基于大型高端风电核心零部件制造厂房项目的“类EPC设计管理模式”探索研究

基于大型高端风电核心零部件制造厂房项目的“类EPC设计管理模式”探索研究

刘锁  张强  刘佳宇  张欣  薛仁可

中国建筑第八工程局有限公司东北分公司, 辽宁大连  240326

摘要：随着我国经济的蓬勃迅猛发展，新能源产业正在加速推进布局，风力发电的核心零部件加工制作需求也越来越旺盛，配套的工业厂房项目也越来越多建设投产。以大连华锐重工集团股份有限公司大型高端风电核心零部件智能制造项目为依托，积极探索“类EPC设计管理模式”，提出“类EPC设计管理”的新思路，研究探索形成了一整套完备、细致、切实有效的设计管理方法，帮助解决了众多设计和施工难题。

关键词：大型重钢工业厂房；类EPC设计管理模式；设计优化；钢结构受力模型；深化设计

中图分类号：TU398+.9    文献标识码：A文章编号：

Exploration and Research on the "Similar EPC Design Management Model" Based on Large High end Wind Power Core Component Manufacturing Plant Projects

Northeast Branch of China Construction Eighth Engineering Bureau Co., Ltd, Daliani 240326, China)

Abstract : With the vigorous and rapid development of China's economy, the new energy industry is accelerating its layout, and the demand for processing and manufacturing of core components of wind power generation is also increasing. More and more supporting industrial plant projects are also being constructed and put into operation. Based on the large-scale high-end wind power core component intelligent manufacturing project of Dalian Huarui Heavy Industry Group Co., Ltd., we actively explore the "quasi EPC design management mode" and propose a new idea of "quasi EPC design management". Through research and exploration, we have formed a complete, detailed, and effective design management method, helping to solve numerous design and construction problems.

Keywords: Large scale heavy steel industrial plant；EPC like design management mode；design optimization；Steel structure stress model；Deepening design

E-mail：707667547@qq.com

引　　言

随着我国经济的蓬勃迅猛发展，新能源产业正在加速推进布局，风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种公认的清洁无公害的可再生能源，很早就被人们开发利用，利用风力发电环保无污染，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来，风力发电的核心零部件加工制作需求也越来越旺盛，相关配套的工业厂房建设项目也越来越多建成投产。以大连华锐重工集团股份有限公司大型高端风电核心零部件智能制造项目为依托，积极探索“类EPC设计管理模式”，提出“类EPC设计管理”的新思路，研究探索形成了一整套完备、细致、切实有效的设计管理方法，帮助解决了众多风电核心零部件制造厂房项目在项目设计和施工阶段所遇到的难题。为了尽量多的考虑不同结构形式对于本工程的适用性，采用专业的空间结构设计软件对结构进行分析，在施工图设计阶段，为了保证结构的安全性，多次对结构进行计算校核。在充分保证结构安全性的前提下，通过设计优化，使得优化后的结构极大地减少了用钢量，对于减少碳排放具有重要的意义，符合“绿色环保”的设计、施工理念。

“类EPC设计管理模式”，是指非EPC模式的项目，可模拟EPC总承包模式，将设计管理和采购管理前置，提前介入项目前期管理运行，在正式施工前，提前布局发力，以“EPC”的管理思路协助进行项目管理，助推项目完美履约。

开展设计策划，模拟EPC总承包管理，将设计优化前置，在项目招标阶段设计管理工作提前介入，在正式图纸下发前完成落图。同时各专项设计及深化设计工作做好充分准备，项目协调大量专业单位协助设计院进行图纸深化以及优化完善，做到策划入图，既促进了设计单位快速出图，又便于现场实施落地。

1  应用案例概述

应用案例项目为大连华锐重工集团股份有限公司大型高端风电核心零部件智能制造项目，项目建成后将为大型高端风电核心零部件加工制造提供基础条件。工程地址位于大连瓦房店市西郊工业园华锐路1号，总占地面积约56.5万㎡，总建筑面积约21万㎡，合同额为9.28亿元，钢结构总量约42000t，钢结构体量十分巨大，设计包括有：铸造厂房、机加工厂房、表面处理厂房、木模厂房、西扩厂房。此工程是辽宁省和大连市重点建设项目，工程政治意义重大，项目于2023年6月初开工，需保证2023年年底投产保证正式使用，项目建成投产后对大连市早日实现万亿GDP的承诺意义重大。

2  抢抓黄金期，将设计优化策划落图

本项目结构形式为钢排架结构，屋面系统为金属屋面与采光天窗相结合。项目为固定总价合同，其中主体钢结构属于亏损项，中标后此钢结构分项亏损额巨大。由于项目开工前期，设计单位的正式施工图纸正在审图，尚未下发，项目前期只有电子版招标图纸。根据大连华锐重工项目钢结构初步设计形式，主要为单层钢结构厂房，采用钢排架结构，屋面梁、屋架与柱连接形式为刚接，柱脚为插入式刚接柱脚，柱间支撑为人字形支撑、交叉支撑，屋面型式为交叉支撑，外层为金属屋面和采光天窗。柱结构的主要型式为双肢格构柱，主要钢材型号为Q355B、Q355C。整个结构用钢量大，并且采用了大量的高强度钢材。

项目团队在中标进场后，积极探索全新的“类EPC设计管理模式”，提出“类EPC设计管理”的新思路。将原本项目的传统施工总承包管理模式，升级改造成“类EPC设计管理模式”，模拟EPC总承包管理，将设计管理和采购管理前置，提前介入项目前期管理运行，在正式施工前，提前布局发力，以“EPC”的设计管理思路协助进行项目设计管理。

考虑项目前期开工准备期间，业主规划许可证尚未下发，正式施工图纸仍在审图阶段，把握此黄金窗口期，由项目总工牵头，联合公司总部的工程设计研究院组成设计优化攻坚团队，与各专业分包单位的图纸深化设计小组协同发力，针对亏损点进行重点策划，对设计图纸进行设计优化，挖掘出大量的设计优化点，作为降本增效的突破口，优化施工工艺，降低工程造价。上述设计优化需要在正式图纸下发前全部优化完成，同时需和设计单位共同研究讨论确定优化想法的可行性，在征得设计单位同意认可后，方可落入正式施工图，审图合格后下发项目组织现场施工。

3  钢结构设计管理

项目设计管理团队经过充足的分析研判，发现图纸中存在钢结构截面一致，而未根据结构受力特点细分优化的情况，存在部分设计冗余，从而造成材料浪费。通过举行钢结构专项研讨会，经多轮会议讨论分析，梳理出优化内容， 层层把关研判可行性，最终筛选可优化项。根据可优化项，公司总部工程设计研究院、项目部、钢结构专业分包单位的深化设计人员，共同组建三角型科技攻关团队，不间断奋战，终于在仅有的审图窗口期有限时间内，完成21万平方米、共计4.2万吨钢结构工程的结构建模，重新建立钢结构厂房的三维Tekla模型。根据模型反复验算，最终确定了可优化项的四大分类：屋面梁、格构柱、吊车梁及墙面檩条。

在考虑保证结构安全与使用功能的前提下，取得设计单位同意认可，对钢结构截面进行优化，能够有效的降低造价，降低建设费用支出，实现施工单位和建设单位共赢。

3.1  屋面梁设计优化管理

原设计屋面钢梁，考虑整体型号统一，存在局部设计冗余。根据受力模型，对每跨弯矩数值进行筛分并做具体分类，根据弯矩值调整部分钢梁截面，对于较大跨钢梁，对端部及跨中区分处理，由等截面修改为变截面钢梁，减少用钢量。同时根据结构模型，部分梁的翼缘板、腹板厚度进行减小，满足计算要求。

图1  屋面梁挠度计算

图2  Tekla结构模型

根据规范中的抗震要求，复核地震作用引起的构件内力，调整截面宽厚比、高厚比控制指标。结构不能满足《门刚》规范的使用范围，根据力学性能控制条件归纳构件分类，科学引入变截面构件计算方法，细分单元划分，合理调整截面，减少用钢量。

次梁体系优化，原有交叉梁体系冗余过大，根据刚度分布规律细化次梁截面布置，大幅减少截面。

图3  屋面梁模型计算

3.2  格构柱设计优化管理

初版图纸中，格构柱采用的H型钢、角钢、槽钢等存在截面过大的情况，存在设计冗余。通过建立计算模型进行应力对比，柱截面根据柱间距进行归并，截面调小后经计算依然满足受力要求。

图4  钢柱应力对比

图5  钢柱截面调整

3.3  吊车梁设计优化管理

吊车梁由等截面梁修改为鱼腹式梁。

顾名思义，鱼腹式梁像鱼肚子一样，中间厚两头小的钢架梁。梁的中部弯矩最大，而抵抗这种弯矩要通过梁的上下缘所能提供的拉力和压力乘以梁的高度来实现，所以梁截面高度越大其抗弯能力就越强。对于一般的大跨度钢架，中间的弯矩很大，两端制作的弯矩相对较小，所以不需要同中间一样大的梁截面。

图6  常规梁弯矩图

图7  “鱼腹式”吊车梁深化模型

厂房吊车梁原设计均为等截面梁，在保证同等抗弯强度的情况下，部分吊车梁的形式由等截面梁调整为鱼腹式，减少端部梁高度，从而节省了用钢量。

3.4  墙面檩条设计优化管理

将单跨简支檩条修改为三跨连续檩条。

原设计墙面檩条形式为C型檩条+附檩形式，外墙面做法为成品岩棉夹芯板，通过墙板连接件及自攻螺钉固定在墙梁上。原设计的C型檩条，单跨简支梁受力模型，檩条厚度2mm。由C型檩条调整为Z型檩条，檩条间可相互重叠搭接，受力形式变更为三跨及以上连续梁，根据实际修改模型，檩条厚度减小为1.6mm。即将C型檩条（C250×75×20×2.0）调整为Z型连续檩条（Z250×75×20×1.6），提供同样承载能力的情况下，节省用钢量。

图8  C型檩条和Z型檩条

4  设计管理跟踪实施

确定设计优化方案后，分别对上述策划利用pkpm结构计算软件进行复核验算，均满足设计规范要求。经设计单位对比优化小组提供的受力模型，取得设计单位高度认可，逐项修改原有设计模型，在正式审图结束前，成功完成改图，将设计优化全部落地。

通过上述设计优化调整，本项目钢结构工程合计减量约2839t，投标测算钢结构工程属于亏损项，间接帮助项目创造大量优化效益额。

5  现场实施过程

根据调整后的蓝图，开始钢结构的深化设计工作。共计4家钢结构分包单位、22名深化设计人员、历时35天完成4.2万吨的钢结构深化设计,全部建立Tekla模型，经验算全部满足设计要求。

按原设计图纸完成分包单位招标，后续按实结算，确保效益颗粒归仓，最终综合效益约1890万元。

6  类EPC设计管理模式创新点

6.1  模拟EPC总承包模式，提前介入

在施工总承包模式下，整合分包资源，形成“PCS+E”的新型招采模式，借助分包专业性强的特点，逆转总包弱势局面，搭建实质性设计管理框架，为项目创效奠定基础。

项目开展设计策划，模拟EPC总承包管理模式，设计优化前置，在项目招标阶段设计提前介入，在正式图纸下发前完成落图。谋定而后动，抢抓正式图下发前的黄金窗口期，与设计院对接，保证策划入图生根。充分利用深化设计资源，在满足业主设计的意图下，提出双方共赢的方案。工期再紧，保证策划不偷工减料，阳光创效，两全其美。

6.2  构建三角型攻关团队

公司总部工程设计研究院、项目部、钢结构专业分包单位的深化设计人员，共同组建三角型科技攻关团队，将各专项设计及深化设计工作充分前置，项目协调大量专业单位协助设计院进行图纸深化优化及完善，做到策划入图，既促进了设计快速出图，又便于现场实施。

6.3  钢结构工程整体重新建模、计算出图

钢结构受力性能复杂，根据我国的规范要求需要对钢结构可能出现受力情况进行分析，建立结构的静力模型，考虑钢结构截面对结构受力的影响，分析截面优化的可能性。

根据设计单位计算书，由工程设计研究院主导，联合分包单位深化设计资源，重新建立受力模型，精算钢结构构件，精简截面。所有计算模型均来自于项目的自建参数化模型，在方案设计阶段为了尽量多的考虑不同结构形式对于本工程的适用性，采用专业的空间结构设计软件对结构进行分析，在施工图设计阶段，为了保证结构的安全性，多次对结构进行计算校核，充分保证了优化结构的安全性，优化后的结构极大地减少了用钢量，对于减少碳排放具有重要的意义，符合“绿色环保”的设计、施工理念。

7  结论

本项目采用的“类EPC设计管理模式”，模拟EPC总承包模式，将设计管理和采购管理前置，提前介入项目前期管理运行，在正式施工前，提前布局发力，以“EPC”的管理思路协助进行项目管理，助推项目完美履约。此设计管理方法，适用于复杂的大型厂房钢结构工程、大跨度钢结构工程，通过自主进行快速的模拟方案设计，进而指导结构优化，模拟EPC总承包管理模式提前介入，建立精细化的计算模型，通过自有数据对优化方案进行支撑，以项目的最优利益为优化方向，从建筑的全寿命周期设计角度推进优化项目落地，实现优化项达到项目和业主的双赢。

参考文献

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