模块化施工在建筑工程中的应用及理论分析

郭建新

摘 要：模块化施工是一种新技术和施工方法，它能够有效的降低施工阶段的时间，减轻工人的操作强度，同时促进生产力的提高。以新喀里多尼亚镍矿项目为典型，对现场施工阶段模块化施工进行分析，并提出见解，以供同行参考。

关键词：模块化施工 变电站 电气

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-018-02

1 前言

新喀里多尼亚镍矿项目是世界上第一个采用模块化建造的集成冶炼装置，采用异地建造，异地组装的模式，它先进、高效、新颖、独特的安装方法令人耳目一新。与传统的施工方法相比，该项目采用了模块化施工。整个镍矿项目模块化施工不只是冶炼装置，还有部分皮带廊、管廊、变电站、电气房、土建基础和墙体等都采用模块化施工。

模块化施工是一种先进的设计理念，它的最大优点是可以实现平行施工，并通过减少在现场的施工量而缩短整个项目的建设工期。同时，采用模块化后，大量的施工工作在制造工厂完成，不仅能够降低施工难度，还能够便于检查，更好的保证施工质量。

2 模块化介绍

2.1 模块的定义

本文中的模块是指由材料和设备部件组装而成的组合体。工厂制作后模块作为一个整体单元，方便和加速了现场的建造。各个模块可以同时开始制作，避免了在其最终位置进行过多的工作，同时也允许项目在前期准备阶段开始作业。为了从施工的角度对模块进行分析和研究，将镍矿项目中的模块分为四类：大型结构模块、小型结构模块、电气模块、土建模块。大型结构模块主要由钢结构组成，内部包含设备、管道、电气、仪表等各专业设施，是一个极其复杂的综合体，冶炼装置主要由大型结构模块组成。小型结构模块由各种型钢连接而成，制作比较简单，尺寸和体积大小不一，典型代表为管廊、皮带廊等。电气模块主要指变电站和电气房模块，一个变电站模块和一个电气房模块，内部含有各种高低压盘柜及配套设备。土建模块由混凝土和内部的钢筋构成，现场使用的各种土建基础和墙体都要用到它。

2.2 大型结构模块

镍矿项目的冶炼装置是镍矿项目最主要的装置之一，由多个大型结构模块组成。多个大型模块各自作为一个单元可以在工厂同时建造，然后运输到现场，利用大型起重设施安装到各个位置，最后完成各个结构模块之间的连接。大型结构模块体积都比较庞大，重量大都超过1000吨，最大的甚至有3000多吨，不太容易吊装，需要由专门的吊装公司来进行。大型结构模块在建造时需要有较高的精度和质量。一般情况大型结构模块需要设计成带有自我支撑钢结构形式，利于模块的存放和运输。

2.3 小型结构模块

小型结构模块用在镍矿项目的所有管廊结构和部分皮带廊结构，由各种型钢焊接连接而成，内部根据需要含有部分管道和桥架，制作较为简单。其重量相对较小，一般都不超过20吨，运输和吊装相对比较容易。小型结构模块在工厂预制，完成后运输到现场进行安装，取代了传统的现场安装模式，减少了现场大量的吊装作业，同时也减少了现场工作量。国内在此方面有较成熟的制作、运输、吊装技术和经验。

2.4 电气模块

电气模块是特殊的模块，主要是指变电站和电气房模块，镍矿项目的变电站和电气房均采用模块化施工方法。模块化变电站和电气房提出了一种变电站和电气房建设的新模式，它是将变电站及电气房内各种高低压开关及配套设备集中在一个钢结构做成的房间内，作为一个电气模块在工厂内建造，现场达到安装条件后，运输到现场就可以快速的进行安装，与传统的变电站和电气房全部在现场施工不同。

2.5 土建模块

土建模块指由混凝土和内部的钢筋构成各种基础和墙体，该部分材料在工厂预制，运输到现场定位安装，在其他专业设备结构等安装完成后，然后进行二次灌浆，完成最终的土建工作。其目的是减少传统的现场钢筋绑扎和模板材料支设。在项目立项后准备阶段，土建模块预制就可以开始，一旦现场达到条件，土建作业就可以快速的开展。镍矿项目的土建模块主要应用在设备结构等基础和变压器围墙，该部分体积和重量都比较小，安装较为容易。

3 模块化施工设计及管理

3.1 模块化的设计理念

随着经济全球化和科学技术的快速发展，工程建设项目的规模越来越多，工程内容越来越复杂。大型复杂项目一般都具有规模大、工期长、结构复杂等特点，项目往往是由多项目组成的，或存在多个项目同时运行的情况。模块化设计的方法可以有效提高项目管理水平，能够化解大型复杂项目完成难度大、复杂性高的问题。

镍矿项目的模块化设计是将主要系统，包括它们的电气系统和部分土建结构，根据其组成的特点，切割成若干可以在工厂中进行加工制造的模块，如结构模块，机械模块、电气房模块、土建模块等，将这些模块在工厂完成预制，然后利用工具将其运抵现场，实施安装。

可以看出，模块化施工其实就是模块设计，模块预制，模块安装的过程。模块设计是龙头，要解决模块规模合理、划分适当、接口准确等问题。利用计算机三维数字的精确设计、精确定位以及方便切块组合的优势，可以将模块切割得很大，切割得很准，并成功解决模块和模块之间接口精确的问题，最大可能地实现模块化制造，模块化施工。

3.2 进度控制

在模块化设计的基础上，镍矿项目采用模块化施工。在立项批准后，建设单位就可以找到有生产能力的工厂签订合同，不同的工厂就可开始不同种模块预制建造工作。同时现场可开始地质勘测和挖掘工作，多种工作平行作业。

在现场部分挖掘完成，需要现场就位的土建模块预制和运输工作也完成了。以此类推，整个项目的进度由于有采用多种工作同时平行实施，施工现场只余下构件吊装、节点处理等，整个进度得到很大的提高。

同时，对资源的投入来说也很有利，因为模块化使资源的投入更扁平化，减少了高峰期资源的投入，对计划编排和执行更有利。

平行作业也会带来进度相互匹配的问题，必须将模块的场外预制进度和工程施工进度综合考虑，由于模块预制安装和现场施工活动的深度交叉，如果不能解决好这两者之间的关系，模块化将变成对整个建造工期延误的因素。

3.3 质量控制

模块化施工将原来在建造环境较差的工作，尤其是高空作业和密闭环境的作业，转移到环境较好的车间里。这样极大的改造了工作环境，对施工质量（产品质量）的改善提供了条件。

原来现场施工的大部分工作改变为工厂施工，相应的质量控制也发生改变，将施工质量的控制变为工厂产品质量的控制，必须通过质量计划等手段加强车间生产质量控制。

另一方面，模块化概念决定了模块的质量要求也是很高的，由于模块化施工增加了接口，包括模块内管道、钢结构、电气桥架、土建等之间的接口，如果车间预制精度不够，在施工现场很难调整，保证施工质量。

解决这个问题，镍矿项目在设计时已经有所考虑，就是整个现场每个点都有三位坐标，现场还有多个坐标基准点，其他的定位都是以它们来作为参考点，通过全站仪测量设备的应用，解决了这个问题，同时在制造过程中必须按照程序和图纸加工制作，可以最大程度的提高产品质量，解决模块和模块，模块和非模块物间接口问题。

3.4 工程施工管理方面

镍矿项目采用模块化施工后，大量的作业改在工厂进行，扩大了工厂作业范围；模块安装的逻辑性、严密性要求施工计划必须更准确，施工进度必须更准时，增加了施工管理的难度。

所有这些，对工程的物资供应管理、信息管理、变更管理、人力资源管理等都提出了更高的要求，一旦某个环节出现差错，必将带来一系列的连锁反应，进而影响镍矿项目的整体建造工作。

3.5 运输和吊装方面

和传统建造方式比较，模块化建造增加的模块运输环节加大了建造的风险和成本，对模块本身来说，由于要考虑到模块的支撑和吊装，设计上增加了结构和吊装设计（吊装方案），实体上增加了结构件、临时支撑和包装等，增加了施工成本。同时对于大型结构模块，运输安装时需要更有专业的运输和吊装工具。

针对模块化施工大量应用吊车，吊装的工装（平衡梁，缆绳等）多等特点，在吊车使用时要做好规划，使用时加强调度管理。

4 结论

镍矿项目模块化施工设计是合理的，在整个项目现场施工期间，各种模块间的接口得到了很好的实施，给整个项目节省了大量时间。模块化施工易于应用在大型工程建设当中。