探索工程項(xiàng)目“模塊化”施工之路助推本質(zhì)安全發(fā)展

馬洪艷

中石化第四建設(shè)有限公司 天津 300270

1 模塊化施工的意義

模塊化施工在發(fā)達(dá)國(guó)家中應(yīng)用比較普遍，也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各行各業(yè)普遍關(guān)注的研究課題。模塊化施工的先進(jìn)性在于大量引入模塊作業(yè)，極大地縮短了工期，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于施工安全來(lái)講，模塊化施工中大部分員工集中在預(yù)制場(chǎng)工作，可有效減少風(fēng)險(xiǎn)較大的施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人數(shù)；隨著預(yù)制深度的增加，極大降低了高空作業(yè)、交叉作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

模塊化施工將傳統(tǒng)的施工理念進(jìn)行優(yōu)化，依靠當(dāng)今的先進(jìn)技術(shù)，由局部小模塊到大模塊，逐步實(shí)現(xiàn)最大模塊化。模塊化施工在很大程度上依賴于制造、吊裝、道路、運(yùn)輸、人力、物力、財(cái)力、信息化程度等。依據(jù)中國(guó)石化集團(tuán)對(duì)模塊化施工的總體要求，我公司進(jìn)行了一些有益的探索和嘗試，以新建裝置及主要設(shè)備為重點(diǎn)，認(rèn)真研究模塊化施工方案，以技術(shù)研發(fā)為依托，在工程項(xiàng)目部不斷實(shí)踐和推進(jìn)，目前已在鋼結(jié)構(gòu)、工業(yè)爐、設(shè)備組裝等方面初步實(shí)現(xiàn)了部分模塊化施工,在降低施工現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)、改善公司安全生產(chǎn)環(huán)境方面收到了一定成效。

2 模塊化施工基礎(chǔ)和原則

隨著制造技術(shù)、加工技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展以及相當(dāng)規(guī)模能力的運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備推廣應(yīng)用，模塊化施工技術(shù)具備了發(fā)展的基礎(chǔ)和保證。公司積極創(chuàng)造條件自主研發(fā)設(shè)計(jì),將采購(gòu)與施工深度結(jié)合，并應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)、制造技術(shù)，改變當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的作業(yè)模式，建立制造基地預(yù)制、輻射供應(yīng)的施工組織模式，模塊在工廠預(yù)制、組裝，可做到與現(xiàn)場(chǎng)同步甚至可以提前，保證了流水作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)工廠兩不誤，大幅度提高勞動(dòng)效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、保證工程質(zhì)量，可有效緩解石油化工裝置建設(shè)工期緊、建設(shè)工程實(shí)物量大、勞動(dòng)力緊張、安全風(fēng)險(xiǎn)高等實(shí)際問題。

公司根據(jù)自身的實(shí)際情況，考慮員工技能、資金投入、設(shè)備機(jī)具資源等方面因素，進(jìn)行費(fèi)用分析對(duì)比和統(tǒng)籌規(guī)劃，制訂了如下原則：

（1）優(yōu)先考慮大噸位設(shè)備、設(shè)施的模塊化組裝；

（2）滿足運(yùn)輸條件的設(shè)施、設(shè)備要實(shí)現(xiàn)模塊化；

（3）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大的設(shè)施、設(shè)備盡可能模塊化；

（4）體積大、重量輕的設(shè)施進(jìn)行散件模塊式設(shè)計(jì)和散件模塊安裝。

3 主要做法

模塊化施工是施工組織模式的一種創(chuàng)新，更是管理理念的一次革命，推廣模塊化施工方法，重在實(shí)施。

3.1 成立專門組織機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)組織保證

公司十分重視模塊化建設(shè)技術(shù)研發(fā)和施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。公司成立了領(lǐng)導(dǎo)小組，領(lǐng)導(dǎo)小組下設(shè)專門工作組，公司分管技術(shù)和工程的領(lǐng)導(dǎo)為工作組組長(zhǎng)；成立了以技術(shù)質(zhì)量處為主體的技術(shù)研發(fā)辦公室；以工程管理處為責(zé)任部門的推廣應(yīng)用辦公室；以安全環(huán)保處為主體的督辦辦公室。安全環(huán)保處定期檢查模塊化施工的應(yīng)用情況，定期向領(lǐng)導(dǎo)小組匯報(bào)，并將應(yīng)用情況作為安全考核的重要內(nèi)容之一。項(xiàng)目部在模塊化施工中是公司方案的具體實(shí)踐者。

3.2 技術(shù)研發(fā)是模塊化施工的先決條件

3.2.1 夯實(shí)基礎(chǔ)，組建四個(gè)模塊

經(jīng)過對(duì)煉化工程特點(diǎn)分析，針對(duì)煉化工程施工具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依據(jù)功能、結(jié)構(gòu)層級(jí)分解不同，提出了整個(gè)煉化工程模塊化建設(shè)規(guī)劃，即以結(jié)構(gòu)模塊、建筑模塊、設(shè)備模塊、連接模塊等4個(gè)模塊作為裝置模塊基本組成的煉化工程模塊分解方案。

模塊化制造采取分級(jí)制造方式，一是以制造基地為主的一級(jí)制造，主要進(jìn)行管道、結(jié)構(gòu)、設(shè)備深度加工及功能模塊組成；二是以流動(dòng)工廠形式建設(shè)的二級(jí)制造場(chǎng)，即使用流動(dòng)、組裝式建造設(shè)施在項(xiàng)目建設(shè)地附近或裝置臨近地點(diǎn)建設(shè)一個(gè)“活動(dòng)式”組裝場(chǎng)，將預(yù)制好的結(jié)構(gòu)件、小型設(shè)備、管道以及電儀等工程組件進(jìn)行組裝，組裝成較大的模塊，然后運(yùn)抵安裝位置，使用自卸拖板車或吊裝就位。

圍繞4個(gè)模塊建造，公司編制了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備模塊施工作業(yè)指導(dǎo)書》、《管道預(yù)制作業(yè)指導(dǎo)書》、《電動(dòng)倒鏈應(yīng)用作業(yè)指導(dǎo)書》、《電動(dòng)扳手應(yīng)用作業(yè)指導(dǎo)書》。

3.2.2 信息化為先導(dǎo)，應(yīng)用三個(gè)軟件

在模塊化施工前，需要對(duì)整體工藝流程進(jìn)行拆分。首先拆分為施工單元或者功能區(qū)域、獨(dú)立撬塊等模塊，然后單獨(dú)生成這些模塊的規(guī)格書，包括設(shè)計(jì)圖紙、材料信息、幾何信息等，最后按照模塊的規(guī)格書，完成模塊的施工工作。模塊拆分依賴專業(yè)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成，模塊施工依托于專業(yè)的施工過程管理軟件來(lái)管理。專業(yè)化管理軟件是模塊化施工的一種有效手段和應(yīng)用工具，在模塊化施工過程的各個(gè)環(huán)節(jié)中得到廣泛的應(yīng)用，它為模塊化施工提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，節(jié)約了大量的人力物力。

經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，目前公司的專業(yè)施工管理軟件已經(jīng)發(fā)展為縱向貫穿施工準(zhǔn)備、施工管理、交工驗(yàn)收全項(xiàng)目管理過程，橫向覆蓋安全、質(zhì)量、計(jì)劃、資源、經(jīng)營(yíng)、技術(shù)全項(xiàng)目職能部門專業(yè)施工信息管理系統(tǒng)。以項(xiàng)目管理為核心的專業(yè)施工管理軟件開發(fā)應(yīng)用凸顯了公司管理優(yōu)勢(shì)，其中PDSOFT 管道軟件、管段預(yù)制施工管理軟件和Tekla Structures 鋼結(jié)構(gòu)軟件，可滿足模塊化施工的設(shè)計(jì)功能和施工過程管理功能，這三個(gè)軟件的有效應(yīng)用為順利實(shí)施項(xiàng)目模塊化施工奠定了基礎(chǔ)，起到了至關(guān)重要的支撐作用。

TEKLA 軟件具有三維建模、碰撞校核功能，圖紙、報(bào)表、多用戶操作等詳細(xì)設(shè)計(jì)功能，三維立體既能從視覺上讓施工人員了解到最終的產(chǎn)品形狀、構(gòu)成，又能協(xié)助設(shè)計(jì)單位提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤，減少變更。

PDSOFT 軟件引進(jìn)了IDF 接口軟件，實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)院PDS 或PDMS 軟件的無(wú)縫對(duì)接，生成單線圖和流程圖。

管道施工過程管理軟件，能夠完成預(yù)制安裝的配套管理，技術(shù)管理、質(zhì)量控制、進(jìn)度管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)全過程的信息化控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)、查詢和追溯。

3.3 分步實(shí)施

依據(jù)目前工程建設(shè)實(shí)際情況，我們采取了“積極挖潛、分步實(shí)施”的思路推動(dòng)模塊化施工，重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)模塊、塔（設(shè)備）模塊和連接模塊上做了一些工作，將傳統(tǒng)施工理念進(jìn)行優(yōu)化，大量引入平行作業(yè)，依靠先進(jìn)技術(shù)，將土建、安裝、調(diào)試等工序深度交叉，依賴發(fā)達(dá)的制造技術(shù)、加工技術(shù)與信息技術(shù)和相當(dāng)規(guī)模能力的運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備，滿足大型模塊安全便捷運(yùn)輸與安裝，應(yīng)用施工管理信息化手段，滿足有條不紊的同步管理。

3.3.1 結(jié)構(gòu)模塊實(shí)施及應(yīng)用

我們應(yīng)用Tekla 軟件，提前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖集建模，創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)的立體三維圖形，先完成鋼結(jié)構(gòu)所有型材的搭建，生成型材材料清單，為現(xiàn)場(chǎng)施工備料提供依據(jù)。實(shí)施過程主要包括軟件模型、集中下料、集中預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)上組對(duì)，鋼結(jié)構(gòu)成平臺(tái)（鋼格柵安裝）、組裝（包括一梁一柱整體吊裝），分層施工（管道一層、結(jié)構(gòu)一層，避免穿管），整體吊裝。

鋼格柵地面安裝、成片成框吊裝，大大減少鋼格柵作業(yè)高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)。在公司2012年承建的燕山石化15萬(wàn)t/ a 碳五分離裝置施工中，采用成片、成框的鋼結(jié)構(gòu)安裝方法比傳統(tǒng)的施工方法效率大幅提高，不但成框施工焊縫高空作業(yè)比成大片減少18%，對(duì)架設(shè)依賴性減少60%，極大降低冬季高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)因素，而且機(jī)械費(fèi)也大幅度降低。

3.3.2 塔（靜設(shè)備）模塊化實(shí)施及應(yīng)用

隨著公司裝備實(shí)力的提升，大型設(shè)備在地面進(jìn)行勞動(dòng)保護(hù)、工藝管線、儀表線路、燈具、保溫、設(shè)備內(nèi)件等全部安裝，再進(jìn)行整體吊裝，做到“塔起燈亮”。大量工作在地面完成，一方面塔的安裝由特級(jí)高處作業(yè)變成5m 以下的高處作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大幅降低；另一方面又減少了密閉空間作業(yè)及交叉作業(yè)，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，而且工程質(zhì)量控制能力同時(shí)得到提升。

實(shí)例1：北京燕化15萬(wàn)t/ a 碳五分離裝置塔整體吊裝

北京燕化15萬(wàn)t/ a 碳五分離裝置及配套設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)17 具塔采用臥式組對(duì)，在地面完成平臺(tái)安裝、水壓試驗(yàn)、附塔線安裝、電器儀表安裝、保溫安裝，最后整體吊裝的模塊化施工方法，勞動(dòng)保護(hù)、照明都在預(yù)制場(chǎng)完成，架設(shè)量大量減少，原來(lái)需要在現(xiàn)場(chǎng)高空完成的電氣、保溫等作業(yè)隨之大幅降低，員工的交叉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。“塔起燈亮”，減少了高空作業(yè)，提高了勞動(dòng)效率，縮短了工期。

實(shí)例2：寧夏500萬(wàn)t/ a 常壓蒸餾裝置常壓爐模塊化施工

公司承建的寧夏500萬(wàn)t/ a 常壓蒸餾裝置常壓爐，采用了模塊化設(shè)計(jì)、制造、安裝。常壓爐主體金屬總重約579.122 t（不含梯子平臺(tái)、煙囪、預(yù)熱回收系統(tǒng)），通過模塊化設(shè)計(jì)可進(jìn)行工廠模塊化制造的金屬總重近80%，工廠模塊化制造深度較大，爐體鋼結(jié)構(gòu)為方便運(yùn)輸和裝卸，分化為幾個(gè)模塊。爐底、爐頂、輻射段墻體各模塊到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，先在地面上進(jìn)行預(yù)組裝，連成整片后再進(jìn)行吊裝。對(duì)流段模塊預(yù)制程度最高，整體模塊分四塊，現(xiàn)場(chǎng)僅對(duì)整體模塊進(jìn)行安裝。常壓爐模塊間的連接方式主要為螺栓等緊固件連接，采取積木式組對(duì)、安裝，安裝單次最大起吊重量約為64t，相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)建造模式顯著縮短了現(xiàn)場(chǎng)安裝工期，現(xiàn)場(chǎng)占用場(chǎng)地面積小，大幅減少了起重機(jī)械臺(tái)班使用數(shù)量和腳手架搭設(shè)工作量，減少了進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和高處作業(yè)人數(shù)。常壓爐采用模塊化制安模式在現(xiàn)場(chǎng)安裝階段實(shí)際僅用117個(gè)有效工作日即完成安裝、襯里及烘爐，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)建造模式完成等同工作通常需要7個(gè)月左右的工期。

3.3.3 連接模塊模塊化實(shí)施應(yīng)用

公司重點(diǎn)在管道模塊的建造和管廊管道電動(dòng)化安裝方面進(jìn)行了嘗試。管道深度預(yù)制是模塊化施工的基礎(chǔ)，以管理軟件及全自動(dòng)焊機(jī)為核心，以專業(yè)施工管理軟件為手段，管道模塊建造采取了“工序分解、流水作業(yè)、體系封閉、成品出廠”的管理組織模式以及“焊接方式以自動(dòng)化為主、物流方式以輸送軌道為主、設(shè)備工裝以移動(dòng)式為主”的施工組織模式，體現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量、低成本、低安全風(fēng)險(xiǎn)。

公司在天津一體化、武漢煉油和乙烯、沙特延布加氫裂化等30 多個(gè)系統(tǒng)內(nèi)大中型項(xiàng)目，以及漳州騰龍、大唐阜新等十幾個(gè)系統(tǒng)外項(xiàng)目中成功實(shí)施了管道工廠化預(yù)制模式，為模塊化施工奠定了基礎(chǔ)，減少了進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人數(shù)，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，深受業(yè)主及相關(guān)單位的認(rèn)可和好評(píng)。

在燕化碳五分離裝置，管線施工實(shí)施流水作業(yè)、分類實(shí)施、深度預(yù)制。4in. 以上管線55d 預(yù)制24380in.D , 預(yù)制深度達(dá)48.3%；4in.以下預(yù)制完成40000in.D，預(yù)制深度57%，每名焊工平均日完成預(yù)制量達(dá)55in.D。

2008 ～2013 年，公司近6年裝置管道總體制造率逐年增大，目前已達(dá)41.2%左右，從人數(shù)變化來(lái)看，2008年完成每萬(wàn)in.D月需人數(shù)77 人，2013年遞減到53 人，比2008年顯著遞減了31%。

在管廊管道安裝時(shí)，采用自行設(shè)計(jì)的安裝工裝，工裝由垂直提升、對(duì)口平臺(tái)、水平運(yùn)輸三個(gè)部分組成。利用電動(dòng)葫蘆及配套軌道進(jìn)行垂直提升，減少吊車使用，對(duì)口時(shí)集中使用安裝平臺(tái)，減少硬隔離需要，水平運(yùn)輸時(shí)，使用穿管器，減少了高空落物風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)施效果

公司以新建裝置及主要設(shè)備為重點(diǎn)，以技術(shù)研發(fā)為依托，已在鋼結(jié)構(gòu)、工業(yè)爐、設(shè)備組裝等方面初步實(shí)現(xiàn)了部分模塊化施工, 大量工作在地面完成，其實(shí)施效果就安全生產(chǎn)方面而言，可用四減少、四提高來(lái)概括：減少用工人數(shù)，提高施工效率；減少高空作業(yè)，提高監(jiān)管力度；減少技能需要，提高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力；減少設(shè)施用量，提高安全系數(shù)。舉一實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明：

2012 年，公司承擔(dān)燕山石化15萬(wàn)t/ a 碳五分離裝置施工，有效日歷工期僅為170d，工期緊、任務(wù)重；主要工程量為塔18具、鋼結(jié)構(gòu)2905t、管道50km/ 12.1萬(wàn)in.D、設(shè)備273 臺(tái)、電儀電纜300 km、燈具1100 套；施工場(chǎng)地狹小，設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工同步推進(jìn)，冬季施工及節(jié)假日資源組織更增加了施工難度。

公司及項(xiàng)目管理者多次分析工程特點(diǎn)，反復(fù)討論并制定一系列提高生產(chǎn)效率的措施，形成了最終的加大預(yù)制深度、模塊化施工組織的思路。在施工方案上主要采取17 具塔整體吊裝、主體結(jié)構(gòu)成框、成片、成平臺(tái)吊裝、管廊管道與平臺(tái)分層安裝、小口徑管道的流水作業(yè)、深度預(yù)制及“搭積木”安裝、儀表管道的二次設(shè)計(jì)。準(zhǔn)確地說(shuō)，碳五裝置施工方法是采取了模塊化施工的思路，距離真正意義上的模塊化施工尚存在很大的差距，但已經(jīng)讓我們感受到了其在降低施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、推進(jìn)本質(zhì)安全進(jìn)程方面的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

(1) 作業(yè)人數(shù)減少：塔整體吊裝中架設(shè)人員約減少60%，保溫人數(shù)約減少40%，鋼結(jié)構(gòu)成片、成框、成平臺(tái)人員減少20%。

(2) 高空工作量減少：特別是鋼格柵安裝近幾年發(fā)生事故較多，碳五裝置框架共有鋼格柵5000m2，采用平臺(tái)組片安裝38 片共計(jì)完成2400m2，減少48%高空鋪設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)框架安裝焊道延長(zhǎng)米132m，在8m 高空焊接31m，占焊道總量的23%。傳統(tǒng)安裝方法高空焊道延長(zhǎng)71m，占焊道總量的53%。高空作業(yè)量減少的同時(shí)，也方便了安全、質(zhì)量的監(jiān)督管理。

(3) 作業(yè)高度降低：鋼結(jié)構(gòu)施工最高在24m 高空，采用模塊化施工降到8m 以下。塔的安裝（包括組對(duì)、焊接、安裝勞動(dòng)保護(hù)、工藝管道、防腐保溫等）由最高的67m，全部變?yōu)?m 以下完成。

(4) 架設(shè)材料減少：塔整體安裝節(jié)省架設(shè)材料約80%，鋼結(jié)構(gòu)安裝節(jié)省架設(shè)50%。

(5) 施工尾項(xiàng)少、零星高空作業(yè)少：主要體現(xiàn)在塔的整體吊裝、鋼結(jié)構(gòu)成框吊裝的結(jié)果是減少漏焊、補(bǔ)漆等常規(guī)高空施工尾項(xiàng)。

(6) 吊裝作業(yè)范圍?。耗K化施工場(chǎng)地占用小，高度降低，吊裝時(shí)的作業(yè)范圍小，容易有效地控制危險(xiǎn)源。

(7) 交叉作業(yè)少：主要表現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)成框安裝施工中。

(8) 現(xiàn)場(chǎng)正式照明提前投用，不但滿足夜間作業(yè)安全需要，而且避免了臨時(shí)用電帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

(9) 項(xiàng)目施工使用了大量的電動(dòng)工具代替人工，應(yīng)用了仿形切割機(jī)、電動(dòng)倒鏈、電動(dòng)扳手、半自動(dòng)切割機(jī)、墊鐵加工機(jī)、檢修吊臂，地牛，充電式手槍鉆、電動(dòng)液壓溝槽機(jī)等10 多種電動(dòng)工具，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為施工增加了安全系數(shù)。

公司歷經(jīng)3年實(shí)施模塊化施工方法的探索和實(shí)踐證明，模塊化施工是一種先進(jìn)的施工理念，是現(xiàn)代化施工的方向。在項(xiàng)目執(zhí)行中實(shí)施模塊化施工，是施工企業(yè)安全管理邁向本質(zhì)安全的重要一步，也是施工企業(yè)有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)的可行之舉。公司實(shí)施并推進(jìn)模塊化，對(duì)煉化工程建設(shè)領(lǐng)域的工程安全管理做出了有益探索。