摘要：模块化建造的推广，有利于发挥其在工程建设周期、安全、质量和费用等方面的有优势，在石油化工工程建设项目中得到越来越广泛的推广。本文就该建造模式中涉及的适用条件、设计要点以及建造过程中需要关注的问题进行了分析研究，以期该技术能够得到更进一步的推广与应用。
关键词：模块化建造; 集成设计; 施工建造;
模块化建造概念最早出现在20世纪60年代，近几年我国工业企业迅猛发展，国家对化工企业的要求也日趋严格。模块化建造在对工艺系统整体分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以实现不同的单元操作过程。通过模块的划分，可以提高整体设计效率，缩短设计时间。但这也需要依靠技术积累与丰富的工程经验，以及先进的软件技术对模块进行分割-组装，进而形成标准化的解决方案。
1 装置模块化建造
1.1 项目管理优势
与传统建造方法相比，模块化建造具有诸多优势，尤其可明显的缩减建设工期，降低项目成本与风险。在工程工艺条件十分成熟的今天，为了达到集约化管理及利益最大化的目的，模块化建造是国外许多业主和工程公司的必然选择与发展趋势。
1.1.1 进度控制
现场施工环境恶劣，场地条件、气候环境的影响，使得施工不得不暂停。现场施工时间主要为白天施工，并有一定的顺序。而且在工期紧张时，还会存在各专业交叉施工，这样难克会相互影响，使得工作效率低下。同时，由于存在施工误差，使得部分管道必须根据现场情况预制，现场组焊的效率也会随之降低，对现场“三通一平”的要求较高。这些因素都会影响工程进度的推进。
1.1.2 质量控制
现场施工由于原材料检验设施缺乏不完善，焊接容易受环境温度、湿度、风速等多方面因素影响，管道探伤不便、热处理难度大；施工组织管理难度相对较大，留给土建施工、基础养护的时间有限。而采用模块化建造模式，进厂原料检验程序严格，检验设施、措施齐备，工厂属于室内环境，避免了室外环境对施工作业的影响；可专门设立检测中心以便于执行整套的质量保障体系，相对于项目现场管理难度大大降低，对建造质量的控制更加便捷。
1.1.3 费用控制
现场施工由于施工机械的购买或租赁以及转运、保护等，使得施工费用增加，而现场施工人员通常以外包形式雇佣，也会使得人力费用增加，由此造成的项目措施费增加，占用了资金，还使得工期延长。而模块化建造的工厂施工机具完备、人员稳定，施工机具费、工厂施工劳动力成本较低，完善的仓储和吊装转运设施，减少了管道及钢结构露天堆料的损耗，与传统施工相比费用会大大节省。
1.2 应用领域
1.2.1 发达与不发达地区
高度发达的地区由于高额的人工成本使投资者考虑在低成本地区进行模块化建造来降低成本。特别在工程项目投资需要压缩的情况下会使得投资方主动考虑采用这种建造模式；而相对于不发达地区的资源保障通常不能及时配套，模块化的建造模式，通常也会被优先考虑。
1.2.2 自然条件受限地域
由于受自然条件限制导致的项目建设受限，例如因寒冷气候造成施工周期只有数月，或者因沿海运输及其便利，使得一些巨型模块可以在一些低成本的地区建造再运输至项目现场，以及复杂地域的施工不便利性等，使得模块化建造的方式得到越来越多的应用。
1.2.3 政治不稳定地区
由于政治的不稳定(工会强势，罢工频发地区)，现场施工的危险极大增加。而模块是降低这种危险的唯一解决途径；
1.2.4 工艺保密的装置
为了工艺技术不外泄而采用模块化建造，可以极大地保护知识产权，也使一些化工设备的建造直接跳过了EPC公司，变成了业主+制造商的新一代项目执行组合。它要求业主有一定的工程能力而制造厂也要有相应的详细设计能力。
2 模块化设计
2.1 技术要求
模块化项目建造每个环节之间的关联度要远高于传统的项目建造，所以工程设计依然是项目执行的最关键环节，是实现模块化施工的重要前提条件之一。
2.1.1 工艺划分合理
装置设计首先需要将整套系统按工艺流程划分为功能相对独立的装置单元，各单元除在满足工艺生产功能要求的前提下开展传统的专业设计工作以外，要求较传统建造提高一个级别。设计方案、设计水平、设计质量及设计进度是整个设计周期中必须要控制的关键点。设计水平与质量的不足将直接制约模块建造的工期与质量。
2.1.2 空间合理
模块化建造的目标之一就是要使得各模块内部空间非常紧凑，从安全性、操作性、美观性实现装置集成与空间合理布局，要求设计进度必须要早于建造进度，并在建造前就定型，应减少异形模块的数量，需要将外连管线等置于框架之内。这样能够大大减少后期变更造成的建造影响，并可提前启动场地、材料、人员等的准备与动员。
2.1.3 满足运输、吊装需求
模块化设施的尺寸对运输费用的计量影响很大，如果由于异形尺寸导致重心偏向，会在吊装时容易出现技术问题。同时，运输条件也是影响模块化设计的重要因素之一，模块可能遇到公路、铁路及船运等交通工具的运输能力，港口、铁路及现场吊装设施的负荷能力等，都需要在设计时需要特别考虑。为此，要对从工厂到项目现场的路线运行调研，根据模块的尺寸及重量确定适合的路线，综合考虑不同的运输方式并对确定好的模块单元编制吊装方案，必要时还需根据运输过程中模块防侧滑、防倾覆的受力分析及加固需要进行专门的防护设计。
2.1.4 便于安装、检修
模块化建造能够极大缩短现场施工周期，可以和现场的基础设施的建造并行；这同时也要求完成模块划分后的设计模块能够实现安装时的准确定位。设计过程中就应对于运输、安装过程中模块化拆装及接口要求等注意事项予以明确；同时由于设计布置相对紧凑，装置运行期的检修、拆卸空间在划分与设计时应予以充分考虑。
2.2 集成化设计管理
随着工程建设领域集成化设计成为主流发展趋势，集成化设计给模块化建造带来的优势不言而喻。该方式的实施，能够明显的降低项目成本，缩短项目工期，优化装置空间设计，通过保证多维度数据的同源进而降低项目风险。
2.2.1 三维设计
开展装置模块化设计，全专业参与的三维设计是必须实施的。通过全专业三维模型的建立，体现出模块空间布置方案，并可在虚拟空间内对操作环境进行检查，极大地提高了设计质量，降低了现场施工难度。对于例如土建专业精度要求高于常规设计的情况，通过该方式亦能很好地解决。
2.2.2 智能PID
智能PID的绘制，能够实现在流程图绘制过程中，同时完成工程数据在二维模型数据库的创建，能够将工程对象的多维数据通过工程位号实现关联管理关系，实现二三维设计信息间的交互和校验，以及检查三维布置与流程设计的流向及逻辑关系等是否一致，满足工程设计信息能够被需要且有权限的各工程参建方有效管理和方便地访问。
2.2.3 设计数据管理
设计数据管理用于调整匹配项目中的各项工程数据，能够从唯一的数据库中自动生成多种格式的报表，提升了设计效率、质量和异地协同工作能力，并且降低了变更对成本、日程、质量和风险的影响。由此在工程设计过程中可及时发现各种数据不一致性的问题。由此带来提升设计质量、降低后期昂贵的设计变更和返工风险的作用对模块化建造十分有益。
2.3 工程材料管理
2.3.1 工程数据管理
工程数据库是开展工程建设的核心要素，开展模块化集成设计前，需要建立包括各类模板、编码在内的基础数据库，在项目的实施中，基础数据库应用贯穿于模块化建造全流程以及后续维护的全生命周期，能够支撑装置在建造和维护时的材料采购、替换等工作则，降低了模块化建造在安装方面的工作复杂程度，也避免了现场建造带来的材料管控难题。
2.3.2 工程材料管理
目前应用于国内外大型工程公司使用材料管理与应用系统的目的主要是管理材料编码和材料等级库，实现了与常用三维工厂设计系统的集成，数据一致性良好的材料管理系统得以成熟应用，能够使模块化装置的设计，采购，施工等环节无缝连接，提高材料控制效率，减少相关人员的工作量，为复杂装置的实施提供借鉴。
3 模块化装备的建造
3.1 模块预制
模块预制是由采购的材料加工制造后完成模块化构件，一般由设计图纸给出关联设备及材料，完成设备及散装材料采购后，发运到指定制造商或现场，再经过生产加工得到的成品即构成预制模块，将在后续的施工任务中作为整体被运输、安装。
模块预制需要将建造材料依据设计方案进行采购打包，打包过程主要是依据不同规则对采买的物资进行快速分包的过程。制定分包规则时，可以依据物资项、标准材料、项目特殊件等对象的相关属性进行条件设置，依据设置的条件从相应的材料目录中筛选符合条件的物资并形成工程量清单，后续以此为依据直接转入采购及预制过程。
3.2 框架结构制造
模块化结构制造的一大突出特点，就是其框架结构的设计与制造，需要特别在拆卸、吊装及土建方面予以突出关注。尽管框架的拆卸在部分有能力的施工单位建造过程中能够进行二次设计，但模块化框架的设计预制应采取一体化协作的模式进行建造；而框架建造后，模块化框架整体的多层、单层、偏心、高重心等问题的研究以及其对吊装的影响是模块化设计与建造过程中必须认真对待的。
3.3 模块拆分
为了满足运输规格的限制，从而实现整体迁移的目的。建造中需要明确拆分点的设置方式和方法、装置整体情况及安装内容、装箱总单情况与复装顺序、各专业安装指导要求以及过程中涉及的专用工具等。
模块拆分点宜优先选用非焊接的连接方式，主要包括全螺栓拼接和法兰盘式连接两种，但在涉及高温、高压管道时，则应尽量减少法兰连接以确保装置今后的安全运行。此类装置在制造时应考虑不需要再拆分，以便于其内部管道采用焊接连接方式。
3.4 模块化装备的安装实施
模块化设备在建造完成后，安装实施过程中要求工厂内的预组装、运输及现场吊装及再组装需要做好的技术储备和计划，组装时应按次序进行吊装，实施过程中，模块的平衡以及准确是最为重要的因素。
安装完成后，模块间衔接检查工作是质量保证的最后环节，如管道按设计时的法兰连接后，是否对连接质量给予检查；电气、仪表电缆接通后，需要进行专门的调教工作等，都应是此时检查工作的关注内容。
4 结论与展望
(1）模块化方式建造主要应用在海外欠发达、气候、环境条件苛刻的国家或地区，可以有效降低项目运行风险，规避制约因素，缩短项目工期，提高项目质量。
(2）合理的模块化尺寸及布局是模块化建造的重要影响因素，建造过程中需要多方联合参与才能得到最优化方案。模块拆分界限的设置是建造的关键，它关系到制造、运输和现场装配的各个环节，需要在建造过程中持续优化。
(3）装置模块化建造流程涉及到工程建设的各个环节，在工程开始阶段即需要提前分析模块的设计、建造、运输及安装方案，并将整个过程中发生的业务流程、技术更新以及知识库的建立和应用持续不断地进行优化和创新。
(4）充分发挥工程软件的数据库功能，建立起数据库的基本架构，并随着工程项目的实施逐渐丰富数据库，以此辅助提高模块化设计的效率和质量。同时，可将数据库从设计领域扩展到生产领域，增加数据库的物资编码和物资管理功能，使数据库直接应用于模块零部件的采够和物资管理。
参考文献
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