模块化在某型全回转拖轮建造中的应用研究

田绍君

(中国核能电力股份有限公司 上海 200030)

船舶制造业是我国重要的战略型产业，其在一定程度上代表了国家的制造能力和水平。我国船舶制造企业承接了世界50%以上的船舶生产订单，但由于多数船厂相对粗放的管理模式和建造工艺，加之部分订单产品附加值较低，造成船舶行业总体盈利水平不佳。

国务院颁发的《船舶工业中长期发展规划》，倡导积极引进先进的船舶建造理念和技术，进行消化吸收，对国内船厂的建造工艺和建造模式进行升级，并倡导发展环保、节能、高技术含量、高附加值的新型船舶[1]。

特种工作船是船舶的一个重要分类，一般用于特定场景的作业，如引航拖带、海上救援、油污处理、海洋平台物资运输等，具有鲜明的功能特征属性，按照用途进行设计开发，具有高技术要求和高附加值的特点。

本文的研究对象为D船舶公司的一款多功能全回转拖轮。该产品历经十几年迭代生产，已形成多个成熟的型号系列，覆盖拖轮工作船市场各层次需求。

对于船舶这类交付周期较长的产品，为降低航运市场周期性波动带来的影响，船东对于船舶快速交付的期望日益强烈。提高生产效率，降低交付周期，始终是船东和船舶建造企业不断追求的目标。

在此背景下，D 船舶公司对某型多功能全回转拖轮建造模式进行较大幅度的改革尝试，拟采用模块化的建造策略，对该型号拖轮进行组织建造，以提高该产品的交付效率。

1 相关理论概念与发展情况

1.1 模块化概念

模块化是将复杂的系统分解成为较小的、便于管理和制造的独立单元模块，单元模块完成生产后，再组合成完整的系统，这种分解—组合的方式即为模块化的主要形式之一[1]。

模块化作为一种工作方法和思维方式，对于事物的构成分析、系统分解、机构优化、重构组合等具有独特的作用[2]。用它分析复杂的系统或解决大型工程问题，可使问题简单化、条理化、标准化，便于形成可行的解决方案，实现可控的预期结果[3]。

1.2 船舶模块化发展

船舶产品在逐步向大型化和多功能两个方向发展，对于一个拥有巨大外形、复杂结构、繁多功能的庞大系统，模块化建造是一种必然的选择[4]。

表1 对船舶建造发展及演化的5 个阶段进行了概述。由表1可以看出，模块化的设计和建造，是船舶产品现今及未来重要的研究和发展方向[5]。在计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）的基础上，结合敏捷制造、智能制造等技术，将会为船舶设计及建造带来突破性的变革。

2 全回转拖轮模块化建造模式的应用

2.1 全回转拖轮建造现状

D公司全回转拖轮采用的串行建造的生产模式已经过十多年的迭代及优化，具有成熟的工艺和流程。船壳采用分段建造的方式完成壳体整体建造，而后进行设备、管线、内装以及铁舾件的安装工作，最后进行全船涂装作业。这种先壳体后舾装的串行生产建造方案，工艺路线清晰，管理组织简单，产品质量稳定，对企业的技术和管理水平要求不高，是中小型船厂常用的建造模式。

为保证船舶在繁忙的港口和狭窄的水域灵活作业，拖轮外形尺寸一般设计得非常紧凑，但同时拥有较大的功率，以输出足够的拖曳牵引力，协助大型船舶进出港口。同时，为扩大船舶的工作范围，还增设了外部消防系统、海上救援系统、油污处理系统等多个功能模块。因此，多功能全回转拖轮具有外形尺寸小、功率大、功能齐全的特点。这些特点使船舶设备和系统安装的空间相对局促，增加了船舶建造施工的难度，且随着船舶自动化技术的应用，进一步提升了船舶建造的复杂程度。

在先壳后舾的串行建造模式下，主机等大型设备及系统模块，一般只能通过狭小的工艺通道进入船体内部，舱室内部的移动定位非常困难，甚至需要先行拆解设备本身的一些部件才能勉强进入，这种工序流程使设备和系统的安装效率受到制约。同时，串行的施工模式关键路径相对单一，对人力资源与材料供货的变化敏感，容易造成关键节点的延期，进而影响整个项目的交付。

综上所述，传统的先壳体后舾装的串行建造模式，虽具有工艺简单稳定、施工路径清晰等特性，但也存在工序安排不合理、效率较低、项目关键路径抗风险能力弱、建造周期较长等问题，与当前的需求存在着较大差距。

2.2 全回转拖轮模块化建造模式的优化设计

为解决传统串行施工模式造成的工序不合理、效率低下等问题，现采用模块化的并行施工方式，规划新的工艺路线流程，以达到降低施工难度，提升工作效率的目的。模块化建造的优化设计分为以下3个步骤。

2.2.1 对全船舱室进行区域划分和系统分布分析

如图1所示，按照船舶舱室布局和系统分布，全船可分为驾驶室、生活区、舵机舱、机舱、配电室五大区域，每个区域承担着不同的系统功能，其中全船重要设备和系统主要集中在机舱区域，该区域的施工量最大，工序最为复杂。机舱的施工进度决定着整个项目的总体进度，是项目关键路径的重要环节。

图1 全回转拖轮舱室布局及系统分布

2.2.2 分解整合区域，组成模块单元

根据全船区域划分和系统分布情况，以机舱为核心区域，并结合船舶结构的实际情况，将船舶划分为两个模块单元：上建单元（驾驶室+生活区）与船体单元（舵机舱+机舱+配电室+艏尖舱），具体如图2所示。此种划分方式，让机舱上部区域成为敞开结构，极大地方便了该区域设备的吊装和施工。

图2 模块单元划分

由于全回转拖轮总体尺寸较小，模块单元的分解数量及界面划分位置，应依据船体结构和实际效用进行模块分解，以免产生过多不必要的系统接口和模块界面。过多的接口和分界面，会导致额外的工作量，并增加信息、介质传输的不稳定性风险。

2.2.3 模块接口设计

模块单元是相对独立和完整的个体，模块间通过位于相邻分界面的物理接口进行介质传输和定位[6-7]。在完成模块单元的划分之后，根据相邻模块间的传输关系，设计模块接口。上建模块与船体模块之间的基本接口设置如图3所示。

图3 模块基本接口

模块间采用接口形式主要有电力、信息传输的端子排（箱）、气液介质传输的法兰、套管等接口，以及用于模块相互定位的销板。

以上3 个过程，在船舶建造方案策划与计算机设计建模阶段即需要结合船厂设备设施与人力资源情况进行论证分析，明确模块界面划分位置及接口信息，并生成相应的图纸和工艺路线流程等技术资料，为后期生产施工奠定基础。

3 全回转拖轮模块化建造效果分析

采用模块化建造模式，相较于传统的串行施工模式，对生产建造过程产生的影响分析如下。

3.1 生产效率的提高

在驾驶室和生活区作为一个整体的上建模块单独进行施工建造时，机舱上部区域形成了较大的开口，与四周围壁形成了盆状结构，其中斜线填充区域详见图4。采用“盆舾装”的工艺模式，可将大型设备、装置和系统模块，直接由“盆口”吊入机舱进行安装。如舱底水/压载水模块、燃油系统模块等亦可在管路预制车间完成模组，而后整体吊入，无须在现场对模组管件进行组装。

图4 机舱“盆舾装”

“盆舾装”的状态模式，让机舱区域的安装效率大幅提升。传统建造模式条件下，主机只能由船侧工艺孔引入，在机舱内部的移动只能靠人工吊具实现。两台主机与发电机组的吊装定位，需要6名起重工和2名钳工，协同工作10个工作日才能完成。而在“盆舾装”的状态下，只需2名起重工和2名钳工协同工作4个工作日，即可完成主机和发电机的定位工作，总计缩短6个工作日、减少192个工时，效率提升明显。并且其他设备和模块的安装同样方便快捷，机舱作业的人力消耗大幅缩减，时间和人工成本有了明显的改善。

3.2 建造周期的缩短

模块化的建造方式，安装工作可提前介入，采用并行施工交叉作业，相较于串行施工流程，建造周期缩短2个月，交付效率提升15%，对比分析具体见图5。

图5 两种模式建造周期对比

3.3 总装工位占用时间缩短

安装车间共有4 个总装工位，是船厂重要的设施和瓶颈资源。总装工位的周转率决定了船厂年最大产能，提高总装工位的利用率，相当于提升了船厂的产出能力。模块化并行施工的作业方式，让部分安装工作在模块单元阶段进行施工，此阶段无须占用总装工位，只需分散在常规车间工位，在整个建造周期中减少了2 个月总装工位的占用时间，大大提高了总装工位的周转效率。

3.4 并行施工降低延期风险

多路径并行施工的模式，降低了人力资源或材料供货对施工进度的影响，在一定程度上分散了延期风险[8-9]。并且，在模块化分解和设计比较详尽的情况下，可以将部分简单且成熟的结构，分包给外部资源，增加船厂人力资源的弹性，扩大了船厂的整体产能。

4 结语

D 公司某型号多功能全回转拖轮项目，通过采用模块化和并行施工的建造方式，在提高生产效率、缩短建造周期、降低生产成本方面展现出了明显的优势，在项目建造方案创新中取得了初步成果。该建造模式的创新应用，证明了模块化建造方式在中小型船舶建造中具备良好的可行性，为同类型船舶产品的建造提供了可参考的改良经验与实施模型。