建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)配件公差調(diào)研方法研究*

姜中天，田元昊

(1.中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京100044；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

1 研究背景

目前，國家大力推廣各類工業(yè)化建筑，在實(shí)現(xiàn)建筑主體結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)部品等裝配化安裝的前提下，行業(yè)和地方也在大力推進(jìn)全裝修成品交房，并提出具體要求和實(shí)施細(xì)則，部分地區(qū)也出臺(tái)了裝配式裝修相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

我國建筑工業(yè)化發(fā)展至今，建筑設(shè)計(jì)與室內(nèi)設(shè)計(jì)雖均為建筑這一成品本身服務(wù)，但一直分屬2個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，施工安裝、運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)也都按照各自的理解和常規(guī)做法進(jìn)行操作，工業(yè)化建筑建設(shè)中遇到的2個(gè)專業(yè)相互協(xié)同和配合的技術(shù)問題大多采用管理手段解決，這導(dǎo)致2個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)配合產(chǎn)生的問題，在發(fā)展全裝修成品建筑的大前提下愈發(fā)嚴(yán)重，某種程度上已對(duì)工業(yè)化建筑成品的質(zhì)量性能產(chǎn)生了一定影響。

建筑設(shè)計(jì)與室內(nèi)設(shè)計(jì)難以協(xié)同最為突出的是制造和安裝精度難以匹配，從而產(chǎn)生大量的協(xié)調(diào)配合問題。設(shè)計(jì)中同樣規(guī)格的建筑功能空間在門窗、臺(tái)面、固定家具等安裝前要重新復(fù)尺，而室內(nèi)裝修的設(shè)計(jì)、相關(guān)部品的制作和安裝大多需要以復(fù)尺結(jié)果作為依據(jù)。不但浪費(fèi)了大量的人力和時(shí)間，還給標(biāo)準(zhǔn)化制造和安裝制造了很大困難，這與我國發(fā)展工業(yè)化建筑的基本理念相沖突。在居住建筑領(lǐng)域，這種問題在建設(shè)毛坯房的條件下不明顯，但在發(fā)展全裝修成品住房方面劣勢盡顯，不利于工業(yè)化建筑的推廣和發(fā)展。

制造和安裝精度的最終體現(xiàn)，在工程建設(shè)及制品制造等領(lǐng)域稱之為公差，在GB/T50002—2013《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》中也有相關(guān)描述。隨著我國建筑工程整體水平的提升，雖然主體結(jié)構(gòu)存在的安全問題大量減少，但在施工階段建筑主體結(jié)構(gòu)還是會(huì)出現(xiàn)一定的公差，公差雖然對(duì)結(jié)構(gòu)受力情況基本沒有影響，但對(duì)建筑后續(xù)裝修造成很大困擾，為適應(yīng)建筑主體結(jié)構(gòu)偏差，室內(nèi)裝修也不得不產(chǎn)生大量的非標(biāo)準(zhǔn)化部品，施工現(xiàn)場的錯(cuò)、漏、碰、缺等現(xiàn)象十分普遍。而對(duì)于建筑公差產(chǎn)生和消納方面的問題，目前也找不到更多的技術(shù)手段解決，甚至在建筑主體結(jié)構(gòu)完成時(shí)并沒有太多的關(guān)注。

為從公差入手解決上述問題，對(duì)建筑公差進(jìn)行調(diào)研方法上的研究，通過了解目前工業(yè)化建筑的公差情況，從中找到建筑主體結(jié)構(gòu)與室內(nèi)裝修之間的公差協(xié)調(diào)原則。從公差產(chǎn)生的源頭控制建筑主體結(jié)構(gòu)的完成界面，以期與室內(nèi)裝修形成良好的配合。

2 調(diào)研目標(biāo)

公差為部件或分部件在制作、放線或安裝時(shí)的允許偏差值，公差又分為制作公差、安裝公差和位形公差。其中，制作公差是指部件或分部件在生產(chǎn)制作時(shí)與制作尺寸之間的允許偏差；安裝公差是指部件或分部件安裝時(shí)，基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)線之間的允許偏差；位形公差是指在力學(xué)、物理、化學(xué)等作用下，部件或分部件所產(chǎn)生的位移和變形的允許偏差。本次調(diào)研的公差是指上述幾項(xiàng)累積的整體公差(以下簡稱“公差”)，即生產(chǎn)、堆放、施工、養(yǎng)護(hù)等過程中累積的偏差總和。

嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)圖紙制作加工的門、窗在安裝時(shí)與土建完成的門窗洞口完成面經(jīng)常難以配合，目前工程上的做法大多在主體結(jié)構(gòu)完成后，門、窗進(jìn)入制作之前，在現(xiàn)場復(fù)尺，根據(jù)復(fù)尺結(jié)果定制生產(chǎn)門、窗，進(jìn)入安裝。

一些固定儲(chǔ)藏、廚房臺(tái)面，如果嚴(yán)格按照建筑及室內(nèi)設(shè)計(jì)圖紙制作難以順利安裝，其原因也是建筑功能空間的公差與該部品不協(xié)調(diào)，工程上也需要復(fù)尺，再根據(jù)復(fù)尺結(jié)果進(jìn)行定制式的部品生產(chǎn)。圖1為建筑主體完成后圍合成的室內(nèi)空間精確度示意，從此圖中能夠看出，建筑主體結(jié)構(gòu)的公差是厘米級(jí)的，而部品的公差是毫米級(jí)的，兩方的不匹配是難以順利完成安裝的重點(diǎn)問題。所以亟需了解建筑門窗洞口、建筑功能空間的公差及其普遍規(guī)律，并在未來的工程建設(shè)過程中加以解決。

圖1 建筑主體結(jié)構(gòu)完成時(shí)室內(nèi)凈空間

從上述舉例能夠看出，門窗洞口、重復(fù)率較高的建筑功能空間(開間、進(jìn)深)是亟需解決的部位。而對(duì)于非洞口、非固定家具安裝的部位，建筑主體結(jié)構(gòu)即使有偏差，對(duì)室內(nèi)的安裝條件均可通過技術(shù)尺寸化解。所以，本次調(diào)研的目標(biāo)也基本鎖定帶有居住類性質(zhì)的建筑的門、窗洞口和建筑功能空間。根據(jù)以上分析，本次調(diào)研擬定的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 調(diào)研采用的技術(shù)路線

3 現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)查詢

對(duì)于建筑設(shè)計(jì)、門窗洞口、各類建筑構(gòu)配件的制作、建筑施工驗(yàn)收等，國家、行業(yè)及一些地方標(biāo)準(zhǔn)中有較為詳盡的描述，可作為本次調(diào)研的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考，以控制調(diào)研過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)離散現(xiàn)象。國家標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)與施工的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，所有類型的居住建筑都應(yīng)滿足如下標(biāo)準(zhǔn):GB50001—2017《房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，GB/T50002—2013《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》，GB50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，GB50210—2018《建筑裝飾裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼材作為主要受力構(gòu)件，是建筑主體結(jié)構(gòu)重要的一環(huán)。參考性較高的現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有:GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB50755—2012《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，GB/T51232—2016《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，GB50628—2010《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，GB50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

由于各類鋼構(gòu)件主要作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，建筑功能空間的圍合還需外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)隔墻、各類裝飾工程的配合，建筑凈空間的偏差及門、窗洞口的偏差主要由內(nèi)隔墻、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻、樓板等建筑構(gòu)配件本身引起，鋼結(jié)構(gòu)主體的施工早于上述工程，精細(xì)化程度較高，對(duì)洞口和空間偏差的影響也較小。具體表現(xiàn)在:主體結(jié)構(gòu)整體垂直度允許偏差為H/1000，且不應(yīng)大于25mm，主體結(jié)構(gòu)整體平面彎曲允許偏差L/1500，且不應(yīng)大于25mm；鋼構(gòu)件外形尺寸主控項(xiàng)目的允許偏差中，構(gòu)件連接處的截面幾何尺寸允許偏差為±3mm，柱、梁連接處的腹板中心線偏移允許偏差為2mm，受壓構(gòu)件(桿件)彎曲矢高允許偏差為L/1000，且不應(yīng)大于10mm。

3.2 混凝土建筑

混凝土建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范如下:GB50010—2010(2015版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》，GB50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

對(duì)于裝配式混凝土建筑除施工驗(yàn)收規(guī)范之外還存在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定了預(yù)制混凝土的尺寸偏差，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一般較施工驗(yàn)收規(guī)范更為嚴(yán)格，以保證后續(xù)施工的誤差能夠滿足施工驗(yàn)收的要求，如:GB/T51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，J G J1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。

無論是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還是施工、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì)混凝土尺寸偏差及預(yù)留洞的偏差有詳細(xì)規(guī)定，主要體現(xiàn)在《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

3.3 建筑門窗洞口

目前現(xiàn)行有關(guān)門窗的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是主要針對(duì)門窗材料、制造過程及安裝過程中的控制及安裝之后的偏差要求。但本文主要考慮的是門窗施工前預(yù)留洞口和設(shè)計(jì)值的偏差，包括預(yù)制類和現(xiàn)澆式混凝土對(duì)于預(yù)留洞口的規(guī)定。除此之外，針對(duì)不同類型的門窗，一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有其他相關(guān)規(guī)定，如J G J103—2008《塑料門窗工程技術(shù)規(guī)程》中提出，對(duì)于同一類型的門窗洞口，上下左右方向位置偏差應(yīng)符合下列要求。

1)處于同一垂直位置的相鄰洞口，中線左右位置相對(duì)偏差不應(yīng)大于10mm；全樓高度內(nèi)，所有處于同一垂直線位置的各樓層洞口，左右位置相對(duì)偏差不應(yīng)大于15mm(全樓高度小于30 m)或20mm(全樓高度≥30 m)。

2)處于同一水平位置的相鄰洞口，中線上下位置相對(duì)偏差不應(yīng)大于10mm；全樓長度內(nèi)，所有處于同一水平線位置的各單元洞口，上線位置相對(duì)偏差不應(yīng)大于15mm(全樓長度≥30 m)。

3.4 建筑功能空間尺寸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

建筑凈空間尺寸是質(zhì)量分戶檢驗(yàn)中的重要內(nèi)容，各地方的室內(nèi)凈距、凈高尺寸檢驗(yàn)細(xì)則大致類似但又不盡相同，都參照J(rèn) G J/T304—2013《住宅室內(nèi)裝飾裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的附錄A，如圖3所示。

圖3 室內(nèi)空間尺寸測量

1)每個(gè)房間凈高共抽測5點(diǎn)，開間、進(jìn)深尺寸各抽測2處。偏差不應(yīng)大于20mm。房間方正度測對(duì)角兩點(diǎn)，偏差不應(yīng)大于4mm。

2)偏差為實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的絕對(duì)差；極差為實(shí)測中最大值與最小值之差，極差不應(yīng)大于垂直長度的0.5%。

3)室內(nèi)每戶為一個(gè)檢驗(yàn)單元。

4 理論分析論證

4.1 樣本量確定

抽樣估計(jì)的精確度是指樣本的統(tǒng)計(jì)量與其所代表的總體值的接近程度。調(diào)研結(jié)果相對(duì)于總體真實(shí)值的精確度與樣本容量直接相關(guān)。樣本容量越大，抽樣誤差相對(duì)就會(huì)減少，估計(jì)精度就會(huì)提高；若樣本容量太小，抽樣誤差就會(huì)增大，從而影響抽樣估計(jì)的精確度。

但需要注意的是，樣本量和選取的統(tǒng)計(jì)量有直接關(guān)系，中心極限定理指出:如果樣本的數(shù)量大小n≥30，且屬于任何均值為μ，標(biāo)準(zhǔn)差為σ的抽樣總體，這個(gè)樣本均值會(huì)近似服從正態(tài)分布。在本次住宅公差問題的統(tǒng)計(jì)中，選取公差的均值作為統(tǒng)計(jì)量，此時(shí)需滿足n≥30樣本才具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

4.2 建筑門、窗洞口的約束條件

由于在不考慮厚度的情況下，建筑門、窗洞口近似為平面四邊形，如圖4所示，此時(shí)平面四邊形可看做一個(gè)平面剛體。證明在已知5個(gè)約束條件A B、BC、CD、DA、AC的條件下可確定此剛體的形狀。

圖4 平面四邊形

假設(shè)平面四邊形剛體A B C D，4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)，D(x4，y4)。由于一個(gè)剛體在平面內(nèi)有2個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此不妨設(shè)A(x1，y1)已知，且A B與x軸的夾角α已知，用來約束平面剛體運(yùn)動(dòng)。若此時(shí)已經(jīng)測量出A B、BC、CD、DA、AC的長度，則可以分別計(jì)算出其他3個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，從而確定此剛體的形狀。

4.3 建筑功能空間的約束條件

在假定內(nèi)墻面都為平面的情況下，建筑功能空間可近似看作一個(gè)空間六面體(見圖5)，即可在已知12個(gè)約束條件AB、BC、CD、DA、AC、AB’、BB’、CB’、AA’、A’B’、B’C、B’C’下，可確定此空間六面體的形狀。

圖5 建筑空間六面體

4.4 調(diào)研表制作

4.4.1 建筑門、窗洞口測量

1)假設(shè)前提 ①門窗洞口的形狀為平面四邊形，四條邊都為直線段；②門窗洞口處的混凝土厚度無變化；③當(dāng)C C’≤5cm時(shí)，B’C’=B C(見圖6)。

2)注意事項(xiàng) ①根據(jù)具體工程，每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)測量50組數(shù)據(jù)；②每組有效的數(shù)據(jù)由5個(gè)距離組成:AB、BC、CD、DA、BD；③門窗洞口的測量應(yīng)選取室內(nèi)到室外的角度來觀測。若洞口兩側(cè)都在室內(nèi)，應(yīng)選擇從私密性高的房間到私密性低的房間角度，且在測量過程中不得切換方位。

4.4.2 建筑功能空間測量

4.4.2.1 假設(shè)前提

建筑空間的形狀為六面體；當(dāng)②P≤5cm時(shí)，PQ=②⑥(見圖7)。

圖7 建筑空間測量

4.4.2.2 注意事項(xiàng)

1)根據(jù)具體工程，每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)測量50組數(shù)據(jù)。

2)每組有效的數(shù)據(jù)由15個(gè)距離組成:①②、②③、③④、④①、①⑤、②⑥、③⑦、④⑧、⑤⑥、⑥⑦、⑦⑧、⑧⑤、①⑥、①③、①⑧。

3)建筑空間的測量應(yīng)先選取地層一點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)①，以此確定②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧點(diǎn)的相對(duì)位置，且在測量過程中不得更換基準(zhǔn)點(diǎn)①。

5 結(jié)語

當(dāng)前我國工業(yè)化建筑的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)配件、室內(nèi)部品之前的公差協(xié)調(diào)缺乏，有效減少差異是當(dāng)下亟待解決的問題，為了解建筑主體結(jié)構(gòu)公差在實(shí)際項(xiàng)目中的普遍情況，找到建筑主體結(jié)構(gòu)公差范圍和其協(xié)調(diào)原則，通過研究發(fā)現(xiàn)，合理地統(tǒng)計(jì)施工中門窗洞口及室內(nèi)凈空間尺寸偏差，可掌握工程實(shí)際中建筑主體結(jié)構(gòu)公差的基本規(guī)律，從而找到公差配合及協(xié)調(diào)原則，對(duì)今后的工程實(shí)踐有很大的參考價(jià)值。為此，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和幾何空間分析，創(chuàng)新了一套建筑主體結(jié)構(gòu)公差的調(diào)研方法。本次調(diào)研方法的研究主要有以下主要結(jié)論。

1)根據(jù)大樣本理論，一組統(tǒng)計(jì)結(jié)果超過30個(gè)數(shù)據(jù)，即可認(rèn)為其均值具有統(tǒng)計(jì)意義。為保證樣本的有效性，調(diào)研表擬選取每組50個(gè)數(shù)據(jù)。

2)由四邊形約束條件可得，確定1個(gè)四邊形至少需要5個(gè)約束條件，在此選取4條邊和1條斜邊來確定門窗洞口的偏差，經(jīng)驗(yàn)證可行。

3)由六面體約束條件可得，確定1個(gè)六面體至少需要12個(gè)約束，在此選取12條邊和3條斜邊來確定室內(nèi)凈空間尺寸的偏差，經(jīng)驗(yàn)證可行。