 AP1000 tunnel structure sectional drawing

圖6 AP1000 內部結構三維圖Fig.6 AP1000 internal structure 3D model

圖7 AP1000 反應堆廠房內部結構施工工序Fig.7 AP1000 reactor building internal structure construction process

CA01 模塊為SC 結構，由雙鋼板和錨筋、連接件組成，中間澆注混凝土。雙鋼板的剛度與機械模塊相比要弱很多，在SC 模塊的運輸、吊裝、以及混凝土澆注時，模塊的變形控制和變形處理難度較大，因此需要在SC 模塊混凝土澆筑前，確定合理的施工工藝，制定模塊變形監測措施，加強施工過程的檢查，確保在混凝土澆筑之后，SC 模塊結構滿足施工精度要求。

另外，樓板模塊與CA01 主模塊拼接精度要求較高，安裝難度大，工期較長。以典型的CA3X 和CA5X 系列樓板模塊施工為例，海陽核電一期工程，CA3X 樓板模塊實際施工工期100d，CA5X 樓板模塊實際施工工期183 天。在考慮預引入物項及時交付、模塊驗收合格的情況下，經過施工單位優化后的平均工期也需要65 天，樓板模塊具體施工流程為：模塊吊裝（1 天）模塊調整就位（2 天）模塊焊接（15 天）螺栓連接（5 天）模塊檢查驗收（3 天）鋼筋綁扎（30 天）埋件安裝（7 天）模塊混凝土澆筑（2 天）。樓板模塊在現場的施工工期為65天，而普通混凝土結構樓板施工只需約42 天。

因此，AP1000 內部結構布置的特點對土建的建造工期有著很大的影響，內部結構坑道和模塊底部的錯層增加了混凝土施工工序。根據三門和海陽項目的實踐經驗，結構模塊的施工還存在以下技術難點：

（1）SC 模塊安裝精度要求較高，模塊吊裝防變形控制難度大；

（2）樓板模塊和墻體模塊連接時，一旦發生偏差，處理難度較大；

（3）SC 結構就位時，內部的連接型鋼與底部混凝土預留的插筋容易形成相互干涉，需要對插筋進行調整或切割模塊內的連接型鋼。

綜合以上分析可以看出，SC 結構和其他結構模塊的應用，優缺點都很突出，如果處理不好，容易造成現場工作的延誤。

3.2 結構模塊化對安裝的影響

AP1000 結構模塊的應用，可以使安裝作業提前開始，實現土建和安裝平行施工。但從反應堆廠房的安裝物項來看，除了主回路系統的安裝，其他設備和系統的安裝量并不大，采用傳統的施工方式同樣可以滿足安裝進度要求。

關于主回路系統的安裝，采用結構模塊和開頂法施工，可以使主回路安裝工作提前開始。若AP1000 改為RC 結構施工，在采取隔離防護措施和裝修提前介入的情況下，主回路設備同樣可以實現開頂引入和安裝提前開始，同樣能夠達到縮短工期的效果，并且成本遠低于SC結構。

3.3 CAP1400 建造情況

我國研發CAP1400 機型，首堆于2019 年4月開工建設，計劃總工期56 個月。2021 年7月安全殼頂封頭完成吊裝，符合進度計劃，但輔助廠房滯后約7 個月，主要滯后原因如下：

（1）由于是首堆，經驗不足，前期人員配置不足，未能按施組要求進行人員配置，現場施工滯后進度計劃。

（2）建安深度交叉影響。輔助廠房墻體內布置大量安裝物項，同時樓板下方布置大量設備及機械模塊，樓板施工必須等安裝設備及模塊安裝完成后啟動，合同計劃未完全考慮交叉施工降效。

（3）甲供物項方面。甲供物資供貨及時性尚能滿足進度要求，但供貨質量很多都不能滿足要求，造成現場施工難度增加、返工、工期增加。

（4）墻體鋼筋密集、埋件數量多。輔助廠房樓板、墻體鋼筋密集且非標埋件多，造成施工難度大。

（5）受與相鄰廠房固有施工邏輯影響。如輔助廠房徑向內墻、環區樓板與屏蔽廠房外部基礎、RC 結構直接相連，施工作業面相互重疊，在確保屏蔽廠房施工連續的前提下，輔助廠房施工出現停滯狀態。

與AP1000 首堆相比，CAP1400 主線進度控制較好，反應堆廠房按計劃實現穹頂吊裝。主要做了以下改進：

（1）設計優化。對施工難度大的位置進行優化，如優化鋼筋間距、優化鋼筋布置形式、優化埋件類型等措施，減少現場碰撞和施工難度，保障現場施工順利進行。

（2）自主模塊化施工。在固有模塊化設計的基礎上，將樓板零散鋼結構拼裝成整體進行安裝，減少關鍵路徑施工時間。

（3）優化施工工藝。研發自動焊工藝，代替傳統手工焊，加快現場鋼結構焊接施工效率。

另外，主線作為工程形象和關鍵路徑，在資源安排方面有所傾斜，從而優先保證了主線進度。

但模塊化施工存在的一些問題，與AP1000類似。

3.4 小結

根據以上分析，AP1000 采用了模塊化技術卻沒有明顯縮短工期，這主要是由AP1000 結構模塊特點和結構模塊施工技術難點決定的，具體說來，包括以下幾個方面：

（1）內部結構的坑道和模塊底部錯層較多，增加了混凝土施工工序；

（2）模塊與鋼筋、埋件等物項存在沖突碰撞，現場調整困難；

（3）模塊的制造、運輸、吊裝等環節變形控制難度大，很難滿足安裝精度要求；

（4）土建、安裝作業深度交叉，增加了施工難度和施工降效。

4 未來核電優化工期的發展方向

建造工期是體現核電技術先進性、保證核電經濟性的重要考量指標。根據先進輕水堆用戶要求文件（URD），核電站建造從第一罐混凝土到商業運行的時間，改進型電站不超過54 個月，非能動型電站不超過42 個月。歐洲用戶要求文件（EUR）要求從第一罐混凝土到商業運行的時間為60 個月。縱觀世界各國的三代核電機型，如韓國APR1400、法日合作的Atmeal-1、西屋AP1000 和俄羅斯VVER-Toi，都是以48個月甚至更短的建造工期為目標開拓國際市場。但是目前真正實現48 個月工期的只有日本柏崎刈羽核電站的ABWR 機組。

對于改進型的三代核電機型，工藝系統和土建工程量均比二代機型有所增加，在經過若干項目的實踐之后，可以滿足EUR 要求的60個月建造工期，但是要滿足URD 要求的54 個月還有很大壓力。為此需要在工藝系統布置和土建工程量上做“減法”，開展進一步的設計優化，在關鍵路徑上采用“模塊化+開頂法”，才能實現。

對于非能動型的三代核電機型，由于系統的簡化，整體工程量也會隨之減少，無論是否采用模塊化建造，均能夠實現EUR 要求的60個月工期目標。但是要實現URD 要求的42 個月工期，則需采用“模塊化+開頂法”，并且模塊化設計還要根據AP1000 的實踐經驗做出改進，改進方向如下：

（1）模塊盡量大型化和規格化，使模塊的拼裝工作提前在車間進行，減少現場模塊安裝工作之間的接口；

（2）盡量減少模塊底部的錯層，使模塊底部就位在同一標高基礎上，從而為模塊的施工創造有利條件；

（3）簡化樓板結構和墻體模塊間的連接方式，使樓板施工更加便捷；

（4）制定合理的模塊防變形措施，減少施工中的不符合項，避免工期的延誤。

5 結論

理論上模塊化設計和建造技術的應用可以顯著縮短核電建設工期，但是AP1000 的工程實踐卻與傳統認識相悖，即使在排除首堆工程風險因素的情況下，AP1000 反應堆廠房內部結構工期相比RC 結構工期也沒有任何優勢甚至存在劣勢。這是由AP1000 內部結構特征和模塊化施工技術難點等原因造成的。

因此要破除“模塊化一定就能縮短工期”的認識，正確認識模塊化技術和工期優化之間的關系。在核電的研發設計過程中，SC 結構和RC 結構的選擇需根據具體機型的結構型式進行分析，對質量、造價、工期等因素進行綜合評估。無論采用SC 結構還是RC 結構，在工藝系統和土建工程量上做減法，開展設計優化，都是縮短核電建造工期最直接和有效的手段。

綜上所述，未來核電技術如果要實現顯著的工期優化，應當從以下方面綜合考慮各種措施：

（1）盡可能簡化系統和優化設計，從而顯著降低土建和安裝工程量；

（2）采用各種先進施工技術，如開頂法，提高施工效率，實現土建和安裝并行；

（3）優化結構模塊設計，如模塊盡量大型化和規格化，減少模塊底部錯層，簡化模塊間連接方式等；

（4）解決模塊化施工的技術難點，制定合理的模塊防變形措施。