大型粮油加工仓储工程设计控制研究

工程设计质量和进度是工程能否按期建成投产的关键因素。设计质量不高, 容易造成设计变更、设计反复和现场施工秩序混乱, 甚至造成项目功能缺陷。设计进度不能满足项目总体计划要求, 则会影响设备材料的采购、供货, 影响施工进度和投料试车, 最终影响项目的投资效益。

设计质量与进度的控制, 除了设计自身外, 对于大型粮油加工仓储工程而言, 应重视设计与设备采购、设计与施工之间的协调配合, 加强设计总包方与项目业主之间的沟通协调, 尽早确认诸如预处理车间、浸出车间、精炼车间等粮油加工车间关键设备的选型与布置, 保证项目进度关键线路上设计图纸与技术文件的交付时间。以下结合大型粮油加工仓储工程的设计特点, 展开该类项目设计控制的初步研究。

国内大型粮油加工仓储工程的设计因考虑到全厂性布局、各子项衔接与功能匹配等因素, 发包方式通常采用设计总包, 由总包方负责总体设计协调。

具体设计工作一般分两步走, 首先由设计总包方完成初步设计 (布局复杂项目增加总体设计) , 业主对项目功能及技术经济性进行审查、论证, 审查、审批通过后进入施工图设计。

施工图设计阶段, 在实行设计总包的基础上, 对存在大量生产线成套设备采购的粮油加工车间, 诸如谷物预处理车间、浸出车间、精炼车间等实行机电系统设计分包。车间的工艺流程设计与成套设备的供应一般由业主指定分包给机电承包商 (或称设备集成商) 完成, 机电承包商向设计总包方提供工艺设备条件 (简称“提资”) , 设计总包方据设备条件完成土建专业施工图设计。

设备条件的提供建立在设备采购定型的基础上, 由于采购工作持续时间长且影响因素多, 在设计之初不可能全部完成, 因此, 机电承包商第一次提供给设计总包方的设备条件中存在较多的设备布置、荷载参数不能确定的情况。

为加快项目实施进度, 业主方一般要求总包方根据第一次设备条件完成土建专业基础施工图设计, 然后随设备采购工作的进展逐步深化完成施工图设计。在这种设计开展模式下, 如果前期考虑不周, 就可能会造成设计变更频繁, 设计效率低下, 连锁反应造成现场施工秩序混乱, 进展缓慢, 甚至引起质量事故。

如何实现设备采购、施工图设计与现场施工的合理衔接, 减少设计变更与反复, 提高设计质量与效率是此类项目的设计控制切入点。

工程设计基本流程包括设计输入、设计输出、设计评审、设计验证、设计确认、设计变更、设计总结等环节, 对于大型粮油加工仓储工程的设计流程控制重点应放在设计输入 (包括输入条件和设计接口) 和设计评审论证。

设计进度是确保工程项目顺利实施的前提和基础, 为实现设备采购、条件提资与施工图设计的交叉进行, 应将设计进度计划纳入业主方项目实施总进度计划中, 做好设备采购、设计出图、土建施工与设备安装进度间的统筹规划。

以TLG粮油加工仓储物流项目 (以下简称“TLG项目”) 的预处理车间为例。车间的施工顺序受到客观存在的设备安装逻辑关系制约, 应考虑大型设备的吊运路线、安装空间, 土建施工与大型设备吊装需穿插进行。基本施工顺序为:厂房地基基础施工→ (落地) 设备基础施工→上部主结构分层施工→大型 (主) 设备分层吊装就位→上部次结构分层施工→车间物料输送管网与电气系统安装, 图1为车间现场设备吊装施工情况。

为满足设备、设计、施工三者间的合理衔接, 设计总包方组织业主方、施工方、机电承包商参加的设计进度协调会, 以会议纪要的形式确定机电承包商随设备采购进度依次提供基础版 (第一次条件) 、上部主结构版 (第二次条件) 、上部次结构版 (第三次条件) 共计3版设备条件图。

车间主体采用钢结构, 这也是实现多版次设备条件提供、土建施工图设计、现场钢结构施工与大型设备吊装实现合理衔接的前提, 采用钢结构能够最大限度减少设计反复, 降低处理设计变更的难度, 提高设计、施工效率。各版次土建施工图设计深度如下:

基础施工图:满足现场桩基、承台施工与钢结构地脚螺栓埋设的施工要求 (包括车间基础与落地设备基础) 。

上部主结构施工图:满足钢材采购、工厂下料加工、钢结构主体框架梁柱、柱间支撑现场栓焊连接、大型设备提前吊装就位的施工要求。

上部次结构施工图:满足楼层次梁、钢筋混凝土组合楼板、楼层设备地脚螺栓的预留预埋、外围护结构墙梁、檩条的材料采购、工厂下料加工、现场安装的施工要求。

其中, 上部主结构与次结构土建施工图可根据钢结构加工下料、运输与现场安装间的进度缓冲时间, 再划分为两阶段出图 (1～5层为第Ⅰ阶段, 6～10层为第Ⅱ阶段) , 实现设计与施工的进一步交叉, 也为设备条件深化争取到更多时间, 进一步提高了设备条件的提资可靠性。上述设备采购、设计与施工的衔接流程关系见图2。

包括机电承包商应提供各阶段设备条件图的提资时间节点、内容及深度、待定事项及其预设要求。这有助于设计人员明确各阶段条件的渐进关系, 清晰待定项与不成熟输入条件, 使施工图设计工作有的放矢, 既确保主结构设计的可靠性, 又不影响次结构布置的灵活性, 实现与后续深化设计的顺利衔接, 最大限度降低施工中发生主结构设计变更的风险。

以“TLG项目”的预处理车间为例, 要求机电承包商第一次向土建专业提资的工艺设备条件 (即基础版条件) 内容如下:

(1) 工艺流程系统图;

(2) 车间主设备 (注:单台50 kN以上) 布置图, 含楼层设备平面布置、洞口尺寸与定位、设备或操作荷载大小、方向、作用位置并注明点荷、线荷、面荷或振动荷载;

(3) 工艺专业对车间楼地面及分隔墙体形式要求;

(4) 连接预处理车间与浸出车间栈桥的定位、标高、洞口大小、刮板支架定位及荷载条件;

(5) 车间主设备预埋件 (含预埋钢板、螺栓等) 规格、型式、定位;

(6) 车间楼地面主设备基础尺寸、标高与定位;

(7) 车间设备安装及检修用工字钢导轨路线 (含起吊高度、净空、吊重等要求) ;

(8) 设备待定项清单表, 应给出可能的布置范围与荷载范围, 并保留一定冗余度, 以确保先期施工的地基基础安全可靠。

该项目机电承包商提供的生产线设备载荷清单 (样表) , 见表1。

(1) 明确机电承包商与总包方工作界面。

为提高设计效率, 工作界面的划分以相关性和独立性为基本原则[1], 即工作界面一侧的出图支撑条件只与己方有关, 能够单方独立完成。例如, “TLG项目”中设备支座、预埋件与设备选型密切相关, 管道支架与管道走向密切相关, 由机电承包商提供施工详图;操作平台布置与主结构密切相关, 由设计总包方完成施工详图。

(2) 严格技术接口管理, 明确业主方、设计总包方、机电承包商间的信息流转途径与反馈确认程序, 保证接口信息及时、准确、有效。有经验的设计总包方应形成内部标准的项目技术接口关系图 (Technology Connection Plan, TCP) , 通过与机电承包商技术接口的双向对接, 可在很大程度上减少只由机电承包商单方提供技术接口而出现的纰漏。

(3) 加强设备条件与土建施工图的阶段性设计复核, 可根据类似项目设计接口出错统计概率, 列出需要进行设计复核的关键点。

以TLG项目的预处理车间为例, 要求机电承包商设计复核的关键点如下:

1) 复核设备检修吊轨的运行路线与轨底标高;

2) 复核物料输送栈桥的接口条件 (平面定位与标高) ;

3) 复核剖面图中设备运输或安装检修时的净空高度要求;

4) 复核大直径工艺管道走向与土建施工图主/次结构是否冲突;

5) 复核是否存在既定设备布置或荷载发生变更的情况;

6) 复核柱间支撑与工艺输送洞口发生冲突的情况;

7) 复核成套设备安装运输路线对墙面预留开孔、对楼面结构加强等要求;

8) 复核设备安装顺序对土建施工的要求 (如设备支座焊接固定后再浇筑相应区域的组合楼板混凝土等) 。

设计审查与论证是让业主对项目有一个全面、清晰认识的过程, 对降低业主方在后期施工图设计深化阶段提出设计变更的风险至关重要。因为设备采购、条件提供与施工图设计是分阶段渐进的, 故业主方在前期设计中可能对项目了解不够, 在后期设备安装时才发现问题, 提出较的大设计变更, 甚至出现边施工边加固的情况。

此阶段应该注意两方面的问题:①CAPOP审查。对于CAPOP (Capacity and Operability, 生产能力与操作性) 审查, 应邀请有操作经验的工艺系统工程师参加, 业主方的参加人员最好是操作主管或对同类装置有丰富操作经验的专家。这两类人员往往能够根据车间生产实践, 在设计早期发现功能性问题和使用操作上的问题。②PDS审查。通过PDS (Plant Design System工厂设计系统) 审查, 在建筑、结构、设备等多专业设计集成环境下的PDS三维模型中, 可以发现设备安装操作空间是否足够、大直径物料输送管网的走向是否与结构构件发生碰撞等在二维平面或剖面图中不易被发现问题, 避免因无法进行安装操作而产生设计变更, 确保设计可施性。

以“TLG项目”的包装注塑车间为例, 业主方在设计前期以粗线框的设备布置为基础进行CAPOP审查, 因对设备的维护与检修缺乏考虑, 漏设了维护、检修用行吊, 在后期注塑设备安装时才发现问题。为保证起吊高度, 需拆除行吊运行区间上层的楼面钢梁、组合楼板, 然后上移;为增设牛腿、吊车梁、柱间支撑等结构构件, 需拆除两侧砌块墙、构造柱, 造成较大的现场返工和经济损失。

设计变更是指因设计、施工缺陷或错误而发生的设计修改, 对于设计变更应处理好变更发出时间、变更处理效率的问题, 因设计变更往往发生在现场施工期间, 项目的进度安排、人力机具安排都很紧凑, 设计变更滞后会增加设计和施工的协调难度, 给项目的进度和费用带来不利影响。

首先, 施工图设计工作应向设备采购、安装和土建施工等上、下游作业过程延伸[2], 在项目实施过程中, 派驻现场专业工程师处理“错、漏、碰、缺”等设计问题, 特别是使设备无法吊装、施工事故缺陷等需现场查看解决的问题, 能够得到及时有效处理, 推动整个项目的进展。其次, 因大型粮油加工仓储工程的施工图设计是分期分批完成的, 时间跨度大, 各子项出图周期紧张, 出图版次多且可能发生设计输入条件的多次变动, 难免出现专业接口间相互脱节和漏项的情况。因此, 项目负责人应适时组织对项目厂区高程、总图定位、工艺管网接口、子项接口、专业接口等设计基准内容进行阶段性复核, 至少应在现场施工前发现问题。若施工时才发现问题, 往往会因基准设计的错误给项目带来较大的经济损失和处理难度。最后, 根据项目实施的技术规律, 设计出图时可能存在施工图内容待定项。设计人应对待定项进行跟踪, 督促业主方落实条件, 一旦条件成熟, 应及时通知现场, 以免造成误工或返工。

项目结束后, 从项目的整个建设过程看, 无论是设计、采购、施工还是投料开车都有许多值得总结之处。对设计而言, 虽然已将项目按合同约定完成, 但可能由于当时的设计条件所限, 并非是合理和经济的方案, 这就需要对出现的问题及时归纳总结, 分析是否有优化、改进设计的可能, 以供今后类似项目中参考和借鉴。

以“TLG项目”为例, 项目投料试车移交业主后, 参加该项目的专业负责人总结项目初步设计、施工图设计、工艺设备和施工安装中出现的设计问题。将变更频次多、处理难度大的问题归纳, 由设计院总工组织有关人员分析提出改进措施, 汇编成出错信息清单和统一技术措施手册并发布给各项目组实施, 实现设计的持续改进。

并行工程源自Winner的美国国防分析研究所 (Institute of Defense Analysis, IDA) 的R-338报告“并行工程 (Concurrent Engineering, CE) 是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程 (包括制造过程和支持过程) 的系统化方法”, 是近年来制造业中新出现的一种产品开发模式, 是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的系统化工作模式[3]。

在产品的并行设计过程中, 通过前期设计阶段不同领域的相关参与方之间开放的信息交流, 使项目执行中各个过程之间的界面融合成为可能, 避免由于前期设计中未考虑下游过程中相关因素而导致设计更改和反复。美国IDA的研究报告表明并行工程应用效益是明显的:

(1) 设计质量的改进, 使早期生产中过程变更次数减少50%以上;

(2) 产品设计及其有关过程的并行进行, 使产品开发周期减少40%～60%;

(3) 多功能小组一体化进行产品及其有关过程的设计, 使成本降低30%～40%;

(4) 产品及其有关过程的优化, 使产品的报废及反复工作减少75%。

尽管并行工程最早是针对制造业中产品开发提出的, 但在建筑工程设计中同样适用, 建筑工程的并行设计是指基于并行工程思想将传统的“串行”过程转变为“并行”过程的建筑工程设计模式。

(1) 大型粮油加工仓储工程的设计周期长、参与单位多、专业工种复杂, 需多单位、多专业协同完成。项目设计过程中存在众多的组织接口、技术接口, 分期、分批出图的子项接口, 特别是存在设备采购、施工图设计与施工安装的上下游作业交叉问题, 需要在设计过程分解与设计进度安排时考虑如何实现三者的合理交叉, 而这正是并行工程的出发点之一。

(2) 在设计总包模式下, 可以使项目参与各方在总包方的统筹下协同工作, 实施并行工程就有了组织保障。总包方可以更好地把分散的、零星的项目设计开发过程看成是一个整体、集成的过程, 从全局优化的角度出发, 通过充分的信息共享, 及早考虑设计的“可建造性”、“可生产性”和“可维护性”, 减少设计变更, 从而达到提高质量、缩短工期、节约成本的目的。

基于并行工程的设计过程重组是从传统的串行产品开发过程转变成集成的、并行的产品开发过程, 强调下游作业过程在产品开发早期的参与, 通过设计流程改进, 使信息流动与共享的效率更高。

传统组织模式下的设计过程, 不同阶段的工作衔接关系是单向串行“抛过墙” (over wall) 式的[4], 见图3。基于并行工程思想的设计组织模式强调信息的交流与共享, 强调上、下游作业过程的交叉与融合, 见图3。

建筑工程并行设计中设计流细分、设计过程规划与重组以及并行工程在大型粮油加工仓储工程中的实施路径等问题将在后续文章中深入研究。

作为设计总包方一定要充分认识到统筹规划在项目启动阶段的重要性。首先, 项目采用的标准、规范、统一技术措施要求、组织与技术接口等应在设计启动阶段策划完成;第二, 建立设计总包方与机电承包商的设计协调机制, 加强阶段性设计复核与验证。第三, 明确设计总包方与机电承包商的工作界面与风险责任。

设计人员应积极参与到项目的设备安装、调试等工作中, 通过现场跟踪服务, 熟悉工艺流程及设备特性, 充分了解、掌握以往类似项目设计中存在的问题与不足, 吸取教训、总结经验, 提高该类项目的概念设计能力与设计成熟度。