文章摘要

本報告分析了我國核電工程建設面臨的挑戰(zhàn)及模塊化建造技術的價值，梳理了模塊化建造技術在核電行業(yè)的發(fā)展歷程，提出了核電廠模塊化建造的設計原則，總結了當前主流的三代核電技術模塊化建造的應用情況，論證了模塊化建造技術在核電行業(yè)應用中存在的問題與挑戰(zhàn)，提出了針對性的改進策略和提升建議。

在我國構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，核電作為重要的基荷電源將占有更大的比重，在重要性日益顯現的同時，核電的安全性和經濟性也越來越受到公眾關注。

作為一直持續(xù)進行核電建設的國家，數十年來，我國核電建設者圍繞“安全和高效”的核心要求，在研究和推動應用新技術的道路上堅持不懈努力。核電項目建設是核電發(fā)展的重要一環(huán)，為進一步提升項目建設的安全性和經濟性，核電行業(yè)針對建設過程中遇到的問題不斷探索并取得一系列成果，其中就包括核電廠模塊化建造技術。

在此背景下，中國核能行業(yè)協(xié)會集中行業(yè)智慧組成課題組，針對我國核電工程建設中面臨的多方面挑戰(zhàn)，通過充分研究模塊化建造技術的發(fā)展歷程，及其在國內外核電工程建設中的應用實踐和經驗反饋，深入思考技術改進提升的策略、措施和建議，以進一步充分發(fā)揮模塊化建造技術的優(yōu)勢，促進核電工程建設水平的整體提升。

1 模塊化建造技術的發(fā)展背景

模塊是可組合成產品（或系統(tǒng)）的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的獨立單元。所謂模塊化，是為了取得最佳效益，從系統(tǒng)觀點出發(fā)研究產品（或系統(tǒng)） 的構成形式，用分解和組合的方法建立模塊體系并運用模塊組合成產品（或系統(tǒng)） 的全過程。模塊具有可互換性和快速重組的特性，通過模塊化實行功能多樣化和經濟效益化，典型代表如“積木”。

近年來，隨著各國工業(yè)能力和基建能力的提升，模塊化建造技術被廣泛應用于造船、路橋、海洋、石化和民用建筑等領域，優(yōu)越性得到了充分驗證，取得了長足進步，模塊的體積、重量、系統(tǒng)集成度均達到了相當高的水平，為核電建設中模塊化建造技術的應用提供了豐富的參考借鑒。

當前，我國核電行業(yè)工程建設面臨著以下挑戰(zhàn)：

（1）設計標準提高，建造難度增加；

（2）縮短建造工期和降低工程造價的需求迫切；

（3）建造質量要求高，現場施工管控難度大；

（4）核電“走出去”面臨復雜的外部環(huán)境。

模塊化建造技術通過大量引入模塊，將原本在環(huán)境較復雜的工程現場施工的工作量提前安排在預制工廠和專用拼裝場地作業(yè)，從而可以與主體工程多線并行高效施工。工廠環(huán)節(jié)借助于機械化、自動化、數字化、智慧化和現代物流，實現高質量制造、高效率生產、高水平管理。完善的模塊化建造技術能夠有效地提高施工質量、縮短建造周期、節(jié)約投資，從而實現核電建造質量、安全、進度、技術、成本更加有效地控制，是應對我國目前核電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)、促進行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

2 核電廠模塊化建造技術的設計研究

核電廠模塊化建造技術可以追溯到 20 世紀 80 年代初期，美國 Bechtel 公司將核潛艇模塊化建造的成功經驗應用于核電工程建造并進行了大量的基礎研究。Bechtel 公司與日本的日立公司一起推進了核電工程模塊化技術的應用研究和項目實施試驗，將一臺核電機組建造工期由 80 年代的 62 個月降低到 48 個月（從澆筑第一罐混凝土到商運）。加拿大的 CANDU6 及改進型 ACR1000、俄羅斯的VVER 堆型中也應用了模塊化建造技術。美國西屋公司將模塊化的設計理念系統(tǒng)應用在 AP1000 研發(fā)中，真正從設計源頭就明確了模塊化設計、工廠化預制、現場組裝的建造總體思路，實現了規(guī)?；⑴炕哪K化建造技術在依托項目的實施應用。

我國的模塊化建造技術在船舶、橋梁、海洋等非核工程領域得到了長足的發(fā)展和進步。在核工程領域，以全球首批四臺 AP1000 機組為依托開展了大量的模塊化應用，我國自主三代核電技術“國和一號”“華龍一號”建設中各參建單位也陸續(xù)開展了大量的模塊化研究和應用，并形成了《NB/T 20501—2018，核電廠結構模塊制造及驗收技術規(guī)程》等 14 項標準。

核電廠模塊化建造技術的核心理念是：通過轉移現場工程量實現工地的均衡資源投入；通過擴大車間工作量實現工作環(huán)境改善、工作效率提高、產品質量提升；通過移動關鍵路徑和改進施工技術實現總工期的縮短；通過整體工程模塊的標準化設計、批量制造和合理高效的施工組織來實現建造成本的降低。模塊化建造技術發(fā)展趨勢有：設計標準化；集成復合化；體量大型化；實施規(guī)?；唤ㄔ熘悄芑?。

為更好發(fā)揮模塊化建造技術的優(yōu)勢，應從設計階段做好頂層策劃，綜合考慮核電廠功能、系統(tǒng)、結構設備、建造技術、項目計劃、施工組織管理等因素后進行全面設計研究。模塊設計應圍繞：廠房結構布置合理性；施工組織便利性；成本與經濟性的目標，模塊分割時根據結構模塊、機械模塊的特點，遵循“宜模則模、宜大則大、宜小則小”的原則，從布局、結構形式、尺寸規(guī)模、功能搭配等方面綜合權衡模塊的設置。

3 核電廠模塊化建造技術的應用實踐

3.1“國和一號”模塊化建造技術應用

“國和一號”系列核電堆型借鑒 AP1000 依托項目的經驗，按照模塊化設計理念，在三維設計的基礎上，根據廠房布置、結構特點與系統(tǒng)功能要求，對廠房進行模塊化分割，形成各類結構模塊，如鋼板混凝土結構模塊（CA 模塊）、鋼模板結構模塊（CB 模塊）和鋼框架、鋼樓梯結構模塊（CH/CS 模塊）及屏蔽墻 SC 結構模塊；同時，結合房間內系統(tǒng)設備布置情況，集合形成各類機械模塊（機械模塊分為設備模塊和管道模塊，具體劃分為 KB、KU、KQ、R 和 Q 等 5 個不同的系列）；鋼制安全殼（CV）劃分為 5 個 700 噸級的模塊化段。在“國和一號”“國和二號”的建設過程中，模塊化建造技術得到了進一步優(yōu)化：模塊拼裝方式更簡便高效，模塊完整性大幅提升，吊裝安裝更加輕量化、智慧化。

3.2“華龍一號”項目模塊化建造技術應用

“華龍一號”系列工程的建設過程中探索并總結出了很多模塊化施工的良好實踐，有些良好實踐又反饋給設計形成正向迭代并逐步固化。當前已采用和擬采用模塊化施工，包括：安全殼鋼襯里模塊化施工，外層安全殼鋼模板模塊化施工、其他小型結構模塊化施工和設備模塊等。隨著模塊化技術分析和認識不斷提升，模塊化應用范圍在不斷拓展。

3.3EPR、VVER 及美國 AP1000 模塊化建造技術的應用

EPR 項目整體設計未基于模塊化理念，前期在芬蘭、法國和中國建設的 EPR 項目局部采用了模塊化，主要為鋼襯里模塊（底板與截椎體模塊、筒體分段模塊、穹頂）、主控室模塊等。

俄羅斯的 VVER 堆型大量采用了模塊化，如鋼襯里和預應力管道、鋼筋網片組合模塊、鋼板混凝土模塊、預制鋼筋網片、預制鋼筋籠等。

美國的 AP1000 項目在中國項目基礎上進行了模塊的調整優(yōu)化，其有些做法為我國后續(xù)項目模塊化建造提供了重要參考。

4 核電廠模塊化建造技術存在的主要問題及挑戰(zhàn)

總體上，模塊化建造呼吁項目管理新機制新模式。模塊化建造技術是一個系統(tǒng)工程，模塊化的優(yōu)勢及其帶來的機組安全性經濟性提升體現在項目整體利益上， 它促成建造能力的提升與項目管理的變革，因此，站在全局和長遠來看都是非常 有好處的，但站在局部來看或某一單位立場來看，模塊化意味著更多的投入，往往 “覺得”不經濟、不劃算，因此模塊化建造的繼續(xù)發(fā)展需要項目管理模式的新機制與之對應。

同時從新技術應用的經驗反饋和持續(xù)提升的角度，模塊化建造技術的應用在實踐中尚有諸多可改進的方面：

（1）在設計方面，系統(tǒng)性頂層設計不足、模塊化對設計進度和完成率要求更高、標準規(guī)范支撐力度不夠等因素影響了模塊化建造效能的發(fā)揮；

（2）在采購與制造方面，模塊采購與制造計劃、模塊內設備采購、模塊制造的完成度等方面有待提升；

（3）在現場的施工組織方面，現場總平規(guī)劃、成品保護、大件運輸吊裝等尚有優(yōu)化提升空間；

（4）在經濟性方面，模塊化建造技術可節(jié)約工期，進而減少投資，但由于標準化、批量化不足等原因，建造階段的成本投入不能分攤，導致模塊化建造的經濟性有待提高。

5 核電廠模塊化建造技術改進提升的策略

模塊化建造一方面需要提前研究規(guī)劃，另一方面也是經驗積累的過程，需要將項目需求、模塊化建造過程中以及機組設備運維過程中出現的問題反饋給設計，在設計—采購—制造—施工—運維之間反復迭代而作出優(yōu)化。這同樣需要有一種機制來支撐模塊化建造，因此應建立以項目總承包單位牽頭的模塊化建造技術推進機制，通過技術創(chuàng)新策源地建設和現代產業(yè)鏈建設，使模塊化產業(yè)鏈上各單位之間責任共擔、能力互補、利益共享，對項目的全周期整體利益更多考慮，卓越交付理念更加深入。

5.1設計方面

模塊化建造技術一定要從研究設計階段開始，做好頂層設計和技術指導，這是實現高水平模塊化的根本保證。因此，在模塊化設計方面應建立設計優(yōu)先理念，做好模塊化頂層設計，包括對模塊化的設計研究與標準建立、設計技術管理體系、設計平臺與工具、標準化設計以及模塊設計優(yōu)化。

5.2采購制造方面

模塊的供貨周期包括采購、制造、運輸等環(huán)節(jié)，應根據模塊交付節(jié)點要求，合理排布模塊中相關物項的采購和制造、組裝計劃。國家監(jiān)管部門、業(yè)主單位、工程管理單位和模塊制造、組裝單位都需要協(xié)同配合，支持提前開展模塊中物項采購和模塊的制造、組裝工作，特別是長周期物項采購（如機械模塊中的泵閥等物項）和標準工期長的模塊（如大型結構模塊、鋼制安全殼模塊段）制造組裝，確保 FCD 后模塊安裝就位的完整化和項目施工的連續(xù)性。模塊制造技術方面，著重關注以下方面的提升：促進標準化批量化、提升材料國產化水平、推動自動化設備應用、控制模塊制造精度、提高出廠的完成度。

5.3模塊拼裝安裝方面

推進標準化、批量化模塊生產，有利于承包商優(yōu)化模塊制造、組裝和安裝施工邏輯，優(yōu)化施工工序。拓展大型起重作業(yè)機械選型思路，前瞻性、系統(tǒng)性開展核電工程垂直運輸總體規(guī)劃，加快大件運輸、吊裝系列技術的迭代升級，促進數字化技術在模塊拼裝、安裝過程中的應用，推動各單位加大先進裝備的投入和新工藝的研究與推廣，關注開頂法施工下模塊和設備物項的成品保護，共同提升模塊制造、組裝和安裝的效率和質量。

5.4施工組織方面

模塊化建造一般需要現場有專用拼裝場地及預制件堆場、大型結構模塊運輸路線和吊裝場地，各機組場地條件不同，應提前做好總平面規(guī)劃和布置。針對模塊化建造和平行施工，應著重做好現場前期計劃安排和模塊供應與核島廠房結構施工之間的邏輯，建立以總承包為牽頭的計劃管理體系，應用一體化計劃（IPS），使設計、采購、土建與安裝共享計劃平臺，突出關鍵路徑、關鍵資源管理，及時迅速解決關鍵制約。

6 結論與建議

模塊與模塊化建造是基于現代大工業(yè)化體系下的項目建造技術實踐與項目管理模式探索，當前模塊化建造技術正朝著標準化、集成化、規(guī)?；?、產業(yè)化、信息化方向拓展。模塊化建造相對于傳統(tǒng)工程建設模式有其明顯的優(yōu)勢，模塊化建造技術大幅減少了現場的資源投入密度，優(yōu)化了建造周期，實現了核電項目的安全、經濟、質量的全面提升；同時，模塊化建造技術在核電行業(yè)的應用推廣尚有改進提升空間。通過三代核電項目建設，我國核電行業(yè)積累和形成了成套的模塊化建造技術，為后續(xù)模塊化建造技術的進一步規(guī)?；瘧脛?chuàng)造了條件。

（1）應用模塊化建造技術，是核電建設發(fā)展的必然選擇。

（2）發(fā)展模塊化建造技術，亟待建立全行業(yè)共同參與的新機制。

（3）推行模塊化建造技術，必須加強模塊化頂層設計與技術指導。

（4）發(fā)展模塊化建造技術，要求核電項目管理優(yōu)化，建立以計劃為牽引、信息化為保障的一體化項目管理平臺。

（5）落實模塊化建造技術，應做好有針對性的施工組織安排。為了充分發(fā)揮模塊化建造技術的優(yōu)勢，建議如下：

第一，探索項目管理新模式，建立利益共享新機制，以機制為紐帶，形成整體合力，積極開展模塊化建造的技術研究和技術升級，共同推動模塊化建造技術發(fā)展。

第二，建立完善模塊化建造技術的標準體系，覆蓋規(guī)劃、設計、采購、施工等方面，提升技術的標準化和規(guī)模化，消除不同核電技術、相同技術下不同機組模塊化發(fā)展壁壘，規(guī)范核電行業(yè)模塊化建造技術應用。針對薄弱環(huán)節(jié)開展聯合攻關，推進模塊化建造技術發(fā)展，提高技術應用效率。推進模塊化建造技術與數字化、智能化、信息化手段的深度融合。

注：本報告是中國核能行業(yè)協(xié)會“核電站模塊化建造技術研究”課題的研究成果。課題組主要成員包括：王炳華，盧洪早，胡國峰，牛玉飛，趙福貴，吳健，田世勇， 王濤，馬元華，魏俊明，李玉民，董占發(fā)，王國彪，胡廣澤，劉衛(wèi)華，楊振勛，劉學良，龔振斌，范凱。

（本文刊載結束）