模块化设计在工程项目中的应用

王朝阳

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

模块化设计在国外项目中日益受到业主方的青睐。模块化设计节省现场施工周期，节约大量人工和时间成本，大大降低了项目施工安装阶段费用，为业主节约了投资，在实际应用中也取得了理想的效果。模块化设计是将工业厂房按设定的拆分规则拆分为若干个子单元，每个子单元集成建筑、结构、管道、设备、电气、仪表，控制系统中的全部或部分内容。每个单元均在异地制作拼装。运抵现场后按设计好的组装方案对各子单元进行拼装完成。模块化设计对于施工现场人工费用昂贵的业主有显著的实用价值。

1 项目概述

项目位于澳大利亚境内，现场离澳大利亚港口较远，且人工成本高昂。为了尽可能节省现场施工成本，业主方要求进行模块化设计。项目涉及到的子项均采用模块化设计完成，项目包含40多个子项，各子项模块均在中国设计、预组装，按设计划分的模块单元经海运、澳大利亚内陆运输至施工现场拼装。业主方测算的结果显示模块化设计与现场施工相比项目费用将大幅降低。

项目模块化遇到的最大瓶颈是运输方案，方案既要考虑海运，同时还要考虑澳大利亚内陆运输，模块尺寸受限于内陆运输的道路条件。业主方选定了Newcastle港和Pirie港，作为模块运输抵达港口。Newcastle港距施工现场550 km，运输限定尺寸7.5 m×5.5 m×34 m，最大运输吨位<100 t。Pirie港距施工现场1 150 km，最大限定运输尺寸9 m×7.5 m×34 m，运输吨位>100 t。综合考虑车辆的轮高及安全包装等要求最终确定模块的最大设计尺寸为7 m×8 m×34 m。完成后的模块单元适合Newcastle港线路运输尺寸的海运至该港口，适合从Pirie港运输尺寸海运至Pirie港。不能被模块化的结构散件，小型设备及设备组运抵Newcastle港，不能从Newcastle港运输的模块，设备运至Pirie港。

图1 子项模型

2 模块化分

根据项目特点对项目模块类型进行划分，主要划分为：结构类、设备类、管廊类和皮带类。同一模块单元中与结构发生关系的设备，管道，电仪等均尽可能的纳入同一模块单元整体制作运输。各模块化分即要保证运输的可行性，又要保证拼装的安全性。现场拼装时尽可能的用栓接形式，少用焊接。

图2 结构单元

图3 结构+设备单元

2.1 结构类模块

结构类模块分为纯结构件模块单元，含有设备，电仪，管道等集成性结构单元。各模块单元之间采用栓接形式连接。现场安装时结构散件连接同样采用栓接形式。

图4 结构杆件

图5 钢梯单元

表1 子项模块化分表

2.2 设备类模块

项目采用湿法冶金技术，项目涉及的设备有较多的槽体、罐体。根据生产工艺 大型设备(如高压釜)独立运往项目现场。项目中大型的槽体、罐体无法整体运输，需要在中国境内预制成满足运输条件的拼接片，在中国境内预组装完成，然后拆分成运输单元，运至施工现场拼装完成。需要焊接的设备在施工现场完成最后焊接工作，需要栓接的设备在施工现场完成最后的栓接工作。项目中需要被拆分的设备主要有槽罐类设备和浓缩机。

图6 罐体设备拆分图

表2 罐体设备拆分表

表3 浓缩设备拆分表

图7 浓缩机拆分过程图

2.3 管廊类模块

项目的管廊指项目厂区内各种管线集中布置的管廊桥架。管廊类模块化分主要包括：标准模块，调节模块和非标模块三个类别。标准模块尺寸为4.5×6.5×18 m，每两个标准模块之间放置一个调节模块，调节模块尺寸为4.5×6.5×6 m，非标模块主要指管廊的过路段或管廊的转弯或丁字形交结点模块。每个模块单元均包含管廊承载的所有管线，管件，电缆盒和管廊钢结构体。

图8 管廊标准模块

图9 管廊非标模块

图10 管廊调节段

2.4 皮带廊模块

项目中皮带廊是为了完成几个工序间的物料接续工作。根据模块化设计要求皮带廊划分为：标准模块，调节模块和非标模块，皮带廊的头、尾部为单独模块。标准模块，调节模块和非标模块在预制时需包含上托辊，下托辊，中间支架及支腿，两侧走道板等除皮带面之外的所有部件。项目的皮带廊为露天皮带廊，走道板两侧需要添加栏杆扶手，该部件预制成插拔式标准件，皮带廊拼装完成后统一安装。

表4 管廊模块化表

3 模块拼装

图11 皮带廊标准模块

图12 皮带廊标准模

图13 调节模块

项目按要求将经历两次拼装，第一次是在中国境内进行的各子项预拼装，第二次是在澳大利亚施工现场最终拼装。完成后的各子项模块需要在中国境内进行预拼装，验证模块单元的制作精度是否满足要求，解决模块间拼装连接精准性，确保现场拼装时准确无误。预拼装目的是要把模块单元内部和模块单元之间拼装时可能出现的问题尽可能的在中国境内解决，节约施工现场的安装时间。施工现场拼装属于现场施工阶段，主要从基础预制，杆件放置，模块定位，模块拼装几个方面进行。

图14 调节模块

图15 非标模块

图16 非标模块

表5 皮带廊模块化分

3.1 基础预制

基础预制主要针对混凝土类基础(柱基础，设备基础，管架支座等)均采用现场预制或现浇混凝土的形式。模块安装前相关的基础部件按相应的施工方案布置完成。

图17 设备基础

图18 皮带廊基础

3.2 杆件放置

模块化设计中的杆件包括无法模块化运输的结构散件，管廊桥架中无法被纳入模块的结构部件，无法随管道一体模块运输 的管道支吊架。杆件的放置根据结构杆件在子项中所处的位置具体确定放置的先后顺序，如管廊结构柱部分需要在基础预制完后，管廊模块安装前放置。厂房类的结构件就需要在模块安装的过程中按模块的相互关系确定结构杆件的具体放置时间。栏杆类杆件则是在模块安装完成后统一放置标准栏杆件(非焊接方式)。

图19 杆件连接

图20 模块杆件连接

3.3 模块定位

模块拼装实施前，拼装子项的模块单元按照拼装方案布置到指定的位置。结合考虑模块的拼装顺序，牵引车的运行方式，起吊设备的行走线路、起吊高度、安全距离等，确保模块拼装过程安全高效运行。所以模块定位也是模块拼装的关键环节。

3.4 模块拼装

所有拼装前的工作都准备就绪了就可以开始模块拼装工作，按照各子项的拼装方案主逐步实施。如示意图：

图21 子项模型

图22 模型拼装图

图23 模型拼装

4 结束语

项目模块化设计说明在未来的海外工程中模块化设计可能成为常态。模块化设计解决了在人工成本昂贵的国家建立工业厂房降低施工费用的要求。在人工成本相对较低的国家制造为集成式模块并完成预组装，运抵施工现场只需拼装完成相应拼装工作，大大的降低的施工现场的人工成本，施工周期，带组业主方的是直接降低成本投入。

项目的模块化方案得到了主业方的认可。通过项目模块化设计工作为将来的工业厂房模块化设计提供了基本的方法和思路，对大型项目的模块化设计实施积累了经验，形成了一些行之有效的模块化设计方案。