模塊化建造模式為起重吊裝帶來的機遇和挑戰

苗錫慶

中國核工業第五建設有限公司 上海 201512

隨著全球化工業化水平的快速發展，工業技術得到大幅度提高。新近出現的3D打印技術被廣泛地得到應用，預示著工業的發展將會出現一場新的革命。工業化的發展促動了工業裝置的大型化，越來越多的超大型設備、結構出現在工業裝置中。工業加工能力和機械技術的提高，使起重機械的發展向前邁進了一大步，也助推了工業裝置、工廠模塊化建造技術的發展。

有人說“模塊化建造技術就像搭積木”，把模塊化建造的概念描述得很形象。早期隨著海洋工程的發展，模塊化建造的理念便應運而生。隨著工業化的發展，模塊化建造技術逐步走向成熟，并向更多領域發展。模塊化建造技術的發展對起重吊裝技術的發展起著助推的作用，同時起重吊裝技術和工業加工能力的快速發展也刺激著設計者將模塊做的更大，向更大規模發展，進而形成了互相推動發展的一種特殊關系。由于這種微妙關系的存在，促進了兩者的共同發展，這就為起重機械和起重吊裝技術的發展帶來了機遇，但同時也為起重吊裝行業的發展提出了更大的挑戰。

1 模塊化建造模式的概念與發展過程

1.1 模塊的基本概念

（1）建筑模塊

把建筑物劃分成若干個尺寸適宜運輸的空間單元。這些空間單元由一系列的二維平面構件構成，形狀可以是規則的也可以是不規則的。通過模塊組裝制造工廠的先進生產裝配線以及嚴格的生產和質量監控系統把所有二維構件組裝成一個個相對獨立且又相互關聯的空間單元。繼而，再完成其室內裝飾、水、電、氣、空調等服務設施以及智能系統和家具等的安裝，并包括室內精裝修，甚至到最終的清潔。全部制造加工工作可以在工廠內完成。最后運至工程建造現場吊裝、連接形成結構整體（如圖1）。

（2）工廠模塊

所謂工廠模塊與建筑模塊的概念基本類似，其區別在于工廠模塊是將一系列的結構、設備、管道系統、電氣儀表系統以及防腐、保溫等獨立單元通過工廠化制造和現場深度預制組裝，組合成一個整體，形成獨立單位，構成設備模塊或結構模塊、管道模塊、電儀模塊、管廊模塊和組合模塊等多種形式。將模塊通過吊裝、連接構成裝置和管廊整體，最終組合成一個完整的工廠。

1.2 模塊化建造的發展過程

模塊化建造方法的理念最早源于戰艦的制造，隨海洋工程和造船業的發展逐步走向成熟。

早在20世紀70年代，海上工程項目就嘗試了模塊化建造技術，即將整個設施分成多個模塊在陸地的建造場地同 時建造，然后用駁船運至海上組裝（如圖2）。后來，這項技術在造船工業發達的美國、日韓等國得到了迅速發展，并成為現代船舶海洋工程中的重要技術。現代化的造船工業中，按照分段管理方式制造船體，進而在大型船臺進行總裝的建造技術已經非常成熟（圖3）。

隨著世界經濟的發展和全球一體化的不斷推進，充分地整合世界上的優勢資源，降低工程項目成本或者縮短工期，同時進一步規避風險，保證商業項目早日投產并為股東創造價值，已成為各大公司追求的目標。而將工業設備以模塊化的形式在制造廠進行成套制造，方便了現場的安裝，在現今的工廠建設中便得以廣泛應用。近年來，在全球的陸地大型工廠，如天然氣液化廠、礦石加工處理廠、煉化廠、化工廠、核電廠等項目的建設中，都陸續出現了一些采用模塊化建造方法的實例。

圖1 用模塊化模式建造的賓館，30層，6天完成

圖2 海上組裝完成的作業平臺

圖3 造船廠船體建造現場

隨著經濟的快速發展，現代社會和人類對能源和資源的需求催生了大量地處不發達地區的工業建設項目。于是模塊化工廠建設的思路也應運而生：利用模塊化制造的原理，將工廠分解為集成了多種系統功能的大型模塊，進行工廠化的異地建造，并運輸到現場安裝，進而連接組成工藝復雜、功能齊備的現代化工廠。

近幾年，在核電建設中，模塊化建造模式得到廣泛地推廣應用。這種模塊化建造技術使建造活動處于容易控制的環境中，在制作車間即可進行檢查，經驗反饋和吸取教訓更加容易，更容易保證建造質量。平行進行的各個模塊建造，大量減少了現場的人員和施工活動，使核電站建設現場的設備、廠房減少，從而降低成本。這種建造模式，使安全、質量更易于控制，大大降低了風險。目前在建的AP1000核電廠已成為模塊化建造的典型實例（如圖4）。

2 起重吊裝行業的發展歷程

2.1 發展的各個階段和特征

2.1.1 發展前期

起重吊裝作業是人類認識世界改造世界的一項重要勞動。在古代社會人們在生產勞動中就創造了很多簡單的起重吊裝方法，創造了許多起重吊裝設備。早在3700年前的商朝時期人們就創造了用于吸水的桔槔,這是由杠桿、配重及吊桶構成的簡單的起重吊裝設備，也就是現在常用的杠桿原理。明朝科學家宋應星于公元1637年在他的著作《天工開物》中對古代采煤起重吊裝方法作了詳細形象記載：人們用手搖絞車——轆轤從很深的煤井里把裝在竹籃中的煤提到地面上來。典型的人力勞作是這個階段的突出特征。

2.1.2 發展初期

到了18世紀，隨著生產的發展,越來越多起重吊裝機械得到了發展。進入19世紀由于蒸汽和電力的出現，促使了起重吊裝機械的進一步發展。同時，也是起重吊裝發展史上的轉折點。

1887 年有了第一臺電力驅動的旋轉起重機，同年也制成了電力驅動的橋式起重機。

1889 年在碼頭出現了門框式門座起重機。

1902 年和1917年英國的科爾斯公司分別制成了電傳動和內燃機機械傳動的軌道式起重機。

1916 年美國開始制造硬橡膠實心輪胎自行式起重機。

1918 年德國生產出第一批履帶式起重機。

1922 年英國開始制造汽油機為動力的電傳動汽車起重機。

1937 年英國制成充氣輪胎的輪胎式起重機，行駛速度達15.3km/h，大大提高了工作效率。

圖4 核電站大型模塊的吊裝

第二次世界大戰之后，各國都將主要力量放在國民經濟發展上，尤其是遭受戰爭破壞的國家在恢復和建設中急需大量起重吊裝機械，促使起重吊裝機械得到極其迅速的發展，并在生產工藝與操作過程中充當了不可缺少的機械設備之一。

這個階段有了機械，勞動力得到了解放。簡單的機械取代了人力勞作加之小規模的經營，構成了起重吊裝業的趨形。

2.1.3 發展中期

到20世紀50年代起重吊裝作業出現了金屬桅桿、重型金屬桅桿和整體組合吊裝技術。60年代起重吊裝技術有了新的發展，創造了四桅桿組合吊裝超過400t設備的先進技術。70年代進入了大噸位塔類設備綜合整體吊裝及重型金屬桅桿機構運用的新階段，新型起重吊裝設備的誕生和先進起重吊裝技術的出現是和工藝迅速發展同步進行的。在這個階段，起重吊裝技術得到了較大的發展，大重量的吊裝作業頻繁出現，起重吊裝技術逐步走向成熟。

2.1.4 發展現狀

圖5 起重吊裝行業的發展歷程

隨著科學技術的進步和工業化的快速發展，制造加工能力在不斷增強，生產的設備越來越大，起重吊裝機械也隨之越來越大。目前,世界上最大的履帶式起重機已達到了4000t級。國內起重機生產業的迅速崛起，給我國起重吊裝行業的發展注入了新的活力。LIEBHERR、TEREX-DEMAG、Manitowoc以 及 國內的徐工、中聯重科、三一等幾大起重機生產商都在進行更大型起重機的研制和開發。這個時期，大型和超大型的起重機械發展迅速。在國內，國產化能力得以顯現，行業發展呈迅猛之勢。

2.2 發展展望

發達國家的大型起重機械吊裝行業基本上是在其國家工業化大發展時期伴隨形成的，在這個時期，國家的能源建設投入急劇加大，建設速度迅速提高，建設能力快速增長，使得大型起重機械吊裝的需求異常旺盛，以大型履帶式起重機為主的大型及特大型起重吊裝施工和以汽車式起重機為主的中小型起重吊裝施工行業市場應運而生，隨之而來的是市場的競爭、資源的整合和秩序的規范。目前，這個行業在許多發達國家已經比較成熟，在我國正處在急速發展階段,而且其中的一些領域已經步入了世界的先進行列，甚至達到領先的地位，大型起重機一直靠進口的時代也將意味著已經過去。

近年來，隨著我國國民經濟的發展和工業化進程的加快，工程建設規模在不斷擴大，起重吊裝行業也將逐步朝向大規模、大型化、專業化、一體化的方向發展。由于高性能材料的使用和工業加工能力的提高，起重機制造業的發展進入了一個嶄新的階段，同時也推動吊裝行業的急速發展。因此，時代的發展和技術的進步要求我們要與時俱進，走在時代的前沿，抓住時機，迎接新的挑戰！

3 起重機的快速發展為模塊化建造模式的發展提供了強勁動力

近幾年，世界范圍的起重機行業的發展顯現了一派繁榮景象，尤其是在中國，國產化得到了快速發展，并已呈現迅猛發展態勢。機械技術的發展為提高起重機的起重能力提供了催化劑，進而刺激了起重吊裝技術的發展，這就為工業設計向“大型化”的方向發展輸入了能量，使工業裝置模塊化建造模式的發展進程得以加快。起重吊裝技術和模塊化建造技術發展的有機結合，構成了一個交織上升、相互推進的特殊關系。這種相互促進的發展關系形成了各自發展的推動力，使其發展的能量更足、更強勁，速度也更快。

模塊化建造模式的最大優點是通過減少在現場的施工量和多工序平行施工而縮短了工程的建設周期。采用模塊化后，大量的施工內容可以在制造廠內完成，可以更好地保證施工質量和安全。但是，從施工角度看，大規模的模塊化在提供各種便利的同時，卻增大了模塊的整體體型和重量，增加了運輸和吊裝環節的施工難度。而大型起重機械的出現和起重吊裝技術的發展，又使得大型模塊吊裝變得簡單化。

石化行業正在積極推進國內工程項目模塊化建造的進程。今年十月來自吊裝聯盟的一則消息——《模塊化建造將成石化工程項目的未來選擇》，報道了九月份由中石化支持的在山東青島舉行的2014模塊化建造技術與管理國際論壇，以“優化建造方案，實現高效交付”為主題，來自國內外200多名石油石化工程建設專家、學者和行業從業人員，就目前全球模塊化建設的設計、工藝和未來發展等方面的議題展開熱烈的討論，有專家認為，未來的工廠會像樂高玩具一樣，由各個模塊拼接而成。

4 模塊化建造項目的吊裝施工典型實例

近幾年來，采用模塊化建造模式建設的工程項目越來越多，涉及的行業也越來越廣。建造的理念上基本是一致的，但形式和特點各有不同。

目前，在工廠建設中，AP1000核電是率先采用大規模模塊化建造的工廠，我國浙江三門和山東海陽在建的兩個AP1000核電廠是比較典型的采用模塊化建造模式的項目，其優勢和特點十分突出。將要在山東石島灣建設的CAP1400示范項目主吊機已經完成試車，該廠模塊化建造的規模比AP1000核電廠更大了一級。下面以AP1000核電為例進一步了解一下模塊化建造項目吊裝施工的特點、主要技術和資源配置等。

4.1 AP1000核電建造模式簡介

AP1000核電由美國西屋公司設計，是目前最先進的第三代壓水堆核電技術。采用了“安全系統非能動”設計理念，具有先進的非能動安全特性，使得安全性大大增加（設計上采用自然循環、重力原理，不需要1E級應急柴油發電機組來實現堆芯冷卻和熱量排除，使操作員的寬限時間增加到72h）。我國正在建造的浙江三門和山東海陽AP1000核電機組屬于自主化依托項目，由于浙江三門AP1000核電在世界上是首次建造，因此三門核電的1#機組也被稱作“世界首堆”。

AP1000核電采用的是模塊化建造模式，模塊分為鋼制安全殼組件、結構模塊、設備模塊，共178個（結構模塊108個、設備模塊70個）。其中安全殼組件和大型結構模塊的運輸和吊裝是施工的重點和難點（見表1）。AP1000核電模塊化建造的理念不是簡單的土建、安裝兩道大工序的平行施工，而是模塊預制與建造兩道大工序的有機結合（見圖5）。

表1 AP1000核電安全殼組件和大型結構模塊一覽表

圖6 AP1000核電模塊建造過程示意圖

4.2 模塊吊裝施工管理的主要特點

在工程的設計和建造中大規模采用模塊化技術，最大優點是通過減少在現場的施工量而縮短核電的建設工期，大量的施工工作在制造廠完成，可以更好地保證施工質量和安全。然而，大規模的模塊化增加了施工的難度，模塊的大型化給運輸和吊裝工作帶來了較大的風險和挑戰。

AP1000核電反應堆廠房內大型設備模塊，都采用“開頂法”吊裝，這也是其模塊化建造的突出特點之一，即在反應堆廠房環吊安裝前，用大型起重機械將重型設備模塊越過反應堆廠房結構吊裝就位，待反應堆廠房所有重型設備和大型結構模塊就位后，再進行反應堆廠房頂蓋的施工。起重吊裝管理工作具有如下幾個特點：

（1）要做好新技術和新模式下的項目管理，創新項目管理技術是必由之路。計劃管理和進度控制必須適應當前的管理模式和模塊化建造技術，形成新的計劃控制體系，使用新的管理技術。模塊化建造技術打破了以往先土建后安裝的明確界線，創造了土建與安裝平行施工的條件，而土建與安裝的平行施工是優化施工邏輯、合理壓縮工期的基礎。新的項目管理模式對計劃分級管理提出了新要求。

（2）大型結構模塊的制作、組裝、安裝和吊裝等工序接口，對質量控制流程和關鍵環節的分析提出了新要求。由于其整體外形尺寸大，建造方式上采用先制作子模塊，再到現場進行組裝的方式，而且在現場要具備專用的大型組裝場地。整個施工過程涉及測量、組對、焊接、吊裝、運輸等多個環節。在組裝過程中，會頻繁地進行子模塊吊裝、翻轉，由于模塊體積大、形狀不對稱、重心不易確定而會引起模塊變形。就要建立新的質量控制模型。

（3）大型設備吊裝和大型結構模塊的組裝、吊裝、運輸等，要建立新的施工危險因素分析和評估。大量的物項吊裝安全，尤其是大型設備、結構模塊的吊裝，是主要安全影響因素。從“本質安全”的角度考慮，主要集中在對吊裝方案進行安全評估和過程控制上，進行大型吊裝的模擬試驗和操作人員的協調演練。對模塊組裝中局部的狹窄空間安全救護和施工監管和配合進度計劃控制，避開存在安全風險的平行施工的作業面等，都是模塊化施工的特點所在。

4.3 主要起重吊裝資源配備

三門核電廠核島模塊、設備吊裝使用的主起重機是LAMPSON LTL2600B型2600t履帶式起重機，山東海陽使用的是DEMAG CC8800-1 TWIN 型3200t履帶式起重機。主要大型結構模塊吊裝使用的工裝有：CA01、CA20使用1200t多級自平衡式吊梁（如圖7），安全殼組件使用800t帶分配器的專用吊梁并集成了可調拉桿和應力檢測系統。大型結構模塊現場拼裝、組件翻轉、豎立使用的主起重機是400t履帶式起重機（超起工況），輔助溜尾起重機是320t履帶式起重機（主臂工況），采用200t三點式主吊梁和100t溜尾吊梁。先進的起重機械及配套工裝，結合了有限元分析、應力檢測、防真模擬技術的使用，為充分保證吊裝質量和安全提供了可靠的保障。

5 模塊化建造模式帶來的機遇和挑戰

5.1 模塊化建造模式對資源的需求

由模塊化的特點決定的，模塊化建造模式的項目起重吊裝施工中，具有大型設備、結構模塊的吊裝重量大、體型大、形狀不規則、結構復雜等特性，使得吊裝施工作業對起重吊裝機械的需求向著大型化、系列化發展，對吊裝工裝的配備和吊裝技術的要求也提出很高的要求。

因此，模塊化建造模式會加快大件吊裝專業化的步伐，促進“一體化”格局的形成和發展，使起重吊裝作業向著集約化、大型化、系列化的方向發展。由于施工模式的改變，對吊裝機械、工裝、技術等資源的需求結構也會發生改變，將會打破現有的資源格局和經營模式。

圖7 CA20模塊整體吊裝

5.2 模塊化建造模式對工業化的要求

目前，中國制造業發展異常迅速，產業基礎越做越大，但總體科技含量不高，就民用而言，應該說是處在中低端。生產設備方面，機器的制造被稱為制造的制造，雖然很多設備可以國產了，但從其品質、穩定性、擴展性上看和國外相比，還有差距。從業人員，奮斗在制造業第一線的人文化素質不高，缺少技術工人。自主產品有限，很多廠就是外國世界工廠上的一點，依賴性強。

業內人士來看，世界上制造業發展的趨勢應該是標準化數字制造，即生產實現數字化控制，人只要把設計出的電子化圖紙輸入電腦后，即可實現全自動生產。就工業生產的加工水平來看，目前我們的尚處在“帶料加工”的層次上，大多數的工廠不具備設計轉化能力，也就是說是靠現成的圖紙進行加工制作。這對實現模塊化建造模式來講是一個挑戰，但也為工廠化生產和運輸業的發展提供了機遇。

5.3 需要完善的標準化體系作支撐

目前，針對核電廠的建設，國家能源局、中國核建集團在逐步完善支持核電建設的系列標準和規程、規范，其中也包括了AP1000核電建設標準。但對民用工程，模塊化建造模式尚處在興起和待發展階段，還沒有形成適合于該領域的施工標準、規范或規程。因此，隨著它的發展，必將會對日臻完善的建造模式形成屬于“自己”的法規和標準、規范，用來規范施工和管理，從而保證工程建設的有序進行。

6 模塊化施工的發展與展望

隨著國民經濟的發展和工業化水平的提高，裝備制造水平和運輸吊裝能力不斷提升，模塊化建造模式已在造船業、海工、建筑、橋梁、核電工程中得以廣泛應用，并逐步得到普及和推廣。造船業和海工工程起步較早，并已形成規范化的模塊化建造模式。目前我國在建的兩個AP1000核電廠從核心設備到各種廠房，包括近40m直徑的CV結構模塊，均實現了模塊化施工，其技術和管理已經很成熟了。在石油化工裝置中也不乏像大型乙烯裝置裂解爐整體制作、整體運輸、整體安裝的深度模塊化施工的范例。

在發達國家對模塊化建造的起步比較早，發展也比較快，尤其是二戰后的日本，在工程領域已趨向普及。在國內，石油化工工業安裝等很多領域模塊化建造的理念還剛剛形成，工程建設的模塊化施工，還處在發起階段。受建設地環境、工程造價、設計、采購條件、吊裝運輸條件等的限制，僅在特殊需求下實現了少量或局部設施的模塊化施工，和在現場二次組裝形成簡易功能組合的模塊化。如乙烯裝置裂解爐對流段、催化裂化裝置余熱鍋爐、大型塔器的整體制作吊裝、火炬塔架的分段吊裝、高大框架分段吊裝、管道工廠化預制等。新形式下的工程建設需要是優質、安全和快速、高效，模塊化的建造模式必將形成趨勢，從而推動工程項目向真正意義上的模塊化施工方向發展，并在工業安裝領域得以推廣、普及。

隨著全球化工業化水平的快速發展，工業技術得到大幅度提高。工業化的發展促動了工業裝置的大型化，越來越多的超大型設備、結構出現在工業裝置中，模塊化建造模式必將成為趨勢。模塊化建造模式的發展，對起重吊裝技術和資源的配備提出了更高的要求，同時也給起重吊裝行業的發展創造了機會。因此，模式化建造模式的發展為我們帶來機會的同時也為我們帶來了挑戰！這就要求我們要站在時代發展的前沿，共同攜起手來，抓住機遇、接受挑戰，迎接更加美好的明天！