马洪艳

中石化第四建设有限公司 天津 300270

1 模块化施工的意义

模块化施工在发达国家中应用比较普遍，也是近年来国内外各行各业普遍关注的研究课题。模块化施工的先进性在于大量引入模块作业，极大地缩短了工期，产生良好的经济效益。对于施工安全来讲，模块化施工中大部分员工集中在预制场工作，可有效减少风险较大的施工现场作业人数；随着预制深度的增加，极大降低了高空作业、交叉作业的风险。

模块化施工将传统的施工理念进行优化，依靠当今的先进技术，由局部小模块到大模块，逐步实现最大模块化。模块化施工在很大程度上依赖于制造、吊装、道路、运输、人力、物力、财力、信息化程度等。依据中国石化集团对模块化施工的总体要求，我公司进行了一些有益的探索和尝试，以新建装置及主要设备为重点，认真研究模块化施工方案，以技术研发为依托，在工程项目部不断实践和推进，目前已在钢结构、工业炉、设备组装等方面初步实现了部分模块化施工,在降低施工现场安全风险、改善公司安全生产环境方面收到了一定成效。

2 模块化施工基础和原则

随着制造技术、加工技术和信息技术的快速发展以及相当规模能力的运输吊装设备推广应用，模块化施工技术具备了发展的基础和保证。公司积极创造条件自主研发设计,将采购与施工深度结合，并应用先进的信息技术、制造技术，改变当前现场预制、现场安装的作业模式，建立制造基地预制、辐射供应的施工组织模式，模块在工厂预制、组装，可做到与现场同步甚至可以提前，保证了流水作业，现场工厂两不误，大幅度提高劳动效率、降低安全风险、保证工程质量，可有效缓解石油化工装置建设工期紧、建设工程实物量大、劳动力紧张、安全风险高等实际问题。

公司根据自身的实际情况，考虑员工技能、资金投入、设备机具资源等方面因素，进行费用分析对比和统筹规划，制订了如下原则：

（1）优先考虑大吨位设备、设施的模块化组装；

（2）满足运输条件的设施、设备要实现模块化；

（3）对现场安装工作量大的设施、设备尽可能模块化；

（4）体积大、重量轻的设施进行散件模块式设计和散件模块安装。

3 主要做法

模块化施工是施工组织模式的一种创新，更是管理理念的一次革命，推广模块化施工方法，重在实施。

3.1 成立专门组织机构实现组织保证

公司十分重视模块化建设技术研发和施工现场应用。公司成立了领导小组，领导小组下设专门工作组，公司分管技术和工程的领导为工作组组长；成立了以技术质量处为主体的技术研发办公室；以工程管理处为责任部门的推广应用办公室；以安全环保处为主体的督办办公室。安全环保处定期检查模块化施工的应用情况，定期向领导小组汇报，并将应用情况作为安全考核的重要内容之一。项目部在模块化施工中是公司方案的具体实践者。

3.2 技术研发是模块化施工的先决条件

3.2.1 夯实基础，组建四个模块

经过对炼化工程特点分析，针对炼化工程施工具有多级结构的特点，依据功能、结构层级分解不同，提出了整个炼化工程模块化建设规划，即以结构模块、建筑模块、设备模块、连接模块等4个模块作为装置模块基本组成的炼化工程模块分解方案。

模块化制造采取分级制造方式，一是以制造基地为主的一级制造，主要进行管道、结构、设备深度加工及功能模块组成；二是以流动工厂形式建设的二级制造场，即使用流动、组装式建造设施在项目建设地附近或装置临近地点建设一个“活动式”组装场，将预制好的结构件、小型设备、管道以及电仪等工程组件进行组装，组装成较大的模块，然后运抵安装位置，使用自卸拖板车或吊装就位。

围绕4个模块建造，公司编制了《钢结构设备模块施工作业指导书》、《管道预制作业指导书》、《电动倒链应用作业指导书》、《电动扳手应用作业指导书》。

3.2.2 信息化为先导，应用三个软件

在模块化施工前，需要对整体工艺流程进行拆分。首先拆分为施工单元或者功能区域、独立撬块等模块，然后单独生成这些模块的规格书，包括设计图纸、材料信息、几何信息等，最后按照模块的规格书，完成模块的施工工作。模块拆分依赖专业设计软件来完成，模块施工依托于专业的施工过程管理软件来管理。专业化管理软件是模块化施工的一种有效手段和应用工具，在模块化施工过程的各个环节中得到广泛的应用，它为模块化施工提供了准确的数据信息，节约了大量的人力物力。

经过多年的信息化建设，目前公司的专业施工管理软件已经发展为纵向贯穿施工准备、施工管理、交工验收全项目管理过程，横向覆盖安全、质量、计划、资源、经营、技术全项目职能部门专业施工信息管理系统。以项目管理为核心的专业施工管理软件开发应用凸显了公司管理优势，其中PDSOFT 管道软件、管段预制施工管理软件和Tekla Structures 钢结构软件，可满足模块化施工的设计功能和施工过程管理功能，这三个软件的有效应用为顺利实施项目模块化施工奠定了基础，起到了至关重要的支撑作用。

TEKLA 软件具有三维建模、碰撞校核功能，图纸、报表、多用户操作等详细设计功能，三维立体既能从视觉上让施工人员了解到最终的产品形状、构成，又能协助设计单位提前发现设计失误，减少变更。

PDSOFT 软件引进了IDF 接口软件，实现与设计院PDS 或PDMS 软件的无缝对接，生成单线图和流程图。

管道施工过程管理软件，能够完成预制安装的配套管理，技术管理、质量控制、进度管理、仓储管理实现全过程的信息化控制和数据检测、查询和追溯。

3.3 分步实施

依据目前工程建设实际情况，我们采取了“积极挖潜、分步实施”的思路推动模块化施工，重点在结构模块、塔（设备）模块和连接模块上做了一些工作，将传统施工理念进行优化，大量引入平行作业，依靠先进技术，将土建、安装、调试等工序深度交叉，依赖发达的制造技术、加工技术与信息技术和相当规模能力的运输吊装设备，满足大型模块安全便捷运输与安装，应用施工管理信息化手段，满足有条不紊的同步管理。

3.3.1 结构模块实施及应用

我们应用Tekla 软件，提前根据设计图纸和相关标准图集建模，创建钢结构的立体三维图形，先完成钢结构所有型材的搭建，生成型材材料清单，为现场施工备料提供依据。实施过程主要包括软件模型、集中下料、集中预制、现场基础上组对，钢结构成平台（钢格栅安装）、组装（包括一梁一柱整体吊装），分层施工（管道一层、结构一层，避免穿管），整体吊装。

钢格栅地面安装、成片成框吊装，大大减少钢格栅作业高处坠落的风险。在公司2012年承建的燕山石化15万t/ a 碳五分离装置施工中，采用成片、成框的钢结构安装方法比传统的施工方法效率大幅提高，不但成框施工焊缝高空作业比成大片减少18%，对架设依赖性减少60%，极大降低冬季高空作业的风险因素，而且机械费也大幅度降低。

3.3.2 塔（静设备）模块化实施及应用

随着公司装备实力的提升，大型设备在地面进行劳动保护、工艺管线、仪表线路、灯具、保温、设备内件等全部安装，再进行整体吊装，做到“塔起灯亮”。大量工作在地面完成，一方面塔的安装由特级高处作业变成5m 以下的高处作业，风险系数大幅降低；另一方面又减少了密闭空间作业及交叉作业，降低了安全风险，而且工程质量控制能力同时得到提升。

实例1：北京燕化15万t/ a 碳五分离装置塔整体吊装

北京燕化15万t/ a 碳五分离装置及配套设施，现场17 具塔采用卧式组对，在地面完成平台安装、水压试验、附塔线安装、电器仪表安装、保温安装，最后整体吊装的模块化施工方法，劳动保护、照明都在预制场完成，架设量大量减少，原来需要在现场高空完成的电气、保温等作业随之大幅降低，员工的交叉作业风险得到有效控制。“塔起灯亮”，减少了高空作业，提高了劳动效率，缩短了工期。

实例2：宁夏500万t/ a 常压蒸馏装置常压炉模块化施工

公司承建的宁夏500万t/ a 常压蒸馏装置常压炉，采用了模块化设计、制造、安装。常压炉主体金属总重约579.122 t（不含梯子平台、烟囱、预热回收系统），通过模块化设计可进行工厂模块化制造的金属总重近80%，工厂模块化制造深度较大，炉体钢结构为方便运输和装卸，分化为几个模块。炉底、炉顶、辐射段墙体各模块到达现场后，先在地面上进行预组装，连成整片后再进行吊装。对流段模块预制程度最高，整体模块分四块，现场仅对整体模块进行安装。常压炉模块间的连接方式主要为螺栓等紧固件连接，采取积木式组对、安装，安装单次最大起吊重量约为64t，相比传统的现场建造模式显著缩短了现场安装工期，现场占用场地面积小，大幅减少了起重机械台班使用数量和脚手架搭设工作量，减少了进现场作业和高处作业人数。常压炉采用模块化制安模式在现场安装阶段实际仅用117个有效工作日即完成安装、衬里及烘炉，而传统的现场建造模式完成等同工作通常需要7个月左右的工期。

3.3.3 连接模块模块化实施应用

公司重点在管道模块的建造和管廊管道电动化安装方面进行了尝试。管道深度预制是模块化施工的基础，以管理软件及全自动焊机为核心，以专业施工管理软件为手段，管道模块建造采取了“工序分解、流水作业、体系封闭、成品出厂”的管理组织模式以及“焊接方式以自动化为主、物流方式以输送轨道为主、设备工装以移动式为主”的施工组织模式，体现了高效率、高质量、低成本、低安全风险。

公司在天津一体化、武汉炼油和乙烯、沙特延布加氢裂化等30 多个系统内大中型项目，以及漳州腾龙、大唐阜新等十几个系统外项目中成功实施了管道工厂化预制模式，为模块化施工奠定了基础，减少了进入施工现场的作业人数，有效降低了现场作业风险，深受业主及相关单位的认可和好评。

在燕化碳五分离装置，管线施工实施流水作业、分类实施、深度预制。4in. 以上管线55d 预制24380in.D , 预制深度达48.3%；4in.以下预制完成40000in.D，预制深度57%，每名焊工平均日完成预制量达55in.D。

2008 ～2013 年，公司近6年装置管道总体制造率逐年增大，目前已达41.2%左右，从人数变化来看，2008年完成每万in.D月需人数77 人，2013年递减到53 人，比2008年显著递减了31%。

在管廊管道安装时，采用自行设计的安装工装，工装由垂直提升、对口平台、水平运输三个部分组成。利用电动葫芦及配套轨道进行垂直提升，减少吊车使用，对口时集中使用安装平台，减少硬隔离需要，水平运输时，使用穿管器，减少了高空落物风险。

4 实施效果

公司以新建装置及主要设备为重点，以技术研发为依托，已在钢结构、工业炉、设备组装等方面初步实现了部分模块化施工, 大量工作在地面完成，其实施效果就安全生产方面而言，可用四减少、四提高来概括：减少用工人数，提高施工效率；减少高空作业，提高监管力度；减少技能需要，提高风险应对能力；减少设施用量，提高安全系数。举一实例进行说明：

2012 年，公司承担燕山石化15万t/ a 碳五分离装置施工，有效日历工期仅为170d，工期紧、任务重；主要工程量为塔18具、钢结构2905t、管道50km/ 12.1万in.D、设备273 台、电仪电缆300 km、灯具1100 套；施工场地狭小，设计、采购、施工同步推进，冬季施工及节假日资源组织更增加了施工难度。

公司及项目管理者多次分析工程特点，反复讨论并制定一系列提高生产效率的措施，形成了最终的加大预制深度、模块化施工组织的思路。在施工方案上主要采取17 具塔整体吊装、主体结构成框、成片、成平台吊装、管廊管道与平台分层安装、小口径管道的流水作业、深度预制及“搭积木”安装、仪表管道的二次设计。准确地说，碳五装置施工方法是采取了模块化施工的思路，距离真正意义上的模块化施工尚存在很大的差距，但已经让我们感受到了其在降低施工现场风险、推进本质安全进程方面的优势，主要表现在：

(1) 作业人数减少：塔整体吊装中架设人员约减少60%，保温人数约减少40%，钢结构成片、成框、成平台人员减少20%。

(2) 高空工作量减少：特别是钢格栅安装近几年发生事故较多，碳五装置框架共有钢格栅5000m2，采用平台组片安装38 片共计完成2400m2，减少48%高空铺设。钢结构框架安装焊道延长米132m，在8m 高空焊接31m，占焊道总量的23%。传统安装方法高空焊道延长71m，占焊道总量的53%。高空作业量减少的同时，也方便了安全、质量的监督管理。

(3) 作业高度降低：钢结构施工最高在24m 高空，采用模块化施工降到8m 以下。塔的安装（包括组对、焊接、安装劳动保护、工艺管道、防腐保温等）由最高的67m，全部变为5m 以下完成。

(4) 架设材料减少：塔整体安装节省架设材料约80%，钢结构安装节省架设50%。

(5) 施工尾项少、零星高空作业少：主要体现在塔的整体吊装、钢结构成框吊装的结果是减少漏焊、补漆等常规高空施工尾项。

(6) 吊装作业范围小：模块化施工场地占用小，高度降低，吊装时的作业范围小，容易有效地控制危险源。

(7) 交叉作业少：主要表现在钢结构成框安装施工中。

(8) 现场正式照明提前投用，不但满足夜间作业安全需要，而且避免了临时用电带来的风险。

(9) 项目施工使用了大量的电动工具代替人工，应用了仿形切割机、电动倒链、电动扳手、半自动切割机、垫铁加工机、检修吊臂，地牛，充电式手枪钻、电动液压沟槽机等10 多种电动工具，降低了劳动强度，为施工增加了安全系数。

公司历经3年实施模块化施工方法的探索和实践证明，模块化施工是一种先进的施工理念，是现代化施工的方向。在项目执行中实施模块化施工，是施工企业安全管理迈向本质安全的重要一步，也是施工企业有效降低安全风险的可行之举。公司实施并推进模块化，对炼化工程建设领域的工程安全管理做出了有益探索。