高速鐵路工程建設(shè)模塊化技術(shù)應(yīng)用研究

唐元寧，蔡俊俊，周芳汀

(1.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031;2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500)

高速鐵路工程建設(shè)模塊化技術(shù)應(yīng)用研究

唐元寧1，蔡俊俊1，周芳汀2

(1.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031;2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500)

高速鐵路工程是典型的大型復(fù)雜線型建設(shè)工程，管理十分復(fù)雜，對模塊化技術(shù)在施工中的應(yīng)用進(jìn)行探討。通過歸納模塊化生產(chǎn)方式的特點(diǎn)，總結(jié)工程模塊化得以發(fā)展的基礎(chǔ)，提出工程模塊化的優(yōu)點(diǎn)。通過實例應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)現(xiàn)場澆筑方式相比優(yōu)勢明顯，通過模塊化生產(chǎn)不僅可以從源頭保障工程建設(shè)的質(zhì)量，而且可以實現(xiàn)模塊化部件的批量化生產(chǎn)。此外，通過模塊化分解與集成將復(fù)雜的高速鐵路建設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行了離散化表示，通過模塊組合方式為高速鐵路工程建設(shè)管理提供了新思路。

高速鐵路;工程建設(shè);模塊化;工廠化

自20世紀(jì)60年代世界上第一條高速鐵路開通運(yùn)營以來，已有十多個國家投入高速鐵路建設(shè)。為了適應(yīng)大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)，各種先進(jìn)的管理技術(shù)和方法正逐步被廣泛地應(yīng)用于我國高速鐵路工程管理當(dāng)中。原鐵道部副部長盧春房在全路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理暨質(zhì)量現(xiàn)場會上，提到高標(biāo)準(zhǔn)、講科學(xué)、不懈怠，把鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理推向深入，指出了“工廠化”作為支撐手段可以大力提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。周國華等運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)研究了京滬高速鐵路建設(shè)項目中關(guān)鍵質(zhì)量管理的風(fēng)險因素，認(rèn)為“工廠化”作為實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的支撐手段可以有效地保障工程質(zhì)量、降低風(fēng)險［3］?！肮S化”是模塊化在工程上應(yīng)用中的代名詞，自2008年京滬高速鐵路應(yīng)用“工廠化”手段推廣標(biāo)準(zhǔn)化管理以來，各路局、建設(shè)單位均在進(jìn)行學(xué)習(xí)推廣該方式，模塊化施工將在今后的高速鐵路建設(shè)中得到應(yīng)用和推廣。

1 模塊化理論及發(fā)展

隨著全球范圍產(chǎn)業(yè)的融合趨勢逐步增強(qiáng)，模塊化理論已成為運(yùn)營管理和戰(zhàn)略管理領(lǐng)域具有前瞻性的熱點(diǎn)問題［4］。目前，模塊化理論在全球范圍內(nèi)受到理論界和實踐界的普遍關(guān)注，哈佛商學(xué)院Baldwin和Clark就認(rèn)為伴隨著21世紀(jì)產(chǎn)生了一個嶄新的模塊化時代［5］。

模塊化主要被應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、通信為代表的制造業(yè)中，應(yīng)用于京滬高速鐵路建設(shè)可以說是模塊化在我國高速鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的開端。

1.1 模塊化理論

模塊(Module)最早由IBM公司提出，由于模塊可以把復(fù)雜系統(tǒng)簡單化，逐漸成為學(xué)術(shù)界和實業(yè)界的共識，在眾多領(lǐng)域中被視作一個有用的概念。其是半自律性子系統(tǒng)，通過和其余的同樣的子系統(tǒng)遵照一定規(guī)則相互聯(lián)系構(gòu)成的更為復(fù)雜的系統(tǒng)或者過程［6］。

由于可以解決產(chǎn)品模塊化、產(chǎn)業(yè)組織模塊化、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊化等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，并隨著社會各界對復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新與生產(chǎn)成本和效率關(guān)注的不斷深入，模塊化理論已經(jīng)成為國內(nèi)外管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和工程業(yè)界解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計和制造的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 模塊化發(fā)展

模塊化不僅是一種產(chǎn)品設(shè)計方法，也是一種組織管理方法［7］，在工業(yè)經(jīng)濟(jì)時代最先是作為一種工藝設(shè)計方法被運(yùn)用到鐘表、手機(jī)和汽車制造行業(yè)，后來在其他行業(yè)也得到發(fā)展。模塊化的演變過程，大致經(jīng)歷了產(chǎn)品的模塊化分解、產(chǎn)業(yè)組織的模塊化、模塊化價值網(wǎng)絡(luò)的形成3個階段［8］。

高速鐵路建設(shè)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的組織形態(tài)，由不同主體構(gòu)成價值增值性網(wǎng)絡(luò)，可以把它看成為一個半自律的系統(tǒng)。因此，模塊化理論可以運(yùn)用到高速鐵路建設(shè)系統(tǒng)中，同時也是對模塊化理論的進(jìn)一步擴(kuò)展。

1.3 與傳統(tǒng)方式相比的優(yōu)點(diǎn)

模塊化與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，具有以下幾方面的特點(diǎn)。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化更強(qiáng)。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量上，模塊化生產(chǎn)方式提供了更加可靠的保障。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化生產(chǎn)，無論是工藝技術(shù)上還是流程管理上都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，為產(chǎn)品的高質(zhì)量奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(3)可以集成供應(yīng)，滿足多需求點(diǎn)的需求。模塊化生產(chǎn)與工程供應(yīng)鏈管理相結(jié)合，可以充分發(fā)揮模塊化節(jié)點(diǎn)集成下游各節(jié)點(diǎn)需求這一優(yōu)勢，進(jìn)行集中生產(chǎn)和供應(yīng)，實現(xiàn)適當(dāng)?shù)募泄芾砗鸵?guī)模效應(yīng)。

(4)可以實現(xiàn)同步生產(chǎn)，提升整體效率。模塊化生產(chǎn)為后續(xù)的模塊化裝配提供了基礎(chǔ)，可以大大縮短系統(tǒng)總裝配時間，提高總效率，并在一定程度上實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，是滿足需求多樣化、個性化生產(chǎn)的有效生產(chǎn)方式。

(5)庫存方面，改善了建設(shè)系統(tǒng)中施工單位庫存積壓的現(xiàn)象，物資品種和數(shù)量都得到一定程度的縮減，從而降低庫存。

1.4 模塊化生產(chǎn)的局限性

高速鐵路建設(shè)工程是一個由多方參與、多組件組成、需求多樣化的復(fù)雜系統(tǒng)。這些不同的模塊子系統(tǒng)中，存在模塊可分部分和模塊不可分部分，比如高速鐵路建設(shè)工程的橋梁無砟軌道模塊子系統(tǒng)，由橋墩、梁、混凝土軌枕、道床、軌道板、鋼軌、配件及其他部分組成。

其中梁、板、混凝土軌枕、鋼軌等可以實現(xiàn)批量模塊化生產(chǎn)，道床、橋墩等其他部分由于工藝和技術(shù)的原因目前實踐中均只能現(xiàn)場澆筑生產(chǎn)。橋墩更是由于工程承受力要求和交通運(yùn)輸限制等原因很難采用批量模塊化模式生產(chǎn)。

此外，一些偏遠(yuǎn)施工作業(yè)區(qū)，比如高原、沼澤等公路運(yùn)輸很難到達(dá)的區(qū)域，隧道、極高山區(qū)等難以用吊具作業(yè)的區(qū)域，采取的依舊是現(xiàn)場澆筑模式。

2 工程模塊化

2.1 工程模塊化的基礎(chǔ)

工程模塊化的成功應(yīng)用得益于三大支撐基礎(chǔ)。

(1)持續(xù)穩(wěn)定的需求，這是工程模塊化推廣的前提。模塊化的實現(xiàn)要以合理的投入產(chǎn)出比為前提，而目前國內(nèi)工程界，包括高速鐵路、房建、橋梁等建設(shè)需求的不斷挖掘，給模塊化這一新方式帶來了機(jī)遇。

(2)大型吊裝等先進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)，使模塊化有了現(xiàn)實應(yīng)用的條件。模塊化在建設(shè)過程運(yùn)輸以及現(xiàn)場裝配環(huán)節(jié)對大型吊裝設(shè)備提出了更高的要求，特別是在高速鐵路、大型橋梁等建設(shè)中尤為突出。

(3)模塊化理論的不斷發(fā)展。這是最根本的理論基礎(chǔ)，隨著基于施工工藝對工程主體模塊化處理的不斷深入和成熟，高速鐵路建設(shè)工程的模塊化實踐將越來越普及。

模塊化施工是一種現(xiàn)代先進(jìn)的施工理念，在保證質(zhì)量的同時，由于引入模塊作業(yè)，極大地縮短了生產(chǎn)工期，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 工程模塊化的優(yōu)點(diǎn)

模塊被生產(chǎn)出來之后，在下游環(huán)節(jié)進(jìn)行組裝，從而實現(xiàn)了預(yù)制部件生產(chǎn)和下游組裝的同步進(jìn)行。模塊化為施工現(xiàn)場提供了標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制件，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)優(yōu)化現(xiàn)場實物流

工程模塊化通過將現(xiàn)場工作移至預(yù)制廠內(nèi)，減少了施工現(xiàn)場活動，從而減少了相應(yīng)的實物流。

(2)增加了項目結(jié)果的可預(yù)測性

工程模塊化簡化了項目的復(fù)雜性，增加了項目結(jié)果的可預(yù)測性。同時，工程模塊化減少了施工現(xiàn)場的工序，也使得工期的預(yù)測更加精確。

(3)增加了靈活性和適應(yīng)性

工程模塊化的預(yù)制件可以通過設(shè)計多次重復(fù)使用或重新安裝。

(4)保證了質(zhì)量，縮短制造和施工工期

工程模塊化實現(xiàn)了工廠的機(jī)械化和連續(xù)性生產(chǎn)，實現(xiàn)現(xiàn)場施工和預(yù)制廠制造的同步進(jìn)行，施工現(xiàn)場的作業(yè)相對簡化，也就減少了現(xiàn)場施工工期。

與此同時，工程模塊化改善了現(xiàn)場的工作條件和控制條件，保證了預(yù)制件的工藝過程，提高了預(yù)制件的質(zhì)量保證，從而也改善了工程的質(zhì)量。

(5)保證了預(yù)制件制造的連續(xù)性

工程模塊化有利于預(yù)制件制造的連續(xù)性，可以在惡劣的氣候環(huán)境中持續(xù)工作，從而避免了現(xiàn)場澆筑中由于天氣等不可抗力因素造成停工、歇工等現(xiàn)象。

(6)減少對環(huán)境的影響

減少了施工現(xiàn)場的各種原材料、機(jī)器設(shè)備的堆放，因而減緩了施工現(xiàn)場擁擠的狀況。既對工程本身帶來好處，也改善了施工環(huán)境，例如減少了施工中的噪聲、灰塵和材料浪費(fèi)等。

3 工程模塊化的應(yīng)用

工程模塊化的應(yīng)用不僅為工程質(zhì)量提供了更加有效的保障，而且可以提高工程的總體效率。中鐵十二局在大西客運(yùn)專線項目中組建的預(yù)制場設(shè)計應(yīng)用模塊化技術(shù)，取得不錯的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益［9］。CRTSⅡ型軌道板在京津、京滬等高速鐵路得到應(yīng)用，其質(zhì)量可靠、精度可控、安全和高效［10］。這都?xì)w功于模塊化是工程上實現(xiàn)按單裝配的有效手段。

3.1 按訂單裝配策略

高速鐵路工程建設(shè)可以看成一個典型的按單生產(chǎn)項目，每項工程最終都創(chuàng)造出新成果，成為其他工程參考的一個范本。盡管工程界基本不存在重復(fù)生產(chǎn)，沒有兩個完全一致的項目，但是針對類似的項目供應(yīng)鏈管理的過程和策略可以十分相似。

不同工程項目在業(yè)主訂單到達(dá)之前會存在不同的規(guī)范過程，Anders等人提出了4種生產(chǎn)策略［11］。根據(jù)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場的各部件完成程度的差異，對應(yīng)著不同的解耦點(diǎn)和策略，如圖1所示。

圖1 4種不同的工程建設(shè)系統(tǒng)施工策略

其中按訂單設(shè)計建造(ETO)策略，往往是基于業(yè)主的需求、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)工程的設(shè)計和建造。按訂單修正(MTO)策略，擁有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計框架，只需按照通用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。按訂單裝配(CTO)策略，在設(shè)計框架和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的預(yù)制件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行組合裝配。最后一種選擇(SL)策略，相當(dāng)于直接根據(jù)需求選取現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的產(chǎn)品。

顯然高速鐵路建設(shè)工程模塊化屬于第二和第三個策略之間，通過通用的框架對工程管理進(jìn)行設(shè)計，對可模塊化施工部分采用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制件生產(chǎn)，實現(xiàn)工程的部分部件批量化生產(chǎn)。實現(xiàn)了預(yù)制部件生產(chǎn)和下游現(xiàn)場組裝的同步進(jìn)行。

3.2 某高速鐵路的應(yīng)用分析

從某高速鐵路建設(shè)管理實際情況來看，建設(shè)中貫徹了“施工生產(chǎn)能工廠化的則工廠化”的原則，通過工廠化集中生產(chǎn)，從源頭上對生產(chǎn)材料進(jìn)行把關(guān)，不僅降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的合格率，降低了構(gòu)件的質(zhì)量風(fēng)險，同時也提高了標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的預(yù)制速度，保證了全線施工按照施工組織計劃順利實施。雖然目前采取工廠化會增加很多的前期投入，短期內(nèi)不能體現(xiàn)很明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。但在全面保障質(zhì)量的高速鐵路建設(shè)大環(huán)境下，推廣工廠化勢在必行，隨著工程需求的增加和穩(wěn)定，其規(guī)模優(yōu)勢也會凸顯。因此，為了保障預(yù)制梁的質(zhì)量，目前工程基本上采用工廠化進(jìn)行集中生產(chǎn)，但根據(jù)趙成貴的研究［12］，在某些工程條件限制的標(biāo)段沿用的仍然是現(xiàn)場澆筑，比如架橋機(jī)無法正常通過的山區(qū)、陡坡等地和特殊橋跨限界的局部區(qū)段。

與此同時，根據(jù)資料統(tǒng)計，對32 m簡支箱梁現(xiàn)澆和工廠化2種方式下對比分析現(xiàn)場澆筑和模塊化預(yù)制2種方式的時間耗用情況。根據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，工廠化方式下的作業(yè)效率是現(xiàn)場澆筑方式效率近2倍，模塊化施工使得作業(yè)效率大大提升，應(yīng)用模塊化生產(chǎn)對于縮短高速鐵路建設(shè)工程的工期十分有利。

此外，在某高速鐵路建設(shè)工程中，工廠化的應(yīng)用為實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)無偏差奠定了堅實的基礎(chǔ)，在施工質(zhì)量、生產(chǎn)制造效率、控制工程成本、降低作業(yè)人員要求、改善勞動條件等方面優(yōu)勢十分明顯。實現(xiàn)了全線模塊化部件的工藝標(biāo)準(zhǔn)化。全線應(yīng)用情況如下。

(1)全線混凝土全部由拌和站進(jìn)行集中供應(yīng)。

(2)級配碎石由采石場破碎分級，改良土采用廠拌。(3)絕大部分箱梁由預(yù)制梁場和軌道板廠預(yù)制。(4)遮板、欄桿、柵欄、蓋板等小型構(gòu)件全部工廠化預(yù)制。

(5)100 m鋼軌在焊軌廠焊接成500 m長鋼軌，道岔在工廠預(yù)組裝。

(6)接觸網(wǎng)腕臂實現(xiàn)預(yù)配中心組裝。

(7)通信信號設(shè)備在模擬中心組裝調(diào)試檢驗。

4 高速鐵路建設(shè)模塊化集成與分解

對應(yīng)于高速鐵路建設(shè)工程的復(fù)雜性，對其進(jìn)行模塊化劃分也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程。區(qū)別于飛機(jī)、汽車等制造系統(tǒng)，高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)不能像傳統(tǒng)制造系統(tǒng)那樣對所有的工藝過程進(jìn)行模塊化管理。飛機(jī)、汽車等傳統(tǒng)制造之所以能夠依托模塊化技術(shù)很好地實現(xiàn)大規(guī)模定制，在滿足客戶需求的同時最小化成本，是因為制造業(yè)本身的工藝和管理過程具有相似性和可分性，能夠充分發(fā)揮模塊化的優(yōu)勢，但以高速鐵路建設(shè)為代表的工程業(yè)不盡如此，一方面是工程的出現(xiàn)晚于制造業(yè)，模塊化理論在制造業(yè)的應(yīng)用更是優(yōu)于工程業(yè);另外一方面是由于工程本身的工藝過程很難完全進(jìn)行模塊化劃分。

但模塊化理論依舊適用于工程建設(shè)管理，部分可模塊化子系統(tǒng)在工程中被不斷實踐應(yīng)用，模塊化將會在工程建設(shè)管理中發(fā)揮越來越重要的作用。圖2表示的就是高速鐵路建設(shè)工程模塊化的分解與集成過程。

圖2 高速鐵路建設(shè)工程模塊化分解與集成示意

其中建設(shè)單位和設(shè)計單位負(fù)責(zé)制定系統(tǒng)的規(guī)則，并按照規(guī)則進(jìn)行分解，將復(fù)雜的高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)分解為相對簡單的模塊子系統(tǒng)，每個系統(tǒng)再根據(jù)可分性進(jìn)行子模塊劃分，形成高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)模塊體系，簡化了復(fù)雜系統(tǒng)的管理;高速鐵路建設(shè)工程模塊化集成是在不同目標(biāo)約束的前提下將分解的子系統(tǒng)集成為新的高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的還原。

因此，利用模塊化理論對高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)進(jìn)行研究，為高速鐵路建設(shè)工程的有效管理提供新的理論與技術(shù)支持。

5 結(jié)論

模塊化技術(shù)在高速鐵路建設(shè)工程中的應(yīng)用是一種現(xiàn)代先進(jìn)的施工理念，是工程中實施CTO策略的有效手段，在保證質(zhì)量的同時，由于引入平行作業(yè)，極大地縮短了生產(chǎn)工期，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。高速鐵路建設(shè)工程系統(tǒng)通過模塊化分解與集成將復(fù)雜的高速鐵路建設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行了離散化表示，將各種可能出現(xiàn)的高速鐵路建設(shè)方案通過模塊及模塊組合的方式表示出來，為高速鐵路工程建設(shè)管理提供了新思路。

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Application Study on Modularity Technology of Engineering Construction of High-speed Railway

TANG Yuan-ning1，CAI Jun-jun1，ZHOU Fang-ting2
(1.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

High-speed railway project is a typical larger-scale complex construction project in relation to line types with very complicated management system.So the modularity technology used for the construction was discussed in this paper.By summarizing the characteristics of modularized production pattern，and by concluding the development basis of modularized project，the paper put forward the advantages of modularized project.Through the application and analysis on actual cases，it is found that the modularized production has remarkable advantages compared with traditional cast-in-situ mode;with the modularized production the construction project quality can be ensured from the source，and the mass production can be realized.In addition，the discretization expression for the complex high-speed railway system can be achieved through modular decomposition and integration.This study provides a new idea for high-speed railway construction project management by means of module integration.

high-speed railway;engineering construction;modularity;industrialization

U238;N945.1

A

1004-2954(2013)09-0121-04

2013-03-13;

2013-03-21

鐵道部科技研究開發(fā)計劃重點(diǎn)課題《高速鐵路建設(shè)管理關(guān)鍵技術(shù)研究》(2011G010-D);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專題項目《大型復(fù)雜線型工程項目管理關(guān)鍵技術(shù)研究》(SWJTU12ZT12)

唐元寧(1967—)，女，副教授，1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士。