基于AHP-QFD-TRIZ的裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制研究

摘 要：為滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)裝配式建筑管控的要求，將預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量從符合型質(zhì)量提高為滿(mǎn)意型質(zhì)量。運(yùn)用層次分析法（AHP）分析得到預(yù)制構(gòu)件各質(zhì)量需求的權(quán)重值。通過(guò)質(zhì)量功能展開(kāi)（QFD）將質(zhì)量需求轉(zhuǎn)化為預(yù)制構(gòu)件的技術(shù)特性，求出技術(shù)特性的重要度排序并確定各技術(shù)特性間的相關(guān)性。采用發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）解決技術(shù)特性間負(fù)相關(guān)關(guān)系，即矛盾沖突，并確定解決矛盾對(duì)應(yīng)發(fā)明原理，選出最佳方案。集成AHP/QFD/TRIZ模型，根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的安全性、防火性、吊裝特性和構(gòu)件特殊造型等方面的需求提出解決辦法，解決裝配式建筑施工、運(yùn)輸?shù)入A段常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題。運(yùn)用AHP/QFD/TRIZ質(zhì)量設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)階段考慮裝配式建筑生產(chǎn)、施工、運(yùn)輸?shù)入A段的質(zhì)量問(wèn)題，為預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：預(yù)制構(gòu)件；質(zhì)量功能展開(kāi)；層次分析法；質(zhì)量需求

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 75" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳是我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要一環(huán)，為大力推廣裝配式建筑，我國(guó)對(duì)建筑行業(yè)提出“建設(shè)和管理模式低碳轉(zhuǎn)型”的要求，并出臺(tái)了相關(guān)政策。與傳統(tǒng)建造方式相比，裝配式建筑不僅能夠大幅減少建筑垃圾和揚(yáng)塵，還能縮短工期，提高建筑質(zhì)量。預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量是保證最終建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)，但與一般制造業(yè)產(chǎn)品不同，混凝土的不可逆性使預(yù)制構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)質(zhì)量控制尤為重要。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制的研究，主要集中在生產(chǎn)、施工過(guò)程中質(zhì)量的問(wèn)題分析和控制措施的總結(jié)[1]，缺乏使用數(shù)學(xué)方法來(lái)定量評(píng)估控制措施和關(guān)鍵工序的重要性，也沒(méi)有明確指出質(zhì)量控制的重點(diǎn)。TRIZ理論的研究在制造業(yè)和服務(wù)業(yè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，并取得了顯著成果[2]，但在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)TRIZ技術(shù)的研究相對(duì)較少。因此，本文運(yùn)用AHP/QFD/TRIZ模型，從裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)階段入手，分析裝配式預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、施工以及運(yùn)輸?shù)入A段常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將質(zhì)量控制擴(kuò)展到預(yù)制構(gòu)件的整個(gè)生命周期，不僅可以提高裝配式建筑施工效率，還可以保證裝配式建筑的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求分析

1.1 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求

根據(jù)裝配式建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)分析對(duì)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量的要求，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研并與生產(chǎn)、施工單位技術(shù)人員交流探討，匯總預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)和施工階段常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，預(yù)制構(gòu)件的主要質(zhì)量需求如下。保溫性強(qiáng)，防火性高，防水性強(qiáng)，豐富的立面樣式，構(gòu)件表面顏色好，預(yù)留預(yù)埋部位正確，滿(mǎn)足要求的承載能力，安全性可靠，耐久性強(qiáng)，構(gòu)件尺寸精確，結(jié)合面平滑，滿(mǎn)足要求的保護(hù)層厚度，滿(mǎn)足要求的連接套筒，便于生產(chǎn)的構(gòu)件設(shè)計(jì)，構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)圖無(wú)沖突，構(gòu)件尺寸不宜過(guò)大，符合工藝要求的構(gòu)件設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足吊裝運(yùn)輸受力狀態(tài)，構(gòu)件質(zhì)量不宜過(guò)重，構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)圖表達(dá)清楚，方便運(yùn)輸，降低異型構(gòu)件，方便吊裝，預(yù)埋吊件安裝方便，套筒內(nèi)部無(wú)污染，預(yù)埋管線無(wú)誤，疊合板電氣管線鋪設(shè)方便，便于節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆部位空間施工，連接鋼筋無(wú)銹蝕，構(gòu)件尺寸精確度高，模板搭接部位墻體平整度高，套筒位置精確，斜支撐預(yù)埋件精準(zhǔn)，電氣管線接駁點(diǎn)方便。

1.2 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求展開(kāi)

獲取預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求信息后，采用親和圖法對(duì)獲取的質(zhì)量需求進(jìn)行整理聚類(lèi)分析，形成預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求表，見(jiàn)表1。

1.3 基于AHP的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求權(quán)重計(jì)算

1.3.1 構(gòu)建判斷矩陣

為確定表1中第二層與第三層的各項(xiàng)指標(biāo)間的相對(duì)重要性，采用德?tīng)柗品ǚ謩e對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行比較，并采用九級(jí)標(biāo)度法對(duì)每個(gè)比較結(jié)果進(jìn)行打分，構(gòu)建判斷矩陣。

第一層次判斷矩陣如公式（1）所示。

（1）

第二層次判斷矩陣如公式（2）所示。

（2）

式中：xij為xi與xj的重要性標(biāo)度。

1.3.2 計(jì)算組合權(quán)重

對(duì)各判斷矩陣采用方根法計(jì)算求出用戶(hù)需求權(quán)重Wi，計(jì)算過(guò)程如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：Wi為i的重要度值；Xij為i較于j的重要程度。

1.3.3 一致性檢驗(yàn)

通過(guò)求解判斷矩陣的最大特征值來(lái)確定一致性水平，若CR＜0.1，則判斷矩陣符合一致性要求。判斷矩陣需要滿(mǎn)足一致性要求才能獲得可靠結(jié)果，否則需要重新評(píng)判判斷矩陣中的元素權(quán)重或修改判斷矩陣的結(jié)構(gòu)，直到滿(mǎn)足一致性要求。數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程如公式（5）～公式（7）所示。

（5）

（6）

（7）

式中：（cw）i為判斷矩陣的第i個(gè)行向量；λmax為判斷矩陣的最大特征值；CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指數(shù)；CR為一致性比率。由此可得到第三層次預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求各指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表2。

由表3可知，每層級(jí)的一致性比率均＜0.1，均通過(guò)了判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

2 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求與質(zhì)量特性的轉(zhuǎn)化

運(yùn)用QFD將質(zhì)量需求轉(zhuǎn)化為可操作的預(yù)制構(gòu)件技術(shù)特性，核心環(huán)節(jié)是構(gòu)建質(zhì)量屋，質(zhì)量屋作為一個(gè)“橋梁”連接了“顧客的聲音”與“工程技術(shù)人員的聲音”，能夠清晰地表達(dá)質(zhì)量需求與技術(shù)特性間的關(guān)系，得出預(yù)制構(gòu)件各技術(shù)特性的權(quán)重，也能幫助識(shí)別各項(xiàng)技術(shù)特性間的相關(guān)關(guān)系[3]，從而發(fā)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)過(guò)程中可能存在的矛盾沖突，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

在確定預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求權(quán)重后，選取權(quán)重排序靠前的質(zhì)量需求項(xiàng)進(jìn)行技術(shù)特性的關(guān)系映射，采用頭腦風(fēng)暴法，綜合歸納得到預(yù)制構(gòu)件的15項(xiàng)技術(shù)特性：保溫性A、防火性B、防水性C、外觀質(zhì)量D、安全性E、耐久性F、承載能力G、吊裝特性H、圖紙表達(dá)性I、構(gòu)件規(guī)格型號(hào)種類(lèi)J、尺寸精度K、表面平整度L、構(gòu)件質(zhì)量M、預(yù)留預(yù)埋N、構(gòu)件特殊造型O。

對(duì)質(zhì)量需求與技術(shù)特性間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析判定，對(duì)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求—技術(shù)特性二維關(guān)系矩陣中的“◎”、“○”、“△”、空白等符號(hào)分別賦值為：5、3、1、0[4]。并將判定結(jié)果導(dǎo)入質(zhì)量屋，構(gòu)建質(zhì)量屋的房間。

計(jì)算產(chǎn)品技術(shù)特性的絕對(duì)權(quán)重以及相對(duì)權(quán)重，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入質(zhì)量屋，構(gòu)建質(zhì)量屋的地下室。計(jì)算過(guò)程如公式（8）、公式（9）所示。

（8）

（9）

式中：Wj為質(zhì)量特性絕對(duì)權(quán)重；Wi為質(zhì)量需求權(quán)重；Pij為相關(guān)性系數(shù)；q為質(zhì)量需求總數(shù)；Wk為技術(shù)特性相對(duì)權(quán)重。

質(zhì)量屋的屋頂用來(lái)確定各項(xiàng)技術(shù)特性間的相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系包括各項(xiàng)技術(shù)特性間可能存在的相互阻礙、相互促進(jìn)或者不相關(guān)等3種關(guān)系，用“+”“－”號(hào)和空白來(lái)表示技術(shù)特性間的相互促進(jìn)、相互阻礙及不相關(guān)的關(guān)系，并將結(jié)果導(dǎo)入質(zhì)量屋，構(gòu)建質(zhì)量屋的屋頂。如圖1所示。

由圖1可知，在加強(qiáng)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)質(zhì)量措施中，預(yù)制構(gòu)件的承載能力（1.65）和提前考慮預(yù)制構(gòu)件的預(yù)留預(yù)埋（1.104）最重要，需要在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮。耐久性（0.6245）、圖紙表達(dá)性（0.57）和表面平整度（0.4415）較為重要，也須作為預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)階段較重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

3 基于TRIZ的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量特性沖突解決

通過(guò)質(zhì)量屋正負(fù)相關(guān)度比較產(chǎn)品特性，找出相互沖突關(guān)系，再運(yùn)用TRIZ矛盾分析法解決技術(shù)矛盾和物理矛盾，找到相應(yīng)的矛盾矩陣和分離原理，根據(jù)實(shí)際情況及技術(shù)支持找到最優(yōu)解[5]。

3.1 矛盾分析

運(yùn)用TRIZ理論將預(yù)制構(gòu)件的具體技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ通用的39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)，通過(guò)分離矛盾雙方來(lái)解決物理矛盾，并借助TRIZ的40個(gè)發(fā)明原理提供創(chuàng)新指導(dǎo)。

通過(guò)質(zhì)量屋的屋頂區(qū)域，能直觀地看出預(yù)制構(gòu)件各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素間的關(guān)聯(lián)性，如圖2所示。其中，“＋”號(hào)為正相關(guān)，即一項(xiàng)設(shè)計(jì)要素的改進(jìn)會(huì)使另一項(xiàng)設(shè)計(jì)要素產(chǎn)生優(yōu)化效果，“－”號(hào)為負(fù)相關(guān)，即一項(xiàng)設(shè)計(jì)要素的改善會(huì)導(dǎo)致另一項(xiàng)設(shè)計(jì)要素的惡化[6]。

將質(zhì)量屋屋頂中的3對(duì)矛盾沖突轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ的問(wèn)題模型，對(duì)這3對(duì)矛盾沖突進(jìn)行解釋分析。

矛盾1為防火性—構(gòu)件質(zhì)量。這是一對(duì)技術(shù)矛盾，當(dāng)對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，若提高防火性則需要增加構(gòu)件的質(zhì)量，以確保其具備足夠的耐火性能。但是過(guò)重的構(gòu)件可能會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)困難，并且會(huì)增加成本。

矛盾2為安全性—構(gòu)件特殊造型。這是一對(duì)技術(shù)矛盾，安全性要求構(gòu)件能夠承受一定的負(fù)荷、壓力或其他外部因素，并保證使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失效或危險(xiǎn)。而特殊造型可能需要改變構(gòu)件的形狀、結(jié)構(gòu)或材料，以實(shí)現(xiàn)某種特定的功能或滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

矛盾3為吊裝特性—構(gòu)件特殊造型。這是一對(duì)物理矛盾，吊裝特性通常涉及承載能力、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)構(gòu)件形狀方面的要求，構(gòu)件特殊造型可能會(huì)增加復(fù)雜性、改變重心位置等，也是對(duì)構(gòu)件形狀的要求。

通過(guò)采用阿奇舒勒矛盾矩陣和TRIZ理論，解決工程中的3個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題。運(yùn)用TRIZ理論將負(fù)相關(guān)關(guān)系的設(shè)計(jì)要素轉(zhuǎn)化為39個(gè)通用工程參數(shù)，通過(guò)分析矛盾類(lèi)型，并查詢(xún)矛盾矩陣表，可以獲得相應(yīng)的發(fā)明原理，為解決技術(shù)矛盾提供指導(dǎo)。此外，當(dāng)面對(duì)物理矛盾時(shí)，使用分離原理可以找到創(chuàng)新的解決辦法，見(jiàn)表3。

3.2 矛盾解決

綜合上述矛盾沖突，根據(jù)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量的具體情況和要求，選擇合適的發(fā)明原理進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐。

在1號(hào)矛盾中，采用10號(hào)原理—預(yù)先作用原理，在預(yù)制構(gòu)件的制造過(guò)程中，選擇具有良好防火性能的材料，例如耐火混凝土、耐火板等。這些材料在遭受火災(zāi)的過(guò)程中能夠延緩火勢(shì)蔓延，保護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性，同時(shí)耐火混凝土的質(zhì)量和普通混凝土相似，不會(huì)增加預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，確保預(yù)制構(gòu)件防火性的同時(shí)也保證了預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，見(jiàn)表4。

在2號(hào)矛盾中，采用40號(hào)原理—復(fù)合材料原理，選擇高強(qiáng)度、高剛度和耐腐蝕性能優(yōu)異的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為強(qiáng)化材料，預(yù)制構(gòu)件中的接頭部分用合適的設(shè)計(jì)和采取加固措施，以提高其強(qiáng)度和耐久性，見(jiàn)表5。

在3號(hào)矛盾中，采用5號(hào)發(fā)明原理—組合原理，模塊化設(shè)計(jì)與組合。將復(fù)雜的構(gòu)件設(shè)計(jì)拆分為若干互相獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊形狀和大小都較簡(jiǎn)單，再將多個(gè)模塊組合在一起，形成最終的特殊造型構(gòu)件。每個(gè)模塊都可以通過(guò)常規(guī)的吊裝設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)和安裝，不會(huì)受特殊造型的限制，既能滿(mǎn)足特殊造型的要求，又能使用常規(guī)的吊裝設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)和安裝，以此解決了物理矛盾，見(jiàn)表6。

4 結(jié)論

本文在設(shè)計(jì)階段考慮預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、施工過(guò)程中常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，把主觀的預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量需求因素轉(zhuǎn)化為客觀的工程技術(shù)因素，從質(zhì)量需求出發(fā)，分析了預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性，并通過(guò)解決沖突得到預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新解，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品充分滿(mǎn)足預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和施工需求，助力裝配式建筑全過(guò)程質(zhì)量管控和預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量管理工作。為獲取預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量需求因素，采用質(zhì)量屋作為工具，可視化了預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量需求與功能要素間關(guān)系，細(xì)化了設(shè)計(jì)要素與產(chǎn)品功能配置的問(wèn)題，將TRIZ理論引入預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，為后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程提供了科學(xué)的參考依據(jù)，在一定程度上簡(jiǎn)化了預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)思考步驟，解決了原有設(shè)計(jì)人員主觀判斷所產(chǎn)生的不確定性問(wèn)題。

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通信作者：董春芳（1975-），女，漢族，博士，副教授，就職于東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造過(guò)程質(zhì)量控制，工業(yè)工程。

電子郵箱：donglin_nefu2008@163.com。