模塊化技術在設備室施工工藝優化中的應用研究

王倉平 金忠見

中國核工業二三建設有限公司 北京 100000

某項目安裝工程設備室數量眾多，設備室屬密閉受限空間，凈深高且內部構造復雜，設備眾多，工藝管道布置密集，分層布置且小管居多，現場施工難度大，且工期十分緊張，另外土建、結構、設備和管道等各專業間存在交叉施工，如果仍采用傳統的施工邏輯，根本無法滿足工期和現場進度要求。因此，如何最大限度地提高管道預制比率和確保設備室內各層級管道合理安裝，最大限度縮短現場安裝工期，是設備室開工前亟需解決的技術重難點問題之一。

1 工程需解決的難點

本文利用BIM先進技術，對設備室內管道施工開展模塊化技術研究，重點解決以下三大技術重難點問題：

（1）建立設備室內各物項全專業三維模型，檢查分析設備室內管道與土建、管道與管道、管道與支架、管道與設備等碰撞干涉問題，提前發現問題，減少現場變更和安裝階段的返工工作，節約現場安裝工期；

（2）為實現并行施工，把握“緊前”原則，能在車間預制完成的工作，盡量全部前移至車間內完成，利用BIM的三維設計功能開展管道模塊劃分，在綜合考慮運輸路徑、吊裝預留洞口、安裝就位空間等諸多因素的前提下，通過對廠房空間及引入通道的立體分析，設計滿足運輸、安裝的管道模塊，實現盡可能多的現場焊接作業轉移到車間，提高并行施工效率，減少現場工作量；

（3）利用BIM4D模擬技術對已在車間預制好的管道模塊的吊運和安裝過程進行全程模擬，驗證方案的可行性，及時發現并消除施工風險隱患，降低安全管控風險，輔助優化施工方案，更加直觀、全面地指導現場安裝作業，保障整個施工過程一次性成功。

2 模塊化技術應用與研究

2.1 模塊劃分方法和類型

首先，遵循模塊劃分的總原則，以某典型設備室為例，根據布置圖和BIM模型進行綜合分析；其次，除了考慮布置特點和空間情況外，需準確全面結合現場可實施性要求進行劃分?；谏鲜鰞煞矫娴目紤]，最終確定典型設備室模塊按Ⅰ型模塊和Ⅱ型模塊2種類型開展劃分。

（1）Ⅰ型模塊：將含有三通、異徑管等管件的多張等軸圖中，具有連接關系、空間位置集中的多個管段進行組合，形成多管段整體模塊。該類型模塊主要集中在設備室中下層之間，該空間易于模塊現場就位，另將盡可能多的焊口轉移到預制車間焊接，減少現場工作量，提高施工質量。

（2）Ⅱ型模塊：結合現場施工安裝順序，為便于同批預制、同批整體運輸，將集中布置、外形相似的多個預制管段進行打捆，構成Ⅱ型模塊。另外考慮模板搭設作業面，盡量將模塊在同一作業面，使高空作業平面化。

綜上所述，某典型設備室共劃分出Ⅰ型模塊8個，Ⅱ型模塊27個。

2.2 模塊吊運安裝模擬技術研究

利用BIM技術對Ⅰ型和Ⅱ型模塊的吊運安裝方案進行全過程模擬，相當于在工作站平臺上進行“預吊裝”，從而驗證方案的可行性，提前發現并消除施工風險隱患，降低安全管控風險，輔助優化施工方案，更加直觀、全面地指導現場安裝作業，保障施工活動一次成功。

2.3 模塊運輸工裝設計

模塊工裝采用SolidWorks軟件進行三維設計，工裝設計以“安全可靠、適應性強、成本低、質量輕”為目標，遵循方便現場拆卸、靈活組裝的原則開展設計。

工裝采用C型鋼和“連接件+螺栓”方式進行設計，可實現單套工裝與多個模塊靈活搭配，可反復使用。其次，充分考慮現場實施的便捷性，Ⅰ型模塊采用快拆管卡與工裝固定，可實現半小時內完成不同形式工裝的拆裝。另外，針對Ⅱ型模塊豎向吊裝可能出現的“抽芯”滑落風險，工裝下部設置專用底部托架，從而規避該風險。

2.4 模塊及工裝受力分析

采用ANSYS有限元開展模塊重心計算、運輸、吊裝、工機具分析等工作，并依據規范及準則開展各工況下模塊受力評估，確保模塊及工裝安全可靠。

（1）Ⅰ型模塊及工裝力學分析計算

模塊施工工況主要分為運輸、翻轉和吊裝工況。其中運輸工況為模塊平放于車斗在水平加速度作用下的運輸工況；翻轉工況為模塊在水平放置情況下通過吊起吊耳位置使模塊豎直翻轉的工況；吊裝工況為模塊本體起吊直立后通過吊裝進行高度抬升至安裝位置的作業工況。

（2）Ⅱ型模塊及工裝力學分析計算

對Ⅱ型模塊底托工裝及管道本體在運輸、翻轉和吊裝各工況的承載力進行力學分析，確保在施工過程中模塊各部件不產生較大的應力，確保其功能性和完整性。

（3）受力分析結論

綜上所述，針對Ⅰ型、Ⅱ型模塊和吊運工裝，通過對有限元應力輸出結果處理，并參照規范對模塊的整體結構強度進行評估。為模塊吊具設計、運輸工裝設計、吊車選型提供支撐。結果顯示：模塊及運輸工裝應力水平較低，變形處于彈性范圍，模塊方案受力滿足要求。

3 應用的實踐情況和體會建議

以某典型設備室為例，通過應用模塊化和BIM技術，提前發現碰撞問題261個，轉移704道現場焊口到車間預制，減少22次運輸吊裝，減少29個焊接作業面等，經評估，節約安裝工期86.4天，占一體化三級進度計劃工期256天的33.8%，具體分析如下：

3.1 提前發現并處理碰撞問題節約安裝工期分析

通過碰撞檢查，共發現問題261個，通過提前發現并處理預計可節約安裝工期40天，如表1。

表1 碰撞問題對工期的影響分析表

3.2 轉移現場焊口到車間預制節約安裝工期分析

應用模塊化技術，完成Ⅰ型模塊8個，Ⅱ型模塊27個。其中，轉移704道焊口到車間預制，預制工作比例達58.76%（含彎管加工），結合工程量分析得出：現場焊縫轉移車間可節約安裝工期38天。

表2 轉移焊口對工期的影響分析表

3.3 減少運輸、吊裝次數節約安裝工期分析

應用模塊化技術，以平均每天按2個小時運輸時間計算，通過分析，在管道裝車、運輸、卸車、吊裝等環節可節約工期5.5天。

表3 運輸和吊裝對工期的影響分析表

3.4 把焊口盡量集中，減少作業面節約安裝工期分析

通過模塊化及焊口優化，減少焊接作業面節約工期，把焊口盡量集中，減少作業面可節約安裝工期2.9天。如表4所示。

表4 減少作業面對工期的影響分析表

3.5 安全質量提升

設備室屬于密閉受限空間，現場施工空間狹小，施工任務量大，將管道安裝58.76%的工作移至車間預制，改善了作業環境，減少了現場密閉作業時間，進一步確保安全生產。車間預制進行模塊化生產，更易于控制焊口施工質量，尺寸的偏差控制，提升無損檢測一次合格率，使得施工質量得到了提升。

3.6 可視化安全技術交底

利用BIM可視化技術和沉浸式VR虛擬現實技術開展3D仿真體驗，讓施工人員更加直觀感受設備室內環境及物項安裝情況，以第一視角獲取物項重要屬性信息和相關施工作業安全提示，提升人員培訓和安全技術交底效果。

4 結論

通過對模塊化技術在設備室施工工藝優化中的應用研究，重點解決了①管道與各物項干涉碰撞；②管道模塊化預制；③管道模塊吊運安裝模擬分析等三大技術重難點問題，可實現車間與現場平行作業，最大限度地提高管道預制比率，確保設備室內各層級管道合理安裝，達到縮短施工工期、降低質量安全風險、提升施工效率的目的。實踐證明，管道模塊化技術可較大幅度縮短設備室施工工期。與此同時，將該研究成果和經驗進行固化，可為后續其它設備室施工以及類似工程應用提供技術參考，具有較大的推廣和借鑒意義。