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)場進度要求。因此，如何最大限度地提高管道預制比率和確保設(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)重難點問題之一。

1 工程需解決的難點

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

（1）建立設(shè)備室內(nèi)各物項全專業(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）為實現(xiàn)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(nèi)完成，利用BIM的三維設(shè)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(shè)計滿足運輸、安裝的管道模塊，實現(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(fā)現(xiàn)并消除施工風險隱患，降低安全管控風險，輔助優(yōu)化施工方案，更加直觀、全面地指導現(xiàn)場安裝作業(yè)，保障整個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(jié)合現(xiàn)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(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(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(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，Ⅱ型模塊27個。

2.2 模塊吊運安裝模擬技術(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(fā)現(xiàn)并消除施工風險隱患，降低安全管控風險，輔助優(yōu)化施工方案，更加直觀、全面地指導現(xiàn)場安裝作業(yè)，保障施工活動一次成功。

2.3 模塊運輸工裝設(shè)計

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

工裝采用C型鋼和“連接件+螺栓”方式進行設(shè)計，可實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)半小時內(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”滑落風險，工裝下部設(shè)置專用底部托架，從而規(guī)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(jù)規(guī)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(zhuǎn)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(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型模塊及工裝力學分析計算

對Ⅱ型模塊底托工裝及管道本體在運輸、翻轉(zhuǎn)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(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)強度進行評估。為模塊吊具設(shè)計、運輸工裝設(shè)計、吊車選型提供支撐。結(jié)果顯示：模塊及運輸工裝應(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)用的實踐情況和體會建議

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，轉(zhuǎn)移704道現(xiàn)場焊口到車間預制，減少22次運輸?shù)跹b，減少29個焊接作業(yè)面等，經(jīng)評估，節(jié)約安裝工期86.4天，占一體化三級進度計劃工期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，通過提前發(fā)現(xiàn)并處理預計可節(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，Ⅱ型模塊27個。其中，轉(zhuǎn)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(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(huán)節(jié)可節(jié)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(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%的工作移至車間預制，改善了作業(yè)環(huán)境，減少了現(xiàn)場密閉作業(yè)時間，進一步確保安全生產(chǎn)。車間預制進行模塊化生產(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)實技術(shù)開展3D仿真體驗，讓施工人員更加直觀感受設(shè)備室內(nèi)環(huán)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(guān)施工作業(yè)安全提示，提升人員培訓和安全技術(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(shù)重難點問題，可實現(xiàn)車間與現(xiàn)場平行作業(yè)，最大限度地提高管道預制比率，確保設(shè)備室內(nèi)各層級管道合理安裝，達到縮短施工工期、降低質(zhì)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(shù)可較大幅度縮短設(shè)備室施工工期。與此同時，將該研究成果和經(jīng)驗進行固化，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。