AP1000模块化设计控制方法研究

李 阳

（中国核电工程有限公司，北京100840）

1 “模块化”建造

模块，是指一个由材料和元件组装而成的组合件。可分为结构模块和机械模块两大类。

1.1 “模块化”的建设流程

“模块化”的建设流程包括三维设计、工厂制造、现场安装三个环节。

在电厂综合布置设计完成以后，通过三维设计软件建立电厂的三维模型；然后对三维模型进行碰撞检查和专业综合；并充分考虑模块化的需求，进行合理的布置优化；在此基础上，建立完善的三维设计模型；然后根据一定的模块切割原则，分割出模块。同时，在模块设计方面采用了设计与建造一体化的虚拟验证系统[1]。以便验证模块分割的合理性，优化制造和安装工序和进度安排，并在模块制造和施工之前提前解决存在的问题。

在模块分割以后，通过三维模型和三维软件的设计输出功能，完成最终的制造文件、图纸和材料清单。制造厂根据设计文件进行加工制造。

模块的现场安装分为两类。小型的结构模块或者机械模块，由工厂制造完成后直接运输到现场进行吊装。大型的结构模块，实现整体远程运输非常困难，因此必须将结构模块分割成一个个小的子模块，在制造厂完成子模块的制造以后，运输到现场预留的大型模块拼装场，在现场拼装成完整的结构模块，并使用大吊车进行吊装就位，然后完成现场安装。

1.2 “模块化”的优点

采用“模块化”方式将很大部分的土建和安装工作放在了模块制造厂，现场土建工程到某一个层位以后，该层的模块已提前在制造厂制造完成，在现场直接吊装就位，浇筑混凝土，然后继续土建施工，使得土建和安装交叉施工成为可能，极大地缩短了建设工期。继而减少了项目的财务成本。同时大部分施工工作从现场转移到了模块制造厂，将工程施工工作变为了工厂制造，一定程度上降低了施工成本和人员成本。同时，“模块化”使得部分土建、安装工作大幅度提前，降低了安装高峰期的成本投入压力。相较于传统核电站建设施工的环境较差，有大量的高空作业，密闭环境作业等。通过“模块化”，部分施工作业环境得到了大幅度改善，有利于提高产品质量和制造效率。同时，工作环境的改善更减少了安全事故的发生。

2 “模块化”对设计的要求

2.1 模块划分需考虑施工需求

由于结构模块尺寸、重量较大，在模块预制、运输、组装、翻转和吊装的过程中不可避免地产生形变，且难以控制；同时，模块的组装大量采用焊接作业，且焊缝较长。同时模块内部空间以及房间的内部空间狭小，不便于模块安装作业，管道和电缆的布置、维修操作困难加大。

AP1000采用的模块化建造和“开顶法”施工，需要考虑成品保护工作。大量安装在模块上的设备随着机械模块就位以后，就长期暴露在恶劣的施工条件下，需要制定合理有效的成品保护措施，同时，也需要考虑安全壳厂房的排水设计。因此，模块的划分需要考虑施工过程中的形变、施工可操作性以及施工过程中的成品保护。

2.2 设计方案需尽早固化

综合依托项目的经验反馈，模块设计产生了较多的设计变更。对于结构模块，大量的结构模块充当了厂房楼板和墙体，模块中包含了大量的管道留洞和电气留洞，以及设备支撑、预埋件等内容涉及工艺系统设计、电气设计、设备设计以及厂房布置设计的内容。上述任一设计的修改都有可能引起留洞、支撑以及预埋件的位置、大小发生重大变化。

对于机械模块，内部包含大量的泵、容器、箱体、阀门等设备以及阀门等管件，例如KB10和KB13，包含气动双隔膜泵，以及阻尼器、闸阀、球阀、电磁阀等设备，R216包含了球阀、截止阀等管件。如果其中设备采购不能够按时开展，影响设备提资和确认工作，就会导致该设备模块的设计工作延迟或存在开口项。所以需考虑在工程准备阶段进行设计方案的固化，减少由于设计产生的变更。

2.3 进度安排需满足现场安装

设计进度的安排需要考虑以下因素：

2.3.1 模块的按时完整到场

根据依托项目经验反馈，大部分机械模块不能完整到场。以辅助厂房为例，包含KB类模块20个，包含工艺设备和各类管件。虽相对后续安装的设备来说，数量不多，但种类较多，涉及多个采购包。同时，大部分模块处于厂房底层，需较早就位，例如KB1013模块需要在FCD前预埋，而CA20内部的KB20等7个设备模块需要在FCD+2之前移入CA20并固定。这就需要将模块设计的进度安排提前，满足施工需求。

2.3.2 模块相关厂房设施满足施工需求

部分模块需要在制造厂完成制造后运输到现场进行拼装，需要加设模块拼装厂房。制造和拼装完成的模块通过大型履带吊车（2 800～3 200 t）进行吊装。同时，为满足大型履带车的行走和定点吊装，重件道路的设计需考虑荷载和路径范围要求，同时需要在安全壳厂房一侧设T形平台。

由于模块厂在FCD-4前可用，重件路、T形台和吊车在FCD前可用，这就需要设计提前进行上述设施的设计工作。

同时，AP1000的总平面布置中综合管廊与重件路有部分交叉，需要在FCD-9完成该部分综合管廊的设计，FCD-7完成施工，以满足重件路按期可用。另外，对于考虑水路运输的厂址来说，也应该考虑码头提前可用，保障模块运输到场。

2.4 重点关注设计、采购接口关系

由依托项目经验反馈，模块内设备接口提资较晚也是造成设计不能按时完成的原因之一。AP1000模块化使得设备接口关系产生了变化，增加了模块提资部分，设计、采购之间的关系更为复杂，需要重点关注。

3 加强设计控制的措施

3.1 固化模块设计方案

应建立项目组织下的、设计主导、项控、采购、施工配合的、三维模型为目标的模块设计方案固化机制。

首先，完成厂房和模块的三维模型。针对模块的三维模型以及导出的设备、材料清单，由采购、施工部门进行合理性验证：针对模块内设备，需提出采购和提资方案；针对模块，需提出制造、安装方案；同时要考虑平行交叉施工下对厂房其他区域安装作业的影响。设计部在各部门验证的基础上，对模块设计方案进行优化。方案优化应考虑以下4个方面：

（1）模块内机械设备和大宗材料的通用化，便于减少设备接口，推动后续的设计固化工作，也便于组包采购和制造备料。

（2）部分大型模块的小型化，便于运输和吊装，利于减少安装过程中产生的形变。同时，模块的小型化减少了单个模块的设备接口，也利于后续设计固化。

（3）模块安装、检修的操作空间和人员通道，施工过程成品保护。

（4）合理的施工进度安排，除考虑土建、安装平行交叉作业。同时考虑项目准备阶段设计、采购的成本投入和进度匹配。

同时，要考虑设备和材料的标准化。设备、材料的质量、外形以及材质的变化，都有可能造成设计方案的修改。所以优化完成的设计方案必须以设备标准化为前提。

在此基础上，完成设计方案的固化，形成了由项目下各部门统一的三维模型。

3.2 合理安排设计进度

设计进度的安排应满足模块施工的需求。分析现场需求最早的机械模块和结构模块，其中机械模块，首个需要就位的机械模块为KB1013，需要在FCD-18完成上述设备的设计工作。而结构模块，首个需要就位的结构模块为CA20，要在FCD-22完成相关设备的设计工作。由上述分析可知，需要在FCD前两年就开始模块相关设备的设计工作。在FCD前一年半就开始模块的设计工作。

为保障FCD后能够连续施工，必须在FCD前完成安全壳厂房118＇6"和辅助厂房117'6"以下的模块设计，包括机械模块47个，结构模块81个，分别占模块总量的92%和76%。可见，必须在FCD前投入大量的资源满足模块设计、采购、制造工作，以及核岛厂房的设计和长周期设备的采购。同时要兼顾吊车、重件路、综合管廊的设计进度，以满足吊车在FCD时可用。所以，FCD前的工作变得至关重要，已经成为隐形的关键线路。

由分析可知，FCD前模块设计的工作量较大，除了单纯地将设计进度提前以外，更需要结合已经固化三维设计模型，通过与进度管理软件的集成，匹配采购需求和施工逻辑，合理地安排模块设计进度。同时，模块设计离不开大量的设备信息作为输入条件，在编制模块设计进度时更要关注相应设备接口的交换时间，以及设备设计、采购的进度安排。为设计及时提供相应的设计输入，保障设计工作能够按照计划开展。

3.3 专项管理模块接口

良好的接口管理是设计过程控制的有效措施。对于模块设计来说，设计、采购之间的关系更复杂。模块接口不应局限于单纯设备参数的接口，应将含义扩大化，包含设计、采购的全部配合关系。

对于模块化，设计、采购配合关系包括设计提供设备采购规格书、采购提供设备参数接口，设计提供模块制造图纸三个方面，并存在因果关系的影响。所以应建立一个统一的数据库进行专项管理，实现设计过程可控。

4 结语

AP1000的“模块化”技术使得核电站的施工变为平行交叉作业，有利于进度、成本和质量的控制。这与良好的设计控制措施密不可分。在设计方面，需要完成以设备标准化为基础的模块设计固化，建立完善的模块三维模型，并以此为基础加强进度和接口管理的控制，以达到加强设计控制，满足工程需求的目的。