面向科技館的制冷機(jī)裝配式管道模塊化

陳磊，齊特，王龍，黃宏林，杜勝輝

（1.中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518045；2.深圳市建筑工務(wù)署文體工程管理中心，廣東深圳 518045；3.深圳市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，廣東 深圳 518045）

1 引言

針對大型建筑物制冷機(jī)房的管道系統(tǒng)安裝工程中，有很多重復(fù)性的切割和組裝工作，勞動量、安全隱患和工作強(qiáng)度都很高。業(yè)界因此在建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的基礎(chǔ)上對機(jī)電裝配式施工展開了一些探討與嘗試[1]。本文以深圳科學(xué)博物館為工程實(shí)例，探討模塊式預(yù)制安裝技術(shù)在科技館建筑制冷機(jī)組裝配式管道施工中的應(yīng)用。

2 工程概述

深圳科技館（新館）位于深圳市光明區(qū)新湖街道，總用地面積65 998.42 m2，總建筑面積128 761 m2，建筑總高度57 m，建筑類別一級、耐火等級一級。建筑結(jié)構(gòu)型式2 層以下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2 層以上為鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系，六層為鋼框架-鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)使用年限50 年，人防工程防護(hù)等級甲類常6 級、核6 級，為3 星級別綠色建筑。建筑地下室共2 層，為地下車庫、人防設(shè)備房及影院等，地下室建筑面積43 987 m2。設(shè)備房中的大型設(shè)備有離心式制冷機(jī)組3 臺、磁懸浮離心制冷機(jī)組1 臺。分集水器2 臺、冷卻及冷凍循環(huán)水泵18 臺、全過程物化水處理裝置4 臺。管道系統(tǒng)總長1 325 m，冷熱水管道型號包括DN100～DN600，管配件共866 個(gè)。深圳科技館（新館）制冷機(jī)組管道系統(tǒng)的安裝擬采用模塊化裝配式管道施工技術(shù)，包括管段模塊單元分割設(shè)計(jì)、數(shù)字化工廠預(yù)制加工和施工現(xiàn)場裝配式拼裝等流程。

3 基于DFMA的裝配式管道模組化施工關(guān)鍵技術(shù)

制冷機(jī)房作為空調(diào)系統(tǒng)的核心，一直以來擔(dān)負(fù)著整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的重任，隨著裝配式產(chǎn)業(yè)日趨成熟，越來越多的工程開始采用裝配式機(jī)房施工模式。研究采用DFMA 的機(jī)電組件模塊化施工技術(shù)，對設(shè)備選型、數(shù)量、基礎(chǔ)布置、管道走向等方面進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)制管組機(jī)械化施工技術(shù)是將準(zhǔn)備好的預(yù)制管件、機(jī)械管組和支吊架在地面上組裝與拼接成預(yù)制管排，然后利用叉車或其他升降裝置將預(yù)制管排運(yùn)送到方案設(shè)定的安裝位置后，通過法蘭連接將不同的組合管排連接、固定。數(shù)字工廠預(yù)制工藝的流程是先在工廠里實(shí)現(xiàn)自動化流水線生產(chǎn)，再在建筑工地上組裝完成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)的效率提升和精度提升[2-3]。預(yù)制化工藝將管件的加工從施工流程中獨(dú)立出來，使得該過程可以不受施工現(xiàn)場空間環(huán)境和施工進(jìn)度的影響。只要在工廠內(nèi)完成預(yù)制加工，按照施工設(shè)計(jì)方案在合適的時(shí)間投入施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配式施工，就可以大大減少管道保存與維護(hù)的成本。

4 管段模塊單元分割設(shè)計(jì)

科技館（新館）類的大型制冷機(jī)房內(nèi)的管道系統(tǒng)中大致包括了管徑DN200～DN600 的主干管模塊單元和管徑DN100～DN250 的分支管模塊單元，前者多位于機(jī)房的頂部空間，后者多用作水泵、集水器和制冷機(jī)組等設(shè)備的連接。在使用焊接處理進(jìn)行管道模塊單元的分段和組對的時(shí)候，為了使同一規(guī)格管徑不同的焊縫寬度保持一致性，降低累積誤差，需要使用特殊的夾具按照不同的管徑、壁厚對焊縫的預(yù)留間隙進(jìn)行限制。因此，對于管道分段中的模塊化單元，在分割設(shè)計(jì)的過程中也要充分考慮到焊接預(yù)留間隙的影響。

4.1 主干管模塊單元的分割設(shè)計(jì)

主干管以直管段為主，以少量管配件為輔，管段間多采用焊接連接和法蘭連接。主干管模塊單元的分割設(shè)計(jì)應(yīng)遵循分割單元越小，模型中模塊單元的數(shù)量就越多的理論。需要拼裝的部分增多不僅會導(dǎo)致模塊拼裝的工作量、難度和工程施工的成本增加，還會在一定程度上導(dǎo)致潛在的泄漏點(diǎn)增多。根據(jù)深圳科技館（新館）制冷機(jī)房的實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸管件的通道很難容納12 m 的大口徑螺旋焊接鋼管進(jìn)入，搬運(yùn)過程較為困難。在綜合考慮運(yùn)輸便利性、預(yù)制加工性和裝配施工可行性后，確定在主干管模塊單元的分割設(shè)計(jì)中將12 m 的鋼管分割為2 個(gè)長度為6 m 的基礎(chǔ)模塊單元?？紤]到制冷機(jī)房主干管道規(guī)格較大、水泵運(yùn)行振動較大，故管路安裝采用法蘭連接。法蘭連接時(shí)管道需深入的尺寸應(yīng)大于法蘭厚度的1/2，同時(shí)≤法蘭厚度的7/10。將12 m 大口徑鋼管切割為6 m 長的模塊單元時(shí)約有3 mm 內(nèi)的損耗，并且管段進(jìn)行法蘭連接時(shí)的金屬墊片厚約3 mm，導(dǎo)致裝配組合后的管段模塊單元長度還會增加大概1 mm。

4.2 主干管模塊單元的分割設(shè)計(jì)

分支管中多含有異徑管、短直管、彎頭和閥門等配件，采用法蘭連接為主、焊接連接為輔的管段間連接方式。分支管模塊單元的分割設(shè)計(jì)需要正確解析制冷機(jī)組、水泵、板式換熱器及集分水器進(jìn)出口管段細(xì)部連接。為了調(diào)整預(yù)制加工的分支管模塊單元對現(xiàn)場裝配安裝的適用性，在水平段短管部位和靠近主干管三通下部的豎直立管第1 個(gè)法蘭接口處預(yù)留自由段，自由段一端使用焊接承插法蘭連接管段，另一端為預(yù)留管口。自由段在進(jìn)行預(yù)制加工時(shí)需要預(yù)留一段長度以便于根據(jù)現(xiàn)場復(fù)測的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在對分支管模塊單元進(jìn)行劃分設(shè)計(jì)的時(shí)候，不同品牌的成品部件之間存在細(xì)微的差異，因此，需要提前收集整理相關(guān)資料，以便迅速準(zhǔn)確地確定各類成品部件的相關(guān)信息。

不同管段法蘭連接的墊片采用金屬材料，這是由于金屬材質(zhì)在壓縮后不易產(chǎn)生較大的厚度差異，能夠有效減小后續(xù)加工與裝配過程的誤差。某循環(huán)泵進(jìn)出口端豎直管段模塊單元分割設(shè)計(jì)示意圖如圖1 所示。

圖1 某循環(huán)泵進(jìn)出口端豎直管段模塊單元分割設(shè)計(jì)示意圖

由圖1 可知，在進(jìn)行管道分割設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮各類管配件的軸向尺寸和不同儀器儀表的安裝位置，細(xì)部連接的具體數(shù)據(jù)也不能忽略。在模塊化預(yù)制裝配施工模式下需要考慮實(shí)際工程中存在的施工誤差，因此，需要在現(xiàn)場設(shè)備到位后對實(shí)際測量進(jìn)行復(fù)查和調(diào)整。一個(gè)合理、科學(xué)的模塊單元分割設(shè)計(jì)方案，可以使得后續(xù)的預(yù)制加工和裝配施工更加順利、高效地進(jìn)行，尤其是分割設(shè)計(jì)中的現(xiàn)場測量復(fù)核工作對于降低分割設(shè)計(jì)與實(shí)際情況的偏差具有重要作用。必須根據(jù)復(fù)測現(xiàn)場的重測數(shù)據(jù)對管段模塊單元分段設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，這樣才能保障管道的模塊化預(yù)制和現(xiàn)場裝配施工的順利實(shí)施。

5 預(yù)制加工與裝配式施工

5.1 工廠預(yù)制加工

完成高精度模塊化劃分設(shè)計(jì)模型構(gòu)建后，進(jìn)行管道裝配式預(yù)制件加工時(shí)首先要考慮的是精度與質(zhì)量。人工切割、焊接管道的安全隱患大、效率低，質(zhì)量和精度難以把控，因此，管件的預(yù)制加工以自動化焊接為主，組裝平臺和人工裝配為輔，可以有效避免焊縫及熱影響區(qū)表面裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、弧坑和氣孔等質(zhì)量通病。某裝置進(jìn)口端水平管段進(jìn)行模塊單元分割設(shè)計(jì)的流程如圖2 所示。

圖2 某裝置進(jìn)口端水平管段進(jìn)行模塊單元分割流程圖

由圖2 可知，管道部件模塊化工廠化預(yù)制件流水線主要由兩個(gè)部件組成，一個(gè)是焊前預(yù)備工作區(qū)，另一個(gè)是組合式焊接工作區(qū)。預(yù)制件生產(chǎn)線使用了專用的自動組對機(jī)及自動焊機(jī)，大大提高了預(yù)制件生產(chǎn)和加工的效率與質(zhì)量。短管和管件組合焊縫區(qū)，主要為以下各支管道的模塊化元件提供服務(wù)：末端有彎頭，異徑管道的短節(jié)；端部帶法蘭，中間帶支承和附件的短管，如連接用的管子、接頭用的管子。而多功能焊縫區(qū)，則是為主干管道提供了模塊化的服務(wù)，也是為一些較短的管道進(jìn)行焊接。

5.2 施工現(xiàn)場裝配式拼裝

由于工廠預(yù)制化批量生產(chǎn)的管道數(shù)量較多，如果在裝配式施工前進(jìn)行處理，很有可能會造成不同管段模塊單元使用的混亂和錯(cuò)誤，因此，管道及部件的運(yùn)輸和儲存應(yīng)提前制訂實(shí)施方案，確定好運(yùn)輸時(shí)間、次序、堆放場地、運(yùn)輸路線，固定要求、堆放支墊及成品保護(hù)措施等項(xiàng)目。同時(shí)為了方便普通裝配工人的理解和裝配作業(yè)，以及保證管段系統(tǒng)安裝的連續(xù)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，在模塊化單元分割設(shè)計(jì)模型建立時(shí)就要提前制訂方案對管段進(jìn)行編號，而在工廠化預(yù)制加工的過程中也要按照方案和模塊化模型完成編號和參數(shù)標(biāo)識，為現(xiàn)場裝配式拼裝做好準(zhǔn)備。裝配施工過程整體以管線子系統(tǒng)為單位進(jìn)行處理，同一個(gè)管線子系統(tǒng)內(nèi)按先主干管后分支管的順序進(jìn)行拼裝。在不同的管段模塊單元，按照裝配施工圖到位之后，不宜一次性全部硬連接，應(yīng)該與自由段的設(shè)置相結(jié)合，并根據(jù)現(xiàn)場的總體狀況進(jìn)行調(diào)整，然后，再對不同的管段模塊單元拼裝進(jìn)行最后的連接固定。自由段的現(xiàn)場安裝示意如圖3 所示。

圖3 某自由段尺寸信息及現(xiàn)場安裝的俯視示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，進(jìn)行自由段安裝時(shí)，可以在其兩個(gè)連接管段模塊單元施工完成后進(jìn)行一次現(xiàn)場復(fù)測，根據(jù)復(fù)測結(jié)果確定其準(zhǔn)確的安裝尺寸，然后通過二次預(yù)制提高自由段組裝和拼接的精度。設(shè)備接口管組裝配，在主機(jī)、水泵進(jìn)出口軟接頭等便于操作的部位預(yù)留接口管組，根據(jù)現(xiàn)場情況定制尺寸，在工廠加工后運(yùn)至現(xiàn)場安裝，消除裝配過程中產(chǎn)生的誤差，降低設(shè)備接口滲漏率。與現(xiàn)場施工相比，工廠化更有利于工作條件，有利于專業(yè)化，規(guī)?；a(chǎn)采用專用的人工智能加工設(shè)備和手段，并用流水線專業(yè)化生產(chǎn)從而提高了管道的質(zhì)量。

6 結(jié)語

深圳科技館（新館）大型制冷機(jī)房的DFMA 機(jī)電部件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)要求，采用現(xiàn)場復(fù)測、調(diào)試的方式，將管段模塊單元的拆分設(shè)計(jì)與工廠預(yù)制制造相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的設(shè)備和管線模塊化裝配式施工。通過管道模塊化單位分割設(shè)計(jì)配合施工現(xiàn)場復(fù)測結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試，是保證管道工廠化預(yù)制和組裝施工順利、高效、精確進(jìn)行的關(guān)鍵。采用DFMA 技術(shù)、管段工廠預(yù)制加工和組合安裝相結(jié)合的制冷機(jī)組裝配式管道安裝方式，不僅能夠提高制冷管道系統(tǒng)的安裝質(zhì)量水平、縮短制冷機(jī)組建設(shè)工程的施工工期，同時(shí)還對提高勞動生產(chǎn)率和減少環(huán)境污染有很大幫助。