文章摘要

本報告分析了我國核電工程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)及模塊化建造技術(shù)的價值，梳理了模塊化建造技術(shù)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(shè)計原則，總結(jié)了當前主流的三代核電技術(shù)模塊化建造的應(yīng)用情況，論證了模塊化建造技術(shù)在核電行業(yè)應(yīng)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(gòu)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(xiàn)的同時，核電的安全性和經(jīng)濟性也越來越受到公眾關(guān)注。

作為一直持續(xù)進行核電建設(shè)的國家，數(shù)十年來，我國核電建設(shè)者圍繞“安全和高效”的核心要求，在研究和推動應(yīng)用新技術(shù)的道路上堅持不懈努力。核電項目建設(shè)是核電發(fā)展的重要一環(huán)，為進一步提升項目建設(shè)的安全性和經(jīng)濟性，核電行業(yè)針對建設(shè)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(shù)。

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(shè)中面臨的多方面挑戰(zhàn)，通過充分研究模塊化建造技術(shù)的發(fā)展歷程，及其在國內(nèi)外核電工程建設(shè)中的應(yīng)用實踐和經(jīng)驗反饋，深入思考技術(shù)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(shù)的優(yōu)勢，促進核電工程建設(shè)水平的整體提升。

1 模塊化建造技術(shù)的發(fā)展背景

模塊是可組合成產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)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(chǎn)品（或系統(tǒng)） 的構(gòu)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(chǎn)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(jīng)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(shù)被廣泛應(yīng)用于造船、路橋、海洋、石化和民用建筑等領(lǐng)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(shè)中模塊化建造技術(shù)的應(yīng)用提供了豐富的參考借鑒。

當前，我國核電行業(yè)工程建設(shè)面臨著以下挑戰(zhàn)：

（1）設(shè)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(zhì)量要求高，現(xiàn)場施工管控難度大；

（4）核電“走出去”面臨復(fù)雜的外部環(huán)境。

模塊化建造技術(shù)通過大量引入模塊，將原本在環(huán)境較復(fù)雜的工程現(xiàn)場施工的工作量提前安排在預(yù)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(shù)字化、智慧化和現(xiàn)代物流，實現(xiàn)高質(zhì)量制造、高效率生產(chǎn)、高水平管理。完善的模塊化建造技術(shù)能夠有效地提高施工質(zhì)量、縮短建造周期、節(jié)約投資，從而實現(xiàn)核電建造質(zhì)量、安全、進度、技術(shù)、成本更加有效地控制，是應(yīng)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(shù)的設(shè)計研究

核電廠模塊化建造技術(shù)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(jīng)驗應(yīng)用于核電工程建造并進行了大量的基礎(chǔ)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(shù)的應(yīng)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(yīng)用了模塊化建造技術(shù)。美國西屋公司將模塊化的設(shè)計理念系統(tǒng)應(yīng)用在 AP1000 研發(fā)中，真正從設(shè)計源頭就明確了模塊化設(shè)計、工廠化預(yù)制、現(xiàn)場組裝的建造總體思路，實現(xiàn)了規(guī)?；?、批量化的模塊化建造技術(shù)在依托項目的實施應(yīng)用。

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

核電廠模塊化建造技術(shù)的核心理念是：通過轉(zhuǎn)移現(xiàn)場工程量實現(xiàn)工地的均衡資源投入；通過擴大車間工作量實現(xiàn)工作環(huán)境改善、工作效率提高、產(chǎn)品質(zhì)量提升；通過移動關(guān)鍵路徑和改進施工技術(shù)實現(xiàn)總工期的縮短；通過整體工程模塊的標準化設(shè)計、批量制造和合理高效的施工組織來實現(xiàn)建造成本的降低。模塊化建造技術(shù)發(fā)展趨勢有：設(shè)計標準化；集成復(fù)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(shù)的優(yōu)勢，應(yīng)從設(shè)計階段做好頂層策劃，綜合考慮核電廠功能、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)備、建造技術(shù)、項目計劃、施工組織管理等因素后進行全面設(shè)計研究。模塊設(shè)計應(yīng)圍繞：廠房結(jié)構(gòu)布置合理性；施工組織便利性；成本與經(jīng)濟性的目標，模塊分割時根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式、尺寸規(guī)模、功能搭配等方面綜合權(quán)衡模塊的設(shè)置。

3 核電廠模塊化建造技術(shù)的應(yīng)用實踐

3.1“國和一號”模塊化建造技術(shù)應(yīng)用

“國和一號”系列核電堆型借鑒 AP1000 依托項目的經(jīng)驗，按照模塊化設(shè)計理念，在三維設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)廠房布置、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模塊，如鋼板混凝土結(jié)構(gòu)模塊（CA 模塊）、鋼模板結(jié)構(gòu)模塊（CB 模塊）和鋼框架、鋼樓梯結(jié)構(gòu)模塊（CH/CS 模塊）及屏蔽墻 SC 結(jié)構(gòu)模塊；同時，結(jié)合房間內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備布置情況，集合形成各類機械模塊（機械模塊分為設(shè)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(shè)過程中，模塊化建造技術(shù)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(shù)應(yīng)用

“華龍一號”系列工程的建設(shè)過程中探索并總結(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)模塊化施工和設(shè)備模塊等。隨著模塊化技術(shù)分析和認識不斷提升，模塊化應(yīng)用范圍在不斷拓展。

3.3EPR、VVER 及美國 AP1000 模塊化建造技術(shù)的應(yīng)用

EPR 項目整體設(shè)計未基于模塊化理念，前期在芬蘭、法國和中國建設(shè)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(yù)應(yīng)力管道、鋼筋網(wǎng)片組合模塊、鋼板混凝土模塊、預(yù)制鋼筋網(wǎng)片、預(yù)制鋼筋籠等。

美國的 AP1000 項目在中國項目基礎(chǔ)上進行了模塊的調(diào)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(shù)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(shù)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(jīng)濟性提升體現(xiàn)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(jīng)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(yīng)。

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

（1）在設(shè)計方面，系統(tǒng)性頂層設(shè)計不足、模塊化對設(shè)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(nèi)設(shè)備采購、模塊制造的完成度等方面有待提升；

（3）在現(xiàn)場的施工組織方面，現(xiàn)場總平規(guī)劃、成品保護、大件運輸?shù)跹b等尚有優(yōu)化提升空間；

（4）在經(jīng)濟性方面，模塊化建造技術(shù)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(dǎo)致模塊化建造的經(jīng)濟性有待提高。

5 核電廠模塊化建造技術(shù)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(jīng)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(shè)備運維過程中出現(xiàn)的問題反饋給設(shè)計，在設(shè)計—采購—制造—施工—運維之間反復(fù)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(yīng)建立以項目總承包單位牽頭的模塊化建造技術(shù)推進機制，通過技術(shù)創(chuàng)新策源地建設(shè)和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，使模塊化產(chǎn)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(shè)計方面

模塊化建造技術(shù)一定要從研究設(shè)計階段開始，做好頂層設(shè)計和技術(shù)指導(dǎo)，這是實現(xiàn)高水平模塊化的根本保證。因此，在模塊化設(shè)計方面應(yīng)建立設(shè)計優(yōu)先理念，做好模塊化頂層設(shè)計，包括對模塊化的設(shè)計研究與標準建立、設(shè)計技術(shù)管理體系、設(shè)計平臺與工具、標準化設(shè)計以及模塊設(shè)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?shù)拳h(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)模塊交付節(jié)點要求，合理排布模塊中相關(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)方面，著重關(guān)注以下方面的提升：促進標準化批量化、提升材料國產(chǎn)化水平、推動自動化設(shè)備應(yīng)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(chǎn)，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(shù)的迭代升級，促進數(shù)字化技術(shù)在模塊拼裝、安裝過程中的應(yīng)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(guān)注開頂法施工下模塊和設(shè)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(zhì)量。

5.4施工組織方面

模塊化建造一般需要現(xiàn)場有專用拼裝場地及預(yù)制件堆場、大型結(jié)構(gòu)模塊運輸路線和吊裝場地，各機組場地條件不同，應(yīng)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(yīng)著重做好現(xiàn)場前期計劃安排和模塊供應(yīng)與核島廠房結(jié)構(gòu)施工之間的邏輯，建立以總承包為牽頭的計劃管理體系，應(yīng)用一體化計劃（IPS），使設(shè)計、采購、土建與安裝共享計劃平臺，突出關(guān)鍵路徑、關(guān)鍵資源管理，及時迅速解決關(guān)鍵制約。

6 結(jié)論與建議

模塊與模塊化建造是基于現(xiàn)代大工業(yè)化體系下的項目建造技術(shù)實踐與項目管理模式探索，當前模塊化建造技術(shù)正朝著標準化、集成化、規(guī)?；?、產(chǎn)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(shè)模式有其明顯的優(yōu)勢，模塊化建造技術(shù)大幅減少了現(xiàn)場的資源投入密度，優(yōu)化了建造周期，實現(xiàn)了核電項目的安全、經(jīng)濟、質(zhì)量的全面提升；同時，模塊化建造技術(shù)在核電行業(yè)的應(yīng)用推廣尚有改進提升空間。通過三代核電項目建設(shè)，我國核電行業(yè)積累和形成了成套的模塊化建造技術(shù)，為后續(xù)模塊化建造技術(shù)的進一步規(guī)?；瘧?yīng)用創(chuàng)造了條件。

（1）應(yīng)用模塊化建造技術(shù)，是核電建設(shè)發(fā)展的必然選擇。

（2）發(fā)展模塊化建造技術(shù)，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(shù)，必須加強模塊化頂層設(shè)計與技術(shù)指導(dǎo)。

（4）發(fā)展模塊化建造技術(shù)，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(shù)，應(yīng)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(shù)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(shù)研究和技術(shù)升級，共同推動模塊化建造技術(shù)發(fā)展。

第二，建立完善模塊化建造技術(shù)的標準體系，覆蓋規(guī)劃、設(shè)計、采購、施工等方面，提升技術(shù)的標準化和規(guī)模化，消除不同核電技術(shù)、相同技術(shù)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(shù)應(yīng)用。針對薄弱環(huán)節(jié)開展聯(lián)合攻關(guān)，推進模塊化建造技術(shù)發(fā)展，提高技術(shù)應(yīng)用效率。推進模塊化建造技術(shù)與數(shù)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(shù)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(xué)良，龔振斌，范凱。

（本文刊載結(jié)束）