劉森成 張寧波 陳國慶 陳翰軼

1. 上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080；2. 上海上安機電設(shè)計事務(wù)所有限公司 上海 200439

建筑業(yè)為傳統(tǒng)施工行業(yè)，機電安裝的多數(shù)工程都在施工現(xiàn)場進行。大型制冷機房的管道系統(tǒng)安裝，切割、焊接、組裝工作量大，勞動強度高，施工環(huán)境較為臟亂，安全問題也比較嚴(yán)峻。為此，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)基于BIM技術(shù)，對上述問題的改善進行了一些有益的探索和嘗試[1-5]。本文基于高精度三維分割設(shè)計，以上海博物館東館為例，對管道模塊化預(yù)制裝配施工技術(shù)在大型制冷機房中的應(yīng)用進行了分析和討論。

上海博物館東館位于上海市浦東新區(qū)聯(lián)洋社區(qū)10#地塊，西鄰楊高南路、北鄰世紀(jì)大道、東鄰丁香路，東西寬185.6 m、南北寬108.8 m，高44.95 m，總建筑面積約113 000 m2，其中地上6層建筑面積約81 000 m2，地下2層建筑面積約32 000 m2。制冷機房位于建筑地下2層，軸線長8.7 m、寬8.7 m，建筑面積約1 200 m2。各類大型設(shè)備共包括：制冷機組6臺、板式換熱器5臺、分水器1臺、集水器1臺、各類循環(huán)水泵28臺。其中，冷凍水泵9臺、冷卻水泵8臺、空調(diào)熱水泵7臺、鍋爐熱水泵4臺。管道系統(tǒng)包括DN100～DN700的各類冷熱水管道2 150 m，各類管配件1 240個。冷卻水和冷凍水管道系統(tǒng)的安裝采用模塊化預(yù)制裝配施工的方案，首先基于高精度三維BIM綜合機電模型進行管段模塊單元的分割設(shè)計，然后依托由分割設(shè)計模型導(dǎo)出的裝配施工圖紙進行管段模塊單元的工廠化預(yù)制加工，最后在現(xiàn)場進行預(yù)制管段模塊單元的裝配安裝。

1 管段模塊單元分割設(shè)計

大型制冷機房內(nèi)的管道系統(tǒng)按特征屬性的不同大致可分為2類，一類是位于機房內(nèi)上部空間的主干管，另一類是與水泵、制冷機組等設(shè)備相連接的分支管。主干管的特點是管徑較大，一般在DN300～DN800，直管段較多，輔以少量三通、彎頭、異徑管等配件，管段之間采用焊接連接或法蘭連接。主干管的模塊化預(yù)制加工需重點關(guān)注不同管段之間法蘭或焊縫與支吊架的相互位置關(guān)系，防止焊口或法蘭與支吊架處于同一位置；分支管的特點是管徑相對較小，多在DN100～DN400，直管段較少，異徑管、短管、彎頭、過濾器、閥門等配件較多。管段之間以法蘭連接為主，焊接連接為輔。分支管的模塊化預(yù)制加工需重點考慮的尺寸和細(xì)節(jié)問題較多，在導(dǎo)出裝配化預(yù)制加工圖紙的管段模塊化分割設(shè)計階段，如果尺寸控制不當(dāng)，將造成現(xiàn)場管段模塊單元的裝配安裝無法順利進行，從而導(dǎo)致多次返工，不利于成本和質(zhì)量的控制。

在對管道模塊單元進行分段、組對的焊接處理時，需根據(jù)不同管徑、壁厚通過專用夾具限制焊縫的預(yù)留間隙，確保相同規(guī)格管徑不同焊縫的寬度一致，以有效減少因焊縫預(yù)留縫隙不一致而產(chǎn)生的累積誤差。在進行管段模塊單元的分割設(shè)計時，應(yīng)充分考慮焊縫預(yù)留間隙的影響。

1.1主干管模塊單元

理論上講，對于主干管模塊單元的分割設(shè)計，模塊單元的分割越長越好，單個模塊單元的分割長度越長，多個模塊單元組對拼裝的工作量越少，不僅有利于工程施工成本控制，而且管道系統(tǒng)的潛在泄漏點也能大幅度減少。實際工程中，大于DN400的制冷機房水系統(tǒng)管道，多以螺旋焊接鋼管為主，市場供貨長度基本為12 m。結(jié)合上海博物館東館制冷機房的實際情況，反復(fù)勘查現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，其運輸通道較為狹窄，長度12 m的大口徑螺旋焊接鋼管無法正常運輸?shù)街评錂C房。綜合考慮運輸便利性、預(yù)制加工性和裝配施工可行性后，確定以6 m為基礎(chǔ)模塊單元長度，在三維綜合機電模型中進行主干管模塊單元的分割設(shè)計，即在工廠化預(yù)制加工階段，將供貨長度為12 m的螺旋焊接鋼管一分為二，進行主干管模塊單元的預(yù)制加工。

由于設(shè)計文件要求，DN700的冷卻水管道系統(tǒng)需采用熱浸鋅鋼管，因此不同管段之間只能采用法蘭連接。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，DN700的平焊法蘭厚度基本為60 mm，6 m長管道焊接法蘭后，管段長度勢必超過6 m，這正是一些工程進行管道預(yù)制加工時尺寸控制不力的主要原因之一。此外，現(xiàn)有施工及驗收規(guī)范[7-8]，對采用平焊承插法蘭連接時管道需深入法蘭內(nèi)部的具體尺寸沒有給出明確規(guī)定。根據(jù)類似工程采用手工焊接的施工經(jīng)驗，該深入尺寸為法蘭厚度的2/3，即40 mm。若管段深入法蘭內(nèi)部過淺，將不利于平焊承插法蘭連接的整體連接強度；若管段深入法蘭內(nèi)部過深，則內(nèi)部焊接時容易損壞法蘭密封面。

本工程對主干管模塊單元的預(yù)制加工，采用壓輥式自動焊機進行管段與法蘭的自動焊接作業(yè)，即管段轉(zhuǎn)動而焊槍不動的自動焊接方式。經(jīng)在預(yù)制加工廠內(nèi)的反復(fù)試驗驗證，最終確定管段深入法蘭內(nèi)壁的尺寸為法蘭厚度的50%～70%。如此一來，長度6 m的管段模塊單元，加上焊接法蘭后管段兩端各自延伸的20 mm法蘭厚度，管段模塊單元的實際長度為6 040 mm。此外，考慮到12 m長螺旋焊接鋼管的切割損耗為2～3 mm，不同管段連接時2片法蘭之間金屬墊片的厚度為3 mm，造成裝配組合后管段模塊單元的施工完成長度為6 040～6 041 mm。之前一些工程，在工廠內(nèi)預(yù)制加工的管段到施工現(xiàn)場后無法順利拼裝，很可能就是對管段預(yù)制加工尺寸與現(xiàn)場施工完成尺寸的差異理解不到位造成的。

1.2分支管模塊單元

分支管模塊單元分割設(shè)計的合理性，取決于對制冷機組、水泵、板式換熱器及集分水器進出口管段細(xì)部連接的數(shù)據(jù)化解析是否正確，這直接決定了分支管模塊單元預(yù)制加工尺寸的正確與否，也是水系統(tǒng)管道模塊化預(yù)制裝配施工在大型制冷機房成功實施的重要影響因素。對分支管模塊單元進行分割設(shè)計時，采取在安裝壓力表或溫度計的水平段短管部位預(yù)留自由段，同時在靠近主干管三通下部的豎直立管第1個法蘭接口處預(yù)留自由段的方式，來調(diào)整預(yù)制加工的分支管模塊單元對現(xiàn)場裝配安裝的適用性。自由段的一端采用焊接承插法蘭連接，另一端則僅預(yù)留管口。圖1給出了某空調(diào)冷凍水循環(huán)泵分支管豎直管段模塊單元和水平管段模塊單元的具體連接示意。由圖1可知，豎直管段模塊單元的自由段長度為784 mm，在進行本管段模塊單元的預(yù)制加工時，應(yīng)考慮將該自由段長度多預(yù)留100～200 mm，經(jīng)現(xiàn)場復(fù)測后再根據(jù)實際情況進行微調(diào)。對于長度為300 mm的水平管段模塊單元的自由段預(yù)制加工時，多預(yù)留的長度為50～100 mm。

圖1 空調(diào)冷凍水循環(huán)泵分支管模塊單元示意

大型制冷機房可能采用的閥門、過濾器等成品部件廠家眾多，外形尺寸千差萬別。在進行分支管模塊單元的分割設(shè)計時，需及時提供各種成品部件的品牌及規(guī)格型號，以便能準(zhǔn)確確定水平管段模塊單元和豎直管段模塊單元涉及的各類成品部件的外形尺寸，尤其是軸向長度需精確到毫米為基本要求。從圖1可以看出，該空調(diào)冷凍水循環(huán)泵出口的豎直管段模塊單元，從泵體第1片法蘭到主干管順?biāo)ㄏ旅娴?片法蘭之間的長度為2 611 mm。在進行該豎直管段模塊單元的分割設(shè)計時，具體可分解成長度為378 mm的變徑管段、長度為784 mm的自由段等8個不同的功能段。其中，1個蝶閥自帶2個密封墊，對于不同管段法蘭連接的5個墊片，經(jīng)過反復(fù)對比后，確定采用金屬墊片。這是因為聚四氟乙烯墊片壓縮后厚度變化較大，而金屬墊片壓縮后厚度變化很小，后者更有利于管段模塊化單元預(yù)制加工和現(xiàn)場裝配安裝的精度控制。

圖2給出了某板式換熱器進口端豎直管段模塊單元分割設(shè)計示意。從圖2可以看出，進行該管段模塊單元的分割設(shè)計時，不僅考慮了過濾器、閥門等管配件的軸向尺寸，也考慮了壓力表、溫度計等儀器儀表的安裝位置，同時還考慮了法蘭及墊片厚度等細(xì)部連接的具體數(shù)據(jù)，即DN200的法蘭厚度為26 mm，相應(yīng)的金屬法蘭厚度為3 mm。

圖2 板式換熱器進口端豎直管段模塊單元分割設(shè)計示意

1.3現(xiàn)場復(fù)測調(diào)整

在傳統(tǒng)機電深化設(shè)計模式下，對于制冷機房設(shè)備及管線的定位，多以軸網(wǎng)為參照標(biāo)注出設(shè)備、管線與建筑結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，再以建筑結(jié)構(gòu)為參照標(biāo)注出設(shè)備及管線相互之間的定位尺寸。然而，實際工程中，建筑結(jié)構(gòu)往往存在施工誤差。基于建筑結(jié)構(gòu)確定機電設(shè)備與管線的位置關(guān)系，在傳統(tǒng)施工模式下可能問題不大，但在模塊化預(yù)制裝配施工模式下則行不通，必須在現(xiàn)場設(shè)備就位后進行實測復(fù)核調(diào)整。

準(zhǔn)確的模塊單元分割設(shè)計是進行管道預(yù)制裝配化施工的必要前提，若忽視了現(xiàn)場實測復(fù)核工作，必然導(dǎo)致模型中分割設(shè)計的模塊單元與現(xiàn)場情況存在偏差[9]。只有將現(xiàn)場復(fù)測數(shù)據(jù)正確地反饋到對管段模塊單元的分割設(shè)計中，做到現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與分割管段模塊單元無縫對接，管道的模塊化預(yù)制裝配施工才能得以順利實施。例如，在設(shè)計圖中，根據(jù)均勻一致的原則，并聯(lián)連接的6臺水泵，相鄰2臺水泵之間的中心距皆為2 700 mm，對應(yīng)水泵出口連接到主干管上相鄰2個順?biāo)ń涌诘闹行木嘁步詾? 700 mm。但是，水泵安裝就位后，現(xiàn)場實測得到相鄰2臺水泵之間的中心距分別為2 676、2 760、2 775、2 753、2 682 mm，如圖3所示，設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)之間差別明顯。需注意的是，現(xiàn)場應(yīng)選擇同一個合適的基準(zhǔn)點，進行設(shè)備中心距和對應(yīng)主干管段間距的復(fù)測，以便正確地將現(xiàn)場實際尺寸反饋在分割設(shè)計模型中，進而調(diào)整分割管段模塊單元的尺寸，從而減少不同管段模塊單元預(yù)制裝配施工的誤差。

以圖3泵組的情況為例，具體復(fù)測調(diào)整方案如下：以圖中方形標(biāo)注的立柱中心為基準(zhǔn)參照點，復(fù)測時的水平垂直對準(zhǔn)以柱子中心的十字線為參照線，先測量并標(biāo)注第1臺水泵與基準(zhǔn)參照點的位置關(guān)系，接著以第1臺水泵的定位尺寸為相對參照測量并標(biāo)注第2臺水泵，再以第2臺水泵的定位尺寸為相對參照去測量并標(biāo)注第3臺水泵，以此類推，直至測量并標(biāo)注完成第6臺水泵。類似地，對主干管模塊單元分割設(shè)計的復(fù)測調(diào)整也需以該立柱中心為基準(zhǔn)參照點，隨之根據(jù)復(fù)測的水泵定位尺寸測量、調(diào)整并標(biāo)注主干管模塊單元三通開口的定位尺寸。后續(xù)進行此路主干管模塊單元的現(xiàn)場裝配施工時，也需以該立柱中心為基準(zhǔn)參照點，采取遞推式施工的方式以減少累積誤差的產(chǎn)生。

圖3 水泵中心距復(fù)測示意

需要指出的是，圖3所示的復(fù)測調(diào)整方案適用于同一路管線及設(shè)備，以相近位置的同一個基準(zhǔn)參照點為基準(zhǔn)點進行現(xiàn)場復(fù)測調(diào)整的情形。對于多回路的制冷機組管路系統(tǒng)而言，則需基于圖3所示的復(fù)測調(diào)整方案，按冷凍水供水、冷凍水回水、冷卻水供水、冷卻水回水這幾個不同管路，分管路進行某一管路模塊單元分割設(shè)計的復(fù)測調(diào)整。如果制冷機組某管路的分支管模塊單元與主干管模塊單元對接時包括彎頭，也需以制冷機組接口為相對參照，進行該管路主干管模塊單元接口的復(fù)測調(diào)整。

2 工廠化預(yù)制加工

對基于高精度模塊化分割設(shè)計模型導(dǎo)出的管道裝配化預(yù)制加工圖紙進行管段模塊單元的預(yù)制加工時，精度和質(zhì)量應(yīng)是首要關(guān)注的問題。采用自動焊接為主，裝配平臺和手工輔助配合的方式提高管段模塊單元的預(yù)制加工精度和質(zhì)量。管段模塊單元的工廠化預(yù)制加工流程如圖4所示。

圖4 管段模塊單元的工廠化預(yù)制加工流程

圖4中的管段模塊單元的工廠化預(yù)制加工生產(chǎn)線主要包括2個部分，即焊前準(zhǔn)備作業(yè)區(qū)和組對焊接作業(yè)區(qū)。預(yù)制加工生產(chǎn)線采用專業(yè)的機械化組對機具和自動化焊接設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率和保證預(yù)制加工質(zhì)量。機械化組對機具將專業(yè)卡具、主動輪、可升降支撐等按需組合，實現(xiàn)管段模塊的機械組對并為后續(xù)的自動化焊接工序做好準(zhǔn)備。自動化焊接設(shè)備則包括短管焊機、長管焊機、全位置焊機等不同形式，以滿足不同管段模塊單元的預(yù)制加工需要。

雖然都是將直管段與不同管配件進行焊接裝配，但主干管模塊單元和分支管模塊單元的預(yù)制加工作業(yè)量不盡相同。經(jīng)統(tǒng)計分析，分割設(shè)計的管段模塊單元中，中長管段（長度3 000～5 500 mm）居多，平均每4 m有1個接頭；中短管段（長度1 000～2 000 mm）部件的工作量更大，平均每1 m就有1個接頭。為此，需合理地將組對和焊接劃分為2個工作區(qū)來統(tǒng)籌安排，以使機械化組對和自動焊接工作區(qū)可連續(xù)工作，確保整條預(yù)制加工生產(chǎn)線的高效與協(xié)調(diào)。考慮到工序之間的連貫性，并兼顧各工作區(qū)不同的接頭形式、管壁厚薄與其他特殊情況的組對與焊接需要，以管段長度為標(biāo)準(zhǔn)進行組對和焊接工作區(qū)的劃分。2個工作區(qū)的設(shè)置既相互獨立又互為補充。短管與管件組對焊接區(qū)主要服務(wù)于下列分支管模塊單元，包括端部帶彎頭、異徑管的短節(jié)；端部帶法蘭、支管、附件的短管；端部帶法蘭，中部帶支管、附件的連接管等。多功能組對焊接區(qū)則主要服務(wù)于主干管模塊單元，同時也進行一些短管的組焊。

3 現(xiàn)場裝配化拼裝

為避免現(xiàn)場裝配化拼裝時產(chǎn)生不同管段模塊單元的混用、亂用以及管路系統(tǒng)安裝不連續(xù)的問題，應(yīng)按模塊化分割設(shè)計模型中設(shè)定的管段模塊單元編號順序進行工廠化預(yù)制加工，并在預(yù)制加工好的管段模塊單元上做好編號標(biāo)記。

管段模塊單元運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，應(yīng)仔細(xì)核對到貨清單并做好記錄，通過編號和相應(yīng)參數(shù)確認(rèn)管段模塊單元的一致性。然后根據(jù)裝配施工圖紙上的編號領(lǐng)取相應(yīng)管段模塊單元進行現(xiàn)場管路系統(tǒng)的裝配化拼裝。在現(xiàn)場裝配化拼裝過程中，應(yīng)根據(jù)不同的管路系統(tǒng)，遵循同一管路系統(tǒng)先主干管模塊單元、后分支管模塊單元，先上部管段模塊單元、后下部管段模塊單元的拼裝順序。不同管段模塊單元按照裝配施工圖就位后，不宜一次性全部硬連接，應(yīng)結(jié)合自由段的設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場整體情況調(diào)節(jié)完成后，再進行不同管段模塊單元拼裝的最終連接固定。

對于自由段的安裝，可在其前后管段模塊單元都拼裝完成后，基于現(xiàn)場復(fù)測得到的自由段最終安裝尺寸進行二次預(yù)制加工（圖5），從而完成自由段的精準(zhǔn)拼裝連接。

圖5 自由段現(xiàn)場拼裝示意

4 結(jié)語

大型制冷機房內(nèi)管道的模塊化預(yù)制裝配施工，需要將管段模塊單元的分割設(shè)計和工廠預(yù)制加工，通過現(xiàn)場復(fù)測調(diào)整的方法緊密結(jié)合起來，缺一不可?；诟呔热SBIM綜合機電模型的管段模塊單元分割設(shè)計，是進行管路系統(tǒng)工廠化預(yù)制加工的基礎(chǔ)。分割設(shè)計的管段模塊單元與現(xiàn)場安裝設(shè)備的協(xié)同復(fù)測調(diào)整，是預(yù)制裝配施工得以順利實施的必要條件。將現(xiàn)場復(fù)測數(shù)據(jù)如實反饋到工廠化預(yù)制加工的管段模塊單元實物上，則是現(xiàn)場進行管道裝配化拼裝的關(guān)鍵。同時，合理運用自由段的設(shè)置，有助于現(xiàn)場不同管段模塊單元的順利裝配拼裝。