0 引　言

模块化设计与建造是当今大型复杂系统、平台和工程研制的发展方向，在缩短工程研制周期、降低经费需求、加强施工环境及建造质量控制、提高使用维护、维修便捷性等方面具有重要意义^[1]。海洋核动力平台是核动力舰船的转化成果，也是船舶与核电工程的有机结合，核动力平台的设计建造模式可以借鉴船舶、核电、核动力舰船的模块化思想。

船舶模块化技术研究始于MEKO/FES舰船设计思想，即将不同装备以模块形式安装到标准舰船平台，采用多个预装配分段建造、平行作业、互不干扰，最终集中安装的舰船设计理念及建造方式^[2]。

美国URD文件在ALWR（先进轻水反应堆）可建造性的政策声明中要求应用先进的模块化技术。如今国内核电行业的模块化设计、建造技术应用始于秦山三期核电建造^[3]。然而，无论是船舶海工领域还是核电领域，模块化技术的应用发展都受到设计建造技术实力和建造流程质量管理水平的制约。尤其是在模块化顶层规划——模块划分技术的关注较少。因此，有必要结合海洋核动力平台自身特点，对平台模块划分技术进行研究，为平台模块化设计建造提供理论指导。

1 模块划分原则

模块划分是在一定原则上对某一产品有针对性的进行空间分割和功能划分，在考虑设计、建造、维修以及更新换代的需求，对一定范围内具有功能关联的设备、管路及其附件进行整合，使其能成为功能与结构独立，满足区域化设计建造的要求^{[4 – 5]}。

因此，模块划分应遵循的基本原则包括区域和功能独立性、扩展性、标准化。

1.1 平台区域/总段模块划分原则

平台模块化设计是为了以少数模块组成尽可能多类型的核动力平台，并在满足要求的基础上使平台性能稳定、结构简单、成本低廉、研制周期短。因此，如何方案设计阶段科学合理地划分模块，使平台设计具有一定灵活性、建造管理合理性，而且使平台模块系列具有很强的扩展、变型、辐射能力，是平台模块化设计中的一项重要工作。

方案设计阶段进行区域/总段模块划分必须对平台进行仔细的功能分析，并遵循以下原则：

1）总段模块在平台中的作用及其更换的可能性和必要性；

2）保持总段模块功能独立和结构完整，特别是涉核区域与非核区域的独立和完整^[6]；

3）总段模块间的接合要便于联接与分离；

4）总段模块的分解、组合不能影响平台的主要功能。

1.2 平台模块划分原则 1.2.1 功能模块划分原则

功能模块划分是模块化设计的基础条件，为使平台模块构建合理、组合便利^[7]，在功能模块划分中要遵循以下原则：

1）区域性原则

以区域功能为导向、结合结构模块划分需求，保证区域模块最大化、独立性，如核动力平台可以划分为生活区、工作区、堆舱区、单点区；

2）功能独立性

以模块平行设计为目标，考虑模块组合多样化，减少冗余功能，保证模块的功能独立和完整，如核动力平台应急电站分为逆变模块、配电模块等；

3）结构独立原则

基于功能独立性配置独立结构，为模块的设计、建造、产品组合、产品维修更换提供便利，如为设备冷却水出口端管路模块设置独立的依附结构；

4）大小适中原则

基于约定层次的模块分解，以并行设计、建造为前提，确定平台总的最低约定分解层级，核动力平台模块划分的最低约定分解层级为部件模块，如淡水供给模块；

5）通用性原则

模块划分结果应具有广泛的功能或结构覆盖性，为构造多样化的平台提供功能或结构组件，如改变核动力平台单点模块型式，可以将核动力平台应用于不同海域。

1.2.2 结构模块划分原则

结构模块划分既要考虑其本身作为平台总体结构有设计建造的要求，又考虑模块上的设备、模块安装等多种因素^{[8 – 9]}，特别是对核级设备影响。在结构模块划分中遵循以下原则：

1）考虑区域装配的完整性

结构模块划分时需最大限度实现各区域、各功能模块的结构完整性，如堆舱、生活区等。

2）考虑分段与总段模块的起重与运输

结构模块划分需综合权衡模块重量和尺寸在运输能力范围内，并对其起重运输能力充分利用。

3）考虑施工工艺的合理性

结构模块划分应尽量扩大分段装配焊接的机械化、自动化范围，考虑使高空作业平面化。

4）考虑的结构合理性

结构模块划分应保证分段大接缝位置布置和接头形式，而且各模块应具有足够的刚性以便调运。

5）考虑施工作业的均衡性

结构模块划分应保证作业量的均衡性。各结构模块必须在体积、重量和形状等方面具有相似性，以便在加工和各级装配过程中均匀地分配工作量。

2 模块划分方法 2.1 平台模块层次划分

海洋核动力平台是一个复杂的多系统工程产品，其特点是功能复杂、结构与系统层级多。在进行模块划分时，首先应该按层次逐级展开，逐层向下分解，高层次以低层次为基础，同时高层次又带动和决定低层次的构成和发展。

因此在进行平台模块划分时，首先应该按照平台的相对复杂程度或功能关系划分属于平台的层次，然后在各个层次确定初始约定层次和最低约定层次，最后在初始约定层次进行模块划分得出最低约定层次模块，如此重复直至模块划分满足标准化、系列化、组合化的设计需求。

从海洋核动力平台模块化区域概念出发，结合船舶分段建造、总段对接的实际情况，建议将造船模块分为7个层次，其中每个层次模块包含相应的结构模块和功能模块。

2.2 模块划分方法

平台是由多个大型复杂系统共同组成的有机整体，所涉及功能要素庞杂，因而其组合方式无限。平台模块划分是研究如何将无限个功能要素组合确定为有限个最优组合的过程。

模块划分以功能为核电开展，即将功能分析为基础构件简单模型，然后由简单模型组合复杂系统，并实现原有系统的特定功能。

1）以功能为核心进行分解

模块是指具有某种确定功能的独立单元，功能既是构成模块的依据，也是进行模块分解的基础。模块可以是物理单元，也可以是结构单元，但就实际设计建造而言，独立功能模块已包含结构单元，即物理功能单元和基础结构单元的组合体。

2）通用要素的提取和典型化

以主要功能要素为核心把关系较为密切的构成要素进行分组，经过加工整理，把这些功能要素从初始约定层次中分离出来，使之成为能够适应同一层次其他产品的具有特定功能的独立单元。

3）模块接口分界点的选取

模块接口分解点的选取原则是使模块内的聚集度最大，而模块间的结合度最小。模块内的构成要素就是为实现某一特定功能而服务的，并使接口结构简化，使系统既容易组合、又容易拆散。

4）非典型或非核心要素的处理

非典型或非核心要素的简化和整合，在总段层次级体现为一些能通用于多种系统的装置或设备；在部件层级则为各种类型的通用模块。

5）模块接口的处理

模块接口是各组成模块间传递功能的共享界面，是物质、能量、信息传递的枢纽，模块间接口的匹配性将直接影响到模块功能的发挥和整机的可靠性。

2.3 模块划分的流程

模块划分原则是模块划分过程中的总纲，要实现对模块划分必须确定模块划分的主要环节和流程，如图1所示是模块划分的主要环节和流程。

1）各模块层次分析

对各模块层次进行分析，调查、研究、技术发展方向，并在此基础上确定模块化的规模、适用范围。

2）主要功能要素提取和分离

针对各层次的不同特征，分析功能要素，组合功能关联性高并分离功能聚合度低的部分，可以形成该层次模块的雏形。

3）辅助要素聚合

经上述主要功能的提取和分离后，剩下许多辅助要素和一些分立的比较小的构成要素，应对这些要素进行聚合处理，以提高子系统或产品的模块化、标准化系数，以便简化系统的构成。

4）模块接口模式分析

在对系统进行上述分解后，研究重新组合成多种对象系统的可行性，研究接口方式、接口要素及接口设置部位等问题。

5）模块组合验证

运用已设定好的模块及接口模式，将模块重新组合成多型产品的可行性，组合既是为了验证是否能达到最初预期的目的，也是为了验证系统分解的正确性。

3 模块划分的实施

模块划分原则和方法为模块划分提供理论和思想上的支撑，但在实际模块划分时，仍要以实际工程为依托，因此，本文将以海洋核动力平台的模块划分为基础对平台模块划分具体实施过程的简单说明。

3.1 模块划分具体实施

海洋核动力平台示范工程为搭载有核动力装置的焊接结构钢质非自航船式平台/船，长期单点系泊于指定作业海域，为用户提供电能、淡水等资源。

1）模块划分输入条件：总布置图、系统原理图、舱室布置图、基本结构图、重量统计表、管系原理图、建造方针、三维模型。

2）模块划分是一个循序渐进的过程。模块划分首先要在以上实际工程图纸文件的基础上，按照模块划分原则及方法制定符合本工程项目的划分细则，进行模块划分前期规划，初步草拟模块划分结构树；然后根据产品建造方针及建造规定不断修正，同时考虑符合设计方法、作业阶段及有关工艺要求；最后得出模块化划分结构树。图2为海洋核动力平台按区域划分的局部结构树。

3）模块划分应以能实现并优化系统功能为基础。对模块划分结构树各级模块进行组合分析，校对检验模块组合能否满足系统的功能要求，符合施工工艺规范，并与相关各方进行协调与优化。

4）模块划分应以总布置图、舱室布置图、管系原理图等为背景，根据实际模块划分情况规划管子单元，并绘制各模块图纸。

5）各模块应充分考虑模块的完整性，尽可能设计成包容性整体式模块，使之能更多地包含管子、支架、阀（附）件、设备、基座、格栅、梯子、栏杆、护手、电缆管、电控箱等要素。

6）结构模块作为功能模块的载体，在进行模块划分时要在满足结构刚度和强度的基础服从功能模块完整性划分要求。图3为海洋核动力平台结构模块初步划分图。

7）模块化设计建造的优点是提高建造质量，因此实际施工作业应该在前期模块划分时就给予考虑。主要包括高空作业平地做，密闭作业敞开做，仰、立作业俯向做，水上作业陆地做的壳、舾、涂一体化四大作业原则。

3.2 模块划分实施注意事项

模块划分的重点与难点在于功能模块的划分实施过程，结构模块几乎是在满足一定要求的基础上服从功能模块划分的，因此在模块划分时着重分析了功能模块划分应注意的主要问题：

1）模块划分应使其结构大小、功能范围适当。划分时应尽量使小的设备、部件、附件集中起来，形成功能完整而且独立的模块，以简化系统构成；

2）在模块划分和设计中，应尽量找出其共性，提高模块内的功能集合度；

3）模块整体要从制作、安装、调试的可能性考虑，同时要便于运输、安装及维修、运行和在役检查。

结构模块作为功能模块的重要载体，对其进行划分时要注意以下问题：

1）分段划分应满足易于建造，高效建造；

2）满足分段划分限制，并最大限度的合理利用生产资源；

3）提高原材料的利用率；

4）考虑作业的类似性便于分段的装配；

5）保证分段或预搭载阶段舱室的完整性，提高预舾装率；

6）保证船体结构强度；

7）满足工程建造进度、工艺试验流程；

8）分段划分应考虑船厂生产计划和建造作业的均衡性及综合管理。

3.3 CATIA辅助模块划分

CATIA V5软件针对平台等结构体专门开发了功能体积和模块划分的创建和修改功能。通过功能体积将设计的结构分割成较小的模块单元，通过这些模块单元可以更好地管理设计和建造目标。

对船体进行模块单元划分时需要综合考虑船厂实际条件，如在功能设计阶段早期需要考虑限制和起重能力等。

4 结　语

模块化思想在缩短工程研制周期、降低经费需求、提高施工环境及建造质量等方面具有显著优势，但如何在设计阶段融合模块思想、以功能为核心进行模块划分，建立模块划分流程是开展模块化设计的前提。

本文结合核动力舰船和核电模块化设计经验，针对海洋核动力平台提出了划分原则；在平台层次划分的基础上，阐述了以功能为核心的模块划分方法及技术要点，研究总结了指导模块划分的设计流程；最后以海洋核动力平台为例进行模块划分，为平台模块划分的具体实施提供了依据。