“华龙一号”钢筋笼模块化施工技术研究与应用

王然

摘要：“华龙一号”是我国自主研发的百万千瓦级压水堆核电站，施工建设中单堆钢筋使用量达到了10万t，由于钢筋密集，导致施工难度较大。同时，技能水平较高的工人日益稀缺，组织大规模的工人长期从事繁重体力劳动的难度逐渐增大，钢筋工程施工需要进行工业化转型升级。针对以上现状，文章根据装配式施工理念开展钢筋笼模块化施工技术研究，首先，通过有限元进行受力分析，验证了方案的可行性；其次，选择内部结构SG2钢筋模块实施论证，进一步确定工艺的先进性，最后，与传统工艺在施工方法、质量、安全、工期、投入方面进行分析对比，体现出墙体钢筋笼模块化施工技术在大直径、密集型钢筋工程中的优势，对类似工程具有重要参考价值。

关键词：“华龙一号”；钢筋笼模块化；施工技术；预制工装；吊装工装

中图分类号：TM623.4    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0091-04

0 引言

钢筋工程作为核工程土建施工的分项工程，其重要性在建造过程中所占比重很大，直接影响工程建设的进度、质量、成本及施工安全。然而，核工程领域钢筋工程仍以传统人工操作为主，施工效率不高、施工周期较长，已不能满足核电领域高质量发展的需求。同时，技能水平较高、经验丰富的工人日益稀缺，组织大规模工人长期从事繁重的体力劳动不现实。因此，核电施工领域必须进行工业化转型升级，缓解劳动强度、改善劳动环境。

随着装配式、工业化建造技术在我国的大力推广，民用领域涌现出一批装配式施工方法，部分实现了建筑的工业化生产，保障了施工质量，提高了施工效率，改善了施工环境。但是，民用领域钢筋工业化生产中大部分使用的是直径较小的钢筋，而核电领域使用的钢筋直径相对较大，民用领域的装配式施工方法不能直接应用在核电工程土建领域。因此，从解决用工难、提高施工效率、改善作业环境等方面考虑，开展核电领域钢筋笼模块化施工技术研究迫在眉睫。

1 研究思路与试点选择

1.1 工程概况

在漳州“华龙一号”融合技术首堆，将抗震设计基准提高到了0.3 g加速度，为了抵抗抗震加速度，单堆配筋量达到了10万t，其中墙体钢筋约6万t，墙体钢筋普遍采用直径为32 mm和40 mm的大直径钢筋（HRB500），墙体厚度为800～1 500 mm，墙体钢筋纵向间距为200 mm，平均横向间距为100 mm，墙体钢筋密度平均达到76.8%，施工难度较大。经过统计分析，在“华龙一号”建造过程中，传统的钢筋绑扎安装施工工艺的工效为0.21～0.30 t/d，工效有待提高。

1.2 研究思路及目标

本项目结合我国钢筋工业化生产、安装技术发展现状，针对核电工程大直径、大配筋率钢筋施工技术进行研究，形成钢筋“设计—生产—模块施工”一系列标准化、规范化设计建造技术，实现钢筋工程工业化生产、模块化施工；推动高效工业化建造模式在核电工程中的应用，达到核电工程主体结构施工周期缩短30%以上的预期目标。

1.3 试点选择

本项目选择漳州核电站2号安全厂房（2SL）作为研究试点。厂房S6012墙体顶标高为16.95 m，厚度为800 mm，位于2RS厂房内部结构西侧，S6012墙体洞口多、埋件少，为提高施工效率，对2SL厂房S6012墙体（标高为12.950 m～16.950 m，墙厚800 mm）由传统现场施工方法改为场外预制，S6012墙体选取G～K轴段进行钢筋笼吊装，钢筋笼模块1和模块2的尺寸为4 050 mm×8 950 mm，分为2块进行吊装，吊装顺序为1→2，模块与模块间、模块与下部墙体竖向钢筋间均采用加长型双螺套钢筋接头连接，鋼筋笼模块1重约10 t，模块2重约9.7 t［1］。

2 钢筋笼模块化施工可行性分析

2.1 总体实施思路

通过预制工装辅助，将墙体钢筋以水平预制方式在场外绑扎预制成钢筋笼，利用大型吊车和专用吊装工装吊运至现场后，采用高性能的接头快速与现场预留钢筋精准对接和连接，实现钢筋墙体模块化施工。

2.2 钢筋限位技术方案

原主体结构预留钢筋位置的准确性直接影响钢筋笼模块的就位对接，因此必须严格控制安装精度。钢筋笼模块预制前，安排专人对现场预留插筋高度、位置进行复核，插筋接头标高误差不能超过20 mm，并确保被连钢筋的位置在同一平面，便于连接安装。使用加固工装在立筋上端按照200 mm的间距将立筋固定［2］。两片加固工装安装完成后，使用直径为16 mm 的钢筋或6 mm的钢板将2片加固工装进行横向连接，保证加固工装的整体性。

2.3 预制工装技术方案

在预制场地对钢筋笼1、2模块进行预制。预制方式分为立式预制和卧式预制，立式预制能较好地保证模块的精度，避免模块在翻转过程中发生变形；卧式预制则能提高预制效率，并且不涉及高空作业，可以降低作业安全风险。考虑工艺过程的安全性和施工效率，本项目采用卧式进行钢筋笼模块预制。工装采用可拆卸式，在降低施工成本的同时更有利于模块预制过程中的钢筋绑扎。预制工装示意图如图1所示。

图1 预制工装示意

2.4 吊装工装技术方案

钢筋笼吊装工装［1］由2套吊索具系统（一套连接吊具与模块，一套连接吊具与吊钩）和吊具组成。为了提高工装的通用性，吊装工装连接吊具与模块的部分需要设置可调节装置，以适用不同尺寸钢筋模块的吊装［3］。吊装工装施工图如图2所示。

图2 吊装工装施工示意图

2.5 连接工装技术方案

连接工装需要使用精度较高的机械连接套筒，普通套筒的精度无法满足钢筋笼模块化施工的需求。经过市场调研，本项目最终选择使用双螺套接头套筒，该套筒能够将主体结构预留的钢筋与钢筋模块钢筋之间的对中及高度误差消除在施工过程中。

2.6 钢筋笼模块吊装技术方案

为加快吊装时间，在钢筋笼吊装前，需要在墙体内的竖向钢筋安装双螺套长内螺套，在钢筋笼下方安装双螺套短内螺套，并将双螺套长内螺套与外螺套拧至端部齐平。钢筋笼底部四端设置溜绳，钢筋笼中水平筋、立筋交叉点均使用14#铁丝绑扎。吊索具通过连接吊车吊钩与模块吊耳，组成吊装系统，吊装系统需严格按照顺序进行连接，连接阶段与顺序如下。第一阶段：可调拉杆与钢架上吊耳吊索具连接，第二阶段：300 t汽车吊吊钩与主钢丝绳连接（含主钢丝绳与桁架连接），第三阶段：钢架下吊耳与模块上吊耳连接［4］。

2.7 直墙段钢筋笼吊装计算

2.7.1 计算基本参数

2SL 直墙段钢筋笼模块1、模块2 加固工装主要由梁结构构成，材料选用Q235B；吊具主要由型材和板焊接而成，材料选用 Q235B；吊耳结构为焊接板材结构，材料选用 Q355B。直墙段钢筋笼模块1自重为10 t，预制工装约0.39 t。模块 2自重 为9.7 t，预制工装约 0.39 t，吊梁自重 0.57 t。

采用有限元分析软件，对模块吊装进行分析，建模时应遵循以下原则： 焊縫按结构连接处理，忽略小的倒角；各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置确定；模型采用正多边形进行网格划分。

2.7.2 边界条件

工况 1 和工况2 中，在模块内部安装预制工装，工装上部设置吊点，与下吊索连接，吊具上、下吊点分别与上、下吊索连接，4 根吊索的上顶点施加全约束。

工况 3 为吊具试验工况，吊具下部施加 20 t×1.25 的载荷，其中 1.25 为静载试验系数。

工况 4和工况5为模块水平起吊的状态， 此时模块呈水平放置，一端连接下吊索，尾部吊耳与地面吊耳铰接， 对铰点位置除铰接方向旋转的其他约束，一端对吊点位置全约束。

自重按照系数施加重力场作用于整个模型。风载荷根据计算工况，均施加在对应墙面的节点上。

2.7.3 计算结果

根据上述模型、约束与载荷条件，对模型进行有限元分析。应力与位移见表1。

表1 2SL模块吊装应力与位移计算结果统计表

[工况编号 吊具最大应力

（MPa） 吊具最大变形

（mm） 工装最大应力

（MPa） 工装最大变形

（mm） 工况 1 97.44 1.81 101.69 4.06 工况 2 93.24 1.80 110.69 4.69 工况 3 159.53 6.87 — — 工况 4 — — 76.2 0.47 工况 5 — — 19.37 1.16 ]

2.7.4 结论

通过以上有限元计算结果可知：①2SL直墙段钢筋笼吊装模块1时，吊具最大应力为97.44 MPa，最大变形为1.81 mm，工装最大应力为101.69 MPa，工装最大变形为4.06 mm，满足强度和刚度要求。②2SL直墙段钢筋笼吊装模块2时，吊具最大应力为93.24 MPa，最大变形为1.80 mm，工装最大应力为110.69 MPa，工装最大变形为4.69 mm，满足强度和刚度要求。③吊具静载试验计算的最大应力为159.53 MPa，最大变形为6.87 mm，满足强度和刚度要求。

综上所述，钢筋笼模块化吊装技术可行。

3 钢筋笼模块化施工验证

为了验证上述技术方案的可行性，选择漳州核电2号核岛内部结构SG2模块进行验证。

3.1 验证部位

SG2墙体包括环墙和R7201/R8201、R7202/R8202两道直墙，环墙体顶标高为30.35 m，环墙厚度为1 300 mm；直墙顶标高为30.35 m，局部为21.45 m，R7201/R8201墙厚500/650 mm，R7202/R8202墙厚500/600 mm。

3.2 钢筋定位

钢筋定位工作是整个钢筋笼吊装成功与否的决定性因素。定位钢板应在钢筋笼施工层段的上一层竖向钢筋施工时预先摆放，提前限定立筋位置；定位钢板与结构边线相对位置需严格控制，使预制钢筋笼立筋接头位置与现场插筋位置吻合；现场插筋施工前需提前安装两道定位钢板，并且定位钢板位置需要与预制工装底座位置完全吻合。定位钢板的安装时机也需要考虑各种因素，若在插筋之前安装，会导致插筋就位时活动空间受限，就位过程中部分需要调整；若在插筋完成之后就位，插筋位置难以控制，顶板可能会难以就位且就位后位置会有偏差。最后选择先定位钢板、后插筋的施工顺序。

3.3 钢筋笼预制工装

墙体钢筋笼采用竖向预制，预制工装由底座、立柱和顶板3个部分组成。底座是控制钢筋笼竖向钢筋平面位置，实现与现场预留钢筋精准对接的关键部位，由10号槽钢、10 mm钢板及钢套管焊接而成。由于墙体钢筋笼单侧两排竖向钢筋接头错开400 mm，因此底座呈台阶状，内高外低，外排采用10号槽钢倒扣在平整地面上，内排用10号槽钢做立柱，上铺10 mm的钢板。将内外排槽钢焊接成整体，按照竖向钢筋间距和平面位置，在10号槽钢腹板和10 mm钢板上焊接比钢筋外径略大的短钢套管，钢套管的尺寸必须精准。墙体两侧的底座可在车间焊接成整体，也可在预制场地再拼接。

3.4 钢筋笼吊装工装

根据钢筋笼的外形，将吊装工装设计成方形，采用HW300 mm×300 mm型钢制作［3］。在吊装工装下方与预制工装立柱对应的位置焊接下吊耳，通过可调吊索具连接，保证钢筋笼竖直受力，减少吊装过程中的变形。吊装工装上方设置上吊耳，通过吊索具与吊车吊钩连接，并保证吊钩与钢筋笼重心位置重合。由于上、下钢筋笼模块的尺寸、重量和重心位置都不同，因此要采用同一套吊装工装，在吊装工装上焊接两套吊耳。

3.5 钢筋笼预制

钢筋笼预制施工过程与方法如下［4］。

（1）依据吊装方案确定墙体位置、重心坐标，依据位置对墙体结构边线、重心点进行投点放线。

（2）放线完成后搭设钢筋笼操作架，然后进行预制工装底座定位、拼装和加固，底座安装完成后进行标高基准线放线，根据基准线调平底座。

（3）底座安装完成后进行立柱定位、安装和加固，立柱安装可从直墙到环墙依次进行。

（4）立柱安装完成后采用6#角钢横向将立柱焊接为整体，角钢焊接位置与立柱挑梁位置相同。

（5）预制工装连接加固后，对钢筋笼依次进行环墙内侧水平筋绑扎、环墙立筋绑扎、环墙外侧水平筋绑扎、直墙内侧水平筋绑扎、直墙立筋绑扎、直墙外侧水平筋绑扎、加筋、拉筋绑扎，钢筋采用12#铁丝满绑加固，钢筋绑扎完成后进行埋件放线、安装和加固，最后在钢筋笼上部定位顶板安装，对钢筋笼进行加固。

3.6 钢筋笼吊装

钢筋笼吊装的具体流程如下［4］。

（1）起钩至模块下口距离地面15 m，起重机变幅至作业半径66.828 m，调整主臂与水平面仰角为62°，吊车缓慢起钩，模块提升至下口距离地面77 m处停止。

（2）吊车通过在行走路面上的到位标记线进行就位控制［5］，吊车向就位方向向西行走49.266 m后向东行走0.146 m，同时辅车沿“十”字形台向北行走2.079 m后向南行走40.239 m。起重机大臂沿顺时针旋转114°，此时模块位于就位点中心上方，吊钩垂足位置调整对准就位点（偏差控制在±200 mm以内）。

（3）吊车以正常速度落鉤，至模块下口距安装标高500 mm时停止，牵拉揽风绳转动模块角度，使模块的环向限位装置与下部钢筋笼上环向限位贴合，然后挂设好周向调节倒链。

（4）吊车缓慢落钩，至下口距安装标高200 mm时停止，通过倒链微调模块，使模块与环向限位装置（在地面墙体每90°一块限位板）对中。

（5）模块下落至下口距安装标高200 mm时，模块吊装阶段结束，转入模块安装阶段。

3.7 实施结果

漳州核电内部结构SG2模块16.50 m以上结构钢筋笼吊装最大起重重量约82 t，核电领域此类大型异形构件钢筋笼吊装施工尚属业内首次，与福清核电人工操作方法对比结果见表2。

表2 钢筋笼模块化与传统工艺施工结果对比表

[ 漳州1号机组 华龙首堆 对比评价 施工方法 钢筋笼预制、大吊车吊装 塔吊吊装、人工绑扎 在钢筋绑扎阶段，将钢筋工程由“依次”施工转变为“平行”施工 质量 工装限位，提升钢筋规范性，避免钢筋偏位等质量问题 钢筋偏位等质量问题较多 减少了90%钢筋偏位质量问题 安全 地面操作平台作业 高空作业 减少了72%的高空作业 工期 10 d 36 d 节约了72%的现场施工

工期 投入 6人×10 d 15人×36 d 同部位节约480个工日 ]

4 结论

“华龙一号”钢筋笼模块化施工技术打破了原有的施工方法的限制，实现了钢筋工程施工由人工向机械的转变，将核电建造模块化、机械化由理想变成了现实。同时，该技术还能避免建安交叉，减少安全风险，为缩短“华龙一号”主线工期和提升整体经济效益提供了强有力的保障。未来，钢筋笼模块化施工与钢筋自动化加工相互配合，也是应对核电领域人口红利逐渐消退的有效措施，战略意义重大。

5 参考文献

［1］GB/T 3811—2008，起重机设计规范［S］.

［2］成大先，机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004：56-57.

［3］NB/T 20022—2010，压水堆核电厂反应堆厂房钢衬里穹顶吊装施工技术规程［S］.

［4］GB 50017—2017，钢结构设计标准［S］.

［5］王金诺，起重运输机金属结构［M］.北京：中国铁道出版社，2002：53-55.