模塊化技術(shù)在設(shè)備室施工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用研究

王倉平 金忠見

中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 100000

某項(xiàng)目安裝工程設(shè)備室數(shù)量眾多，設(shè)備室屬密閉受限空間，凈深高且內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)備眾多，工藝管道布置密集，分層布置且小管居多，現(xiàn)場施工難度大，且工期十分緊張，另外土建、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管道等各專業(yè)間存在交叉施工，如果仍采用傳統(tǒng)的施工邏輯，根本無法滿足工期和現(xiàn)場進(jìn)度要求。因此，如何最大限度地提高管道預(yù)制比率和確保設(shè)備室內(nèi)各層級管道合理安裝，最大限度縮短現(xiàn)場安裝工期，是設(shè)備室開工前亟需解決的技術(shù)重難點(diǎn)問題之一。

1 工程需解決的難點(diǎn)

本文利用BIM先進(jìn)技術(shù)，對設(shè)備室內(nèi)管道施工開展模塊化技術(shù)研究，重點(diǎn)解決以下三大技術(shù)重難點(diǎn)問題：

（1）建立設(shè)備室內(nèi)各物項(xiàng)全專業(yè)三維模型，檢查分析設(shè)備室內(nèi)管道與土建、管道與管道、管道與支架、管道與設(shè)備等碰撞干涉問題，提前發(fā)現(xiàn)問題，減少現(xiàn)場變更和安裝階段的返工工作，節(jié)約現(xiàn)場安裝工期；

（2）為實(shí)現(xiàn)并行施工，把握“緊前”原則，能在車間預(yù)制完成的工作，盡量全部前移至車間內(nèi)完成，利用BIM的三維設(shè)計(jì)功能開展管道模塊劃分，在綜合考慮運(yùn)輸路徑、吊裝預(yù)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(shè)計(jì)滿足運(yùn)輸、安裝的管道模塊，實(shí)現(xiàn)盡可能多的現(xiàn)場焊接作業(yè)轉(zhuǎn)移到車間，提高并行施工效率，減少現(xiàn)場工作量；

（3）利用BIM4D模擬技術(shù)對已在車間預(yù)制好的管道模塊的吊運(yùn)和安裝過程進(jìn)行全程模擬，驗(yàn)證方案的可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除施工風(fēng)險(xiǎn)隱患，降低安全管控風(fēng)險(xiǎn)，輔助優(yōu)化施工方案，更加直觀、全面地指導(dǎo)現(xiàn)場安裝作業(yè)，保障整個(gè)施工過程一次性成功。

2 模塊化技術(shù)應(yīng)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(shè)備室為例，根據(jù)布置圖和BIM模型進(jìn)行綜合分析；其次，除了考慮布置特點(diǎn)和空間情況外，需準(zhǔn)確全面結(jié)合現(xiàn)場可實(shí)施性要求進(jìn)行劃分?；谏鲜鰞煞矫娴目紤]，最終確定典型設(shè)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(guān)系、空間位置集中的多個(gè)管段進(jìn)行組合，形成多管段整體模塊。該類型模塊主要集中在設(shè)備室中下層之間，該空間易于模塊現(xiàn)場就位，另將盡可能多的焊口轉(zhuǎn)移到預(yù)制車間焊接，減少現(xiàn)場工作量，提高施工質(zhì)量。

（2）Ⅱ型模塊：結(jié)合現(xiàn)場施工安裝順序，為便于同批預(yù)制、同批整體運(yùn)輸，將集中布置、外形相似的多個(gè)預(yù)制管段進(jìn)行打捆，構(gòu)成Ⅱ型模塊。另外考慮模板搭設(shè)作業(yè)面，盡量將模塊在同一作業(yè)面，使高空作業(yè)平面化。

綜上所述，某典型設(shè)備室共劃分出Ⅰ型模塊8個(gè)，Ⅱ型模塊27個(gè)。

2.2 模塊吊運(yùn)安裝模擬技術(shù)研究

利用BIM技術(shù)對Ⅰ型和Ⅱ型模塊的吊運(yùn)安裝方案進(jìn)行全過程模擬，相當(dāng)于在工作站平臺上進(jìn)行“預(yù)吊裝”，從而驗(yàn)證方案的可行性，提前發(fā)現(xiàn)并消除施工風(fēng)險(xiǎn)隱患，降低安全管控風(fēng)險(xiǎn)，輔助優(yōu)化施工方案，更加直觀、全面地指導(dǎo)現(xiàn)場安裝作業(yè)，保障施工活動(dòng)一次成功。

2.3 模塊運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)

模塊工裝采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)以“安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低、質(zhì)量輕”為目標(biāo)，遵循方便現(xiàn)場拆卸、靈活組裝的原則開展設(shè)計(jì)。

工裝采用C型鋼和“連接件+螺栓”方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單套工裝與多個(gè)模塊靈活搭配，可反復(fù)使用。其次，充分考慮現(xiàn)場實(shí)施的便捷性，Ⅰ型模塊采用快拆管卡與工裝固定，可實(shí)現(xiàn)半小時(shí)內(nèi)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(xiàn)的“抽芯”滑落風(fēng)險(xiǎn)，工裝下部設(shè)置專用底部托架，從而規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 模塊及工裝受力分析

采用ANSYS有限元開展模塊重心計(jì)算、運(yùn)輸、吊裝、工機(jī)具分析等工作，并依據(jù)規(guī)范及準(zhǔn)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(xué)分析計(jì)算

模塊施工工況主要分為運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)和吊裝工況。其中運(yùn)輸工況為模塊平放于車斗在水平加速度作用下的運(yùn)輸工況；翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的工況；吊裝工況為模塊本體起吊直立后通過吊裝進(jìn)行高度抬升至安裝位置的作業(yè)工況。

（2）Ⅱ型模塊及工裝力學(xué)分析計(jì)算

對Ⅱ型模塊底托工裝及管道本體在運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)和吊裝各工況的承載力進(jìn)行力學(xué)分析，確保在施工過程中模塊各部件不產(chǎn)生較大的應(yīng)力，確保其功能性和完整性。

（3）受力分析結(jié)論

綜上所述，針對Ⅰ型、Ⅱ型模塊和吊運(yùn)工裝，通過對有限元應(yīng)力輸出結(jié)果處理，并參照規(guī)范對模塊的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估。為模塊吊具設(shè)計(jì)、運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)、吊車選型提供支撐。結(jié)果顯示：模塊及運(yùn)輸工裝應(yīng)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(yīng)用的實(shí)踐情況和體會(huì)建議

以某典型設(shè)備室為例，通過應(yīng)用模塊化和BIM技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)碰撞問題261個(gè)，轉(zhuǎn)移704道現(xiàn)場焊口到車間預(yù)制，減少22次運(yùn)輸?shù)跹b，減少29個(gè)焊接作業(yè)面等，經(jīng)評估，節(jié)約安裝工期86.4天，占一體化三級進(jìn)度計(jì)劃工期256天的33.8%，具體分析如下：

3.1 提前發(fā)現(xiàn)并處理碰撞問題節(jié)約安裝工期分析

通過碰撞檢查，共發(fā)現(xiàn)問題261個(gè)，通過提前發(fā)現(xiàn)并處理預(yù)計(jì)可節(jié)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(zhuǎn)移現(xiàn)場焊口到車間預(yù)制節(jié)約安裝工期分析

應(yīng)用模塊化技術(shù)，完成Ⅰ型模塊8個(gè)，Ⅱ型模塊27個(gè)。其中，轉(zhuǎn)移704道焊口到車間預(yù)制，預(yù)制工作比例達(dá)58.76%（含彎管加工），結(jié)合工程量分析得出：現(xiàn)場焊縫轉(zhuǎn)移車間可節(jié)約安裝工期38天。

表2 轉(zhuǎn)移焊口對工期的影響分析表

3.3 減少運(yùn)輸、吊裝次數(shù)節(jié)約安裝工期分析

應(yīng)用模塊化技術(shù)，以平均每天按2個(gè)小時(shí)運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算，通過分析，在管道裝車、運(yùn)輸、卸車、吊裝等環(huán)節(jié)可節(jié)約工期5.5天。

表3 運(yùn)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(yè)面節(jié)約安裝工期分析

通過模塊化及焊口優(yōu)化，減少焊接作業(yè)面節(jié)約工期，把焊口盡量集中，減少作業(yè)面可節(jié)約安裝工期2.9天。如表4所示。

表4 減少作業(yè)面對工期的影響分析表

3.5 安全質(zhì)量提升

設(shè)備室屬于密閉受限空間，現(xiàn)場施工空間狹小，施工任務(wù)量大，將管道安裝58.76%的工作移至車間預(yù)制，改善了作業(yè)環(huán)境，減少了現(xiàn)場密閉作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步確保安全生產(chǎn)。車間預(yù)制進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，更易于控制焊口施工質(zhì)量，尺寸的偏差控制，提升無損檢測一次合格率，使得施工質(zhì)量得到了提升。

3.6 可視化安全技術(shù)交底

利用BIM可視化技術(shù)和沉浸式VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展3D仿真體驗(yàn)，讓施工人員更加直觀感受設(shè)備室內(nèi)環(huán)境及物項(xiàng)安裝情況，以第一視角獲取物項(xiàng)重要屬性信息和相關(guān)施工作業(yè)安全提示，提升人員培訓(xùn)和安全技術(shù)交底效果。

4 結(jié)論

通過對模塊化技術(shù)在設(shè)備室施工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用研究，重點(diǎn)解決了①管道與各物項(xiàng)干涉碰撞；②管道模塊化預(yù)制；③管道模塊吊運(yùn)安裝模擬分析等三大技術(shù)重難點(diǎn)問題，可實(shí)現(xiàn)車間與現(xiàn)場平行作業(yè)，最大限度地提高管道預(yù)制比率，確保設(shè)備室內(nèi)各層級管道合理安裝，達(dá)到縮短施工工期、降低質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)、提升施工效率的目的。實(shí)踐證明，管道模塊化技術(shù)可較大幅度縮短設(shè)備室施工工期。與此同時(shí)，將該研究成果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固化，可為后續(xù)其它設(shè)備室施工以及類似工程應(yīng)用提供技術(shù)參考，具有較大的推廣和借鑒意義。