【摘 要】超高钢结构框架模块化安装，是指将超高钢结构框架按标高分成若干框架节，分别在地面组框完成，设备安装在相应的框架节中，再将管道分段并固定好后依次吊装就位，在空中仅进行框架节及管道的组对，即完成了框架的整体安装。这种安装方法即大大降低了高空作业风险，又缩短了工期。本文通过对武汉80万吨/年乙烯项目30万吨/年高密度聚乙烯装置反应框架模块化施工的案例，与传统分片散装的方式进行比较，分析探讨相关经验。
【关键字】模块化；超高钢结构；吊装；分片散装
武汉乙烯项目30万吨/年高密度聚乙烯装置根据工艺要求，设备多布置于钢结构框架内。框架安装高度高，体量大。其中以反应框架最为复杂，该框架最高安装高度66.7M，框架平面尺寸长×宽=12×8.5M，框架底部坐落在标高为11.3M的混凝土结构上，框架结构总重量332.74吨，框架内设备总重量68.33吨，框架内管道（管架及支架）总重量59.6吨。本次安装工作采用模块化安装作业，具体施工方法如下：
施工准备：
（1）在完成图纸会审及设计交底后，首先将整个设计图纸转化为模块化施工图纸，模块化施工图纸主要解决模块划分问题，在确定模块的划分点时应注意：模块之间的划分点一般取在平台主梁和柱子的连接处，柱子的模块划分点取在柱子被平台隔开的地方。而管道和设备安装工程的模块和模块之间的节点处一般放在螺栓连接处，最后一个模块的安装带一长度可调节的短管，以便补偿安装过程的偏差。根据结构形式特点以及现场的预制组装条件将反应框架分两个模块：标高11.3M～42.7M（分段高度31.4M，重217.36吨）作为下段，标高42.7M～66.7M（分段高度24M，重243.31吨）作为上段，相应管道以此标高进行分界。
（2）确定划分点的连接形式。在确定了划分点后，需选用合理的划分点连接形式，一方面保证高空对接精度及节点强度，另一方面减少对接作业量，本次框架柱连接处采取高强螺栓的连接方式（经过验算腹板采用δ12补强板及12Φ22高强螺栓连接，翼缘板采用焊接并要求二级焊缝）；
（3）对框架吊装进行详细验算。根据起吊物情况验算相关吊车工况，本次吊装拟用GS28000型履带吊完成（原计划此次吊装采用750吨履带吊即可完成，由于反应框架边两台环管反应器需采用此吊车进行吊装作业，借设备安装期间进行框架吊装，节省了进退场费及相关的场地处理费用，同时也减少了多台吊车近距离作业相互干扰带来的安全隐患）。在吊装过程中需重点对吊装点的设置及该处强度进行验算：（因篇幅关系，计算从简）
A.反应框架下段以A轴、6轴交点为坐标原点，A→B轴方向为X轴正方向，6→7轴方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向，按照上述方法求得框架下段重心坐标为（4269，-6136，15）。同时利用CAD建模后计算重心进行验证计算。
根据重心位置于反应框架EL+141.400标高处设置四个板式吊耳， 反应框架下段采用四根钢丝绳分别与吊装吊耳连接，根据反应框架下段重心位置及吊耳布置，
反应框架下段吊装时采用一对φ90-6×37+1WR公称抗拉强度1670Mpa的22m长压制钢丝绳扣及两个120吨级卡环与7轴主吊耳连接，采用一对φ90-6×37+1WR公称抗拉强度1670Mpa的24m长压制钢丝绳扣及两个85吨级卡环与8轴主吊耳连接。通过钢丝绳及卡环长度差的设置保证吊装平衡。
每根钢丝绳双股受力，按最大受力校核，钢丝绳安全系数计算如下：
故吊耳焊缝强度满足吊装要求
根据XCG28000吊车性能表，选用340吨转台平衡重+111吨车身平衡重+160吨超起平衡重，起重平衡重半径为30米，则查得额定起重量为286吨。
选用650吨吊钩，查得吊钩重量为11吨，动载系数取1.1。
则吊装反应框架下段模块时，吊装负荷率：（217.36+11）×1.1/286×100%=87.8%
符合大件吊装规范要求。
B.反应器上段吊装验算：
反应框架上段及设备合计重量为243.31吨。反应框架上段以A轴、6轴交点为坐标原点，A→B轴方向为X轴正方向，6→7轴方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向，按照上述反应框架下段重心的计算方法，求得反应框架下段重心坐标为（4303，-6686，1）。同时利用CAD建模后计算重心进行验证计算。
根据重心位置在反应框架EL+166.400标高左右处设置四个板式吊耳，板式吊耳根据钢丝绳长度要求在安装位置高差上调整以保证吊装平衡； 反应框架上段采用四根钢丝绳分别与吊装吊耳连接，根据反应框架下段重心位置及吊耳布置，
通过空间汇交力系分解计算钢丝绳及吊耳受力情况可知7轴、B轴处吊耳、钢丝绳受力最大，为93.0036吨。
反应框架上段吊装时采用一对φ90-6×37+1WR公称抗拉强度1670Mpa的22m长压制钢丝绳扣利用两个120吨级卡环与7轴主吊耳连接，采用一对φ90-6×37+1WR公称抗拉强度1670Mpa的24m长压制钢丝绳扣利用两个85吨级卡环与8轴主吊耳连接。通过钢丝绳及卡环长度差的设置保证吊装平衡。
每根钢丝绳双股受力，按最大受力校核，钢丝绳安全系数计算如下：
吊耳板根部焊缝拉应力为17.17MPa；吊耳板根部焊缝剪应力37.35MPa；吊耳板根部焊缝弯曲应力为58.73MPa；吊耳根部焊缝组合应力：
故吊耳焊缝强度满足吊装要求；
根据XCG28000吊车性能表，选用340吨转台平衡重+111吨车身平衡重+320吨超起平衡重，起重平衡重半径为30米，则查得额定起重量为414吨，反应框架上段吊装负荷率：（243+11+10）×1.1/286×100%=70.2%，符合大件吊装规范及要求。
施工过程控制
（1）严格控制底层混凝土结构框架的轴线精度，对钢框架预埋螺栓的安装位置在混凝土浇筑前及浇筑后均认真测量，所得数据作为上部模块预制控制尺寸，并以此为基础进行框架梁的放样制作；
（2）根据施工进展积极组织钢构、设备及管线材料进场，在完成相应的交底及技术准备之后运至现场指定地点进行组装，对于模块制作组装时，需注意制作模块的平台的平整度，模块的尺寸偏差要求，为此在考虑预组装场地混凝土抗压强度下，在每根柱脚下垫30MM厚2M×2M钢板一块，钢板铺设完成后，进行找平，用型钢进行连接固定，在钢板上放线，结合现场实测基础地脚螺栓的间距及施工图尺寸，进行画线，画出六根钢柱中心线位置，并复核对角线；
（3）梁柱预制后进行现场组装，每根钢柱在拼装前先画出1M标高线及中心线，先拼装A-B-7-8轴形成稳定框架后，再组合6轴A-B片，同时在未形成框架时用缆风绳进行平衡固定，组装完成后检测标高、垂直度、中心线、两柱间距、对角线尺寸均符合要求后进行螺栓紧固，并在吊装前完成梯子平台及栏杆等劳动保护，以便减少后期登高作业，同时减少高空作业安全风险；
（4）框架内设备在钢构形成稳定框架的同时随同平台自下而上适时安装。设备附属的平台结构，在设备就位后再行安装，对于部分影响吊装的钢构，预先临时固定在框架平台上，待吊装完成后再行安装；
（5）管线安装要求在预制厂进行深度预制，由预制厂运至现场后及时安装以减少现场的材料堆放空间，又避免管件尤其是小管件的丢失，本次模块化吊装要求尽量将大管线（DN≥150）管线优先预制，安装在框架后随框架一起吊装；
（6）模块吊装前对各项准备工作进行检查验收：按工序交接的要求，清理混凝土表面及预留剪切孔内杂物及积水，并放置足够组数的垫铁，除垫铁区域外的砼表面需打出麻面以保证二次灌浆粘接性；对于钢构按检试验计划完成框架、节点及防腐的检查，对接焊缝进行超探检测，对于吊耳进行PT检验；对吊装所用的吊车、索具、吊具认真检查合格证及使用状态，以及吊装时的天气情况（5级以上风力严禁吊装），并在吊装区域周围划出警界线，无关人员不得进场，各项检验合格后有关各方签署吊装令；
（7）模块吊装时，在起吊离地面500毫米左右停顿，检查机具受力情况，同时检查模块是否平衡，有没有大的超出允许的变形，一切正常后进行正式安装，确保万无一失。
模块化安装与分片散装的比较：
反应框架从9月30日材料进场开始，直至11月17日上段安装完成共计用时47天，其中XCG28000吊车11月13日进场开始吊装下段，其余时间现场150T汽车吊一台、50吨汽车吊两台，25吨吊车6台配合框架地面组装；如采用传统分片散装安装方法：在预制场将组成钢结构的柱子、平台的各种梁等加工完毕，等土建施工完毕后运到安装现场，单个构件一钩钩吊装到相应位置进行安装，待钢结构安装并验收完毕后，专业单位将设备和管道运到施工场所里进行管道焊接及设备安装，经笔者测算需耗时86天，现场除汽车吊数台外，尚需270T履带吊全程配合安装，在此将两种施工方法从各方面进行比较（以下内容分片散装称为方案一，模块化安装称为方案二）：
（1）人工费的比较
目前国内石化施工行业工人的工资按5000元/人.月计算，方案一现场需投入人力月平均70人，直接人工费100.33万元，方案二现场共投入施工人力月平均105人，直接人工费82.25万元，两者相差约18万元；
（2）吊装机械费的比较：
目前按国内石化行业机械费市场的标准，25T汽车吊车的价格为1250元/台班，50T汽车吊车的价格2250元/台班，270T履带吊车的价格20000元/台班，750T履带吊车的价格50000元/台班，方案一经测算机械费65.45万元，方案二经测算机械费35.9万元，两者相差29.55万元，同时现场经过合理布置，不会产生交叉吊装，提高了机械利用效率，降低了成本；
（3）施工安全的比较
采用方案一，高空作业量大，安全风险高，安装环境差，反应框架顶层高度66.7M，按规范需搭设超高脚手架；同时多台吊车在同一地点交叉吊装作业，安全管理难度大；框架在高空成框需考虑风力影响，需设置足够数量的缆风绳，这样对周边的作业会产生影响，且工作在高处进行安装作业，高空坠落风险较高，需配置大量防护网及生命线；采用方案二，组装工作基本在地面进行，高空组对时各项劳动保护业已完善，大大改善了施工作业条件，减少大量的高处作业量和脚手架的作业量，场地经过合理布置各段安全不会相互影响，减轻了现场安全管理的负荷，降低了安全风险；
（4）质量方面的比较
方案一，高空进行框架成框时，由于风力影响，框架垂直度不易保证；同时高空进行焊接作业，需采取必要的防风措施，由于节点过程中平台往往没有形成，检查人员需通过脚手架在框架上下移动也给质量检验带来诸多不变。 方案二，通过分段及对接时的加强措施，减少了钢构安装过程产生的变形；地面安装风力影响可以忽略不计，同时在地面进行深度化预制，可以使安装过程最大限度的处于质量监控范围内，减少了产生因高空作业而出现的质量控制盲区；
（5）进度方面的比较
从总工期来说，方案二比方案一用时减少39天，从现场施工的角度，在地面安装的工效大大高于在高空进行安装作业，同时模块化安装受天气的干扰比后者小的多，这些都有利于施工进度控制；
经上述比较可以看出，采用模块化安装从质量安全方面都优于分片散装方式，其中在安全方面尤其突出。在费用控制方面除了上述人工及机械费用以外，还节省了各项施工措施费，如超高脚手架、防风质量安全措施、高处作业安全防护等，这里不再一一赘述。
经验：
1．模块化安装高耸钢结构不仅是种施工方法，同时也是一种先进的施工理念，是从施工的角度不断向上游的设计及采购延伸。在设计阶段即建议设计在框架柱连接处采取高强螺栓的连接方式（腹板采用补强板及高强螺栓连接，翼缘采用焊接并要求二级焊缝）以减少分段对接时的作业量；在物资供应方面按照安装顺序及时催交相关设备及管道，保证钢构自下而上安装的流水作业。这种安装方式也体现了现场的施工管理及协调水平。
2．钢框架模块化不仅体量大，重量重，同时由于有设备及管线的偏心受力存在，在计算时需关注吊装重心，对偏心较大的需采取相应措施（如临时增加钢梁调整重心）以保证吊装安全；
结论：
随着装置的大型化、临界化，越来越多的大型超高钢构框架被广泛应用于化工装置中，传统分片散装方式因其功效低、能耗高，将越来越不适应超高钢构的安装，而随着国内大型、特大型吊车的研发和投入使用，优化大型钢构框架深度模块化安装，确保现场的安全、质量，加快施工进度，降低施工成本变得非常重要，也是未来我国化工建设发展的方向。
参考文献：
[1]《起重吊装数据完全手册》人民交通出版2002年2月
[2]《设备吊耳》 HG/T21574-94
[3]《大型设备吊装施工工艺标准》 （SH/T3515-2003）
[4]《石油化工工程起重施工规范》SH/T3536－2002
[5]《化工工程建设起重施工规范》HG20201－2000