面向科技館的制冷機裝配式管道模塊化

陳磊，齊特，王龍，黃宏林，杜勝輝

（1.中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東深圳 518045；2.深圳市建筑工務署文體工程管理中心，廣東深圳 518045；3.深圳市建筑工程質量安全監(jiān)督總站，廣東 深圳 518045）

1 引言

針對大型建筑物制冷機房的管道系統(tǒng)安裝工程中，有很多重復性的切割和組裝工作，勞動量、安全隱患和工作強度都很高。業(yè)界因此在建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術的基礎上對機電裝配式施工展開了一些探討與嘗試[1]。本文以深圳科學博物館為工程實例，探討模塊式預制安裝技術在科技館建筑制冷機組裝配式管道施工中的應用。

2 工程概述

深圳科技館（新館）位于深圳市光明區(qū)新湖街道，總用地面積65 998.42 m2，總建筑面積128 761 m2，建筑總高度57 m，建筑類別一級、耐火等級一級。建筑結構型式2 層以下為鋼筋混凝土結構，2 層以上為鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻混合結構體系，六層為鋼框架-鋼桁架結構體系。設計使用年限50 年，人防工程防護等級甲類常6 級、核6 級，為3 星級別綠色建筑。建筑地下室共2 層，為地下車庫、人防設備房及影院等，地下室建筑面積43 987 m2。設備房中的大型設備有離心式制冷機組3 臺、磁懸浮離心制冷機組1 臺。分集水器2 臺、冷卻及冷凍循環(huán)水泵18 臺、全過程物化水處理裝置4 臺。管道系統(tǒng)總長1 325 m，冷熱水管道型號包括DN100～DN600，管配件共866 個。深圳科技館（新館）制冷機組管道系統(tǒng)的安裝擬采用模塊化裝配式管道施工技術，包括管段模塊單元分割設計、數(shù)字化工廠預制加工和施工現(xiàn)場裝配式拼裝等流程。

3 基于DFMA的裝配式管道模組化施工關鍵技術

制冷機房作為空調(diào)系統(tǒng)的核心，一直以來擔負著整個空調(diào)系統(tǒng)運行的重任，隨著裝配式產(chǎn)業(yè)日趨成熟，越來越多的工程開始采用裝配式機房施工模式。研究采用DFMA 的機電組件模塊化施工技術，對設備選型、數(shù)量、基礎布置、管道走向等方面進行優(yōu)化。預制管組機械化施工技術是將準備好的預制管件、機械管組和支吊架在地面上組裝與拼接成預制管排，然后利用叉車或其他升降裝置將預制管排運送到方案設定的安裝位置后，通過法蘭連接將不同的組合管排連接、固定。數(shù)字工廠預制工藝的流程是先在工廠里實現(xiàn)自動化流水線生產(chǎn)，再在建筑工地上組裝完成，實現(xiàn)機械生產(chǎn)的效率提升和精度提升[2-3]。預制化工藝將管件的加工從施工流程中獨立出來，使得該過程可以不受施工現(xiàn)場空間環(huán)境和施工進度的影響。只要在工廠內(nèi)完成預制加工，按照施工設計方案在合適的時間投入施工現(xiàn)場進行裝配式施工，就可以大大減少管道保存與維護的成本。

4 管段模塊單元分割設計

科技館（新館）類的大型制冷機房內(nèi)的管道系統(tǒng)中大致包括了管徑DN200～DN600 的主干管模塊單元和管徑DN100～DN250 的分支管模塊單元，前者多位于機房的頂部空間，后者多用作水泵、集水器和制冷機組等設備的連接。在使用焊接處理進行管道模塊單元的分段和組對的時候，為了使同一規(guī)格管徑不同的焊縫寬度保持一致性，降低累積誤差，需要使用特殊的夾具按照不同的管徑、壁厚對焊縫的預留間隙進行限制。因此，對于管道分段中的模塊化單元，在分割設計的過程中也要充分考慮到焊接預留間隙的影響。

4.1 主干管模塊單元的分割設計

主干管以直管段為主，以少量管配件為輔，管段間多采用焊接連接和法蘭連接。主干管模塊單元的分割設計應遵循分割單元越小，模型中模塊單元的數(shù)量就越多的理論。需要拼裝的部分增多不僅會導致模塊拼裝的工作量、難度和工程施工的成本增加，還會在一定程度上導致潛在的泄漏點增多。根據(jù)深圳科技館（新館）制冷機房的實際情況發(fā)現(xiàn)，運輸管件的通道很難容納12 m 的大口徑螺旋焊接鋼管進入，搬運過程較為困難。在綜合考慮運輸便利性、預制加工性和裝配施工可行性后，確定在主干管模塊單元的分割設計中將12 m 的鋼管分割為2 個長度為6 m 的基礎模塊單元?？紤]到制冷機房主干管道規(guī)格較大、水泵運行振動較大，故管路安裝采用法蘭連接。法蘭連接時管道需深入的尺寸應大于法蘭厚度的1/2，同時≤法蘭厚度的7/10。將12 m 大口徑鋼管切割為6 m 長的模塊單元時約有3 mm 內(nèi)的損耗，并且管段進行法蘭連接時的金屬墊片厚約3 mm，導致裝配組合后的管段模塊單元長度還會增加大概1 mm。

4.2 主干管模塊單元的分割設計

分支管中多含有異徑管、短直管、彎頭和閥門等配件，采用法蘭連接為主、焊接連接為輔的管段間連接方式。分支管模塊單元的分割設計需要正確解析制冷機組、水泵、板式換熱器及集分水器進出口管段細部連接。為了調(diào)整預制加工的分支管模塊單元對現(xiàn)場裝配安裝的適用性，在水平段短管部位和靠近主干管三通下部的豎直立管第1 個法蘭接口處預留自由段，自由段一端使用焊接承插法蘭連接管段，另一端為預留管口。自由段在進行預制加工時需要預留一段長度以便于根據(jù)現(xiàn)場復測的實際結果進行適當調(diào)整。在對分支管模塊單元進行劃分設計的時候，不同品牌的成品部件之間存在細微的差異，因此，需要提前收集整理相關資料，以便迅速準確地確定各類成品部件的相關信息。

不同管段法蘭連接的墊片采用金屬材料，這是由于金屬材質在壓縮后不易產(chǎn)生較大的厚度差異，能夠有效減小后續(xù)加工與裝配過程的誤差。某循環(huán)泵進出口端豎直管段模塊單元分割設計示意圖如圖1 所示。

圖1 某循環(huán)泵進出口端豎直管段模塊單元分割設計示意圖

由圖1 可知，在進行管道分割設計時不僅要考慮各類管配件的軸向尺寸和不同儀器儀表的安裝位置，細部連接的具體數(shù)據(jù)也不能忽略。在模塊化預制裝配施工模式下需要考慮實際工程中存在的施工誤差，因此，需要在現(xiàn)場設備到位后對實際測量進行復查和調(diào)整。一個合理、科學的模塊單元分割設計方案，可以使得后續(xù)的預制加工和裝配施工更加順利、高效地進行，尤其是分割設計中的現(xiàn)場測量復核工作對于降低分割設計與實際情況的偏差具有重要作用。必須根據(jù)復測現(xiàn)場的重測數(shù)據(jù)對管段模塊單元分段設計進行調(diào)整和優(yōu)化，這樣才能保障管道的模塊化預制和現(xiàn)場裝配施工的順利實施。

5 預制加工與裝配式施工

5.1 工廠預制加工

完成高精度模塊化劃分設計模型構建后，進行管道裝配式預制件加工時首先要考慮的是精度與質量。人工切割、焊接管道的安全隱患大、效率低，質量和精度難以把控，因此，管件的預制加工以自動化焊接為主，組裝平臺和人工裝配為輔，可以有效避免焊縫及熱影響區(qū)表面裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、弧坑和氣孔等質量通病。某裝置進口端水平管段進行模塊單元分割設計的流程如圖2 所示。

圖2 某裝置進口端水平管段進行模塊單元分割流程圖

由圖2 可知，管道部件模塊化工廠化預制件流水線主要由兩個部件組成，一個是焊前預備工作區(qū)，另一個是組合式焊接工作區(qū)。預制件生產(chǎn)線使用了專用的自動組對機及自動焊機，大大提高了預制件生產(chǎn)和加工的效率與質量。短管和管件組合焊縫區(qū)，主要為以下各支管道的模塊化元件提供服務：末端有彎頭，異徑管道的短節(jié)；端部帶法蘭，中間帶支承和附件的短管，如連接用的管子、接頭用的管子。而多功能焊縫區(qū)，則是為主干管道提供了模塊化的服務，也是為一些較短的管道進行焊接。

5.2 施工現(xiàn)場裝配式拼裝

由于工廠預制化批量生產(chǎn)的管道數(shù)量較多，如果在裝配式施工前進行處理，很有可能會造成不同管段模塊單元使用的混亂和錯誤，因此，管道及部件的運輸和儲存應提前制訂實施方案，確定好運輸時間、次序、堆放場地、運輸路線，固定要求、堆放支墊及成品保護措施等項目。同時為了方便普通裝配工人的理解和裝配作業(yè)，以及保證管段系統(tǒng)安裝的連續(xù)性與嚴謹性，在模塊化單元分割設計模型建立時就要提前制訂方案對管段進行編號，而在工廠化預制加工的過程中也要按照方案和模塊化模型完成編號和參數(shù)標識，為現(xiàn)場裝配式拼裝做好準備。裝配施工過程整體以管線子系統(tǒng)為單位進行處理，同一個管線子系統(tǒng)內(nèi)按先主干管后分支管的順序進行拼裝。在不同的管段模塊單元，按照裝配施工圖到位之后，不宜一次性全部硬連接，應該與自由段的設置相結合，并根據(jù)現(xiàn)場的總體狀況進行調(diào)整，然后，再對不同的管段模塊單元拼裝進行最后的連接固定。自由段的現(xiàn)場安裝示意如圖3 所示。

圖3 某自由段尺寸信息及現(xiàn)場安裝的俯視示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，進行自由段安裝時，可以在其兩個連接管段模塊單元施工完成后進行一次現(xiàn)場復測，根據(jù)復測結果確定其準確的安裝尺寸，然后通過二次預制提高自由段組裝和拼接的精度。設備接口管組裝配，在主機、水泵進出口軟接頭等便于操作的部位預留接口管組，根據(jù)現(xiàn)場情況定制尺寸，在工廠加工后運至現(xiàn)場安裝，消除裝配過程中產(chǎn)生的誤差，降低設備接口滲漏率。與現(xiàn)場施工相比，工廠化更有利于工作條件，有利于專業(yè)化，規(guī)模化生產(chǎn)采用專用的人工智能加工設備和手段，并用流水線專業(yè)化生產(chǎn)從而提高了管道的質量。

6 結語

深圳科技館（新館）大型制冷機房的DFMA 機電部件模塊化設計技術要求，采用現(xiàn)場復測、調(diào)試的方式，將管段模塊單元的拆分設計與工廠預制制造相結合，實現(xiàn)高效精準的設備和管線模塊化裝配式施工。通過管道模塊化單位分割設計配合施工現(xiàn)場復測結果進行設計調(diào)試，是保證管道工廠化預制和組裝施工順利、高效、精確進行的關鍵。采用DFMA 技術、管段工廠預制加工和組合安裝相結合的制冷機組裝配式管道安裝方式，不僅能夠提高制冷管道系統(tǒng)的安裝質量水平、縮短制冷機組建設工程的施工工期，同時還對提高勞動生產(chǎn)率和減少環(huán)境污染有很大幫助。