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【摘要】随着建筑工业化的发展，机电安装工程正面临转型升级的考验。目前机电安装的发展趋势是把机电管线在工厂中生产加工成型、模块化组装完后，运输至工地现场快速安装。针对机电模块化安装成本高、质量难把控的问题，引进DFMA方法并探讨了在面向制造和装配的设计上降本提质的做法，提出了DFMA方法在建筑企业实施推广的建议和方法。
【关键词】工业化;机电安装;模块化;DFMA方法
【Abstract】With the development of construction industrialization，mechanical and electrical installation project is facing the test of transformation and upgrading.At present， the development trend of mechanical and electrical installation is manufacturing and forming of mechanical and electrical pipelines in the factory.After the completion of modular assembly， it shall be transported to the site for quick installation. Introducing DFMA method to solve the problems of high installation cost and difficult quality control of electromechanical modularization.we discuss several ways to reduce cost and improve quality and put forward the suggestion and method of DFMA in construction enterprises.
【Keywords】Industrialization;Mechanical and Electrical Installation;Modularization;DFMA Method
1、前言
随着我国经济发展和改革深化，传统建筑模式面临劳动力短缺、人工成本上升、环境污染、资源浪费等日益突出的问题[1]。2016年政府工作报告提出“大力发展装配式建筑”，是国家层面上决心进行建筑模式转型的信号。
机电安装工程作为工程项目中重要环节，涉及给排水、强电弱电、消防、暖通多个专业，包含了采购、加工、安装、调适、试运行、竣工验收等多个阶段，不同的专业独立生产加工，遵循自有的规范设计要求进行安装，多专业多工序相互交叉造成施工质量控制和管理协调困难，同时机电安装工程需要配合土建工程进行预留预埋施工，还要配合后期的装饰装修施工。目前我国大型复杂工程建设规模不断增加，面临着越来越庞大复杂的机电管线系统建设压力，传统的机电加工和安装模式严重制约项目建设和行业发展[2]。
2、机电模块化安装的尝试与问题
机电模块化安装是指机电管线在工厂中生产加工成型、模块化组装完后，运输至工地现场通过可靠的连接方式快速安装。因为机电专业管道类型及阀部件种类繁多，通过转变传统的安装思路，在专业化工厂将管线部件进行模块化集成，在施工现场进行高效拼装;同时把管道常用的连接方式由焊接施工全部转换为法兰连接，经工厂高效加工焊接后，根据机电专业系统划分、运输情况、现场安装等因素有效将机电专业系统划分为多段式安装模块，运输到施工现场后直接在进行法兰拼装，实现现场零焊接施工。
我们在机电模块化安装做过不少有益的尝试。深圳万科云城四期项目实现了制冷机房管道设备的预制模块化安装;贵阳金融中心1、2号楼前期进行BIM管线深化，大楼的风管、部分水管、支架、桥架采用预制模块化施工。
机电安装工程在实行模块化施工的时候，可以大大的提高施工效率，但是有两个问题一直制约模块化施工的推广。一是模块化安装工程造价高于传统安装方式，二是施工质量未能提升。第一个问题是我们新技术使用普遍存在的问题，机电模块化安装需要BIM高精度的深化设计，同时安装时需要增加部分施工措施辅助安装作业，减少了人工但增加了措施费;第二个问题结症在于集约的管道构配件制作精度要求高，而传统的管道生产加工精度往往不能满足模块化的安装要求，同时在安装过程中产生的误差未能得到有效的消除，会对安装的质量产生严重影响。综上所述，机电工程的工业化水平未能支撑模块化安装的实施。
3、基于DFMA的机电模块化安装改良
20世界70年代以来，世界制造业市场形态因为信息技术的发展发生了根本性的转变，促进了全球大市场的形成，国家与国家的距离变短，市场的壁垒不断地打破，甚至不断地交叉融合，由过去的局部竞争演变为全球范围内的竞争。以丰田、松下等为代表的日本先进企业，适应市场逐渐摸索出了自己高效的生产方式在汽车和半导体等行业逐步确立了世界市场的优势地位。在美国企业和管理学界学习研究日本企业的生产方式，逐渐发展完善并形成了DFMA的管理理论和方法[3]。DFMA（Design for Manufacturing and Assembly）是指在产品设计阶段，充分考虑来自于产品制造和装配的要求，使得研发工程师设计的产品具有很好的可制造性和可装配性，从根本上避免在產品开发后期出现的制造和装配质量问题[4]。DFMA的核心和宗旨是“我们设计，你们制造，设计充分考虑制造的要求”、“第一次就把事情做对”，帮助企业适应迅速变化的市场需求，真正提高企业的竞争力。
DFMA包括DFM和DFA，即面向制造的设计和面向装配的设计。结合DFM和DFA两种方式，我们从以下六个方面对机电模块化安装进行改良： 3.1标准化构配件设计
机电工程涉及专业较多，不同的专业由于历史原因相互独立，我们必须采取措施让它们联系起来。标准构配件采取统一的长度模数，为的是让它们在后期组合成模块能具有同一截面上的连接节点，方便模块间的连接。统一构配件的截面参数，打破不同专业的管线截面参数的差异，把管件制作为标准件，如承载液体的铸铁管既可以用于消防水、空调水、给排水，可以在不同专业中重复使用。
3.2减少零件数量
管道连接方式主要有螺纹连接、焊接、沟槽连接、法兰连接、卡套式连接、卡压式连接、热熔连接、承插連接;风管系统连接方式有角钢法兰连接、共板法兰连接;电缆桥架连接方式主要为螺母连接。每一种连接方式都有特定的应用范围和多样的接头样式，同时不同的管道有着多样的材质，如HDPE、PPR、PVC、不锈钢、球墨铸铁、铜等等。所以机电工程涉及的零件异常的多样，我们必须对零件进行筛分合并，挑选出常用的管线连接方式和材质，对它们进行基于DFMA的再设计。
3.3异型构配件设计
建筑并不是千篇一律的，每个建筑都会有所差异，机电管线的设置是按照建筑的布置和功能进行设计，这意味着管线布置中存在异型构配件。大量的异型构配件会对我们的生产加工造成负担，我们在进行深化设计时，在满足建筑管线的排布要求的原则下，尽量的减少异型构配件的数量，同时异型构配件应具备通用性，实现单个异型构配件批量生产。
3.4支吊架的优化
传统的安装模式，不同的管道分别设置支吊架，在复杂的机电项目中，支吊架的设置往往与上层的管线存在碰撞而不得不进行多次的现场调整。采取分段的模块化机电安装，无论存在多少层的管线，都共用一处支吊架，减轻了安装的工作量。但是我们现有的支吊架不满足模块化机电多层的重荷载的支吊，需要进行基于DFMA的再优化，实现多层管线排布和提升荷载承载力。
3.5非关键零件、工序的优化
对机电工程零件材料建立成本数据库，根据每个零件的制造方式，考虑符合功能要求且成本最合理的材料及工艺。筛选非关键的零件和工艺，进行成本分析，具备可优化的潜质的零件和工艺进行DFMA的再设计。如空调管道必须加垫木片防止出现冷桥现象，但加垫木片会增加造价同时木垫安装麻烦现场工人往往在这道工序马马虎虎，对安装质量造成影响。可尝试把隔热垫片集成至支吊架中，既可以降低成本也可以把控质量。
3.6减少后续的补充工作
现场多种管线安装时，因为涉及交叉作业，部分工作会选择后续补充，这会增加现场的工作量，影响施工进度，如保温材料的后安装，归因于集成至预制管道会在安装操作时脱落，增加的直径也不便于工人操作，基于DFMA的再设计，把保温材料集成至管道预制工作中，同时也要解决安装难操作的问题，集成模块的施工能很好地解决以上的问题，最大限度减少管线安装后的修补和收尾工作。
4、DFMA在建筑企业的实施方法
4.1思想转变
DFMA推翻了传统设计流程中“我设计”“你制造”之间的藩篱，在产品开发初期，需要设计、制造、施工等部门的人员参与到设计中，建立跨部门多专业的产品开发团队，工程师需要转变思想，从“设计不考虑制造和装配的需求”到“设计充分考虑制造和装配的需求”;企业需要转变思想，从“重制造，轻设计”到“轻制造，重设计”。
4.2设计平台
我们整个设计过程是并行设计，在进行项目施工图设计的，不再是结构、建筑、机电、装修分离，不同专业的设计师是协同工作的;在进行机电施工图深化设计时，给排水、强弱电、暖通、消防不再是独在建模，是并行设计的。这需要我们构建一个协同办公的平台，团队成员能够及时沟通，通过网络实现在产品的方案设计后设计人员应用DFA对装配成本进行分析的同时工艺人员可以对方案浏览并应用DFM对产品的制造成本进行分析，并且能知道工厂生产加工和现场安装作业。
4.3开发流程
我们基于制造业的DFMA开发思路[5]进行修改，在产品设计前期做好相关的需求分析，制定产品设计的指标，在进行概念设计后验证设计的可行性，后期进行基于制造和装配的再设计，最终确定的设计图纸需经过专家的评审，杜绝反反复复的修改，降低产品开发成本，缩短开发周期。
4.4 DFMA培训
对于未接触过DFMA的工程师来说，他们在前期使用DFMA时会认为增加了工作任务，因为分析现有产品的制造工艺和装配流程是一件繁琐和花费时间的事情，而工程师在产品开发项目上的时间往往非常紧迫，这会让他们产生抵触的心理。因此工程师需要进行系统DFMA培训，培训内容包括基本理论知识、案例学习、协同办公模拟等，让他们深入的了解、认可DFMA这一方法工具，熟练地应用到研发和改良工作中，提前发现和排除设计上不符合生产要求的方案，减少后期设计变更的情况，使得产品从试产到量产的过程更加顺畅，可以节省整体的开发时间。
结语：
DFMA在国内外发展多年，无数的案例证明DFMA能从根源上减少产品设计修改、缩短产品研发周期、降低产品成本、提升产品质量，DFMA在机电模块化安装上的应用，能很好地解决现阶段的机电工业化难点痛点，但是国内建筑行业并未推广使用DFMA，无可复制的经验。DFMA并非一针见效的良剂，需要持之以恒不断运用，才能显现它的效果。建筑工程的工业化转型升级是大势所趋，建筑企业应该下更大的决心，从战略规划到组织调整，再到熟练使用DFMA方法从设计的源头降本，再到完善整个体系建设，不断地让DFMA成为支撑企业发展创新的支柱。
参考文献：
[1]王俊，赵基达，胡宗羽.我国建筑工业化发展现状与思考[J].土木工程学报，2016（5），1～7.
[2]吴靖芸.机电安装现状及发展方向[J].轻工科技，2015（3），36～370.
[3]李建哲.精益管理和DFMA双剑合璧[J].中国工业和信息化，2018（5），80～87.
[4] Geoffrey Boothroyd，Peter Dewhorst， Winston A.Knight.面向制造及装配的设计[M].机械工业出版社，2015.
[5]陈伟伟，刘春兵.浅析DFMA在家具产品开发中的应用[J].家具，2014（1），6～11.
作者简介：
陈荣朗，男，研发工程师，主要从事装配式建筑的研究。
课题：《装配式科教工程关键技术研究与应用》 CSCEC4B-2020-KT-7
【关键词】工业化;机电安装;模块化;DFMA方法
【Abstract】With the development of construction industrialization，mechanical and electrical installation project is facing the test of transformation and upgrading.At present， the development trend of mechanical and electrical installation is manufacturing and forming of mechanical and electrical pipelines in the factory.After the completion of modular assembly， it shall be transported to the site for quick installation. Introducing DFMA method to solve the problems of high installation cost and difficult quality control of electromechanical modularization.we discuss several ways to reduce cost and improve quality and put forward the suggestion and method of DFMA in construction enterprises.
【Keywords】Industrialization;Mechanical and Electrical Installation;Modularization;DFMA Method
1、前言
随着我国经济发展和改革深化，传统建筑模式面临劳动力短缺、人工成本上升、环境污染、资源浪费等日益突出的问题[1]。2016年政府工作报告提出“大力发展装配式建筑”，是国家层面上决心进行建筑模式转型的信号。
机电安装工程作为工程项目中重要环节，涉及给排水、强电弱电、消防、暖通多个专业，包含了采购、加工、安装、调适、试运行、竣工验收等多个阶段，不同的专业独立生产加工，遵循自有的规范设计要求进行安装，多专业多工序相互交叉造成施工质量控制和管理协调困难，同时机电安装工程需要配合土建工程进行预留预埋施工，还要配合后期的装饰装修施工。目前我国大型复杂工程建设规模不断增加，面临着越来越庞大复杂的机电管线系统建设压力，传统的机电加工和安装模式严重制约项目建设和行业发展[2]。
2、机电模块化安装的尝试与问题
机电模块化安装是指机电管线在工厂中生产加工成型、模块化组装完后，运输至工地现场通过可靠的连接方式快速安装。因为机电专业管道类型及阀部件种类繁多，通过转变传统的安装思路，在专业化工厂将管线部件进行模块化集成，在施工现场进行高效拼装;同时把管道常用的连接方式由焊接施工全部转换为法兰连接，经工厂高效加工焊接后，根据机电专业系统划分、运输情况、现场安装等因素有效将机电专业系统划分为多段式安装模块，运输到施工现场后直接在进行法兰拼装，实现现场零焊接施工。
我们在机电模块化安装做过不少有益的尝试。深圳万科云城四期项目实现了制冷机房管道设备的预制模块化安装;贵阳金融中心1、2号楼前期进行BIM管线深化，大楼的风管、部分水管、支架、桥架采用预制模块化施工。
机电安装工程在实行模块化施工的时候，可以大大的提高施工效率，但是有两个问题一直制约模块化施工的推广。一是模块化安装工程造价高于传统安装方式，二是施工质量未能提升。第一个问题是我们新技术使用普遍存在的问题，机电模块化安装需要BIM高精度的深化设计，同时安装时需要增加部分施工措施辅助安装作业，减少了人工但增加了措施费;第二个问题结症在于集约的管道构配件制作精度要求高，而传统的管道生产加工精度往往不能满足模块化的安装要求，同时在安装过程中产生的误差未能得到有效的消除，会对安装的质量产生严重影响。综上所述，机电工程的工业化水平未能支撑模块化安装的实施。
3、基于DFMA的机电模块化安装改良
20世界70年代以来，世界制造业市场形态因为信息技术的发展发生了根本性的转变，促进了全球大市场的形成，国家与国家的距离变短，市场的壁垒不断地打破，甚至不断地交叉融合，由过去的局部竞争演变为全球范围内的竞争。以丰田、松下等为代表的日本先进企业，适应市场逐渐摸索出了自己高效的生产方式在汽车和半导体等行业逐步确立了世界市场的优势地位。在美国企业和管理学界学习研究日本企业的生产方式，逐渐发展完善并形成了DFMA的管理理论和方法[3]。DFMA（Design for Manufacturing and Assembly）是指在产品设计阶段，充分考虑来自于产品制造和装配的要求，使得研发工程师设计的产品具有很好的可制造性和可装配性，从根本上避免在產品开发后期出现的制造和装配质量问题[4]。DFMA的核心和宗旨是“我们设计，你们制造，设计充分考虑制造的要求”、“第一次就把事情做对”，帮助企业适应迅速变化的市场需求，真正提高企业的竞争力。
DFMA包括DFM和DFA，即面向制造的设计和面向装配的设计。结合DFM和DFA两种方式，我们从以下六个方面对机电模块化安装进行改良： 3.1标准化构配件设计
机电工程涉及专业较多，不同的专业由于历史原因相互独立，我们必须采取措施让它们联系起来。标准构配件采取统一的长度模数，为的是让它们在后期组合成模块能具有同一截面上的连接节点，方便模块间的连接。统一构配件的截面参数，打破不同专业的管线截面参数的差异，把管件制作为标准件，如承载液体的铸铁管既可以用于消防水、空调水、给排水，可以在不同专业中重复使用。
3.2减少零件数量
管道连接方式主要有螺纹连接、焊接、沟槽连接、法兰连接、卡套式连接、卡压式连接、热熔连接、承插連接;风管系统连接方式有角钢法兰连接、共板法兰连接;电缆桥架连接方式主要为螺母连接。每一种连接方式都有特定的应用范围和多样的接头样式，同时不同的管道有着多样的材质，如HDPE、PPR、PVC、不锈钢、球墨铸铁、铜等等。所以机电工程涉及的零件异常的多样，我们必须对零件进行筛分合并，挑选出常用的管线连接方式和材质，对它们进行基于DFMA的再设计。
3.3异型构配件设计
建筑并不是千篇一律的，每个建筑都会有所差异，机电管线的设置是按照建筑的布置和功能进行设计，这意味着管线布置中存在异型构配件。大量的异型构配件会对我们的生产加工造成负担，我们在进行深化设计时，在满足建筑管线的排布要求的原则下，尽量的减少异型构配件的数量，同时异型构配件应具备通用性，实现单个异型构配件批量生产。
3.4支吊架的优化
传统的安装模式，不同的管道分别设置支吊架，在复杂的机电项目中，支吊架的设置往往与上层的管线存在碰撞而不得不进行多次的现场调整。采取分段的模块化机电安装，无论存在多少层的管线，都共用一处支吊架，减轻了安装的工作量。但是我们现有的支吊架不满足模块化机电多层的重荷载的支吊，需要进行基于DFMA的再优化，实现多层管线排布和提升荷载承载力。
3.5非关键零件、工序的优化
对机电工程零件材料建立成本数据库，根据每个零件的制造方式，考虑符合功能要求且成本最合理的材料及工艺。筛选非关键的零件和工艺，进行成本分析，具备可优化的潜质的零件和工艺进行DFMA的再设计。如空调管道必须加垫木片防止出现冷桥现象，但加垫木片会增加造价同时木垫安装麻烦现场工人往往在这道工序马马虎虎，对安装质量造成影响。可尝试把隔热垫片集成至支吊架中，既可以降低成本也可以把控质量。
3.6减少后续的补充工作
现场多种管线安装时，因为涉及交叉作业，部分工作会选择后续补充，这会增加现场的工作量，影响施工进度，如保温材料的后安装，归因于集成至预制管道会在安装操作时脱落，增加的直径也不便于工人操作，基于DFMA的再设计，把保温材料集成至管道预制工作中，同时也要解决安装难操作的问题，集成模块的施工能很好地解决以上的问题，最大限度减少管线安装后的修补和收尾工作。
4、DFMA在建筑企业的实施方法
4.1思想转变
DFMA推翻了传统设计流程中“我设计”“你制造”之间的藩篱，在产品开发初期，需要设计、制造、施工等部门的人员参与到设计中，建立跨部门多专业的产品开发团队，工程师需要转变思想，从“设计不考虑制造和装配的需求”到“设计充分考虑制造和装配的需求”;企业需要转变思想，从“重制造，轻设计”到“轻制造，重设计”。
4.2设计平台
我们整个设计过程是并行设计，在进行项目施工图设计的，不再是结构、建筑、机电、装修分离，不同专业的设计师是协同工作的;在进行机电施工图深化设计时，给排水、强弱电、暖通、消防不再是独在建模，是并行设计的。这需要我们构建一个协同办公的平台，团队成员能够及时沟通，通过网络实现在产品的方案设计后设计人员应用DFA对装配成本进行分析的同时工艺人员可以对方案浏览并应用DFM对产品的制造成本进行分析，并且能知道工厂生产加工和现场安装作业。
4.3开发流程
我们基于制造业的DFMA开发思路[5]进行修改，在产品设计前期做好相关的需求分析，制定产品设计的指标，在进行概念设计后验证设计的可行性，后期进行基于制造和装配的再设计，最终确定的设计图纸需经过专家的评审，杜绝反反复复的修改，降低产品开发成本，缩短开发周期。
4.4 DFMA培训
对于未接触过DFMA的工程师来说，他们在前期使用DFMA时会认为增加了工作任务，因为分析现有产品的制造工艺和装配流程是一件繁琐和花费时间的事情，而工程师在产品开发项目上的时间往往非常紧迫，这会让他们产生抵触的心理。因此工程师需要进行系统DFMA培训，培训内容包括基本理论知识、案例学习、协同办公模拟等，让他们深入的了解、认可DFMA这一方法工具，熟练地应用到研发和改良工作中，提前发现和排除设计上不符合生产要求的方案，减少后期设计变更的情况，使得产品从试产到量产的过程更加顺畅，可以节省整体的开发时间。
结语：
DFMA在国内外发展多年，无数的案例证明DFMA能从根源上减少产品设计修改、缩短产品研发周期、降低产品成本、提升产品质量，DFMA在机电模块化安装上的应用，能很好地解决现阶段的机电工业化难点痛点，但是国内建筑行业并未推广使用DFMA，无可复制的经验。DFMA并非一针见效的良剂，需要持之以恒不断运用，才能显现它的效果。建筑工程的工业化转型升级是大势所趋，建筑企业应该下更大的决心，从战略规划到组织调整，再到熟练使用DFMA方法从设计的源头降本，再到完善整个体系建设，不断地让DFMA成为支撑企业发展创新的支柱。
参考文献：
[1]王俊，赵基达，胡宗羽.我国建筑工业化发展现状与思考[J].土木工程学报，2016（5），1～7.
[2]吴靖芸.机电安装现状及发展方向[J].轻工科技，2015（3），36～370.
[3]李建哲.精益管理和DFMA双剑合璧[J].中国工业和信息化，2018（5），80～87.
[4] Geoffrey Boothroyd，Peter Dewhorst， Winston A.Knight.面向制造及装配的设计[M].机械工业出版社，2015.
[5]陈伟伟，刘春兵.浅析DFMA在家具产品开发中的应用[J].家具，2014（1），6～11.
作者简介：
陈荣朗，男，研发工程师，主要从事装配式建筑的研究。
课题：《装配式科教工程关键技术研究与应用》 CSCEC4B-2020-KT-7