核电工程模块化设计方法研究

陈异 王亮 王月 常海军 贾爱芬 王帅成 覃涛

核工业工程研究设计有限公司 北京 101300

摘要：模块化设计和建造技术是第三代核电工程的重要技术之一，模块化设计从整体角度出发影响建造的全周期。本文结合核电行业AP1000堆型的模块化设计理念，探索PDMS模块化插件设计；采用成熟的出图软件SPOOLGEN出图出报表；模块化规范出图；设计建造一体化四维虚拟系统优化施工程序，四方面总结出一套适合核电行业的模块化的设计方法，为模块化的实现提供了强有力的支持。从设计出发，提高模块化的设计、采购、施工进度。

关键词：模块化；PDMS；SPOOLGEN；核电；设计建造一体化的四维虚拟系统

模块化设计是模块化建造技术实现的前提。加快研究核电工程模块化三维设计工具及制定模块化出图规则是首要任务。

由于核电安全的特殊性，模块的划分有一定难度，这就决定了我们必须有一套适合核电行业的模块化设计。AP1000堆型核电已进行PDMS三维模块化设计的尝试。

模块化出图方面，所有行业具有相通性，我们需借鉴其他行业的出图软件，本文选择与国际接轨，高效的管道出图软件Spoolgen软件融入核电行业。

每种类型的图纸和清单所体现的内容及形式都将影响模块化的建造。例如管道专业的模块化图纸和清单包括管道图纸，支架图纸，管线清单，支架清单，管线料单，支架料单，管线模块化清单清单，支架模块化清单。

采用模块化技术后，现场施工与模块加工、安装同步进行，同一模块同时包含传统土建和安装物项，并行施工、交叉施工使模块内部接口增多，计划与控制的协同性要求更高，施工程序与网络计划必须作相应调整。设计建造一体化的四维虚拟系统为施工程序与网络计划的优化提供了强有力的支持。

本文将从模块化设计、模块化出图、规范化出图、设计建造一体化的四维虚拟系统四方面出发，打通模块化设计、采购、出图、施工管理的通道，以提升核电的建造速度。

1. 模块化设计

模块化的工作流程如图1所示。模块化概选是定义哪些做模块化设计；模块对象定义是将大的模块拆分成可实施的小模块，定义模块的功能；模块对象设计是进一步在小模块内挑选可以模块化的部件,增加临时支撑满足吊装稳定性；模块重量及重心计算是各专业给材料附重，计算各专业重量、重心。

图1 模块化工作流程

传统的模块化设计是在设计后期，建造前期进行，此时三维模型已经固化，在一定程度上会影响模块的引入。我们尝试在三维设计阶段引入模块化，而PDMS并没有关于模块化的设计插件，需要我们在PDMS中定制一款模块化设计的插件。模块化插件大致样式如图2所示。

图2 模块对象定义功能界面

同时三维模块化设计时应遵循以下逻辑：

1. 充分考虑模块的统一性与协调性要求，同类设备尽量在布置模式上相同，便于进行模块标准化设计。

2. 在满足系统功能要求的前提下，在一定区域内集中布置管道、阀门等部件，为提高模块包容率创造条件。

3. 在上述基础上进行模块分割，根据厂房总布置图和系统流程图选取模块，并通过模块分割进一步完善、优化三维模型。

4. 根据模块和其他模块以及管线的连接要求，确定连接件配置。

5. 确定模块边界，在三维模型中建立钢结构模型，使整个模块包容在一个独立的钢结构中，形成独立的，可整体吊装、运输和安装就位的完整单元。

1.1模块化概选

模块区域概选^[1]就是核电站三维模型中明确定义模块区域的空间范围，直观地表现出进行模块化设计的空间区域，从而使各专业设计人员了解模块的空间区域信息。

1.2模块对象定义

模块对象定义，既定义模块功能、规模、接口、编码等模块特征。

核电厂模块通常可分为结构模块和非结构模块，非结构模块可分为管道模块、机械设备模块、标准机械设备模块、电器设备模块4种类型。另外，在厂房布置中还存在不宜按模块进行设计但具有相对完整性、能在工厂整体加工的管道组件，以及在模块与模块或管道组件之间起调整作用和作为接口的连接件。

1.3模块对象设计

模块对象设计是指对模块三维模型进行设计优化。进一步在模块内部挑选出可以模块化的部件，如：支架、风管、管道、电仪；进行焊点设计，为模块化出图做准备；进行临时钢结构和支架建模，为运输及吊装做准备。

6. 焊点设计^[2]

PDMS软件中，只有焊点和现场焊点两种类型的焊点。而模块化设计，有预制焊点，现场焊点和模块组装焊点三种。现场焊点和模块的组装焊点虽然都是现场焊，但是施工预留的余量不同，且安装的时间不同，因此，我们需区分现场焊点和模块组装焊点，在PDMS中定制三种不同类型的焊点。

7. 支架管理

支架分为预舾装支架和预安装支架。预舾装支架就是模块化需要焊在结构上的支架，预安装支架就是不能安装在模块上的支架，需后期安装的支架。

管道支架、电仪支架、通风支架等所有支架要提前焊在结构梁上，并随相连的结构打砂喷漆，以模块化的方式打砂喷漆，节省了单专业打砂喷漆的工作量，模块化工作节约的很大一部分工作量。这种支架为预舾装支架。

影响模块运输的支架，或者生根在土建上的支架，这些都是散件，不能焊在结构上，不能随结构一起打砂喷漆，这种支架为预安装支架。

8. 管道、风管、电仪管理

管道、风管、电仪也分为预舾装和预安装。预舾装就是模块化需要提前安装在模块内部的，预安装支架就是不能安装在模块内，需后期安装的。

有的管段并不能归于模块内，第一种原因是管段重量大距离吊点平衡点远，引起重心偏移，无法吊装。第二种原因管段在垂直方向太长，已超出了模块车间的安装高度。

9. 临时钢结构，临时支架

有的支架是生根在土建上，模块化安装时，有些管道、风管、电仪专业因为没有支架不稳定，不方便运输和安装，因此我们需要一些临时钢结构和临时支架。或者为避免二次吊装，我们吊装模块时附带一些重型管道及设备，需要我们增加临时支撑。

1.4模块重量及重心计算

通过以上步骤，我们确定了模块内部的各个专业设备及其附属部件，需要每个专业进行重心计算然后提交给结构进行整体吊装计算。

在PDMS中给各个专业的每一种材质附重，从PDMS中导出每个部件的重量及重心，通过公式1，进行各个专业重量及重心计算。

……公式1

以上公式中，x、y、z分别是模块的重心坐标分量，m_i是第i项模块对象的重量，x_i、y_i、z_i分别是第i项模块对象的重心坐标分量。

2. 模块化出图

本文主要讨论管道专业模块化出图软件SmartPlant Spoolgen。结构专业出图可使用Tekla软件，本文不做论述。

SmartPlant Spoolgen是Isogen技术核心，是一款专门为管道预制厂商设计的管道深化加工设计和管理工具。并可与外部系统实现数据交换。

SPOOLGEN的一经问世，国际及国内海工便迅速应用。SPOOLGEN打破了传统的加工设计流程，SPOOLGEN是在有后台的数据库的界面下工作，各数据存在内在联系。例如，在SPOOLGEN点击添加现场口的按钮，管段号，焊口号自动添加；在SPOOLGEN点击添加带余量的现场口的按钮，图纸的图面区和料表区自动添加长度。可使用相对不熟练和初步的员工用于出图，优化人力资源的使用，提高10倍以上的生产效率，减少95％的手动数据输入，消除绘图错误和返工。传统配管加工设计时，是在CAD上添加现场口，管段号，焊口号，但CAD并不能很好的关联各个内容。

SmartPlant Spoolgen快速出图、出报表，报表中可以体现每个管子的长度，对SPOOL图料匹配可提前锁定哪些SPOOL可以预制，哪些管段因为缺料不能预制，避免了预制时没有料从而搁置，占用预制车间，提高了物资管理和车间利用率。报表中还能体现每个管段的长度，可以进行套料，使每根料使用最大化，避免材料的浪费。套料后再匹配先进的建造技术实现自动化切割，自动化贴物料码。

SmartPlant Spoolgen作图步骤如下：

1. 添加现场焊点，自动断管。

2. 添加支架焊点。

3. 添加出图分割点。

SmartPlant Spoolgen出图设计可以实现以下功能：

1. 直管的等距断管，可对整根管路或选定直管等距的自动插入焊点和管箍、法兰（镀锌管，塑料管断管时添加）。

2. 弯头弯管的批量转换，可根据管加工能力批量将整根管路或选定弯头转为弯管。

3. 增加高低点，图面区和图料区自动变化。

4. 版本管理和对比：管理管线数据得到不同版本并进行差异对比。

SmartPlant Spoolgen报表可以体现如下内容：图纸号、单管号、业主版次、现场版次、物料号、名称、尺寸规格、壁厚、材质、标准、端面形式、磅级、数量、管线/管件米数、焊点编号、重量、净米、余量、材料归属（预制/安装）、涂装面积、涂装代码、面漆颜色代码、保温。报表有以下功能：

1. 体现图纸号、图纸版次、便于图纸的跟踪。

2. 体现管线号、SPOOL号便于后期工作统计。

3. 体现预制口现场口，便于进行焊口比例分析，分析焊接工作量。

4. 体现焊口号信息，便于质检归档。

5. 体现材料归类，分为预制及安装，便于统计安装工作量。

6. 体现甲板层的归属，便于模块化分层施工时优先级排序。

7. 体现重量信息，便于管子后期吊装给结构提资，避免侧装。

8. 体现净米、余量可进行套料。

3. 规范化出图

我们以支架图册的规范举例说明，规范化出图的重要性。图册中的一个支架类型，到项目上就会变为上千个详图。

如图3所示，改进后的支架图册上体现焊口信息，支架详图上无需再标注，就可在支架详图上节省上千个焊口标注。

如图3所示，改进后的支架类型命名为支架类型-型材类型-A-B，从支架命名和支架图册就能知道支架的详图信息，这对后期支架的预制工作很重要。在三维模型中只需导出支架的名称，无需支架详图，预制厂家便可预制。且同一种类型的支架一起预制，加速了预制工作。

图3 支架图册改进对比图

除了图纸需要规范，设计理念也需要转变，传统观念是以管线号为基本的单元，进行管道专业图料匹配，套料，预制及施工，但模块化需以SPOOL为基础单元进行预制和安装，更加贴近工程实际。

4. 设计建造一体化的四维验证

在三维设计前提下，把设计产生的产品空间与建造时间过程结合在一起，创建设计和建造一体化的四维虚拟系统^[3]。虚拟建造对制定核电厂建造施工计划有明显的效益。

Smart Plant Review是三维可视化软件，它提供全方位的视图，表达十分清晰。P6是人们熟知的用于进度计划、动态控制、资源管理和成本控制的项目管理软件。把Smart Plant Review加载到P6进度表的各项活动中，成为与设计同步的可成功地演示整个过程的四维虚拟建造系统，这一系统可在建造工序中的任一节点，展示该节点应达到的三维状态。

传统施工观念是先土建施工，待厂房结构封顶后，再安排设备吊装就位和管线安装。采用模块化技术后，厂房土建施工和各类预制模块的就位须同步进行，即当土建施工完成一个层面时，设置在该层面的各类模块必须吊装就位，土建才能继续施工，这种转变使得土建、安装、设备制造的接口关系，设备、材料的采购计划与调度，使现场施工场地的统筹安排，施工网路计划的编制与控制等一系列环节的管理都发生了巨大的变化。

全过程的四维图像清晰地展示了模块化建造的逻辑顺序，为全面、直观地对设计和施工进行审查和调整创造了条件，为建造方案的可行性分析、设计安排的优缺点评估及优化决策提供了依据。

AP1000的4D研究已证实，设计建造一体化虚拟系统的使用可为核电的设计、审查、建造和施工进度管理带来明显的效益。这些效益主要体现在以下几个方面：

1. 使设计审查与可建造性验证有机结合，把可能遇到的问题解决在现场施工之前。

2. 优化大型模块的钢结构组装与集成建造。

3. 建立优化的建造工序，避免待工、窝工，以缩短总的进度。

4. 对进度安排的准确性与可实现性进行验证，使工程进度得到有机协调。

5. 增强核电厂投资者对实现预期目标的信心。

5. 结论

我们需要根据模块化设计流程和模块化设计功能的需求，研究一套基于PDMS的模块化设计插件，并通过测试。该方案的研究对于提升核电的建造速度，及提升核电在能源行业的竞争优势意义重大。

同时我们要引进别的行业先进的出图，出报表的软件，规范化出图。SPOOLGEN软件以图和表的形式提升模块的采购、施工、质检及调试的各个阶段。

设计建造一体化的四维技术可优化模块化建造工序，避免待工、窝工，缩短总的进度，把可能遇到的问题解决在现场施工之前。

6. 参考文献

[1]鲁勤武,赵淑昱,李轶,韩小萍,柴伟东,张淑霞.基于参考电站的核电模块化技术研究[J].中国电力,2014,47(04):65-69.

[2]]吴祥勇,李轶,鲁勤武,罗亚林,毛杰,李真.基于PDMS平台的模块三维设计系统研究开发[J].核动力工程,2011,32(S2):127-132.

[3]]孙汉虹，程东平，缪鸿兴，张维忠，朱鑫官，翁明辉，第三代核电技术AP10000[M],北京，中国电力出版社，2016.3:456-458.