剧院冷冻机房机电系统模块化施工初探

国内建筑业在经历了近十多年来的高速发展之后，逐渐面临着转型升级的需求。而装配式建筑有利于节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，符合可持续发展的最终要求。机电安装行业作为建筑业的一个重要组成部分，装配式安装成为了引领未来机电安装施工的一个大趋势，势必在不久的将来逐渐成为主流的安装模式。

1 工程概况

上海音乐学院歌剧院总建筑面积 31926m ² ，地上 5 层、地下 3 层，总建筑高度 34.0m 。本次实施装配式施工的冷冻机房内，主要包含 3 台冷冻机组、 1 台板式换热器、 4 台冷冻水循环泵及相应的定压、清洗装置。

2 基于 BIM 技术的装配式机房可行性分析

2.1 施工进度动态模拟

在常规工程的机电安装中，由于没有 BIM 技术的介入，可能导致各专业施工相互影响，造成工期和造价的上升。本项目采用 BIM 动画进行机房整体施工方案的模拟，讨论方案的可行性，分析影响施工流水的主要因素，模拟机房机电安装顺序，以确定最终机房模块装配的方案。

2.2 机房的三维建模

机房三维建模前先进行技术资料的收集工作。冷冻机房内相关设备管线的选型工作在项目初期就开始进行，确保样本资料收集的及时、准确。机房中各设备的基础建模是三维建模中对基本单元的模型绘制工作。

基础单元的模型精度直接关系到后续构件加工时的精度，所以基础建模时应确保模型与实物的一致性。但随着模型精度的提升，要求建模的时间也相应增加。为了平衡建模精度与建模效率，一些设备的外型形状特征与装配式精度之间不存在联系，比如冷冻机组或阀门的外形。而与之有联系的是冷冻机组接口的尺寸、接口的高度、与设备中心距离等参数，因此在设备建模前应对设备建模的关键数据进行梳理，来减少基础建模时间且不影响模型精度。

多人同时进行不同设备的模型绘制，可以缩短设备建模的时间。基础建模后形成构件库，方便后续管线建模时进行调用。

同时，因建筑结构施工时的偏差，现场实际的建筑结构与按图纸建立的三维架构模型可能存在偏差，主要体现在梁的大小及高度、立柱的大小与位置、墙体的位置三个方面。上述偏差可能会引起后续机电管线与结构碰撞的不良后果。由于结构施工在机房三维开始前已经完成，所以在绘制机房结构三维图之前，以设计建筑结构图为主要依据，在施工现场对结构进行高精度测量复核，复核的结果进行记录后在建筑结构图中进行修正，最终机房建筑结构建模按照修正完成的建筑结构图进行绘制。

2.3 模块的分割方式

机电管线模块化，就是把一定范围内的机电管线通过深化设计后，在该空间范围内的三维位置及管线参数已经确定的情况下，按一定的方式进行切割形成若干模块。

以冷冻机房内空调水系统管道来说，我们分为了以下几种模块：设备端部模块、总管模块、支管模块。其中设备端部模块和总管模块是模块化划分的主要对象。

设备端部模块；是指大型设备，比如冷冻机组、水泵、板式热交换器等设备进出口竖向管段。在此管段中通常包含了阀门、 Y 形过滤器、水力阀门、软接头及压力表、温度计等管路附件。这些设备端部的管路附件具有较高的共性，且有较多的连接短管。

总管模块：指位于高位的水平总管，以及由总管上开出的与设备端部相接的管段。此管段中主要是由钢管及相应弯头和三通组成（图 1 ）。

支管模块：指水泵排水管、定压管道、加药管道等管道，通常是口径较小的简单管道。

修正模块：指用于消除多个模块装配后引起的累积误差，并根据模块完成后的实际尺寸进行测量、加工制作，通常设置在管道变向处的管段。

为了便于预制加工及运输装配的管理，需要对模块进行编号，每一种模块都有一个唯一的编号，相同的模块可以共用一个编号。

2.4 绘制加工图

模块是本次装配式安装的基本安装单位。冷冻机房由各个模块组成，每个模块可以分解成几个构件，构件再由管段、阀门、配件等基础零件组成。为此，加工图以单个模块作为单元，将其中细分的构件和零件尺寸进行标注，标注完成后再按照模块单元出具加工图。

三维构件分割完成后，进行构件尺寸标注。采用 Revit 三维标注命令对构件中必要的尺寸进行标注，尺寸标注可为后续加工图出图提供依据。考虑到本次现场加工的特点，加工人员具备一定的识图和制图能力，所以没有按照最细化组件进行标注。另外，因同一种规格的配件外形尺寸存在略微的差异，所以主要对一些关键尺寸进行了标注，比如三通中心开孔位置、主管中心至水平支管中心高度等（图 2 ）。

加工图以模块为基本单位进行出图，包括每个模块的俯视、正视、三维示意图，组成模块各个构件的俯视、正视图。图中显示所有标注，图面要求清晰。

2.5 构件的预制加工与编码

构件的预制工作主要针对各种类型的管段。按照加工图，由预制加工厂配合材料预算的编制、采购、材料的验收及管理工作，预制流程包括按照国家现行标准要求对不同的管组下料、坡口加工、小型管道组对、尺寸校验、压力试验等。这部分可参考管道的工厂化预制工艺，故在此不作赘述。

为了便于构件管理，本次对装配的构件加工图纸形成二维码，粘贴到已预制并试压合格的构件上。二维码的生成借助专业二维码空间网站，输入网址后进入页面，把相关的构件资料上传后，网站页面自动生成二维码，打印后粘贴在构件上。可以通过手机中 App 的相应功能扫描二维码，手机端自动显示先前上传的构件资料，从而清晰地知晓该构件所安装的部位（图 3 ）。

3 模块化管组的吊装与安装

3.1 新型吊装平台的搭建

本工程机房内大模块的装配采用了专门设计制作的吊装平台来实现。要实现模块化安装，就是在预制件加工完成后，把相邻预制管件进行组装形成大的装配式模块，再以大的装配模块组装来完成整体装配式安装。而预制件的组装需要解决精度和同步提升 2 个问题。

本次设计制作的吊装平台主要解决了精确定位、管组固定、同步提升 3 个难题。平台侧向设有距离标尺，可以对多根管线的相互位置进行精确定位；可以利用 U 字抱箍穿越槽钢对管道实现固定；平台两端设有吊耳，可以作为模块整体提升的吊点。在吊装平台设计完成后，应进行相应的结构受力校核，以满足吊装平台的使用安全性。

3.2 模块组装与提升

在地面上放置平台，依次把组成该模块的构件放置在平台上，通过地面放线，同时对照平台上的距离标尺来调整构件在平台上的位置，定位完成后利用 U 字卡把构件固定在平台上，由此在夹具上完成各模块管段的组装工作。

现场设置了 4 具手动葫芦吊作为单个模块提升的起重工具。确认挂钩安装牢固后，开始吊装作业。同时拉动葫芦，使得模块整体逐渐上升，离开地面 15 cm 后进行悬停，查看是否有荷载变形情况。检查完毕后，再次拉动葫芦使之逐渐平稳地上升，提升至管道预定位置上方 10cm 处。

3.3 支架安装及模块就位连接

模块提升完成后，把实现预制的管道支架牢固安装在预定位置，然后在支架上安装垫木，同时拉动葫芦吊使之逐渐下落，直至管道与垫木充分接触，支架承受模块的荷载后撤除吊装平台。相邻模块间通过相对应的构件，以法兰接口的形式连接。依次装配法兰垫片及螺母，并按照规范要求紧固法兰（图 4 ）。

4 结语

1 ）在项目实施过程中，机房三维建模是装配式施工的基础，单元分割是模块化装配的核心，构件加工影响装配实施的精度。

2 ）在 BIM 的模块化建模中，应把重点放在模块的尺寸、接口高度、设备中心距上，以便于加工图的精确绘制，从而减少安装误差。

3 ）本项目提出的吊装平台经过承载力校核计算，不仅能解决模块管组整体同步提升的问题，而且可以提高装配精度，在今后类似工程中值得推广。