高速铁路工程建设模块化技术应用研究

唐元宁，蔡俊俊，周芳汀

(1.西南交通大学交通运输与物流学院，成都 610031;2.西南石油大学石油工程学院，成都 610500)

高速铁路工程建设模块化技术应用研究

唐元宁1，蔡俊俊1，周芳汀2

(1.西南交通大学交通运输与物流学院，成都 610031;2.西南石油大学石油工程学院，成都 610500)

高速铁路工程是典型的大型复杂线型建设工程，管理十分复杂，对模块化技术在施工中的应用进行探讨。通过归纳模块化生产方式的特点，总结工程模块化得以发展的基础，提出工程模块化的优点。通过实例应用分析，发现与传统现场浇筑方式相比优势明显，通过模块化生产不仅可以从源头保障工程建设的质量，而且可以实现模块化部件的批量化生产。此外，通过模块化分解与集成将复杂的高速铁路建设系统进行了离散化表示，通过模块组合方式为高速铁路工程建设管理提供了新思路。

高速铁路;工程建设;模块化;工厂化

自20世纪60年代世界上第一条高速铁路开通运营以来，已有十多个国家投入高速铁路建设。为了适应大规模的高速铁路建设，各种先进的管理技术和方法正逐步被广泛地应用于我国高速铁路工程管理当中。原铁道部副部长卢春房在全路建设标准化管理暨质量现场会上，提到高标准、讲科学、不懈怠，把铁路建设标准化管理推向深入，指出了“工厂化”作为支撑手段可以大力提高工作效率和经济效益［1-2］。周国华等运用贝叶斯网络研究了京沪高速铁路建设项目中关键质量管理的风险因素，认为“工厂化”作为实现标准化的支撑手段可以有效地保障工程质量、降低风险［3］。“工厂化”是模块化在工程上应用中的代名词，自2008年京沪高速铁路应用“工厂化”手段推广标准化管理以来，各路局、建设单位均在进行学习推广该方式，模块化施工将在今后的高速铁路建设中得到应用和推广。

1 模块化理论及发展

随着全球范围产业的融合趋势逐步增强，模块化理论已成为运营管理和战略管理领域具有前瞻性的热点问题［4］。目前，模块化理论在全球范围内受到理论界和实践界的普遍关注，哈佛商学院Baldwin和Clark就认为伴随着21世纪产生了一个崭新的模块化时代［5］。

模块化主要被应用于汽车、飞机、通信为代表的制造业中，应用于京沪高速铁路建设可以说是模块化在我国高速铁路领域应用的开端。

1.1 模块化理论

模块(Module)最早由IBM公司提出，由于模块可以把复杂系统简单化，逐渐成为学术界和实业界的共识，在众多领域中被视作一个有用的概念。其是半自律性子系统，通过和其余的同样的子系统遵照一定规则相互联系构成的更为复杂的系统或者过程［6］。

由于可以解决产品模块化、产业组织模块化、生产网络模块化等方面具有独特优势，并随着社会各界对复杂产品的创新与生产成本和效率关注的不断深入，模块化理论已经成为国内外管理学、经济学和工程业界解决复杂产品设计和制造的一项关键技术。

1.2 模块化发展

模块化不仅是一种产品设计方法，也是一种组织管理方法［7］，在工业经济时代最先是作为一种工艺设计方法被运用到钟表、手机和汽车制造行业，后来在其他行业也得到发展。模块化的演变过程，大致经历了产品的模块化分解、产业组织的模块化、模块化价值网络的形成3个阶段［8］。

高速铁路建设系统是一个复杂的组织形态，由不同主体构成价值增值性网络，可以把它看成为一个半自律的系统。因此，模块化理论可以运用到高速铁路建设系统中，同时也是对模块化理论的进一步扩展。

1.3 与传统方式相比的优点

模块化与传统生产方式相比，具有以下几方面的特点。

(1)标准化、通用化更强。

(2)产品质量上，模块化生产方式提供了更加可靠的保障。进行标准化的模块化生产，无论是工艺技术上还是流程管理上都明显优于传统生产方式，为产品的高质量奠定了坚实的基础。

(3)可以集成供应，满足多需求点的需求。模块化生产与工程供应链管理相结合，可以充分发挥模块化节点集成下游各节点需求这一优势，进行集中生产和供应，实现适当的集中管理和规模效应。

(4)可以实现同步生产，提升整体效率。模块化生产为后续的模块化装配提供了基础，可以大大缩短系统总装配时间，提高总效率，并在一定程度上实现规模经济，是满足需求多样化、个性化生产的有效生产方式。

(5)库存方面，改善了建设系统中施工单位库存积压的现象，物资品种和数量都得到一定程度的缩减，从而降低库存。

1.4 模块化生产的局限性

高速铁路建设工程是一个由多方参与、多组件组成、需求多样化的复杂系统。这些不同的模块子系统中，存在模块可分部分和模块不可分部分，比如高速铁路建设工程的桥梁无砟轨道模块子系统，由桥墩、梁、混凝土轨枕、道床、轨道板、钢轨、配件及其他部分组成。

其中梁、板、混凝土轨枕、钢轨等可以实现批量模块化生产，道床、桥墩等其他部分由于工艺和技术的原因目前实践中均只能现场浇筑生产。桥墩更是由于工程承受力要求和交通运输限制等原因很难采用批量模块化模式生产。

此外，一些偏远施工作业区，比如高原、沼泽等公路运输很难到达的区域，隧道、极高山区等难以用吊具作业的区域，采取的依旧是现场浇筑模式。

2 工程模块化

2.1 工程模块化的基础

工程模块化的成功应用得益于三大支撑基础。

(1)持续稳定的需求，这是工程模块化推广的前提。模块化的实现要以合理的投入产出比为前提，而目前国内工程界，包括高速铁路、房建、桥梁等建设需求的不断挖掘，给模块化这一新方式带来了机遇。

(2)大型吊装等先进设备的出现，使模块化有了现实应用的条件。模块化在建设过程运输以及现场装配环节对大型吊装设备提出了更高的要求，特别是在高速铁路、大型桥梁等建设中尤为突出。

(3)模块化理论的不断发展。这是最根本的理论基础，随着基于施工工艺对工程主体模块化处理的不断深入和成熟，高速铁路建设工程的模块化实践将越来越普及。

模块化施工是一种现代先进的施工理念，在保证质量的同时，由于引入模块作业，极大地缩短了生产工期，产生了良好的经济效益。

2.2 工程模块化的优点

模块被生产出来之后，在下游环节进行组装，从而实现了预制部件生产和下游组装的同步进行。模块化为施工现场提供了标准化的预制件，主要优点如下。

(1)优化现场实物流

工程模块化通过将现场工作移至预制厂内，减少了施工现场活动，从而减少了相应的实物流。

(2)增加了项目结果的可预测性

工程模块化简化了项目的复杂性，增加了项目结果的可预测性。同时，工程模块化减少了施工现场的工序，也使得工期的预测更加精确。

(3)增加了灵活性和适应性

工程模块化的预制件可以通过设计多次重复使用或重新安装。

(4)保证了质量，缩短制造和施工工期

工程模块化实现了工厂的机械化和连续性生产，实现现场施工和预制厂制造的同步进行，施工现场的作业相对简化，也就减少了现场施工工期。

与此同时，工程模块化改善了现场的工作条件和控制条件，保证了预制件的工艺过程，提高了预制件的质量保证，从而也改善了工程的质量。

(5)保证了预制件制造的连续性

工程模块化有利于预制件制造的连续性，可以在恶劣的气候环境中持续工作，从而避免了现场浇筑中由于天气等不可抗力因素造成停工、歇工等现象。

(6)减少对环境的影响

减少了施工现场的各种原材料、机器设备的堆放，因而减缓了施工现场拥挤的状况。既对工程本身带来好处，也改善了施工环境，例如减少了施工中的噪声、灰尘和材料浪费等。

3 工程模块化的应用

工程模块化的应用不仅为工程质量提供了更加有效的保障，而且可以提高工程的总体效率。中铁十二局在大西客运专线项目中组建的预制场设计应用模块化技术，取得不错的生产效率和经济效益［9］。CRTSⅡ型轨道板在京津、京沪等高速铁路得到应用，其质量可靠、精度可控、安全和高效［10］。这都归功于模块化是工程上实现按单装配的有效手段。

3.1 按订单装配策略

高速铁路工程建设可以看成一个典型的按单生产项目，每项工程最终都创造出新成果，成为其他工程参考的一个范本。尽管工程界基本不存在重复生产，没有两个完全一致的项目，但是针对类似的项目供应链管理的过程和策略可以十分相似。

不同工程项目在业主订单到达之前会存在不同的规范过程，Anders等人提出了4种生产策略［11］。根据运输至施工现场的各部件完成程度的差异，对应着不同的解耦点和策略，如图1所示。

图1 4种不同的工程建设系统施工策略

其中按订单设计建造(ETO)策略，往往是基于业主的需求、规范和标准，负责工程的设计和建造。按订单修正(MTO)策略，拥有标准的设计框架，只需按照通用的结构进行修改。按订单装配(CTO)策略，在设计框架和标准规格的预制件的基础上，进行组合装配。最后一种选择(SL)策略，相当于直接根据需求选取现有标准规格的产品。

显然高速铁路建设工程模块化属于第二和第三个策略之间，通过通用的框架对工程管理进行设计，对可模块化施工部分采用标准的预制件生产，实现工程的部分部件批量化生产。实现了预制部件生产和下游现场组装的同步进行。

3.2 某高速铁路的应用分析

从某高速铁路建设管理实际情况来看，建设中贯彻了“施工生产能工厂化的则工厂化”的原则，通过工厂化集中生产，从源头上对生产材料进行把关，不仅降低了生产成本，提高了产品的合格率，降低了构件的质量风险，同时也提高了标准构件的预制速度，保证了全线施工按照施工组织计划顺利实施。虽然目前采取工厂化会增加很多的前期投入，短期内不能体现很明显的经济优势。但在全面保障质量的高速铁路建设大环境下，推广工厂化势在必行，随着工程需求的增加和稳定，其规模优势也会凸显。因此，为了保障预制梁的质量，目前工程基本上采用工厂化进行集中生产，但根据赵成贵的研究［12］，在某些工程条件限制的标段沿用的仍然是现场浇筑，比如架桥机无法正常通过的山区、陡坡等地和特殊桥跨限界的局部区段。

与此同时，根据资料统计，对32 m简支箱梁现浇和工厂化2种方式下对比分析现场浇筑和模块化预制2种方式的时间耗用情况。根据对比可以发现，工厂化方式下的作业效率是现场浇筑方式效率近2倍，模块化施工使得作业效率大大提升，应用模块化生产对于缩短高速铁路建设工程的工期十分有利。

此外，在某高速铁路建设工程中，工厂化的应用为实现标准化作业无偏差奠定了坚实的基础，在施工质量、生产制造效率、控制工程成本、降低作业人员要求、改善劳动条件等方面优势十分明显。实现了全线模块化部件的工艺标准化。全线应用情况如下。

(1)全线混凝土全部由拌和站进行集中供应。

(2)级配碎石由采石场破碎分级，改良土采用厂拌。(3)绝大部分箱梁由预制梁场和轨道板厂预制。(4)遮板、栏杆、栅栏、盖板等小型构件全部工厂化预制。

(5)100 m钢轨在焊轨厂焊接成500 m长钢轨，道岔在工厂预组装。

(6)接触网腕臂实现预配中心组装。

(7)通信信号设备在模拟中心组装调试检验。

4 高速铁路建设模块化集成与分解

对应于高速铁路建设工程的复杂性，对其进行模块化划分也是一个复杂的系统过程。区别于飞机、汽车等制造系统，高速铁路建设工程系统不能像传统制造系统那样对所有的工艺过程进行模块化管理。飞机、汽车等传统制造之所以能够依托模块化技术很好地实现大规模定制，在满足客户需求的同时最小化成本，是因为制造业本身的工艺和管理过程具有相似性和可分性，能够充分发挥模块化的优势，但以高速铁路建设为代表的工程业不尽如此，一方面是工程的出现晚于制造业，模块化理论在制造业的应用更是优于工程业;另外一方面是由于工程本身的工艺过程很难完全进行模块化划分。

但模块化理论依旧适用于工程建设管理，部分可模块化子系统在工程中被不断实践应用，模块化将会在工程建设管理中发挥越来越重要的作用。图2表示的就是高速铁路建设工程模块化的分解与集成过程。

图2 高速铁路建设工程模块化分解与集成示意

其中建设单位和设计单位负责制定系统的规则，并按照规则进行分解，将复杂的高速铁路建设工程系统分解为相对简单的模块子系统，每个系统再根据可分性进行子模块划分，形成高速铁路建设工程系统模块体系，简化了复杂系统的管理;高速铁路建设工程模块化集成是在不同目标约束的前提下将分解的子系统集成为新的高速铁路建设工程系统，实现了系统的还原。

因此，利用模块化理论对高速铁路建设工程系统进行研究，为高速铁路建设工程的有效管理提供新的理论与技术支持。

5 结论

模块化技术在高速铁路建设工程中的应用是一种现代先进的施工理念，是工程中实施CTO策略的有效手段，在保证质量的同时，由于引入平行作业，极大地缩短了生产工期，产生良好的经济效益。高速铁路建设工程系统通过模块化分解与集成将复杂的高速铁路建设系统进行了离散化表示，将各种可能出现的高速铁路建设方案通过模块及模块组合的方式表示出来，为高速铁路工程建设管理提供了新思路。

［1］ 卢春房.高标准 讲科学 不懈怠——把铁路建设标准化管理推向深入［J］.铁道工程企业管理，2009(4):3-5.

［2］ 卢春房.科学有序推进铁路建设为铁路科学发展作出新的贡献［J］.中国铁路，2012(3):9-15.

［3］ 周围华，彭波.基于贝叶斯网络的建设项目质量管理风险因素分析——以京沪高速铁路建设项目为例［J］.中国软科学，2009(9):99-106.

［4］ 尹建华，王兆华.模块化理论的国内外研究述评［J］.科研管理，2008，29(3):187-191.

［5］ Baldwin C Y，Clark K B.Managing in an age of modularity［J］.Harvard business review，1997，75(5):84-93.

［6］ 朱瑞博.价值模块整合与产业融合［J］.中国工业经济，2003(8):24-31.

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［8］ 闫星宇.零售制造商的模块化供应链网络［J］.中国工业经济，2011(11):139-147.

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［10］张立青.客运专线CRTSⅡ型无砟轨道板场建场技术研究［J］.铁道标准设计，2009(9):5-8.

［11］ Segerstedt A，Olofsson T.Supply chains in the construction industry［J］.Supply Chain Management:An International Journal，2010，15(5):347-353.

［12］赵成贵.津秦客运专线简支箱梁支架现浇施工方案比较［J］.铁道标准设计，2013(1):82-85.

Application Study on Modularity Technology of Engineering Construction of High-speed Railway

TANG Yuan-ning1，CAI Jun-jun1，ZHOU Fang-ting2
(1.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

High-speed railway project is a typical larger-scale complex construction project in relation to line types with very complicated management system.So the modularity technology used for the construction was discussed in this paper.By summarizing the characteristics of modularized production pattern，and by concluding the development basis of modularized project，the paper put forward the advantages of modularized project.Through the application and analysis on actual cases，it is found that the modularized production has remarkable advantages compared with traditional cast-in-situ mode;with the modularized production the construction project quality can be ensured from the source，and the mass production can be realized.In addition，the discretization expression for the complex high-speed railway system can be achieved through modular decomposition and integration.This study provides a new idea for high-speed railway construction project management by means of module integration.

high-speed railway;engineering construction;modularity;industrialization

U238;N945.1

A

1004-2954(2013)09-0121-04

2013-03-13;

2013-03-21

铁道部科技研究开发计划重点课题《高速铁路建设管理关键技术研究》(2011G010-D);中央高校基本科研业务费专题项目《大型复杂线型工程项目管理关键技术研究》(SWJTU12ZT12)

唐元宁(1967—)，女，副教授，1998年毕业于西南交通大学，工学硕士。