如何提高模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制水平

陳英杰 張寶生

中國石油大學(xué)(北京)工商管理學(xué)院, 北京 102249

0 前言

模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制,即在工廠內(nèi)完成模塊化裝置的建造及單機試運等工作,預(yù)制內(nèi)容涉及結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備、電、儀表、防腐等專業(yè)。模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制具有以下優(yōu)點:施工條件相對較好,安全性高;整體施工質(zhì)量優(yōu)于現(xiàn)場;趕工加班靈活,工期優(yōu)勢明顯;充分利用(國內(nèi))工廠勞動力和資源優(yōu)勢節(jié)約成本;現(xiàn)場復(fù)裝簡單,施工周期大幅縮短。所以模塊化裝置工廠化預(yù)制越來越廣泛,海內(nèi)外工程項目越來越多采取這種建設(shè)模式[1-3]。

模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制改變了傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工方式,大量預(yù)制工作在工廠完成,減小了現(xiàn)場的施工量。如何從設(shè)計的角度提高模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制水平,需從三方面進行優(yōu)化和提高:影響預(yù)制水平的設(shè)計手段、設(shè)計深度、設(shè)計準確性和設(shè)計方法等[4-5];設(shè)計觀念的轉(zhuǎn)變,即工廠需要做怎樣的預(yù)制,設(shè)計就該做怎樣的設(shè)計;設(shè)計文件、采購物資、文檔共享和項目管理對模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制的影響[6-8]。

1 模塊化設(shè)計

1.1 模塊化設(shè)計手段

模塊化詳細設(shè)計階段,采用SmartPlant 3D或Plant Design Management System(PDMS)軟件完成智能PID,實現(xiàn)全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計。

配管專業(yè)采用三維設(shè)計主流的PDMS軟件,該軟件具有強大的數(shù)據(jù)庫及信息管理功能,可以實現(xiàn)可見及可得的1∶1三維實體尺寸,工廠化預(yù)制也可借助于PDMS軟件進行二次開發(fā),直接讀取三維數(shù)據(jù),應(yīng)用于工程加工設(shè)計和施工。

結(jié)構(gòu)專業(yè)采用TEKLA軟件,提高開料的準確性和全面性,在進行節(jié)點建模的同時,完善設(shè)計深度,對相應(yīng)配件、緊固件等給出規(guī)格和數(shù)量并列入材料清單,通過對每個細節(jié)的把控,確保設(shè)計精度[9]。

其他設(shè)計專業(yè)(如自控、電氣專業(yè)等)，在模塊化三維設(shè)計詳細設(shè)計階段加強協(xié)同設(shè)計,進一步完善各部件安裝設(shè)計,確保工廠化預(yù)制順利實施。

1.2 模塊化設(shè)計深度

為提高工廠化預(yù)制水平,施工圖文件中,各專業(yè)設(shè)計文件應(yīng)有深度,不僅要有施工技術(shù)要求,以及施工所需標準、規(guī)范、圖紙等,同時應(yīng)提供詳細的施工參數(shù),施工程序等,例如:管道預(yù)制程序、管道試壓程序、螺栓擰緊程序、結(jié)構(gòu)預(yù)制程序,結(jié)構(gòu)組裝程序等?，F(xiàn)場和工廠施工界面也應(yīng)體現(xiàn)在設(shè)計文件中,從而提高預(yù)制深度和精度。

1.2.1 管道布置專業(yè)

2)根據(jù)已有圖紙完成設(shè)備三維模型設(shè)計,無外形圖或只有參考尺寸設(shè)備,模型建立后需標記備注,以便后期修改設(shè)備模型。

3)管道布置時應(yīng)充分考慮儀電橋架、接線箱、控制柜的占位及檢維修空間。

4)管道布置專業(yè)負責進行管道與其他專業(yè)(結(jié)構(gòu)、電氣、儀表專業(yè))之間的碰撞檢查。

5)不隨模塊一起運輸需拆卸的管道,提前策劃管道預(yù)制深度,以及管道與管道、管道與結(jié)構(gòu)之間拆分和復(fù)裝順序。

6)管道穿鋼格柵板,開孔≥DN 100時,需要提前將格柵板開孔圖發(fā)給結(jié)構(gòu)專業(yè),以便對格柵板進行可拆分設(shè)計。

7)編制黃金焊口、管道防護等規(guī)定,避免管道在模塊上重復(fù)安裝和拆卸。

1.2.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)

1)結(jié)構(gòu)專業(yè)可以在項目PDMS軟件中進行建模,也可以通過外部軟件(如TEKLA軟件)建模然后導(dǎo)入到項目的設(shè)計平臺,需要保證PDMS平臺內(nèi)的模型與圖紙的版次保持一致。

2)對于焊接在鋼結(jié)構(gòu)上的管道支撐,盡量保證與結(jié)構(gòu)框架一起出圖,以確保與結(jié)構(gòu)框架一起預(yù)制,避免破壞油漆。

3)對相應(yīng)配件、緊固件等進行詳細設(shè)計,規(guī)格、數(shù)量列入材料清單。

1.2.3 自控專業(yè)

1)自控專業(yè)應(yīng)在EDS的協(xié)助下開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。

2)自控專業(yè)應(yīng)與管道布置專業(yè)共同完成電纜橋架(包括分支電纜橋架)的三維布置設(shè)計。

3)工藝管道或設(shè)備上直接安裝的溫度/壓力檢測儀表、流量計、液位計、控制閥、分析小屋的三維布置設(shè)計,由管道布置專業(yè)完成,自控專業(yè)確認安裝方位及高度是否合理,其他儀表的安裝和布置由自控專業(yè)完成。

4)接線箱、電纜保護管及電纜的三維布置設(shè)計。

1.2.4 電力專業(yè)

1)在EDS的協(xié)助下建立電力專業(yè)三維設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2)根據(jù)管道布置專業(yè)規(guī)劃的路徑,負責電纜橋架的三維布置詳細設(shè)計。

3)完成工藝管架、平臺照明布置,配電箱、操作柱等電氣設(shè)備的布置。

4)根據(jù)項目實施情況,開展電纜敷設(shè)及電纜保護管的三維設(shè)計,所有電纜統(tǒng)一規(guī)劃布置。

1.3 模塊化設(shè)計準確性

各專業(yè)在詳細設(shè)計階段應(yīng)確保各設(shè)備、材料的屬性準確性。

1.3.1 管道布置專業(yè)

反應(yīng)器:反應(yīng)器外形、關(guān)鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳、保溫。

容器:容器外形、關(guān)鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳。

換熱器:換熱器外形、關(guān)鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、換熱管束檢修空間、保溫。

貯罐:貯罐外形、關(guān)鍵工藝管嘴和人孔、一般管嘴、直梯、平臺、斜爬梯、保溫。

過濾器:過濾器外形/直梯、平臺、斜爬梯、用于吊裝的高位吊桿、吊耳、內(nèi)件拆除的檢修空間、快開盲板。

動設(shè)備:帶有主要管嘴的設(shè)備外形、連接管嘴(輔助管線接口)、就地盤、開關(guān)等、應(yīng)急件或備用件的外形、防護罩、檢修空間、機組內(nèi)供貨商提供的管道。

管道:主工藝管線、一般工藝管線、公用工程管道、容器排凈放空(包括儀表)、取樣管、泵排凈管、儀表排凈管、工藝排凈管、低點放凈、蒸汽和導(dǎo)熱油伴熱、儀表空氣、氮氣、蒸汽及冷凝水回流分配管、消防管、加熱爐周圍的燃料油管線、管道儀表、噴淋冷卻水管道及噴頭、罐上的泡沫管線和噴頭、支撐。

管件:特殊管件(比如過濾器)、取樣冷卻器、膨脹節(jié)、閥門延伸桿、普通管道支撐、特殊支架、儀表管口。

拆分設(shè)計:模塊拆分點、可拆卸臨時支架的設(shè)置。

1.3.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)

框架平臺和系統(tǒng)管廊: 框架平臺及系統(tǒng)管廊上部結(jié)構(gòu)、垂直支撐、直梯、斜梯、其他鋼結(jié)構(gòu)包括鋼結(jié)構(gòu)支架、框架平臺及系統(tǒng)管廊基礎(chǔ)、開孔等其他小項、吊裝(檢修)梁(若需要);拆分設(shè)計:模塊結(jié)構(gòu)、臨時立柱、臨時梁、模塊拆分點、結(jié)構(gòu)吊裝點。

1.3.3 自控專業(yè)

主電纜及分支電纜橋架外形、接線箱、現(xiàn)場分析儀、流量計、控制閥、開關(guān)閥、液位儀表、溫度、壓力等其他儀表、分支電纜、主電纜、穿線管、可燃氣體探測、火焰探測、按鈕和報警器。

1.3.4 電力專業(yè)

主要電纜橋架外形、分支橋架外形、電纜敷設(shè)、穿線管、照明設(shè)施、光源、燈桿、操作柱,插銷等及其支架、特殊照明(高燈桿)、接線箱、配電柜。

1.4 模塊化設(shè)計方法

1.4.1 模塊化三維設(shè)計方法

通過三維模型的全真實景模擬設(shè)計的方法,有效指導(dǎo)模塊的碰撞檢查、檢維修設(shè)計、安全通道設(shè)計、人體工學(xué)設(shè)計,提供后續(xù)開展的預(yù)制、拆分、包裝、運輸、裝卸和現(xiàn)場吊裝、組裝方案。采取多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的方法,將設(shè)備、管道、電儀、鋼結(jié)構(gòu)、絕熱及防腐等一體化集成,確保滿足精準化預(yù)制、精細化安裝的要求[10]。

采用云技術(shù),實現(xiàn)多專業(yè)異地三維協(xié)同設(shè)計、預(yù)制工廠和其他參建單位的異地協(xié)同溝通。通過數(shù)字化三維模型,使數(shù)字化工廠提高設(shè)計與預(yù)制的整體效能。同時為運營單位建立數(shù)字化工廠全生命周期管理平臺，提供數(shù)字化資產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。

1.4.2 模塊總體布局設(shè)計方法

結(jié)合工藝流程做好模塊布局和劃分原則,根據(jù)操作特性相近和方便性,綜合考慮模塊化裝置的構(gòu)成,根據(jù)各單元裝置工藝特點做好模塊化設(shè)備布置。如:模塊中電儀設(shè)備、電纜橋架等應(yīng)與工藝設(shè)備及管道協(xié)調(diào)布置,操作維護方便,整齊美觀。

1.4.3 模塊劃分設(shè)計方法

模塊劃分設(shè)計應(yīng)結(jié)合工藝流程和操作要求,經(jīng)濟的運輸限制條件和路徑,設(shè)備和管道布置情況,以及現(xiàn)場機具吊裝能力等。

1.4.4 模塊鋼結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)整體性的優(yōu)化設(shè)計,既需減少用鋼總量,又需保證模塊化裝置的整體安全穩(wěn)定性;減少鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的種類,簡化混凝土基礎(chǔ)施工,提高土建施工速度。如:模塊鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后,為避免模塊在吊裝中發(fā)生變形,需采用必要的附加安全措施,增加臨時梁柱,這些均應(yīng)在模塊鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時整體考慮。

1.4.5 模塊拆分與復(fù)裝設(shè)計方法

說明裝置整體情況及安裝內(nèi)容,確定拆分點的方式和方法,明確管道、鋼結(jié)構(gòu)、儀表等復(fù)裝順序,提出吊裝要求與專用工具[11]。

1.4.6 模塊安全穩(wěn)定性評估方法

根據(jù)生產(chǎn)和操作需求,對模塊化裝置尤其多層結(jié)構(gòu)的通道和安全撤離路線進行統(tǒng)一設(shè)計;根據(jù)HAZOP分析結(jié)果做好模塊化裝置的安全布局設(shè)計;進行結(jié)構(gòu)、管系、模塊運輸整體安全穩(wěn)定性分析。

2 模塊化設(shè)計原則

2.1 基本原則

2.1.1 減少現(xiàn)場復(fù)位安裝工作量

模塊化工廠預(yù)制的主要目的就是盡最大可能減少現(xiàn)場復(fù)位安裝的工作量,應(yīng)完成每個單體模塊內(nèi)部的配管、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、自控、電氣的全部建造及調(diào)試工作?，F(xiàn)場復(fù)裝工作包括鋼結(jié)構(gòu)(梯子、平臺等)安裝、單體模塊的安裝、自控設(shè)備及電纜的復(fù)位安裝、電氣設(shè)備及電纜的復(fù)位安裝、單體模塊間的鋼結(jié)構(gòu)、管道連接以及保溫、電伴熱、防火涂料等施工[12]。

模塊化工廠預(yù)制時應(yīng)最大化地將現(xiàn)場建設(shè)模式的工作量在建造廠內(nèi)完成,除完成安裝工作,還應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道的防腐工作,自控、電氣的接線、調(diào)試工作。

2.1.2 模塊化裝置運輸條件

模塊化裝置預(yù)制需滿足“運得走”的要求,根據(jù)項目所在地策劃模塊化裝置的運輸方案,負責模塊化裝置運輸?shù)某羞\方在項目最初階段就應(yīng)對運輸路線進行調(diào)研,確定海運、河運、鐵路運輸，還是公路運輸,在詳細的運輸方案中提出每個單體模塊的極限尺寸和重量要求。

2.2 設(shè)計原則

在方案設(shè)計、初步設(shè)計及詳細設(shè)計階段,模塊化裝置涉及的各設(shè)計專業(yè)應(yīng)充分考慮減少現(xiàn)場復(fù)位安裝工作量和模塊化裝置運輸條件的需求[13]。

工藝、管道布置、結(jié)構(gòu)專業(yè)在模塊化裝置方案策劃中應(yīng)體現(xiàn)主體作用,在初步設(shè)計階段應(yīng)對主要工藝設(shè)備、工藝管線及主體鋼結(jié)構(gòu)進行綜合考慮,來滿足減少現(xiàn)場復(fù)位安裝工作量和模塊化裝置運輸條件的需求,根據(jù)功能及運輸限制條件將單元模塊拆分為單體模塊。

工藝專業(yè)在對工藝設(shè)備選型時,應(yīng)盡量考慮選用臥式設(shè)備,可減少模塊化裝置工廠預(yù)制后的拆卸工作量、運輸工作量及項目建設(shè)地的吊裝工作量。

管道布置專業(yè)應(yīng)充分考慮單體模塊邊界的管道拆分,合理的布置拆分法蘭,對拆分法蘭進行標示;在單管圖中標示每個焊縫位置及編號、標示工廠內(nèi)預(yù)制焊縫及現(xiàn)場焊縫。

結(jié)構(gòu)專業(yè)在單體模塊連接節(jié)點應(yīng)盡量使用拆分、復(fù)裝工作量較少的節(jié)點方式;對鋼結(jié)構(gòu)的固定梁柱、臨時梁柱進行標示;對設(shè)備和管道的支持形式、要求進行統(tǒng)一考慮;對單體模塊的包裝、運輸、吊裝需求進行設(shè)計;對平臺上可拆卸格柵板劃分進行設(shè)計。

自控、電氣專業(yè)應(yīng)根據(jù)單體模塊的劃分界限和范圍,充分考慮每個單體模塊內(nèi)的電纜鋪設(shè)路由。在每個單體模塊內(nèi)設(shè)計相應(yīng)的接線箱,并在出廠前完成儀表和接線箱的電纜鋪設(shè)和調(diào)試工作，運輸時盡量不拆卸單體模塊內(nèi)的自控、電氣設(shè)備及電纜。

加工圖設(shè)計必須與建造方案和各個工序工作包相契合,首先,加工設(shè)計順序必須滿足模塊建造的順序,按照模塊建造順序及時給出圖紙和材料;其次,加工設(shè)計深度必須滿足工作包要求,按照工作包進行結(jié)構(gòu)片分層和管道分段。同一模塊的不同管道,儀表、電氣等專業(yè)工作包配套的支撐必須包含在相應(yīng)工作包中,以便提前開展預(yù)制和安裝工作,減少后期動火作業(yè)和補漆工作量。

3 模塊化建設(shè)項目管理

3.1 設(shè)計文件

模塊化建設(shè)的工廠化預(yù)制宜結(jié)合“邊設(shè)計、邊采購、邊建造”的思路,最大限度地縮短建設(shè)工期,因此對設(shè)計文件成果的提交進度要有合理有效的進度要求。

詳細設(shè)計階段,工藝、設(shè)備、自控、電氣等專業(yè)的長周期設(shè)備，關(guān)鍵設(shè)備的圖紙、技術(shù)規(guī)格書及數(shù)據(jù)單等采購文件應(yīng)最先提交,實施采購,且要求各供貨商立即返回相關(guān)資料,為后期設(shè)計提供設(shè)計輸入條件。

工藝、自控、電氣、結(jié)構(gòu)、管道布置、管道材料等各專業(yè)的設(shè)備表、材料表及技術(shù)規(guī)格書數(shù)據(jù)表。

對于模塊化裝置預(yù)制的先后順序,圖紙?zhí)峤豁樞驗?鋼結(jié)構(gòu)施工圖、模塊平豎面布置圖、單管圖、自控施工圖、電氣施工圖。

3.2 采購物資

采購物資的到貨順序?qū)δK化裝置預(yù)制的進度有很大影響[14-15],各專業(yè)物資應(yīng)按以下順序安排采購物資到貨時間:

1)鋼結(jié)構(gòu)型材、輔材、防腐材料。

2)管道、管件、法蘭,防腐材料等。

3)工藝設(shè)備,如:塔、反應(yīng)器、容器、換熱器、貯罐、過濾器、動設(shè)備等。

4)工藝閥門、自控閥門(切斷閥、調(diào)節(jié)閥)、流量計等。

5)自控設(shè)備材料,如接線箱、現(xiàn)場分析儀、液位儀表、溫度、壓力等其他儀表、電纜橋架、電纜、穿線管、可燃氣體探測、火焰探測、按鈕和報警器等。

6)電氣設(shè)備材料,如接線箱、配電柜、穿線管、照明設(shè)施、光源、燈桿、操作柱,電纜橋架、電纜等。

3.3 文件共享和管理

三維設(shè)計的三維模型、圖紙等要給施工單位開通適當?shù)臋?quán)限,與施工單位共享文檔,讓施工單位可以提前參與三維模型的加工設(shè)計和三維審查,反饋三維設(shè)計存在問題。同時,設(shè)計人員完成設(shè)計后,文控要及時更新和分享文檔狀態(tài),施工單位可以第一時間得知文檔狀態(tài),及時下載施工圖紙,縮短出圖時間。

4 結(jié)論

模塊化建設(shè)是一個系統(tǒng)工程,涉及到各個專業(yè)的深度交叉和各個部門的緊密配合,項目運行的各個方面都會對模塊化建設(shè)的工廠預(yù)制水平產(chǎn)生影響。模塊化設(shè)計手段、設(shè)計深度、設(shè)計準確性、設(shè)計方法、設(shè)計理念等直接決定模塊化的預(yù)制水平,模塊化建設(shè)的項目管理是項目成功實施的保障,決定是否可以滿足預(yù)制的條件,只有不斷提升各個方面的專業(yè)能力,才能進一步提高模塊化建設(shè)工廠化預(yù)制水平,提高模塊化建設(shè)的優(yōu)勢。