西气东输工程中长输管道站场建筑模块化设计与应用

西气东输二线管道工程（东段）建设伊始，正值中国石油天然气集团公司在油气长输管道工程建设中大力推广标准化、模块化、信息化（简称三化）时期，因此使其成为第一个在工程设计中全面应用标准化、模块化的工程案例。该管道工程干线长2 473 km、支线长3 142 km，横跨10 个省、市、自治区。管道工程线路长、站场建筑类型多，功能相对较复杂，按照传统的设计方法无法保证高质量如期完成设计任务。设计质量与工程进度的矛盾成为制约工程顺利完成的瓶颈问题。由于在站场建筑设计之初就以三化设计文件为基础，将不同站场建筑单体的性质、业主的功能需求，以及当地的自然条件和社会依托条件进行归纳分析，设计出典型的站场图纸，制定出模块化的组合方式，提高了工作效率，缩短了设计周期，保证了设计质量，为西气东输二线管道工程按期投产奠定了基础。1 模块化设计的基本概念模块是生产产品系统构成的基本要素，具有可分、可合、可互换、可重复的特点。自1997 年美国哈佛大学提出模块化理论至今，各工程领域对它的研究探索从未停止。该理论的出现改变了人们的思维方式，对科学技术的发展具有重要的推动作用。1.1 模块化设计的定义模块化设计的特点在于它不是面向单个产品，而是面向整个产品系统（产品族）[1]，能够产生多种不同功能或相同功能不同性能的系列产品[2]。模块化思维的基本模式为：系统=模块+接口。模块化设计是一种绿色设计方法[3]，符合3R 原则（减量化、再利用、再循环），可以同时满足产品的功能属性和环境属性。其一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。1.2 模块化与标准化的关系模块化是标准化的前沿技术，是解决复杂系统类型多变、功能多变的标准化高级形式[4]，是现代标准化的重要标志。模块化架构中的模块可以独立发展而不受其他模块的影响，系统可分解、可合并；模块为开放式结构，可以利用外部资源、分散化创新、竞争性再集中和改进。模块化形式在中国的仪器、仪表和机器制造业，船舶工业，电子工业，尤其是国防工业中得到广泛应用，效益显著[5]。理论研究和工程实践证明，模块化既是标准化的一种形式，又是产品设计的科学方法，对标准化学科建设具有极其重要的意义。1.3 建筑模块化设计建筑模块化设计是近十年建筑工业发展中的新课题，是对传统设计方法的一次改革。它受其他制造行业的启发，将建筑物作为一个能够标准化设计、工业化批量生产的产品，对其进行功能模块划分、部品部件拆分组合、模块系统集成升级、材料重复利用与再生。建筑模块化设计更注重模块系统、部品部件和建筑材料三者之间的关系及其设计原则。建筑模块化设计解决的是建筑建构规律、标准化的设计、模块的拆分组合、模块的依赖性及交互作用、模块的空间构成与结构体系的关系等基本问题，以及如何将设计转化成模块化建筑或具有模块化建筑功能空间的建筑产品。2 管道站场的建筑特点2.1 站场类型多，工程规模大西气东输二线管道工程（东段）设有12 座压气站、15 座分输站、新建维抢修机构9 个、88 座阀室。建筑单体种类较复杂，办公性建筑有综合值班室、维抢修综合楼、门卫，生产性建筑有综合设备间、压缩机厂房、压缩机备品备件库、110 kVA 变电所、35 kVA/10 kVA变电所及机柜间、变频装置室、车库、库房等。涉及的建筑类型是迄今为止天然气管道工程站场中最多的，建筑规模也名列榜首，其中大型压气站站场建筑总建筑面积达上万平方米。2.2 站场环境多变，设计条件复杂西气东输二线管道工程（东段），北起中卫，南到广州。气候条件多变，有寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等多种气候区域。地质条件复杂，有盐渍土地区、膨胀土地区、湿陷性黄土地区等。站场地理位置有内陆，也有沿海地区。除此之外，建筑设计还要考虑防台风、防盐雾、防酸雨侵蚀等问题。影响建筑设计的因素是迄今为止天然气管道工程站场设计中最多的。2.3 站场需求增加，设计要求提高站场所处位置不同，社会依托条件差异较大，人员需求也不同。依托条件好的站场，运营人员不住在站场内；远离城镇的站场，不仅运营人员需要住在站场内，而且还要考虑服务人员、巡线人员等的住宿。对于地块紧张的站场或山区，还要考虑建筑单体集成建设问题。此外，由于管理制度的制约，员工生活习惯的不同以及对于生活品质的追求，站场建筑的差异化和人性化是设计要考虑的必然因素。2.4 建筑功能复杂，设计协调量大站场建筑类型的多样性，建筑功能的复杂性，增加了各设计专业的协调难度。不同功能的站场对生产性功能用房的要求差异较大，涉及的专业有工艺、给排水、消防、暖通、电力、通信、仪表、热工、机械等，设计中需要各专业之间的分工合作。由于西气东输二线管道工程采用多家设计单位联合设计的模式，不同的设计习惯无疑又增加了设计协调的难度。面对浩大的工程设计和紧迫的时间，如何将多专业的设计产品有机地结合在一起，是设计人员需要解决的一个难题。3 建筑模块化设计的应用站场建筑模块化设计（图1），首先将站场建筑单体按照功能划分为办公性建筑模块和生产性建筑模块两大类，然后按需求进行二级模块的划分，最后进行房间模块的细分。模块化设计遵循的基本原则为以少变应对多变，以简单应对复杂，以集成应对分散。3.1 办公性建筑的模块化设计综合值班室为办公性建筑，按人员需求将二级模块划分为5、16、25、35、46 人等综合值班室；按房间尺寸的建筑模数进行三级模块的划分，基本模块为7.2 m-3.9 m（长-宽），辅助模块为7.2 m-5.4 m、7.2 m-6.6 m、7.2 m-7.2 m 等。一栋综合值班室建筑，其基本模块占总模块的比例为75％，保证了标准化的统一性、通用性，同时兼顾可变性。在基本模块的基础上，进行部品部件及材料结构模块的划分。例如：窗户尺寸为1.5 m-1.5 m、1.5 m-1.8 m 等；门的尺寸为1.0 m-2.1 m、1.2 m-2.1 m 等；天花板材料尺寸为0.3 m-0.6 m、0.3 m-0.3 m ；地砖尺寸为0.3 m-0.6 m、0.3 m-0.3 m 等。将所有结构模块按照尺寸、材质、颜色等进行标准化设计、模块化组合，形成最终的建筑产品。3.2 生产性建筑的模块化设计生产性建筑模块有变电所、综合设备间、压缩机厂房等，可以按规模进行二级模块的划分，如110 kVA、35 kVA、10 kVA 变电所；或按功能需求进行二级模块的划分，如综合设备间带地上消防泵房、综合设备间带地下消防泵房。各二级模块的基本模块根据其重要性和安全性确定，例如：在变电所设计中将高、低压空间作为基础模块，首先依据安全性要求确定模块的定位，然后根据功能关系布置其他辅助模块。仍然是在基本模块的基础上，进行其建筑部品部件及建筑材料结构模块的划分与组合。上述模块的划分均考虑到模块可分、可合、可重复的特点，同时结合现代模块的特点，增强了模块的交互性，减少了彼此的依赖性，使模块可独立发展创新。例如：综合值班室用房与维修队办公用房的组合，只需增加基本功能模块，更换部分部品部件的尺寸即可满足使用功能的需求；35 kVA 与10 kVA 变电所的组合，只需调整基本模块的位置，将性质相同的模块组合在一起，并增加辅助模块的规模即可。4 模块化设计的持续改进正是由于坚定不移地在西气东输二线管道工程（东段）站场建筑设计中采用建筑模块化设计的方法，自上而下将复杂系统化为简单系统、将复杂问题拆分为简单问题，增强了设计质量与工程进度的可控性，降低了不确定因素给设计带来的风险，确保了设计产品按时交付使用。但是，模块化设计只是模块化建筑产品的必要条件，最终产品需要工厂化制造、现场安装等多道工序协同作业，属于知识密集型产品。由于是首次大规模在站场建筑设计中应用模块化设计方法，存在问题在所难免，因此就建筑模块化设计的持续改进提出一些设想。