生活樓模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

程 朋，彭文坤，周立萍，屈會(huì)智

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

模塊化建造是指在遠(yuǎn)離項(xiàng)目建造地點(diǎn)的模塊化工廠里將工藝工程、自動(dòng)控制、機(jī)械設(shè)備、電力等專業(yè)過程和產(chǎn)品高度集成后，再運(yùn)輸至項(xiàng)目建造地點(diǎn)進(jìn)行安裝的建造模式。生活樓作為各類海洋船舶、石油鉆采平臺(tái)不可或缺的一部分，對(duì)項(xiàng)目整體的建造產(chǎn)生著重要的影響。傳統(tǒng)的建造方式，對(duì)項(xiàng)目建造場(chǎng)地及其相關(guān)基礎(chǔ)配套有較高要求，而且還受大型吊裝、海上運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)資源的影響。而模塊化建造，突破了傳統(tǒng)的建造模式，可完全脫離建造現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)車間批量化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)過程中充分考慮重量控制，降低了相關(guān)資源對(duì)整體建造的制約，縮短了項(xiàng)目的建設(shè)周期，節(jié)省了項(xiàng)目的建設(shè)費(fèi)用，降低了項(xiàng)目的建造風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)海洋工程裝備的進(jìn)一步發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

本項(xiàng)目依托30萬t FPSO改造項(xiàng)目，提出總體設(shè)計(jì)方案，在不改變船體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、設(shè)施的基礎(chǔ)上，充分、合理運(yùn)用限定空間，科學(xué)布局，設(shè)計(jì)出符合行業(yè)相關(guān)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的固定尺寸的模塊。此即為模塊化研究設(shè)計(jì)的成果，此成果也作為其他專業(yè)開展相關(guān)研究的基礎(chǔ)。

1 模塊化的目標(biāo)

突破生活模塊系統(tǒng)的模塊化的關(guān)鍵性技術(shù)，生活樓建造模塊化，模塊建造標(biāo)準(zhǔn)化；模塊質(zhì)量合理控制，輕型化；模塊裝配連接安全化、快捷化。

1)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。將生活樓的工作、休息等功能區(qū)域劃分為若干類型的功能模塊，各功能模塊的功能疊加，形成生活樓的整體功能，即生活樓模塊化；生活樓中各功能模塊無論其功能屬性，其最主要也最基本的是主體尺寸、構(gòu)造保持統(tǒng)一，即模塊標(biāo)準(zhǔn)化。

2)輕型化。通過對(duì)各專業(yè)所應(yīng)用的材料、設(shè)備等進(jìn)行合理選型，使各功能模塊質(zhì)量控制在20 t以下。

3)安全化、快捷化。運(yùn)用簡(jiǎn)單實(shí)用的緊固件實(shí)現(xiàn)模塊間的外部連接和內(nèi)部連接，不需實(shí)施其他工序，達(dá)到裝配施工的方便、快捷；施工人員只需實(shí)施簡(jiǎn)單的連接件緊固工作，無需進(jìn)行其他操作，避開了傳統(tǒng)施工涉及到的焊接、打磨等可能造成的危險(xiǎn)因素，管線、電纜通過各類快速接頭的使用，方便安裝和拆卸。實(shí)現(xiàn)裝配施工安全化，省時(shí)省力。

2 生活樓模塊化設(shè)計(jì)

2.1 模塊主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確定模塊尺寸，此次設(shè)計(jì)根據(jù)《2006國際海事勞工公約》中對(duì)起居艙室和娛樂設(shè)施的相關(guān)規(guī)定、《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》對(duì)脫險(xiǎn)通道的相關(guān)要求以及《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中對(duì)防火設(shè)計(jì)的相關(guān)約束。綜合考慮之后，最終將模塊外輪廓尺寸定為：3 500 mm(寬)×7 500 mm(長)×3 500 mm(高)。

根據(jù)各模塊具體所屬功能的設(shè)定不同，設(shè)計(jì)為多種類型，但框架主體結(jié)構(gòu)形式仍然按上述尺寸保持一致。傳統(tǒng)生活樓主框架采用H440型鋼，由于箱體存在上下兩層框架，如仍舊使用傳統(tǒng)型鋼，會(huì)大大縮減房間高度，增加使用人員的不舒適感，因此本次研究采用SHS200×10方鋼管圍成立體框架，通過上下雙層結(jié)構(gòu)分擔(dān)應(yīng)力，既能保證強(qiáng)度，也能滿足高度使用要求。圍壁和屋頂采用壓型板形式，甲板采用鋼制平板，加強(qiáng)筋采用角鋼或槽鋼形式。箱體下托架由H型鋼拼接而成，尺寸與箱體一致(見圖1)。

圖1 模塊通用主體框架及托架

2.2 主結(jié)構(gòu)間的快速連接設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)生活樓中，結(jié)構(gòu)桿件都是通過焊接連接在一起，現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)焊接工作量大、耗時(shí)長，但具有強(qiáng)度大、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。本次研究的箱體小模塊化設(shè)計(jì)，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮強(qiáng)度需求，也要滿足使用需求、具備可快速操作的特點(diǎn)。連接節(jié)點(diǎn)成為需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。通過對(duì)比多種連接形式，例如橋鎖連接、拉桿連接、現(xiàn)場(chǎng)焊接等形式，從穩(wěn)定性、操作性上考慮，我們最終選取了螺栓連接和扭鎖連接作為連接結(jié)構(gòu)形式。

模塊水平方向采用螺栓連接，選取高強(qiáng)螺栓套組，采用波形彈性墊片用來防止松動(dòng)(見圖2)。螺栓組依照國標(biāo)GB/T 50017設(shè)計(jì)，螺栓中心距和間距均滿足標(biāo)準(zhǔn)，并且滿足實(shí)際操作對(duì)空間的要求。

圖2 模塊螺栓連接

模塊上下采用扭鎖連接，選取半自動(dòng)扭鎖作為連接件。為了方便操作，扭鎖經(jīng)過改造延長了拉桿部位(見圖3)。上下安裝時(shí)把扭鎖放入角件中，模塊下落后自動(dòng)鎖緊。拆卸時(shí)只需拉伸拉桿即可解鎖。

圖3 經(jīng)改造的半自動(dòng)扭鎖

模塊主結(jié)構(gòu)的這種連接方式，完全不同于傳統(tǒng)的整體吊裝，避免了對(duì)大型吊裝資源的需求，實(shí)現(xiàn)了模塊吊裝的便捷、快速。

2.3 模塊內(nèi)部管道井與電纜井的設(shè)計(jì)

管道井和電氣井的設(shè)置是用來給模塊間的管路和電纜提供路徑空間。為保證其標(biāo)準(zhǔn)化，其分布位置均固定在箱體首部靠走廊側(cè)房間內(nèi)部(見圖4)。其空間尺寸，根據(jù)各專業(yè)需求，給出合理計(jì)算值，且此數(shù)據(jù)保持固定不變。其中配管專業(yè)為滿足各工藝主管及消防管線走管，凈尺寸設(shè)定為795 mm×430 mm，電儀專業(yè)根據(jù)需要，凈尺寸設(shè)定為687 mm×430 mm。

圖4 電纜井、管道井圖例

管道井的設(shè)置，使得管道與艙室隔離，減少管道介質(zhì)的跑、冒、滴、漏對(duì)生活區(qū)的影響，而且還便于維修與操作。管道井內(nèi)，管線設(shè)計(jì)為垂直立管，完全避開傳統(tǒng)的生活樓設(shè)計(jì)時(shí)使用水平坡度管的方法，減少管道阻塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

電纜井的設(shè)置，使得電纜與艙室隔離，減少了不必要的電纜外部敷設(shè)，保護(hù)電纜不受損壞，同時(shí)還避免了電纜外部敷設(shè)對(duì)模塊內(nèi)部整體美觀的影響。

2.4 電纜的快速連接設(shè)計(jì)

每個(gè)模塊的內(nèi)通設(shè)備為一個(gè)獨(dú)立的模塊。電纜對(duì)接處在每個(gè)房間與電纜井連接的墻面上。針對(duì)不同信號(hào)的電纜選用相應(yīng)的對(duì)接器，保證信號(hào)衰減的程度滿足設(shè)備的正常使用及系統(tǒng)運(yùn)行的完整。

模塊內(nèi)相關(guān)設(shè)備與電纜的固定，電纜一端與設(shè)備連接，另一端連接到相應(yīng)的固定在墻面的對(duì)接器，主機(jī)引到每個(gè)房間相應(yīng)控制電纜，電纜的一頭以普通形式連接主機(jī)，另一頭選擇相應(yīng)的連接器與房間對(duì)接。廣播系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)及火氣系統(tǒng)均以此種方式實(shí)現(xiàn)快速連接與拆卸。

對(duì)接器的使用，電、儀、訊專業(yè)的電纜快速連接得以實(shí)現(xiàn)，使得模塊在運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)之前，可以完成大部分的電纜敷設(shè)工作，現(xiàn)場(chǎng)只需完成對(duì)接器與電纜的連接工作，避免了傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)過程中大量、繁瑣的體力勞動(dòng)。

2.5 管道的快速連接設(shè)計(jì)

管線穿艙及連接型式見圖5，管線穿過模塊1時(shí)，在方鋼內(nèi)用快速連接器連接管段，在模塊內(nèi)再次使用快速連接器連接管線。通過快速連接器的使用，實(shí)現(xiàn)管道的快速連接與拆卸。

上下管路連接時(shí)，采用了1個(gè)管段、2個(gè)快速連接器的連接方式，相較于1個(gè)連接器的連接方式，避免了模塊安裝偏差導(dǎo)致管道的無法對(duì)接，保證連接的可行性與可靠性，有實(shí)際的應(yīng)用意義。

圖5 管道穿艙連接示意

2.6 空調(diào)井的設(shè)計(jì)

空調(diào)井(見圖6)是專門設(shè)置用于空調(diào)設(shè)備的放置區(qū)域，由于空調(diào)設(shè)備尺寸、質(zhì)量問題，不便于懸掛在模塊外側(cè)，故設(shè)計(jì)放置在靠箱體尾部一角甲板上，用方鋼和壓型板隔開空間，設(shè)置區(qū)域?yàn)? 100 mm×450 mm。側(cè)面上方為了美觀設(shè)置有可活動(dòng)擋板，空調(diào)安裝后覆蓋擋板。在住人、廚房及干貨間等處所設(shè)計(jì)的模塊內(nèi)設(shè)置的空調(diào)安裝區(qū)域，設(shè)置于生活樓非防爆側(cè)，可通過分體的形式為對(duì)面模塊或附近多個(gè)模塊提供空氣、溫度調(diào)節(jié)功能。避免了防爆側(cè)空調(diào)的設(shè)置，減少了空調(diào)采購的類型和數(shù)量，使得空調(diào)的設(shè)置達(dá)到最優(yōu)化、成本最小化。

圖6 空調(diào)井圖例

空調(diào)井的設(shè)置，相較于傳統(tǒng)的中央空調(diào)模式，保證了模塊自身所需的空氣、溫度調(diào)節(jié)功能，且不受其他模塊影響，其調(diào)節(jié)效果更具個(gè)性化，也使得模塊的獨(dú)立運(yùn)行更具有廣泛性。

2.7 模塊輕型化

將每一功能模塊進(jìn)行總質(zhì)量計(jì)算，均低于20 t，完成預(yù)計(jì)的輕型化指標(biāo)。將此次生活樓模塊化所涉及到的常用功能模塊的重量，分別按專業(yè)列出組成部分的重量明細(xì)，并計(jì)算出各模塊總質(zhì)量，均低于20 t。

2.8 模塊化設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用展望

實(shí)體項(xiàng)目根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，各專業(yè)在滿足相關(guān)國際規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求的前提下，完成生活模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)研發(fā)與設(shè)計(jì)，形成最終的相關(guān)成果。典型的模塊布置圖(見圖7)與典型的模塊模型圖(見圖8)，是模塊化研發(fā)及設(shè)計(jì)的最終成果。

任一工程項(xiàng)目，只需將傳統(tǒng)生活的功能分模塊劃分，即可針對(duì)性拿出相關(guān)功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的排列組合完成生活樓的設(shè)計(jì)工作，將標(biāo)準(zhǔn)模塊在工廠內(nèi)完成預(yù)制、組裝，再運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行拼接，即可實(shí)現(xiàn)生活樓的建造。相較于傳統(tǒng)的建造方法，模塊化的優(yōu)勢(shì)不言而喻。

在我國陸地石油資源可供開采量日趨放緩的背景下，海洋油氣資源的勘探開發(fā)是我國能源發(fā)展的必由之路。模塊化設(shè)計(jì)的理念，對(duì)于海洋石油工業(yè)的發(fā)展，會(huì)帶來的實(shí)質(zhì)的效益成果，與目前各大能源公司提出的“提質(zhì)增效”不謀而合。

圖7 典型模塊布置

圖8 典型模塊模型圖

3 結(jié)束語

模塊化的實(shí)施，將減輕設(shè)計(jì)、建造、安裝及調(diào)試等各個(gè)環(huán)節(jié)工作負(fù)擔(dān)，帶來極大便利，在降低成本的前提下，提升我國海洋石油開發(fā)的綜合能力，增強(qiáng)我國海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競(jìng)爭(zhēng)力，有力推動(dòng)海洋資源的開發(fā)和海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新、持續(xù)和協(xié)調(diào)發(fā)展。在當(dāng)前海洋權(quán)益保護(hù)意識(shí)日益提高的今天，也有著深遠(yuǎn)的意義。

模塊化的研發(fā)成果不僅對(duì)于海上船舶、海洋石油平臺(tái)、無人島礁等海洋工程項(xiàng)目，對(duì)于其他行業(yè)及其項(xiàng)目，也有著實(shí)際應(yīng)用的廣闊前景和現(xiàn)實(shí)意義。在著眼于船舶與海洋石油工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的同時(shí)，應(yīng)拓寬視野，使本研發(fā)項(xiàng)目產(chǎn)生更多的后續(xù)“溢出效益”。