中国石油天然气第六建设有限公司 广西桂林市 541004
一、前言
随着建筑行业BIM的发展，结构工程朝着信息化、数据化、可视化、协同管理化发展。钢结构工程从最初的现场手工预制安装发展到工厂化预制，再到自动化流水化预制。随着科技的进步，自动化程度越来越高，这不但提高效率，同时也有效降低成本。在这种环境下，结构预制安装工程对施工单位提出了更高的要求。
我公司在中油海预制场地（见图1）承接的俄罗斯YAMAL LNG MWP4/FWP5项目以及中海油俄罗斯YAMAL LNG项目PAU模块的钢结构制造中，使用TEKLA+BIM管理技术，整合设计、制造、安装资源，进行资源共享，信息化，数据化管理，成功应用于钢结构的自动化，流水化预制，在提高效率的同时，也降低了成本，取得了项目的成功，同时也赢得了业主的信任。
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图1 CPOE结构预制车间
二、工法特点
本工法采用自动化、流水化预制工艺不同于现场手工预制，也不同于普通的工厂化预制，具有明显的特点，如下表所示：
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三、适用范围
本工法适用于按照工厂化预制模式组织进行钢结构预制，对于预制尺寸要求严格，焊接质量要求高，结构形式复杂的海洋工程模块化预制，本工法优势更加明显。
四、工艺原理
利用工程软件建立模型，掌握详细的模型细节和工程量，根据工期及工作量要求，优化施工流程，合理布置施工场地，选用较为先进的数控设备设备，匹配相应的管理及施工人员，实行流水化作业和动态化管理，以达到短工期、高质量、好安全和低成本的工程目标。
1 详图设计：利用Tekla软件建模进行详细设计（见图2），在建立完成完善的三维模型的基础上，利用软件强大的数据库，自动生成的清单有：材料清单、构件清单，零件清单，构件零件清单，螺栓清单等。
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图2 034-PAU-211模型 图3 自动套料排版图
2 利用Tekla自带的套料软件对钢板零件进行排版（见图3），转换至数控切割机可识别的数控文件，自动化切割；利用CAD辅助设计，对型钢进行自动排版，提高效率，节省材料。
3 数控钻孔：利用Tekla生成的数控文件导入到三维平板钻床及三维数控钻床，自动定位钻孔。
4 过程管理：利用清单建立数据库，根据模型使用BIM技术，进行清单式管理，追踪生产匹配状态。
5 流水式装配：根据工期及工作量要求，进行场地、工位和设备布置，合理安排工位上的施工人员摊数，匹配型材和板材下料、钻孔状态，及时调整工位，进行匹配式组对，流水化装配。
6 制造组对工装（图例见图4）：针对设计的固定尺寸，用量大的节点，制作相应的组对工装。项目部制作的槽钢组对工装、拉筋管组对工装和型钢立柱底板工装，效率提高一倍以上，取得较好的组对效果。
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图4 斜撑组对工装
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图4 槽钢组对工装
五、工艺流程及要点
1 工艺流程
开工准备（技术准备、施工准备和工装设计）→材料进场→数控下料→环板坡口切割→数控钻孔→槽口切割→节点板组焊→尺寸复核和外观处理→无损检测→检验释放→成品交接。
2 操作要点
2.1 开工准备
2.1.1 技术准备
详细设计可以准确的梳理出构件信息，了解各工序的工作量，以便于更好地布置场地、分配资源、安排人力。详细设计步骤如下：
2.1.1.1 建立三维模型
根据设计图纸及提供的原始模型建立三维模型，编制编号系统，要求编号系统简洁明了，能准确反映截面型钢特性及安装区域。
2.1.1.2 生成零件图、构件图、布置图：利用Tekla自带的出图功能生成图纸，利用克隆功能提高调整图纸速度，使图纸比例符合版面要求，定位点、定位尺寸全面准确。
2.1.1.3 自动套料
利用Tekla自带套料软件“Nestmgr”排版，排版顺序可以根据生产进度调整。在生产无要求情况下，矩形板与异形板分开排版，矩形板进行共边切割，异形板根据数控软件自动切割。
型钢和钢管的排版使用CAD插件“AUTO”根据零件清单套料，可最大程度减少型钢拼接焊缝，同时减低材料损耗率。
2.1.1.4 录入清单工序信息
从模型导出零件清单，构件清单，构件零件清单，并根据项目要求，使用EXCEL处理归类数据，在零件清单的零件编号增加输入“是否钻孔，所属构件型材”等生产工序信息。在构件清单的构件编号增加输入“是否切口、是否钻孔、是否组焊”等生产工序信息，进行针对性流转，提高流转速度。
2.1.1.5 编制技术交底文件
根据业主质量要求确定各工序质量要求和内部质量控制点，完善相关技术、质量、施工流转所需的记录文件。
2.2.1 施工准备
工作总量和工期要求确定后，结合技术准备工作中梳理出的构件各工序工作量，进行各项施工准备工，包括加工设备布置、施工工位布置、施工人力策划、施工机具布置和人员培训等。
2.2.1.1 加工设备布置
结合各工序工作量、质量和工期要求，确定所需使用的机械加工设备型号和数量，例如数控火焰切割机、数控三维钻床、数控平板钻床、数控卧式带锯床等主要加工设备，按照流水化预制的顺序，不走回头路的原则，进行设备布置。
2.2.2.1 施工工位布置
施工工位布置要结合各类构件的种类和工期要求，吊装设备的吊装能力，充分考虑到工序流转时间，例如槽口切割，各类构件组对、焊接、打磨、检测、报检释放等工序所需使用的时间，合理布置施工工位。一般来说，单根立柱的流转时间需要18-22天，PG梁的流转时间需要4-7天，节点型钢的流转时间需要4-6天。
2.2.3.1 施工人力策划
人力策划中设备操作手、铆工、电焊工是主要工种，必须要技能过硬责任心强。通过本项目的施工，我公司已总结出各工序施工人员的工效和各类设备的工效。
2.2.4.1 施工机具布置
工位布置完成后，根据要在各工位安排的各工种施工人员数量，合理分配、布置施工机具，例如手工焊机、气保焊机、气刨机、仿形切割机、管道切割机、气源、电源、水源、吊索具等。本着人员流动机具设备不动的原则，满足现场施工要求进行布置，需考虑一些备用机具。
2.2.5.1 人员培训
各工种施工人员开工前都需要进行入场、HSE、技术、质量、焊工考试等各类培训和考试，让施工人员明确现场施工的各项要求。
2.2 材料进场
根据生产进度安排，班组向物资部门领取各规格型材和板材。领取材料坚持适当超前原则，一般每次零用量满足五天下料，做到不少领，不大幅度超额领取。避免现场无料可下或者材料积压。
2.3数控下料
2.3.1 板材下料
所有钢板零件采用数控火焰切割机下料，矩形板采用共边切割下料，异形板根据排版图自动下料，为便于材料倒运流转，零件的标识必须包括零件号、材质，所属构件型材号，是否钻孔等信息，余料必须标注清楚规格尺寸、材质和余料编号。所有关键零部件下料完成后都需要进行尺寸、平面度检查，例如立底板、顶板、盖板和PG梁端板。
2.3.2 型材下料
型材类零件采用数控卧式带锯床下料，角钢可采用砂轮切割机下料。零件标识必须包括零件号、材质，实际下料长度，是否钻孔、切口等信息，余料必须标注清楚规格尺寸、材质和余料编号。所有型材下料完成后都需要进行尺寸检查。
2.6 环板坡口切割（见图5）
环板坡口为融透焊缝，需进行10%RT+100%UT+100%MT无损检测。坡口质量要求相当高。
根据环板的弧形特点制作圆形轨道，使半自动切割机在圆形轨道匀速行走，切割的坡口质量尺寸准确，外形美观，并且效率较高。
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图5 环板坡口切割 图6 数控钻孔
2.7 数控钻孔（见图6）
板材零件使用数控平板钻床钻孔，型钢零件使用数控三维钻床钻孔。钻孔时使用模型提供的数据文件，并根据组对定位要求标注钻孔定位点，最大限度降低尺寸偏差，同时也为组对工序快速组对提供条件。
2.8 槽口切割
钻孔完成的型材根据图纸采用仿形切割机进行槽口切割，应注意槽口的方向。
2.9 节点板组焊
2.9.1 流水化组焊
流水化组焊通过合理的生产组织，及时的工位流转实现。下料钻孔工序根据生产计划领取材料，型钢材料根据模块号，型号顺序下料，钢板零件根据模块号，排版图下料。生产安排时，钢板零件排版图约提前一个星期下料，接着进行型钢下料。
构件组对时，根据下料钻孔工序完成的零件，按型号领取型材零件，钢板零件。并根据工位摆放图放置对应的型材零件组焊，每完成一个区域的构件，立刻倒运至车间外，做好构件位置记录。在车间内根据型材型号数量调整工位，及时补充，顺利实现流水化作业。
2.9.2 立柱组焊
立柱是整个模块的核心构件，其尺寸偏差直接影响到模块安装，同时也是所有构件类型中最为复杂的，其施工流程如下：
底板、定位板（包含顶板）组对→环板组对→底板焊接→定位板、环板对接缝焊接→定位板、环板环焊缝焊接→底板调平、定位板及环板矫正→连接盖板、其他节点板组对→连接盖板、其他节点板焊接→尺寸复核→焊缝、自由边打磨处理→报检验收
组对过程见图7、图8、图9、图10。
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图7 立柱底板组对
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图8 立柱顶板、定位板组对
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图9 立柱环板、筋板组对
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图10 立柱盖板及其他带孔节点板组对
重点控制立柱底板、盖板、顶板平整度，所有节点板的孔间距。
立柱施工周期较长，要充分考虑到各个工序所需要的流转时间，才能形成流水化作业，有稳定的产能。
2.9.3 PG梁组焊
PG梁是模块中每层与立柱相连接的主梁，结构形式主要有带端板和不带端板两种。带端板PG梁结构形式见图11、图12。
PG梁施工过程中主要存在三个方面的问题：1、端板的平面度容易焊接变形。2焊后收缩量大，总长尺寸不易控制。翼板焊后变形大，矫正困难。带端板PG梁组对步骤见图13、焊接步骤见图14。
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图11 图12
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图13
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图14
通过以往的施工的经验，我们不仅改善了立柱，PG梁的组焊技巧，还通过现场实际遇到的难点，研究出了一些针对提高效率和质量的施工方法。
2.9.4 节点型钢组焊
节点型钢主要分为H型钢、拉筋管、槽钢和角钢这四类结构形式。所有构件类型都需要保证螺栓孔的孔间距，才能确保安装过程中的模块整体尺寸受控。
合理的工装设计会使工作效率提高75%，质量提高至95%，同时能减少施工人力投入。这就告诉我们，不仅要低头勤奋工作，还要在工作中抬头思考，不断总结，找到施工中的小技巧，小门道，这样，才能使我们在工作中提高工作效率和质量。这里重点介绍拉筋管的组对工装，见图15、图16。
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图15
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图16
该工装还可以升级改造为带有液压升降箱的组对机，已经申请专利。
2.10 无损检测
质检员按照施工规范进行焊口探伤委托，并将委托合格信息同步输入到焊接数据库。
2.11 释放检查
QA/QC部门根据完成的构件安排外观处理，报检业主进行释放检查，并将释放信息同步录入到释放状态表。
2.12 成品交接
生产部门根据释放状态表进行构件移交，完成构件所有预制工作。
六、设备与直接人力
针对运用本工法月产量达1200t的自动化流水化预制厂而言，应配备的软件硬件设施如下表所示：
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直接人力资源如下表所示：
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七、质量要求
1 严格执行业主规定的所有设计文件、规范、标准和质量规程以及合同约定的质量要求：
1.1 AWS D1.1-D1.1M-2010 《Structural Welding Code—Steel》 1.2 GOST 23118-99 《Steel Building Structures General Specifications》
1.3 EN10025-2004 《European structural steel standard》
1.4 3300-E-000-CS-SPE-00010-00-D_04C
《JOB SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEELWORK》
1.5 3300-E-000-CS-SPE-00022-00-D_02C
《JOB SPECIFICATION FOR SEA TRANSPORTED MODULES FABRICATION》
2 落实业主制定的质量计划，配备优秀的质量管理人员进行100%的释放检查，确保工程施工始终处在有效的质呈控制之下。
3 积极配合和自觉接受业主质量监督、检查和指导，并为其提供充分的条件。
4 主要主要质量控制手段
4.1 现场质量保证体系建立及运行
建立质量保证体系，按照相关管理体系文件要求认真执行，明确责任落实到人，确保项目整体质量管理体系得到有效运行。
4.2 主要施工质量管理措施
本项目施工管理方较多，施工工期紧，施工质量要求非常严格，所有尺寸允许偏差±2mm，平整度要求±0.75mm，并且所有检验点均需经过我项目部自检合格后，对每一个零件、构件形成正式的书面尺寸和外观报告并附上相应的最新版图纸，再报质量监督站检验，质量监督站检验合格后才能再报业主检验，而且检验过程非常严格，所有构件、零件、管段等尺寸及焊缝外观均要求进行100%的检验，并且所有检验点均需我方QA/QC人员陪同检验。
细化质量策划，严肃奖罚监管。制定了《施工质量奖罚管理规定》，推行工程施工质量奖罚制度。
加强工序管理，注重过程控制。将质量工作细化划分，落实到各个职能人员和各个工作岗位。
定期培训，提高全员意识。
八、安全措施
1 根据国家、地方（行业）有关安全的法规、施工工序特点，进行全方位详细的JSA工作安全分析，并持续进行安全教育。把安全工作全方位落到实处。
2 JSA工作安全分析样表如下：
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九、环保措施
工厂化预制、污水、固定废弃物均进行集中有效处理，不对周围环境产生影响。
十、效益分析
通过YAMAL LNG钢结构预制的工程实践，使我公司的自动化流水化预制技术水平有了长足的进步，不但增加功效，同时也提高了质量：
增加功效：
通过采用自动套料技术，使排版工作提高3倍以上，材料利用率提高2%以上。
通过采用数控程序钻孔，使钻孔工序提高0.5倍以上。
通过采用组对工装组对，组对效率提高1倍以上。
提高质量：
通过采用自动套料技术，零件下料尺寸合格率大幅提高。
通过采用数控程序钻孔，钻孔质量大大提高。
通过采用改进后的半自动切割机切割弧形坡口，提高了无损检测合格率。
通过采用组对工装，组对尺寸合格率大幅提高。
十一、应用实例
在山东青岛海工项目部，中油海YAMAL项目预制场地，使用钢结构车间进行自动化流水化预制钢结构，从3月份开工到11月结束，在近8个月的时间里，共预制7600t钢结构，其中高峰期月产量1200t，且全部经过业主100%的尺寸检查及无损检测。受到了甲方、业主的一致好评。