模块化变电站的工程造价研究

杨丽萍,逄 健,李紫薇

(1.国网天津市电力公司经济技术研究院,天津 300171;2.国网天津市电力公司建设分公司,天津 300143)

0 引言

模块化变电站是一种全新的变电站建设方式。模块化变电站按功能进行模块化设计,工厂化生产,然后把工厂化生产的模块运抵现场,现场进行安装和调试。与传统变电站建设方式相比,模块化变电站具有占地面积小,建造和安装周期短,利于环境保护和资源节省等优点。模块化变电站包括设备模块和建筑模块,其中,设备模块主要包括进线模块、主变压器模块、出线模块、自动化模块、无功补偿和消弧线圈模块等5个部分[12];建筑模块包括主控楼、配电楼、围墙和电缆沟等。

现有研究主要集中于模块化变电站的技术层面,对于模块化变电站的经济效益很少涉及。童学胜等[3]通过对模块化变电站和常规智能变电站的经济性和技术性对比,指出模块化变电站的静态投资要低于常规智能变电站,无论建筑工程费、安装工程费还是其他费用都比常规智能变电站低,但是设备购置费比常规智能变电站要高;而王少晖等[2]得到的结果恰恰相反,模块化变电站的静态投资比选择的室外变电站要高,但低于选择的室内变电站。经过对比发现,造成上述区别的重要原因是设计方案差异较大,不具备较强的可比性,原则上2个变电站布置型式需相同,例如都是室内站,或者各项分部工程基本一致,模块化和非模块化工程造价才具有一定的可比性。马树堂[4]对220 k V变电站工程造价进行了系统分析,刘午阳等[5]对变电站钢接地网和铜接地网的经济性进行了对比分析,说明设备材质的不同也会导致工程成本存在差异。本文在假设2个方案具备可比性的基础上,建立了模块化和非模块化2个方案的投资确定模型,从而给出模块化降低变电站工程造价的条件,并用变电站围墙进行案例分析。

1 模块化与非模块化施工流程的对比分析

为了简化模块化和非模块化的对比,在理论分析中只截取一个可以进行模块化或非模块化比较的施工模块,比如某设备模块或者建筑模块,相应流程统称为施工流程。

传统的非模块化施工流程见图1。对于界定的施工模块,根据施工图设计,确定进行该模块施工所需要的材料种类及数量、配件种类及数量、设备种类及数量;确定完成该施工模块需要哪些工种的工人,每个工种需要的人数;确定需要哪些施工机械,每台机械的数量。对材料、配件、设备进行招标采购,进行施工人员招聘或调配,进行施工机械租赁或调配。合理调配资源、组织施工,完成施工模块的施工。对施工模块进行验收。确定施工模块造价及各项费用组成。

模块化施工流程见图2。对于界定的施工模块,确定哪些部件可以进行工厂化模块制造,给出每个部件的模块设计,委托企业进行批量化生产,对生产出来的模块化产品进行采购,组织运力在计划时间把产品运往施工现场。根据模块化设计的要求确定,确定完成该施工模块需要哪些工种的工人,每个工种需要的人数;确定需要哪些施工机械,每台机械的数量。进行施工人员招聘或调配,进行施工机械租赁或调配。合理调配资源、组织施工,完成施工模块的施工。对施工模块进行验收。确定施工模块造价及各项费用组成。

如果模块化产品是通用的,即可以省略定制环节,直接采购即可。

由上述2个流程的对比分析可知,模块化施工流程不仅改变了施工组织、施工质量,也会对总体工程造价及费用构成产生影响。模块化施工的优点有以下几个方面。

(1)模块化产品在工厂进行生产,高度机械化、标准化的生产方式,熟练地人工投入和高质量的保障体系,使得生产方式由粗犷生产转为精益生产,提高了产品的质量和精度,不仅提高了施工质量,也对施工模块的验收提供了便利条件。

(2)模块化施工改变了传统的现场作业方式,减少了施工现场的扬尘与噪声污染,改善了工人的施工环境,其特有的生产方式有利于采用各种新型环保的材料和节能设备等。

(3)有利于缩短施工工期。工厂化生产模式减少了模块化产品生产对天气与气候情况的依赖程度,模块化产品进入施工现场后,只需对产品进行现场安装、整体联调,可以大大降低劳动成本的投入,缩短施工工期。

2 模块化与非模块化施工工程造价差异分析

首先从交易成本、人工费、材料设备费、运输费和机械费五方面对模块化施工和非模块化施工的费用差异进行比较。

非模块化施工由于进行多次材料、配件和设备的采购,交易成本比较大。交易成本是指达成一笔交易所要花费的成本,也指买卖过程中所花费的全部时间和货币成本,包括传播信息、广告、运输以及谈判、协商、签约、合约执行的监督等活动所花费的成本。由于电力工程设备、材料采购主要采用招投标形式,交易次数越多,交易成本则越高。模块化施工虽然也有少量的材料和配件采购,但总体来说由于交易次数少,所以交易成本较低。

非模块化施工由于施工的起点是基本材料、配件和设备,不仅施工工序复杂,对工人的技术水平要求也高,还有可能由于施工工序和产品特质等问题耽误工期,因此,不仅需要工人的人数比较多,素质也比较高,因此非模块化施工的人工费用比较高。而模块化施工由于施工起点为模块化产品,现场只需把模块化产品根据图纸组合、安装成最终产品,由于安装工艺简单、工作量小,因此不仅需要的工人数目少,技术要求也不会太高,再加上施工周期短,因此人工费用相对较少。

由于模块化产品的价格不仅包含了初始材料、部件和设备等费用,还包含生产该产品的劳动投入、设备损耗、技术投入、管理费用、企业利润和产品税收等多项费用,模块化产品的价格比较高,因此模块化施工的材料设备费用很高,而非模块化的材料设备费用只包含材料、部件和设备的费用,因此材料设备费用较低。

由于模块化产品体积比较大,生产工厂距离施工现场相对较远,因此可能产生较高的运输成本,现场安装主要采用机械吊装加拼装,机械化程度显著提高,因此模块化施工机械费用也比较高,非模块化产品的材料和配件可以就地采购,安装时也不需要大型的吊装设备,因此机械费比较低。

其次从变电站工程的四项组成费用,即建筑工程费、设备购置费、安装工程费和其他费用来进行对比分析。因为把部分属于安装工程费的材料、配件等固化到模块化产品中,会造成模块化施工安装工程费的降低,再加上模块化施工人工费用大幅度降低,虽然设备费用有一定幅度提高,总的来说会造成模块化施工安装工程费降低;但由于模块化产品的费用一般比非模块产品的费用高,因此模块化产品的建筑工程费比较高;通常来说非模块化施工其他费用比模块化施工其他费用要高[3]。模块化施工和非模块化施工工程造价构成对比,见表1。

表1 模块化施工与非模块化施工造价构成项费用比较

基于上述分析,建立判断模块化施工和非模块化施工工程造价决定的数学模型,并给出模块化施工工程造价低于非模块化施工的条件。基本假设如下:界定的施工模块可以进行模块化施工或非模块化施工;模块化施工对应的人工费、材料设备费、机械费和其他费用分别为PC1、MEC1、MC1和OC1;非模块化施工对应的人工费、材料和设备费、机械费分别为PC2、MEC2、MC2和OC2;模块化施工和非模块化施工规模相同。那么模块化施工的工程总造价

非施工模块总的工程造价

则模块化施工工程造价和非模块施工工程造价的差:

要使ΔC＜0,应有

即模块化施工带来的材料设备费用的增加值与机械费用的增加值之和,要小于人工费减小值和其他费的减小值之和。下面来判断这个条件是否能够得到满足。

由于技术水平的先进性、生产的标准化程度和员工技术熟练等因素,在同样的生产要素投入下,工厂化制造的成本更低,如果劳动力的工资水平很高,较低的成本加上合理的利润和物流成本还是有可能使上式得到满足。但是也有可能上述条件得不到满足,主要包括2种情况:一是,模块化施工和非模块化施工的主要材料、配件和设备相同,但是模块化产品生产企业生产规模比较小,无法使生产成本较大幅度的降低,再加上企业布局不合理,模块化产品生产工厂距离施工现场比较远,物流费用比较高,施工条件恶劣,施工现场机械费用支出比较高,这3个因素都有可能使模块化施工的工程造价高于非模块化施工。二是,模块化施工和非模块化施工投入的除人工以外的生产要素成本有很大的差别,造成模块化产品价格高昂。

总之,如果模块化施工和非模块化施工投入的材料、配件、设备等生产要素是相同的,规模化生产、企业合理布局带来的模块化产品价格下降和运输成本降低,人工费用节省,会使模块化施工比非模块化施工的工程造价低。随着变电站工程模块化水平的提高,对模块化产品的需求会大幅度增加,会促进模块化产品生产企业扩大规模,合理布局。长期来看,模块化施工在一定程度上可以降低工程造价。但是如果要素投入差异较大,模块化施工未必一定会降低工程造价,但可能会提高质量、保护环境和缩短工期。下面以变电站的围墙工程为例,分析模块化施工的经济效益。

3 模块化围墙的经济效益分析

模块化建筑是指在工厂完成单体模块的生产与拼装,然后运输到施工现场,通过吊装单体模块使其与主体结构以及其他单体模块实现组合安装的一种高预制率、装配化程度较高的装配整体式建筑。对于变电站工程,主控楼、配电楼和围墙均可以采用模块化进行建造。国内有很多学者对变电站模块化建筑的经济效益进行了研究,例如王伟等[6]对变电站外墙的分析,苏杭[7]对变电站围墙的分析,董德永[8]对模块化变电站的经济效益分析,主要包括设备模块化和建筑模块化。本文对模块化智能变电站进行技术经济分析,选取2019年竣工的模块化变电站项目103个,其中含有模块化围墙的变电站项目有40项,每平米造价见图3。

图3 装配式围墙每平米造价分布

由图3可知,部分项目单位造价很低,有8个项目每平米造价低于300元,3个项目每平米造价高于1 300元,大部分项目每平米造价在300～1 300元。

通过反事实分析法,假设采用非模块化围墙建造方式,估算非模块化围墙的工程造价,与已建成变电站模块化围墙工程造价进行对比,如果模块化围墙工程造价小于非模块化围墙,那么模块化建设方式会带来直接经济效益,如果模块化围墙工程造价高于非模块化围墙,则需分析具体原因。由于样本变电站项目位于全国各地,变电站的地形、环境特点也各有不同,为此采用2种方法进行分析:选取1个典型的非模块化围墙项目,与每个模块化围墙项目进行比较,如果模块化围墙项目造价低于典型非模块化围墙项目,则说明模块化建造方式节省了工程成本;从已知文献记录中选取传统非模块化围墙的单位造价,作为参照项目,用以判断模块化围墙工程造价的合理性。

本文选取典型非模块化变电站围墙,周长212 m,墙高2.3 m,采用传统砌体围墙型式,总造价214 400元,每平米造价439.7元,伍绍慧等[9]给出的结果表明粗灰砂饰面砖砌围墙每平米造价为400元,说明该非模块化变电站围墙项目具有一定典型性。以此项目作为参照项目,可以发现共计12项模块化围墙项目每平米造价低于439.7元,说明采用模块化建设在一定程度上可以节省工程成本。

对于每平米造价高于439.7元的模块化围墙项目,基于定额成本测算分析,表明即使模块化围墙和非模块化围墙采用同样的材料,也存在模块化围墙每平米造价高于非模块化围墙每平米造价的情况,主要是因为模块化围墙采用了更高成本的材质。模块化围墙一般采用以下4种材质:清水混凝土预制条板、ALC板(蒸压轻质加气混凝土板)、FC板(纤维水泥板)和水泥基挤塑空心板[10]。不同材质的模块化围墙每平米造价也有较大的差异,苏杭[7]文中模块化围墙每平米造价构成为:清水混凝土预制条板,500元;ALC板,400元;FC板,450元;董德永[8]文中2个模块化围墙的每平米造价分别为:1 203.48元和1 102.68元,其中墙板采用材质较好的钢框轻质板,提高了模块化围墙每平米造价。

4 结论

模块化变电站是一种比较新型的变电站建设方式,具有建设周期短、施工效率高、环境友好等优点,但其在控制工程成本方面褒贬不一,本文采用数学建模和实例分析的方法,重点分析了模块化施工和非模块化施工工程造价方面的区别。

通过建立模块化施工和非模块化施工工程造价的数学判定模型,得到模块化施工工程造价低于非模块化施工的条件,即模块化施工带来的材料设备费用的增加值与机械费用的增加值之和要小于人工费减小值和其他费的减小值之和。理论分析表明如果模块化产品和非模块化产品投入的材料、配件、设备等生产要素是相同的,使得模块化施工工程造价低于非模块施工。但是如果模块化的材质优于非模块化有较大概率产品,从而带来材料成本的大幅度上升,则模块化施工的工程造价会高于非模块化施工。基于模块化围墙的实证分析表明,小部分模块化围墙的工程造价低于非模块化围墙,反而大部分模块化围墙的工程造价却高于非模块化围墙,其原因主要是模块化产品采用材质提升,导致工程成本增加。本文采用对比分析的方法,分析了模块化变电站相对于非模块化变电站的经济效益,对变电站建设是否采用模块化施工,合理科学控制工程投资具有一定的指导意义。