蔡尚洋，吳金栩，張 科，楊迎春，沈洪岳

(1.榮華(青島)建設(shè)科技有限公司，山東 青島 266000；2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

“十四五”規(guī)劃提出：“十四五”期間，發(fā)展智能建造，推廣綠色建材、裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)住宅，建設(shè)低碳城市。同時(shí)以裝配式建筑為載體，協(xié)同推進(jìn)智能建造與新型建筑工業(yè)化。以裝配式建筑為載體，協(xié)同推進(jìn)智能建造與新型建筑工業(yè)化的關(guān)鍵在于提高裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的精細(xì)化程度。

裝配式建筑是用預(yù)制好的房屋構(gòu)件裝配而成，可有效提高施工效率、節(jié)約資源、減少碳排放，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與安裝精度提出了新的要求[1]。裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和安裝過程中由于各種原因，不可避免地會(huì)產(chǎn)生部件尺寸偏差、位置偏差等問題，影響建筑精度。精度不足可能會(huì)導(dǎo)致接縫過大、預(yù)制構(gòu)件無法安裝等問題；強(qiáng)行安裝還有可能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，危及建筑安全。此外，隨著裝配式建筑的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)用高強(qiáng)螺栓的完全裝配式干式施工是裝配式建筑未來的發(fā)展方向，為實(shí)現(xiàn)完全裝配的精確高效安裝，須完成建筑精度控制從厘米級(jí)到毫米級(jí)的跨越。

公差分析常用于機(jī)械制造裝配領(lǐng)域，指在滿足產(chǎn)品功能、性能、外觀和可裝配性要求的前提下，合理定義和分配零件及產(chǎn)品的誤差允許范圍(即公差)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以最低的成本和最高的質(zhì)量制造產(chǎn)品[2]。公差分析理念與裝配式建筑工業(yè)化高精度發(fā)展理念不謀而合，為裝配式建筑的精細(xì)化生產(chǎn)安裝提出了新的解決思路。

1 公差的產(chǎn)生

各類預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)安裝過程中不可能完全按照設(shè)計(jì)的尺寸制造出來，也不可能完全按照設(shè)計(jì)要求安裝，總會(huì)存在一定的誤差，其主要原因包括模具本身的精度問題、不同批次材料的特性、加工條件、施工人員的熟練程度、工具的磨損等。根據(jù)誤差產(chǎn)生的過程可分為生產(chǎn)公差與安裝公差。

1.1 生產(chǎn)公差

生產(chǎn)階段預(yù)制構(gòu)件尺寸公差控制多集中在構(gòu)件平面尺寸、截面尺寸、表面平整度、預(yù)埋件位置和對(duì)角線的管控等方面。預(yù)制PC構(gòu)件生產(chǎn)過程主要包括組模、鋼筋預(yù)埋件放置、混凝土澆筑振搗、養(yǎng)護(hù)、拆模、成本檢查與修補(bǔ)，其中組模、鋼筋預(yù)埋件放置過程易產(chǎn)生誤差。

組模是預(yù)制構(gòu)件制作的基礎(chǔ)，在一定程度上直接決定了墻板的出廠尺寸。預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)需根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的要求，用連接螺栓組裝模具，保證模具接縫處的嚴(yán)密，因此，不同類型的模具模板及模具制作工藝在一定程度上會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的出廠精度造成影響。模具在重復(fù)使用過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的磨損消耗，影響模具精度進(jìn)而影響預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)精度。生產(chǎn)過程中各種材料也存在誤差，如鋼筋尺寸誤差、預(yù)埋件尺寸誤差等也會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的精度產(chǎn)生影響；此外雖然裝配式預(yù)制構(gòu)件已基本實(shí)現(xiàn)了部分機(jī)械化生產(chǎn)，但混凝土平整、放線、鋼筋綁扎、預(yù)埋件鋪設(shè)等均需人工完成，現(xiàn)場施工人員的操作熟練度及相關(guān)器械的使用，也會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件精度產(chǎn)生影響。

1.2 施工公差

施工公差是指在建筑施工過程中產(chǎn)生的誤差，可分為安裝準(zhǔn)備誤差與安裝施工誤差。安裝準(zhǔn)備誤差包括地基平整度誤差、軸線放樣誤差、主體結(jié)構(gòu)框架誤差；安裝施工誤差為在安裝施工過程中因施工工藝選擇及施工人員操作引起的誤差。

裝配式建筑施工工序的連續(xù)性強(qiáng)，各工作面相互聯(lián)系、相互影響。進(jìn)行大面積施工如地基平整時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地基平整度誤差，而地基平整是建筑建造的基礎(chǔ)，其誤差會(huì)對(duì)建造全過程產(chǎn)生誤差積累效應(yīng)，影響其他施工過程的誤差控制；軸線放樣與主體結(jié)構(gòu)框架是決定墻板構(gòu)件安裝定位的基礎(chǔ)，在人工操作過程中易出現(xiàn)左右偏移問題，進(jìn)而對(duì)墻板安裝產(chǎn)生影響。在進(jìn)行裝配安裝過程中需用到大型吊裝設(shè)備，同時(shí)在現(xiàn)場還需進(jìn)行定位、支撐、螺栓連接、灌漿等一系列操作，施工經(jīng)驗(yàn)、施工工藝、天氣的影響等也會(huì)造成施工誤差。

2 公差分析

ISO國際標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)協(xié)調(diào)體系中，ISO 3443標(biāo)準(zhǔn)系列較完善地給出了建筑公差的概念、分析、檢查等內(nèi)容[3-8]，然而該標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)建筑公差的內(nèi)容偏分析過程，計(jì)算程序流程較復(fù)雜，貫穿其中的概率統(tǒng)計(jì)概念及方法并不利于設(shè)計(jì)人員、施工單位及制造企業(yè)采用。GB/T 50002—2013《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》給出了建筑公差概念與基本規(guī)定；GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》與GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》給出了部分構(gòu)件允許偏差范圍。國內(nèi)對(duì)誤差積累與公差分析的系統(tǒng)化理論研究與實(shí)踐性指導(dǎo)較少，嚴(yán)重阻礙了裝配式建筑公差分析的發(fā)展。

建筑公差分析的本質(zhì)為在滿足建筑物結(jié)構(gòu)安全、性能與外觀等要求的前提下，合理定義預(yù)制構(gòu)件與組合部件的公差，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，以最低的成本高質(zhì)量地完成建筑建造。具體來說是指用數(shù)學(xué)手段建立建筑預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)安裝誤差模型和建筑裝配誤差傳遞模型，用數(shù)值分析方法對(duì)建筑誤差傳遞積累模型求解，判斷建筑是否滿足精度要求，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)與安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化[9]，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑成本與質(zhì)量的雙向把控。

2.1 裝配式公差分析的主要原則

1)公差分析是設(shè)計(jì)方、生產(chǎn)方與施工方三者就建筑成本、技術(shù)水平與建筑安全的博弈與辯證統(tǒng)一。設(shè)計(jì)方希望建筑公差盡可能嚴(yán)苛，滿足結(jié)構(gòu)安全、外觀等各項(xiàng)性能，制造方和施工方則希望公差盡可能寬松，這樣有更大的余地選擇制造工藝與施工工藝，從而以較低的成本完成建筑建造。公差值的確定需統(tǒng)籌建筑成本、技術(shù)與安全三者的關(guān)系。

2)裝配式建筑公差分析需與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)合。通過節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)降低誤差影響，預(yù)制構(gòu)件所產(chǎn)生的誤差最終要?dú)w結(jié)到連接節(jié)點(diǎn)上。建筑節(jié)點(diǎn)是多個(gè)預(yù)制構(gòu)件的交接處，可能產(chǎn)生公差積累等一系列問題。因此在建筑設(shè)計(jì)公差分析過程中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)須與預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底。

3)裝配式建筑公差分析需根據(jù)實(shí)際情況確定合適的公差等級(jí)。不同的建筑項(xiàng)目建筑功能質(zhì)量要求不同，建筑精度要求也不同，即公差等級(jí)不同。公差等級(jí)要求與建筑成本息息相關(guān)，因而根據(jù)不同工程項(xiàng)目確定合適的公差等級(jí)，進(jìn)而選擇合適的建筑材料、工具器械、施工方法與誤差要求是合理控制建筑成本的有效手段。

2.2 裝配式建筑公差分析步驟

預(yù)制構(gòu)件公差分析的具體步驟包括目標(biāo)尺寸與允許誤差的確定、誤差源梳理與表達(dá)、尺寸鏈確定和誤差分析計(jì)算與優(yōu)化。

1)目標(biāo)尺寸與允許誤差確定 即明確保證建筑安裝與結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵尺寸與誤差允許范圍，也可理解為建筑精度要求。針對(duì)不同建筑的不同部位，設(shè)置合適的建筑公差要求，是保證裝配式建筑質(zhì)量的關(guān)鍵手段。

2)誤差源梳理與表達(dá) 即梳理生產(chǎn)誤差、施工誤差等各種誤差源對(duì)建筑誤差的影響機(jī)制，對(duì)建筑誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍整理歸納，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段表達(dá)構(gòu)件誤差信息，是建立構(gòu)件變動(dòng)誤差模型進(jìn)行公差分析的基礎(chǔ)。

3)建筑尺寸鏈確定 裝配式建筑尺寸鏈末端的最終誤差是在按安裝順序裝配建造過程中，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)誤差與施工誤差傳遞積累形成的。因而，要準(zhǔn)確評(píng)估裝配式建筑裝配誤差不僅要準(zhǔn)確建立構(gòu)件變動(dòng)誤差模型，還要對(duì)誤差在尺寸鏈上的傳遞機(jī)制和累積量進(jìn)行研究。具體來說，就是從裝配式建筑全過程設(shè)計(jì)控制的角度出發(fā)，梳理從建筑地基平整開始，到軸線放樣、構(gòu)件生產(chǎn)、主體架構(gòu)框架成型，最后到構(gòu)件安裝的鏈條，進(jìn)而得到裝配式建筑尺寸鏈的傳遞關(guān)系。

4)裝配式建筑誤差分析計(jì)算與優(yōu)化 即基于裝配式建筑構(gòu)件在公差內(nèi)的幾何變動(dòng)大小和方向，對(duì)建筑的尺寸鏈進(jìn)行分析求解，最終得到裝配式建筑尺寸鏈末端閉環(huán)的累積誤差，進(jìn)而判斷裝配式建筑是否滿足建筑精度要求。若公差不符合要求，則需進(jìn)行一系列優(yōu)化處理，如選擇生產(chǎn)精度更高的預(yù)制構(gòu)件、通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少尺寸鏈數(shù)量、采用精度更高的施工工藝、使用定位特征減少估計(jì)公差等，保證計(jì)算公差滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 公差分析的全過程控制

公差分析是建筑設(shè)計(jì)方在建筑設(shè)計(jì)階段通過對(duì)建筑全過程中存在的誤差進(jìn)行事前估計(jì)宏觀調(diào)控，進(jìn)而對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)允許誤差與安裝精度提出要求，保證后期建筑功能質(zhì)量安全的一種事前控制方法。另一方面公差分析也不僅僅限制在設(shè)計(jì)方，如建筑公差分析尺寸鏈的思想應(yīng)用在建筑安裝施工過程中，可改變以往僅以單一構(gòu)件、單一尺寸為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，從而避免因沒有考慮誤差積累導(dǎo)致各部件尺寸均在公差范圍內(nèi)，到施工時(shí)出現(xiàn)無法安裝的問題。應(yīng)用公差理論進(jìn)行事后分析，優(yōu)化現(xiàn)有的建筑現(xiàn)場檢測(cè)體系，提高建筑結(jié)構(gòu)安全性。

3 鋼筋套筒連接公差分析

鋼筋套筒灌漿連接是裝配式混凝土建筑施工的關(guān)鍵步驟之一。鋼筋套筒灌漿連接施工精度的影響因素主要有鋼筋尺寸偏差、套筒連接器尺寸偏差、預(yù)埋套筒中心線位置偏差、預(yù)留插筋中心線位置偏差、預(yù)制構(gòu)件尺寸偏差、人工安裝誤差等。以鋼筋套筒灌漿連接為例進(jìn)行公差分析與誤差產(chǎn)生因素重要性排序。

3.1 鋼筋套筒連接公差分析計(jì)算

鋼筋套筒連接公差分析的目標(biāo)尺寸為裝配間隙X(見圖1)。從理論上來說，鋼筋套筒灌漿連接要求鋼筋與套筒間的裝配間隙>0，即公差TX>0。鋼筋尺寸偏差、預(yù)埋套筒中心線位置偏差、預(yù)留插筋中心線位置偏差及套筒連接器規(guī)格偏差等尺寸偏差允許值構(gòu)成了鋼筋套筒灌漿連接尺寸鏈。

圖1 鋼筋與套筒對(duì)位示意

以φ20鋼筋套筒灌漿連接為例，進(jìn)行公差分析。鋼筋尺寸名義值DA為20mm，尺寸偏差允許值TA為±0.7mm；預(yù)埋灌漿套筒中心線位置名義值DB為0，尺寸偏差允許值TB為±2mm；預(yù)留插筋中心線位置名義值DC為0，尺寸偏差允許值TC為±3mm；套筒連接器規(guī)格名義值DD為28mm，尺寸偏差允許值TD為±1mm。根據(jù)公式(1)，(2)應(yīng)用極值法計(jì)算得到目標(biāo)尺寸的名義值DX為4mm，公差TX為±6.7mm，可得目標(biāo)尺寸X值為(4±6.7)mm，最大值為10.7mm，最小值為-2.7mm。根據(jù)公式(1)，(3)應(yīng)用均方根法計(jì)算得到目標(biāo)尺寸的名義值DX為4mm，公差TX為±3.81mm，可得目標(biāo)尺寸X值為(4±3.81)mm，最大值為7.81mm，最小值為0.19mm。

DX=DA+DB+DC+DD

(1)

TX=TA+TB+TC+TD

(2)

(3)

根據(jù)均方根法公差分析計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)有尺寸精度滿足要求，可以進(jìn)行施工。根據(jù)更嚴(yán)格的極值法計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)有尺寸精度不滿足要求，應(yīng)采用尺寸較大的套筒或精度更高的鋼筋與預(yù)留灌漿套筒構(gòu)件，提高安裝精度，避免出現(xiàn)墻板無法安裝的問題。在機(jī)械制造裝配領(lǐng)域，考慮成本因素與允許出現(xiàn)很小比例的不合格產(chǎn)品時(shí)，可應(yīng)用均方根法進(jìn)行公差分析。就鋼筋套筒灌漿連接而言，多個(gè)極大值與極小值共同出現(xiàn)的概率極小，但如果出現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致墻板無法安裝，造成大量的資源浪費(fèi)，影響施工進(jìn)度。因此在鋼筋套筒公差分析時(shí)應(yīng)采用極值法，通過事前公差分析避免出現(xiàn)鋼筋套筒無法安裝的問題，提高建筑施工精度與質(zhì)量。

3.2 鋼筋套筒連接誤差來源分析

針對(duì)鋼筋套筒灌漿連接誤差來源，邀請(qǐng)20位裝配式建筑領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者通過問卷調(diào)查方式對(duì)影響因素重要程度按“一般(1分)”“關(guān)鍵(2分)”“非常關(guān)鍵(3分)”進(jìn)行打分。根據(jù)調(diào)查獲得的信息，計(jì)算各因素的重要程度指標(biāo)值：

(4)

式中：Wi為第i個(gè)影響因素重要程度指標(biāo)值；Sj為每個(gè)因素可選擇的分值(S1=1，S2=2，S3=3)；Mij為第i個(gè)因素選擇第j個(gè)分值被調(diào)查者的人數(shù)。

通過SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各因素重要程度指標(biāo)值和標(biāo)準(zhǔn)差Wi，并根據(jù)各因素重要程度指標(biāo)值Wi排序，如表1所示。

表1 鋼筋套筒誤差因素重要性排序

由表1可知，預(yù)埋套筒中心線與預(yù)留插筋中心線偏差是影響鋼筋套筒灌漿連接的重要因素，其尺寸積累對(duì)鋼筋套筒灌漿連接有重要影響。因而有必要優(yōu)化施工工藝與采取定位措施，減少中心線位置誤差，提高鋼筋套筒灌漿連接精度。

4 結(jié)語

本文對(duì)裝配式建筑公差產(chǎn)生的原因、原則、步驟與意義進(jìn)行簡單概述，并針以鋼筋套筒灌漿連接為例進(jìn)行公差分析，得出設(shè)計(jì)階段公差分析是提升裝配式建筑精度的有效手段。為促進(jìn)建筑公差分析系統(tǒng)化發(fā)展，提高裝配式建筑施工建造的精度，結(jié)合我國裝配式建筑公差分析的發(fā)展情況，提出如下建議。

1)針對(duì)建筑構(gòu)配件、節(jié)點(diǎn)連接、接口尺寸及其重要性，整合梳理開展全面調(diào)研工作，就建筑工業(yè)化系列標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求制定完善的建筑公差等級(jí)與相關(guān)要求。

2)建立裝配式建筑尺寸鏈體系，大至建筑整體框架，小至配件節(jié)點(diǎn)連接，深化公差累積概念，在公差分析過程中及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑建造全過程誤差事前、事后控制。

3)提高對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求，要求設(shè)計(jì)方統(tǒng)籌預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)單位、施工單位，就建筑公差進(jìn)行技術(shù)交底，統(tǒng)籌建筑全過程公差控制。

4)應(yīng)用機(jī)器視覺識(shí)別檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)尺寸控制與施工安裝尺寸控制，實(shí)現(xiàn)智能建造要求。