浅谈工程建设模块化施工

摘要:工程建设行业劳动力溃乏,人力、材料、机械成本昂贵。国际上通用做法是实施最大预组装模块化和现场作业的工厂化,将现场施工的高昂成本转移到劳动力输出国来解决;将现场大量安装工作前移到预组装中,降低施工现场安全风险系数。文章论述了模块化的总体思路,模块化组织设计,模块化策划基本方案。

关键词:模块化设计;模块化施工;模块化运输;管理流程

中图分类号:TU986文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)18-0129-03

模块化施工在发达国家中应用比较普遍,也是近年来国内外各行各业普遍关注的新的研究课题。模块化是一种新兴产业结构,在实际应用中更是现代产品标准化的延伸和发展。可以说模块化为多样化、现代化的标准化工作开辟了一条新的道路,是一种能适应新产业革命、科学发展、面向世界、面向未来、极富生命力、创造力的新思维方法,对建筑企业界乃至整个社会的各个行业都具有极大的现实意义。

模块化是解决一个复杂问题自上而下逐层把系统划分成若干模块的过程,每个模块完成一个特定的子功能或者适合分项的单一结构,而所有的模块按某种方法组装起来成为一个整体,完成整个系统所要求的功能。而我们把实施模块化这个过程称为模块化施工。

模块化施工是一种现代先进的施工理念,它的先进在于大量引入模块作业,极大地缩短了工期,产生良好的经济效益。不但没有违背传统的施工理念,而且把它们进行优化,依靠当今的先进技术,进行剖析、分项,由局部小模块到大模块,逐步实现最大模块化。但是,模块化施工也有其前提条件,必须要求设计单位、施工单位以及货运公司的密切合作才能完成。在很大程度上依赖于制造、吊装、道路、运输、人力、物力、财力、信息化程度等,要多方考虑、综合比较。

一、模块化的总体思路

模块可以在工厂预制、预组装,做到与现场同步甚至可以提前,这样就能保证流水作业、现场工厂两不误,以节省大量时间、人力、物力,创造极大的经济效益。

为此,我们要针对项目的实际情况,进行费用分析对比和统筹规划。优先考虑大吨位设备、设施的模块化组装;满足运输条件的设施、设备要实现模块化;对现场安装工作量大的设施、设备尽可能模块化;体积大、重量轻的设施进行散件模块式设计和散件模块安装。

二、模块化策划实施

(一)成立专门机构,确定工作管理流程,落实各专业模块化组成人员,共同推进模块化实施

联合各方专家,成立模块化管理委员会,各参建单位设立模块化实施工作组;雇用外部专家或模块化咨询公司,协助策划模块化的建模工作。研究设计施工过程中的模块化技术,进行课题立项实施并定期小结,及时通报实施进展情况。

(二)组织调研,掌握第一手资料

模块化施工必须同各专业紧密结合,要充分考虑指导设计、设备采购、组装、物流运输、模块保护、港口条件、现场安装等环节的工作,确定各模块化方案的时间节点。掌握如道路、码头、现场、卸船等各方面制约因素的影响。了解当地吊车的实际状况和各项影响因素,把握好组装地点,尽量在工厂内组装。

(三)模块化实施的具体步骤

进行方案策划,界定模块化项目;与各专家进行技术交流,讨论实施方案、交换意见,确定模块化实施的可能性;完善模块化方案,调整模块化项目;完成模块化项目设计方案、组装方案、出港方案、上岸方案、现场运输方案、安装方案;完成关键设备、结构的模块作业设计,对方案的可靠性进行论证,完善修订方案的细节;完成辅助设备、结构的模块化作业设计;实施模块化方案,做好道路建设、场地租赁、河流通淤、船只租赁、大型机械租赁等。

三、模块化组织设计

对一个复杂的项目实施模块化并非易事,尤其是在我国还没有完全接受模块化思想的情况下。项目模块化是一项系统工程,需要精心周密的策划。策划包括项目的模块化策略、模块化方案、模块化设计、模块化预组装、模块化包装、模块化运输、模块化吊装等。

(一)模块化基本设计理念

模块化的设计是模块化能否成功的关键所在,没有模块化设计就谈不上模块化的实施。首先需要建立模块化意识,要求设计人员具备模块化专业技术,通晓模块化设计规范,熟悉项目工艺流程,了解模块包装、运输和吊装,除了正常设计步骤,要考虑很多其他方面,如何对模块进行有效的保护、模块安装的方法及要求、构件在预制、运输和吊装等环节所存在的特殊状态、特殊受力情况,同时还要考虑模块的尺寸、重量以及与施工、运输的密切配合等。这些无疑都对设计人员提出更高的要求,保证模块在安装过程中简单易行、减少安装工程量,真正达到模块化的预期效果。

(二)模块的组装

在考虑模块组装时,首要的任务是选择合适的组装场地。其次要注重模块化对劳动组织的影响,以及如何克服由此产生的新的工程质量问题。

考虑大量的设备和设施都在国内制造,具备组装能力同时又有良好港口条件的国内深水海港是首选。要求施工单位作详细调研,并在设计开展之前向设计部门提交详尽的信息。

(三)模块的包装和保护

模块的包装和保护是模块化成功与否的关键因素之一。包装的目的是控制模块包装尺寸,精确找准模块重心,确保不受外力破坏,使模块能成功的运输,以保证模块在长途海运或陆路运输不会损坏。

现实中往往对模块的重量可以做到精确控制,但要控制其重心并非易事,需要借助力学知识、几何知识,甚至计算机模拟才能达到。

(四)模块的运输

做好运输方案的编制,协调处理好设计、运输、安装的相互关系;要求模块化设计和施工必须符合国家的标准和法律法规。

要解决好与其它承建商共用驳船停靠码头的问题;熟悉车辆在现场行走路线,水、陆运输现状和相关限制条件;熟悉各地关于模块化运输、安装的法律、法规等相关文件;协调好施工安装机械、模块化施工承包商信息,制定施工安装方案以及联络进行模块化的组装基地。

同时还要做好模块化设备、构件进入基地、运出基地的有关清关事务;解决工人在组装基地进行模块化工作以及为进行模块化而在当地雇用的技术工人等问题。

运输成本对模块化产生巨大的影响,要综合比较陆路和水路运输成本各占的比例,满足进度要求,酌情选择。基本的原则是以最经济的成本创造最大的效益。

四、模块化策划基本方案

(一)混凝土结构

总体思路:以预制模块设计为主导,结合结构状态的可分割性进行预制化施工。大型设备混凝土构筑物采取“钢壳化”的现浇钢板混凝土。

要求预制模块的经济体积满足运输要求;设备基础螺栓尽量在一个模块,重量一般不大于200t为宜,模块间的连接处理需考虑结构整体性能要求。地下结构的防水处理及模块的连接方式,宜采用灌浆料等防渗快硬材料。经济模块需合理考虑安装吊环的设置强度、位置及抗裂要求。

1.独立基础:包括独立设备基础、厂房结构独立基础、道路雨水井、电缆井等。宜整体预制、整体运输、现场整体就位。较大体积的设备基础,采用合理分割预制的方法进行模块预制,模块间的预留缝隙,在现场安装就位,混凝土后期浇筑。钢结构柱与柱基础连接考虑套筒形式。

2.条形基础:按照模块化设计和施工要求的重量、体积,分段预制为多个模块、多段模块运输、现场模块组合对接。

3.大型设备基础:采用钢壳化设计与施工。即将钢筋混凝土基础的外壳用钢板制做成型(相当于模板),基础内的钢筋与钢壳连为一体组合成模块,将该钢壳运抵现场就位焊接成型后,整体浇筑混凝土,钢壳将不再拆除,用做基础保护。

4.大型混凝土地坪及厂房车间内地坪:可综合考虑预制成3m*3m、4m*4m、6m*6m(或其它尺寸)的预制混凝土块,并在块体中设置网状钢筋,以保证吊装的整体刚度,现场安装就位后混凝土浇筑成型。

5.地下室及地下通道、水沟以及箱型、槽型、筒型混凝土构件:按照模块化设计和施工要求的重量、体积,分段进行预制,现场安装就位。

6.配电室:地下部分按照箱型混凝土结构模块化,上部以轻钢结构为主,墙体可以采用填充模块的方式。

各类预制混凝土模块与地基的连接面要保证外形尺寸准确,严格按照设计进行施工,所采用的材料必须符合设计和施工工艺要求。

(二)钢结构模块化施工方法

1.钢结构主厂房:根据结构分为基础、柱、吊车梁、屋面、墙皮系统、天沟、钢梯等系统,分别进行模块化制作。并按照设计要求,在该模块中将与厂房结构连接的电缆、各种工艺管道支架等统筹在制作地组装完成,经过严格检验验收后运往现场。

2.辅助钢结构:地下采用“钢壳化”现浇混凝土模块化施工,地上采用钢结构。地上部分经综合比较后可进行整体模块或分块模块预组装(如可以,设备可以涵盖其中),整体运输现场,整体吊装。

厂房钢结构设计时优先采用Q235、Q345类钢材,节省工程成本;构件形式要简单,类别要少;钢柱截面、屋架截面选择实腹式H型钢截面,节点采用高强螺栓和永久螺栓的连接方式;在模块化组装过程中严格控制设计几何尺寸和节点连接质量;钢柱地脚螺栓采用套筒式,便于安装就位和质量控制。

(三)皮带机通廊和内部设备的模块化

1.地表通廊。地表通廊宜设计为钢结构,以 20～30m的长度分段进行模块,通廊内的胶带机架、检查走台(梯)、电气、通讯、给排水等设施和设备一并在国内场地组装完成,满足一体运输、现场一体的吊装条件。

2.架空通廊。钢结构架空通廊的模块长度,应以支架间长度尺寸确定。每个通廊模块内的皮带机架、检查走台(梯)、电气、通讯、给排水及围护结构等所有设备、设施一并在制作地组装场地组装完成,整体运输,现场整体安装。

(四)设备的模块化

1.单体设备如风机、空压机、各类泵等单体设备,底座应设计增加一个加强的钢结构底座。将风机、空压机分别组装在这个加强的钢结构底座上(有条件时进行试车),在现场进行整体安装。或直接组装在设备的独立基础上,设备同基础成为一个模块,一起运输,一体安装。

2.大型设备的模块化。根据设备特性将设备分解成满足模块化要求的功能块,工厂预组装、现场整体拼装。

(五)大型厂房结构和内部设备的模块化

方案一:按功能将厂房结构分成若干系统模块。

方案二:按厂房结构这样就大体分成了屋盖模块、设备层模块和下部散件模块,模块的组装以及现场散件模块安装同方案一。

(六)可以单层建设的设施模块化

单层建筑如电气楼、天然气减压站、空压站等可以设计制造成轻钢箱体。将所有设备全部组装在箱体式结构内,整体运输、现场整体安装。

(七)管道模块化

管道按照支架的节间或一定模数的长度,利用计算机三维技术进行分段模块预制、编码,包装成捆后批量运输,在现场按照编码对号入座进行安装。要求各类管道的管材选择、敷设形式、连接方式、支架形式在符合设计性能的同时,必须以便于批量模块化为前提;要求各公辅泵房及液压、干油、润滑等泵站的设备、管道设计以集成模块化为标准,考虑管道设备选型。

(八)配电系统模块化

1.电气盘柜除高压系统盘柜外,可要求设备厂家将盘柜制造成框架形式,无须安装柜门及侧板,电气元件直接固定于背板上,以便节约空间,使电气室结构紧凑。

2.宜采用干式变压器,以利于模块化施工,及时与变压器制造厂家协商容量等问题。

3.低压配电室:面积小的低压配电室采用箱体化模块,面积较大的配电室划分成若干小箱体,现场拼装。

4.高压配电室:高压电气室相对低压电气室的空间要求高,无法实现紧凑形式,但也可在一定范围内模块化施工。如:33kV高压柜为11面,完全可以实现模块化施工。6.6kjV高压柜60面,可分不同区域组成多个模块单元,低压柜50面也可根据分部情况集中成几个区域模块施工。区域内包括高、低压柜的情况可用几个模块组装成大的电气室。

5.控制系统网络化:各模块化设备单元设远程I/O站。各模块化设备单元之间及与主控室控制信号通过光纤通讯实现控制,减少控制电缆现场敷设工作量。远程I/O站可预装在模块设备内。

6.高压输电塔:采用高压输电塔加架空线路的形式,输电塔在国内按最小设计高度组装完成,整体运输。架空线路在现场敷设。

五、结语

1.从技术角度出发,大部分设施都可以实现模块化,不存在技术层面的问题。

2.实施模块化之前必须对模块化所带来的经济效益作详细的分析。毫无疑问,模块化施工会提高制造成本、运输成本,降低施工费用,如果产生负效益则失去了模块化的意义。

3.综合模块化施工在进度方面的保障作用、在质量方面的保证措施、额外投入预估、风险所在、整体效益预估等,利用现代科学设计理念,融入到其中。

4.要实施模块化,无疑会对设备的出厂状态提出更高的要求。一般的小型设备在出厂之前就已经组装好,并通过试运转,不存在任何问题。关键在于一些大型设备,这些设备吨位大、体积大、安装复杂,需要做好实施方案。

总之,模块化的好处是显而易见的,需要做的工作也很多,各方的利益均衡也是不可避免的,只有各方的利益都得到保证,才能将模块化做得更好。通过模块化预组装,也可以避免将问题带到施工现场。

参考文献

[1]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].中国标准出版社,1999.

[2]青木昌彦.模块化:新产业结构的本质[J].经济社会体制比较,2002,(2).

作者简介:余庆军 (1980-),广西桂林人,中国二十二冶集团有限公司工程师,研究方向:建筑施工管理;潘思明(1982-),江西上饶人,中国二十二冶集团有限公司助理工程师,研究方向:技术管理;常亚楠 (1981-),辽宁盘锦人,中国二十二冶集团有限公司工程师,研究方向:电气安装。