浅析模块化建造技术

摘要：随着国际工程建造项目竞争日趋激烈，几乎所有的工程建造公司都在充分整合世界上的优势资源，降低工程成本并缩短工期。今年来在全世界范围的大型陆地工厂如液化天然气厂、矿石提炼厂等项目，越来越广泛地使用了模块化建造的方法。笔者近期负责完成的新喀里多尼亚科尼安博镍铁矿项目以及澳大利亚必和必拓炎帝铁矿石厂房模块项目，就是典型的陆地工程模块化工厂。本文将通过部分案例总结分析模块化建造的特点、与传统建造方法的差异以及建造过程中需要考虑的核心因素。

关键词：模块化

1.模块化建造的趋势和发展

在19世纪末期，一部分海洋工程项目利用将采油设施划分成多个子模块，通过在陆地工厂预制后，运输设备运输到海上现场安装，以减少施工风险。后来，由于其合理性和高效性，越来越多的发达国家采用了这种模块化建造的技术和方法，并逐步运用到了陆地大型工程项目。21世纪开始，大型陆地工程项目如液化天然气厂、矿石提炼厂等，如果陆地运输条件允许，基本都愿意采用模块化建造技术。

而传统的建造方法则是采用杆件预制或者是板片预制，即在异地工厂对结构的单独杆件或板片进行分别预制，之后运输到现场再进行依次建造，并最终完成整个设施的组装。

2.模块化建造的特点

在大型陆地模块的建造中，特别是在发达国家，如澳大利亚，根本不可能雇佣大批的本土工人进行现场的制造和装配，随着钢结构模块化产品技术的不断成熟，综合考虑工期、原材料、工程现场气候以及劳动低成本的因素，用户和总承包工程公司，都愿意在预制零件、板片和大型模块化产品之间寻找一个最合适的点，即采取划分大型钢结构模块产品和常规钢结构预制件现场装配的分界线。

图1 模块化和传统建造的分界线

图2 模块化建造工程

新喀里多尼亚科尼安博镍铁矿项目是世界上第一个采用模块化建造和金属集成的冶炼装置，采用的是异地预制、异地组装的模式，模块数量的规模之大，在全球范围内屈指可数。科尼安博镍铁矿项目一共有18个模块、68个管栏架和1000余件预制板片组成，总重约61500吨，其中结构重46000吨。

澳大利亚必和必拓炎帝铁矿石厂房共有四个厂房，分别是粗骨料堆积厂房、三级压碎厂房、粗骨料筛选厂房、细骨料筛选厂房，共分38个模块，用钢量为8000吨。单个模块由主结构、次结构、栏杆格栅、料仓、风管、电缆槽等组成。

上述两个案例，特点如下：

科尼安博镍铁矿项目：工程地址位于南太平洋的法属小岛-新喀里多尼亚，当地环境优美，镍矿资源丰富，但缺少劳动力，工业资源匮乏，而且当地的环保要求非常严格，这些因素限制了在现场进行大量的建造工作，所以用户英国斯特拉塔公司决定采用异地模块化建造的方式推进。

澳大利亚必和必拓炎帝铁矿石厂房项目：工程地址位于澳大利亚西北部，工程的规模和数量，使当地本来就匮乏的劳动力捉襟见肘，同时，紧张的工程工期以及现场建造的高成本也迫使项目总承包商FAST决定在采购模块化建造的方式。

综合分析，驱使用户或项目总承包商采用模块化建造的主要原因可以概括为：环境保护、劳动力成本、工程工期等。

3.模块化建造和传统建造的主要差异

虽然模块化建造是目前比较流行的大型陆地工厂建造的方法，但由于设施内部的性质，要达到100%的模块化建造是非常困难的，部分还是要依靠传统的建造方法进行，即单独杆件或板片预制。这两种方法的主要区别请见表1.

表1 模块化建造与传统建造的主要差异

模块化建造与传统建造的主要差异

传统建造(stick build) 模块化建造(modularization)

劳动力成本 需在当地寻找高成本的熟练劳动力进行散件,或板片的组装作业，成本高 大部分组装工作已经结束，现场只需少量熟连劳动力进行吊装作业即可

现场施工设备 后期的组装、装配和吊装工作需要投入大量的设备和设施 少部分吊机和转运平板车即可，减少现场设备的投入费用

运输 依靠集装箱或标准平板车运输，普通卸货码头即可满足 依靠地形，可能需要重新修建用于运输模块的公路和重型码头

建造工期 现场建造工期不可控因素增加，风险加大 模块化建造大大减少现场的不可控因素，有效控制建造工期

现场施工检验 大量检验工作将在施工现场进行，成本增加 模块化产品在异地建造时即可完成全部检验工作

供应商现场协调 所有设备的供应商在现场进行后续安装和调工作，造成现场管理难度加大 模块化产品本身已经集合了所有的设备和管线，现场不要求设备供应商长期服务

4.建造过程中需要考虑的核心因素

针对上述两个模块化项目的特点和技术重点，要实现工程项目的运作顺利，以及有效控制项目周期和降低成本，应在以下几点着重关注：

(1) 模块的信息管理：每个模块均由上千件零件和构件组成，并包含了大量的设备和仪器，这类构成模块信息的管理要求承建单位有一套非常先进、合理的信息管理库，对模块中所有的构件信息进行保存和分类，以便于现场建造过程中的跟踪和管理。

（2）运输方案：大型模块的尺寸往往都是超高、超宽，重量也是数千吨，在陆地上建造大型模块的实际困难远远不如海况对运输过程中的模块造成的影响，因此，运输船舶的尺寸、装船工艺和绑扎方案的设计、卸船工艺等等都需要在整个模块进入全面开工之前就要考虑进去。

（3）模块的标准化：每个功能模块的划分、组装对现场的工作负荷都有着直接的联系，因此减少工地现场的工作负荷，就需要在项目前期进行模块的合理划分和设计。如示例中的澳大利亚必和必拓炎帝铁矿石厂房项目，总承包公司就合理的将这个项目分为粗骨料堆积厂房、三级压碎厂房、粗骨料筛选厂房、细骨料筛选厂房四个模块，每个模块再细分为数个比较标准的子模块，从而大大提高了生产的效率，减少了工程现场的拼装时间。

（4）模块卸船和转运：对于模块制造单位，装船和绑扎的困难在于设计，而卸船和转运的困难则在于实施。由于往往矿场都分布在内陆，部分靠近河、海的矿产也会因山峦或道路狭窄的限制导致转运的困难。所以，在模块化建造构思的同时，应该充分考虑到卸货码头的吃水深度、承重能力、卸货码头的尺寸以及转运公路的尺寸等因素。

（5）模块建造顺序：大型陆地工厂往往包含传送平带装置、冶炼厂、储料厂、发电厂等主功能厂房，每个主功能模块可以分为数十个子功能模块，如何有效、合理地进行现场的模块化建造至关重要，同时，对工程管理的要求也非常高，比如冶炼厂房中，有焚烧炉功能子模块、硫化蒸馏功能子模块等，现场建造的顺序非常严谨。以科尼安博镍铁矿项目为例，冶炼厂房的模块建造顺序依次为3A101,3A201,3M101,3M201，依次类推。

（6）模块内部的检验：因为工程现场的环境比较艰苦，无法大范围地开展工作，特别是对于一部分结构件的检验，如尺寸检验、无损探伤、密性试验等等，应该在运输前充分考虑并执行完成，否则将对现场的工作造成灾难性的影响。如每个管路接头的水密性试验和探伤，据统计，新喀里多尼亚科尼安博镍铁矿项目和澳大利亚必和必拓炎帝铁矿石厂房模块项目的管路接头数量超过15万个，如此巨大的工作量，显然是不能在现场进行的。

此外，模块建造还需要考虑现场的土建条件，确定是否需要将部分模块的预埋件集成到模块当中，从而节省更多的时间和成本。

5.小结

大型陆地工厂建造从散件预制到后来的节段预制、板片预制和模块化预制等几个发展阶段逐渐演变过来，可以预计，在未来的工业中，将会有越来越多的大型陆地工厂的建设会选择模块化建造方法，而模块化的规模将越来越大，模块的尺寸和重量也将越来越大。

参考文献：

[1] 卫强等.浅谈镍矿项目建造过程中的尺寸控制.钢结构协会论文年篇.2010

[2] GB50205-2001.钢结构工程施工质量验收规范[S]

作者简介：严伟刚，男，1982年出生，工程师，工程管理硕士。