Russian Federation
Moscow State University of Civil Engineering (kafedra stroitel'stva ob'ektov teplovoy i atomnoy energetiki, aspirant)
Russian Federation
VAK Russia 2.1.14
UDC 69.05
UDC 692
UDC 658.2
UDC 69.003
The article presents the results of research on the selection of optimal assembly block modularity for structures with composite and steel plate reinforcement for the containment internal structures (CIS) of a nuclear power plant reactor building. The study is aimed at reducing capital costs and construction duration as part of the implementation of Russia's nuclear energy development strategy. To achieve these objectives, the application of industrial construction methods for the reactor building is proposed, the effectiveness of which must be substantiated. Based on the analysis of four variants of reinforcement formwork block (RFB) modularization for two reinforcement types — composite and steel plate — a comprehensive methodology for technical and economic assessment has been developed. The methodology includes labor cost forecasting, construction duration forecasting, assessment of capital costs for temporary infrastructure, and analysis of economic effects using the discounted cost criterion. The range of reinforcement formwork block weights that ensures maximum construction efficiency has been determined. The adopted solutions allow reducing the construction duration of the containment internal structures by 5 months compared to minimal block modularity or piecework reinforcement, which in turn leads to a reduction in the overall NPP construction duration. The developed methodology and its application will enhance project efficiency when implemented at the pre-design and design stages of the life cycle, provided the necessary measures are undertaken.
nuclear power plant (NPP), steel-concrete composite structures (SCS), assembly block modularity, reinforcement formwork block (RFB), construction duration, life cycle management
Введение
Современная энергетическая стратегия России, отраженная в Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2042 года, предусматривает увеличение доли атомной генерации до 25%. Достижение этой цели требует повышения экономической эффективности и конкурентоспособности отечественных АЭС. Ключевыми задачами в этом направлении являются снижение капитальных затрат и сокращение сроков строительства энергоблоков.
Перспективным решением для достижения этих показателей является применение индустриальных методов строительства здания реактора. Однако эффективность внедрения данной технологии в значительной степени зависит от оптимизации параметров арматурно-опалубочных блоков на стадии проектирования [1, 2]. Наиболее эффективно внедрение исследуемой технологии во время планирования и проектирования, то есть до начала строительных работ. Для решения этих задач был выполнен комплекс научно-исследовательских работ.
Актуальность настоящего исследования заключается в необходимости выбора оптимальных конструктивных и технологических параметров арматурно-опалубочных блоков, включая определение степени их укрупнения, типа армирования (листовое или смешанное). Комплексный анализ этих параметров позволяет дать количественное обоснование их влияния на трудоемкость, продолжительность монтажных работ и стоимость. В ходе работ поиск наиболее эффективных технологических решений предусматривает выбор варианта с наименьшей продолжительностью строительства. При этом изменения продолжительности оказывает влияние на организационные решения. Разработанные подходы по выбору монтажной блочности позволяют обосновывать технические решения конструкций гермозоны на предпроектном и проектном этапе жизненного цикла. Это дает инструмент принятия организационных решений, связанных с монтажной блочностью строительных конструкций заинтересованным участникам реализации проекта.
Материалы и методы
При проведении исследования введено понятие блочности – средней массы блока арматурно-опалубочных конструкций. Монтажная блочность – это степень укрупнения конструкций в блоки, которую можно представить отношением общей массы сборных элементов к их количеству, таким образом, оценивая среднюю массу укрупнённых элементов на строительной площадке [3].
В основу работы положена концепция выбора оптимальной схемы монтажных фрагментов (арматурно-опалубочных блоков — АОБ) зоны локализации аварии (ЗЛА) реакторного здания на основе сравнительного анализа вариантов с различной степенью укрупнения. Объектом исследования послужили конструкции стен и перекрытий ЗЛА проекта ВВЭР-ТОИ. Рассматривались сталежелезобетонные конструкции (СЖБК), у которых стержневая арматура частично или полностью заменена несущей листовой арматурой, так же являющейся несъемной опалубкой.
Анализу подверглись два варианта армирования:
- Конструкции со смешанным армированием (листовая и стержневая арматура).
- Конструкции с преимущественно листовым армированием с минимальным применением стержневой арматуры на монолитных участках.
Выбор оптимальных массогабаритных характеристик АОБ проводился с учетом комплекса конкурирующих факторов: положительного экономического эффекта от сокращения сроков строительства и негативных факторов, таких как рост затрат на логистику, механизацию и металлоемкость укрупненных блоков.
Для выявления зависимости трудоемкости и продолжительности работ от степени укрупнения были разработаны и проанализированы четыре варианта членения конструкций ЗЛА на АОБ (таблица 1):
- Вариант 1: Наиболее мелкая разрезка (наибольшее количество блоков и стыков).
- Вариант 2 (Базовый): Проектная разрезка ВВЭР-ТОИ.
- Вариант 3: Укрупненные плоские и угловые блоки.
- Вариант 4: Максимально укрупненные пространственные (объемные) блоки, объединяющие стены и перекрытия.
Варианты 3 и 4 предполагают этап предмонтажного укрупнения на специализированной площадке, подобные подходы применялись при строительстве АЭС в СССР [1]. Конструкции АОБ и их стыков были адаптированы для условий листового армирования [4] с эквивалентным замещением сечения стержневой арматуры [5, 6].
Таблица 1
Варианты разрезки на блоки стен и перекрытий гермозоны здания реактора
|
|
Вариант 1 |
Вариант 2 (Базовый) |
Вариант 3 |
Вариант 4 |
|
Стены |
|
|
|
|
|
Перекрытия |
|
|
|
|
Методика сравнительной оценки
Оценка эффективности вариантов проводилась на основе технико-экономического моделирования. Расчеты выполнялись для работ по возведению стен и перекрытий ЗЛА. Ключевые сравниваемые показатели включали:
- Количество и среднюю массу АОБ стен и перекрытий.
- Протяженность стыков различных типов (вертикальные, горизонтальные, «перекрытие-стена», «перекрытие-перекрытие»).
- Трудозатраты и сметная стоимость на всех этапах технологической цепочки.
- Оценку влияния блочности на общую продолжительность строительства энергоблока.
Экономическая эффективность для инвестора-заказчика определялась на основе критерия приведенных затрат. Дополнительно учитывались производственные ограничения генподрядчика, такие как требуемая грузоподъемность кранового оборудования, и схемы расстановки [7].
Далее производилась оценка и учет следующих факторов:
- средств механизации
- монтажной жесткости АОБ (кол-во элементов жесткости);
- затрат на временную инфраструктуру с учетом интенсивности работ;
- влияния степени укрупнения на капитальные затраты;
Оценка возможности применения рассматриваемых вариантов АОБ выполнялась с учетом их массовых характеристик и грузоподъемности кранов на соответствующих вылетах.
Для обеспечения геометрической неизменяемости арматурно-опалубочных блоков (АОБ) в период транспортировки, кантовки и монтажа была проведена оценка необходимости их насыщения дополнительными элементами жесткости. Анализ проводился для съемных инвентарных приспособлений (траверсы, подкосы) и несъемных металлоконструкций (фермы, профили), остающиеся в теле бетона.
Было установлено, что масса съемных приспособлений (траверс, подкосов) составляет в среднем 3–5% от массы поднимаемого блока. Наибольшая металлоемкость характерна для варианта с объемными блоками (Вариант 4). Установлено, что увеличение степени укрупнения блоков не приводит к критическому росту совокупных затрат на металл для обеспечения монтажной жесткости.
Сокращение сроков строительно-монтажных работ (СМР) при использовании укрупненных СЖБК приводит к росту пиковой интенсивности работ, что требует соответствующего увеличения мощностей строительно-монтажной базы (СМБ). Для оценки сопутствующих капитальных затрат была разработана методика, учитывающая взаимосвязь продолжительности строительства, темпа работ и стоимости временной инфраструктуры. В качестве цеха-аналога для определения базовых параметров принят цех СМБ АЭС «Руппур» [8].
В качестве примера отметим, что при переходе от базового варианта к объемным блокам при смешанном армировании площадь цеха увеличивается на 16,8%, стоимость на 11%, а при максимальном укрупнении площадь возрастает на 25,9%. Полученные значения капитальных затрат на цех используются как составляющая общих приведенных затрат. Расчеты подтвердили существенное влияние степени укрупнения на стоимость временной инфраструктуры.
Прогнозирование трудозатрат выполнено для трех технологических этапов: изготовление АОБ в цехе, укрупнение на площадке и монтаж в проектное положение. Основой расчета послужил анализ с определением удельных показателей трудозатрат (чел.-ч/м², чел.-ч/т, чел.-ч/п.м. стыков) на основе нормативной базы, проектных данных и аналитических подходов [9]. При расчете укрупнения и монтажа использована классификация стыков по четырем типам с определением протяженности соединений для каждого варианта. Объем работ по стыкам определялся измерением по чертежам и с использованием аналитических зависимостей [10].
Для определения продолжительности работ за основу принят график сооружения первого энергоблока Курской АЭС-2. Ключевым отличием рассматриваемых вариантов от аналога является полное исключение съемной опалубки и штучного армирования за счет применения арматурно-опалубочных блоков (АОБ). На основе анализа металлоемкости конструкций и темпов работ установлено, что монтаж АОБ осуществляется в 2,8 раза быстрее штучного армирования. Методика расчета включала декомпозицию работ по конструктивным элементам (стены, перекрытия) и отметкам, с выделением работ по армированию и бетонированию. Это позволило пересчитать продолжительность работ для базового варианта со смешанным армированием. Для вариантов 1, 3 и 4 продолжительность определена пропорционально трудозатратам на монтаж с сохранением принципов совмещения операций.
Была учтена специфика конструктивных решений (отсутствие съемной опалубки, сокращение зон стыков), сохранена логика совмещения операций из исходного графика, обеспечена сопоставимость результатов за счет унификации методики для всех вариантов. Методика позволила получить сопоставимые оценки продолжительности строительства для рассматриваемых вариантов укрупнения.
Поскольку существующие сметные нормы не учитывают влияние размеров монтируемых блоков, для корректной экономической оценки вариантов укрупнения разработана детализированная система калькуляций. Расчет проводился отдельно для этапа изготовления, этапа укрупнения, а так же монтажа. Для оценки применялся базисно-индексный метод, а так же выборочно использовались расценок ФЕР-2001. Учтены прямые и накладные расходы, а также единовременные инвестиции в инфраструктуру, зависящие от степени укрупнения.
В качестве критерия эффективности использован показатель приведенных капитальных затрат, учитывающий как изменение стоимости строительства, так и временную стоимость денег (норма дисконта 10,5% годовых [11]). Полученные результаты демонстрируют преимущество листового армирования и важность баланса между степенью укрупнения блоков и возникающими дополнительными затратами.
Анализ стоимостных эффектов от сокращения продолжительности работ учитывает эффекты от сокращения инфляционных потерь, снижение долговых обязательств, дополнительную прибыль от досрочной продажи электроэнергии, оценку затрат на расширение строительной инфраструктуры.
Методика выбора оптимальной блочности, учитывающая эффект от сокращения продолжительности строительства, предусматривает сравнение полученных приведенных затрат по вариантам. Суммарные приведенные затраты рассчитываются, как сумма стоимости сборочно-монтажных работ, дополнительных затрат на механизацию и стоимости сооружений стройбазы, за вычетом эффекта от сокращения срока ввода, определяются по формуле:
, (1)
где – стоимость монтажно-сборочных работ;
Результаты
Укрупнение стеновых блоков снижает трудозатраты на монтаже до ~45% для смешанного и ~42% для листового армирования. Суммарные трудозатраты по всем этапам изменяются незначительно, что демонстрирует эффективность перераспределения затрат между технологическими переходами.
Наибольшая экономия достигается при переходе к объемным блокам. При этом после достижения определённого предела каждая следующая попытка сделать блок ещё больше и тяжелее будет приводить к снижению экономии, при этом создавая всё больше новых сложностей при изготовлении и монтаже.
Для смешанного армирования разница продолжительности строительства между 1-м и 4-м вариантами составляет около 5,5 месяцев. Для листового армирование сокращение составляет ~5 месяцев. Анализ выявил устойчивую тенденцию снижения продолжительности строительства при увеличении массогабаритных характеристик блоков. Полученные результаты демонстрируют значительный потенциал сокращения сроков строительства АЭС за счет применения крупноблочного монтажа.
Зависимость суммарных приведенных затрат от средней массы блока показана на рис. 1. Приведенные затраты показаны в относительных величинах.
Рис. 1. Суммарные приведенные затраты в зависимости от средней массы блоков, т.
Укрупнение арматурно-опалубочных блоков до средней массы 40-50 т в сочетании с листовым армированием обеспечивает минимальные приведенные затраты и может рассматриваться как оптимальное решение для строительства АЭС.
Заключение
Определено сокращение продолжительности строительства при увеличении средней массы АОБ. Доказано сокращение продолжительность сооружения гермообъема и АЭС в целом на 5 месяцев по сравнению с минимальной блочностью.
Согласно полученной методике определения оптимальной блочности для достижения максимальной экономической эффективности рекомендовано применение АОБ для смешанного армирования: объемные блоки средней массой 40-45 т; для листового армирования: блоки средней массой ~50 т.
Сравнительный анализ в рамках управления жизненным циклом показал, что принятие решения в пользу технологии листового армирования на предпроектной стадии является фактором для достижения максимальной экономической эффективности на последующих этапах строительства и эксплуатации. Это решение формирует основу реализации проекта.
Реализация преимуществ укрупненных блоков требует пересмотра и жесткой увязки графиков смежных этапов жизненного цикла: проектирования, поставок, мобилизации ресурсов и строительно-монтажных работ. Ускорение работ на критическом пути эффективно только при синхронном управлении всеми процессами, что является задачей комплексного управления проектом.
Укрупнение блоков смещает часть затрат и рисков на более ранние стадии (необходимость переработки проектных решений, усиление производственной базы, закупка соответствующих подъемно-транспортных механизмов), но позволяет получить значительный эффект на стадии строительства и раньше выйти на стадию эксплуатации. Управление жизненным циклом предполагает поиск такого баланса единовременных и долгосрочных затрат, который минимизирует приведенные затраты на весь период создания объекта.
С помощью полученной методики повышается предсказуемость и снижаются риски. Выявление четкой области экономического оптимума и условий его достижения позволяет на стадии планирования минимизировать неопределенность, связанную со сроками и стоимостью. Это снижает проектные риски и повышает управляемость инвестиционно-строительного проекта в целом, что соответствует основной цели управления жизненным циклом.
Разработанный подход, включающий формализацию выбора монтажной блочности и способы оценки его влияния на строительную инфраструктуру и организационные решения, создает инструмент для управленческих решений. Данная методология может быть стандартизирована и распространена на управление другими конструктивными элементами АЭС (фундаментная плита, цокольная часть, защитная оболочка), способствуя тиражированию подходов на весь объект.
1. Morozenko, A.A., Baukin, A.V. Nauchnye podhody k vyboru montazhnoj blochnosti zdaniya reaktora AES s VVER [Scientific Approaches to Selecting the Assembly Block Configuration for VVER NPP Reactor Buildings]. Stroitel'noe proizvodstvo [Construction Production], 2025, no. 2, p. 51.
2. Tolkachev, L.A., Koltun, O.V., Pavlov, A.S., Shishkin, V.V. Analiz metodov sooruzheniya reaktornyh otdelenij AES s VVER-1000 [Analysis of Construction Methods for Reactor Compartments of NPPs with VVER-1000]. Energeticheskoe stroitel'stvo [Power Construction], 1989, no. 2, pp. 9–18.
3. Kim, H.C. Development of the SC Module Construction for Nuclear Power Plants. Korea: Korea Hydro & Nuclear Power Co, Ltd, 2009.
4. AO "Institut Orgenergostroj". Otchet "Razrabotka variantov osnovnyh konstruktivnyh reshenij i rekomendacij po tekhnologii vozvedeniya konstrukcij s vneshnim listovym armirovaniem" [Report "Development of Variants for Main Structural Solutions and Recommendations on Construction Technology for Structures with External Steel Plate Reinforcement"]. 007_32018-D-TO-1.2-2024.
5. Shear-Bond Analysis of Steel-Deck-Reinforced Slabs. Porter M.L., Ekberg C.E., Greimann L.F., Elleby H.A. ASCE Journal of the Structural Division. 1976. Vol. 102, No. 12. Pp. 2255-2268. DOI: https://doi.org/10.1061/JSDEAG.0004491
6. ANSI/AISC N690-18 Specification for Safety-Related Structures for Nuclear Facilities. American Institute of Steel Construction. Chicago, 2018
7. AO "VNIIAES". Otchet po teme "Razrabotka otdel'nyh polozhenij razdela 1 toma 10 "Rekomendacii po sovershenstvovaniyu processov stroitel'stva i ocenka ih ekonomicheskoj deyatel'nosti". Etap 4. Vybor osnovnogo montazhnogo krana [Report on the Topic "Development of Certain Provisions of Section 1, Volume 10 'Recommendations for Improving Construction Processes and Assessment of Their Economic Activity'. Stage 4. Selection of the Main Assembly Crane"]. 2022.
8. AO "Atomenergoproekt" MPI AEP. AES Ruppur. Energobloki 1, 2. Proektnaya dokumentaciya. 6.2. Organizaciya proizvodstva stroitel'nyh rabot, Tom 1 [Rooppur NPP. Power Units 1, 2. Design Documentation. 6.2. Organization of Construction Works, Volume 1]. 2021.
9. Temishev, R.R. Prognozirovanie trudovyh zatrat pri montazhe stroitel'nyh konstrukcij AES [Forecasting Labor Costs for Installation of NPP Building Structures]. Extended Abstract of PhD Dissertation (Economics). Moscow: Moscow State University of Civil Engineering, 1995. 18 p.
10. Pergamenshchik, B.K., Telichenko, V.I., Temishev, R.R. Vozvedenie special'nyh zashchitnyh konstrukcij AES: Monografiya [Construction of Special Protective Structures for Nuclear Power Plants: Monograph]. Moscow: Publishing House of the Association of Construction Universities, 2009. 240 p.
11. Interfax.ru/russia/972558
