建筑結構構配件公差調研方法研究*

姜中天，田元昊

(1.中國建筑設計院有限公司，北京100044；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

1 研究背景

目前，國家大力推廣各類工業化建筑，在實現建筑主體結構及圍護結構部品等裝配化安裝的前提下，行業和地方也在大力推進全裝修成品交房，并提出具體要求和實施細則，部分地區也出臺了裝配式裝修相關技術標準。

我國建筑工業化發展至今，建筑設計與室內設計雖均為建筑這一成品本身服務，但一直分屬2個技術領域，施工安裝、運行維護等環節也都按照各自的理解和常規做法進行操作，工業化建筑建設中遇到的2個專業相互協同和配合的技術問題大多采用管理手段解決，這導致2個專業協調配合產生的問題，在發展全裝修成品建筑的大前提下愈發嚴重，某種程度上已對工業化建筑成品的質量性能產生了一定影響。

建筑設計與室內設計難以協同最為突出的是制造和安裝精度難以匹配，從而產生大量的協調配合問題。設計中同樣規格的建筑功能空間在門窗、臺面、固定家具等安裝前要重新復尺，而室內裝修的設計、相關部品的制作和安裝大多需要以復尺結果作為依據。不但浪費了大量的人力和時間，還給標準化制造和安裝制造了很大困難，這與我國發展工業化建筑的基本理念相沖突。在居住建筑領域，這種問題在建設毛坯房的條件下不明顯，但在發展全裝修成品住房方面劣勢盡顯，不利于工業化建筑的推廣和發展。

制造和安裝精度的最終體現，在工程建設及制品制造等領域稱之為公差，在GB/T50002—2013《建筑模數協調標準》中也有相關描述。隨著我國建筑工程整體水平的提升，雖然主體結構存在的安全問題大量減少，但在施工階段建筑主體結構還是會出現一定的公差，公差雖然對結構受力情況基本沒有影響，但對建筑后續裝修造成很大困擾，為適應建筑主體結構偏差，室內裝修也不得不產生大量的非標準化部品，施工現場的錯、漏、碰、缺等現象十分普遍。而對于建筑公差產生和消納方面的問題，目前也找不到更多的技術手段解決，甚至在建筑主體結構完成時并沒有太多的關注。

為從公差入手解決上述問題，對建筑公差進行調研方法上的研究，通過了解目前工業化建筑的公差情況，從中找到建筑主體結構與室內裝修之間的公差協調原則。從公差產生的源頭控制建筑主體結構的完成界面，以期與室內裝修形成良好的配合。

2 調研目標

公差為部件或分部件在制作、放線或安裝時的允許偏差值，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制作時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，基準面或基準線之間的允許偏差；位形公差是指在力學、物理、化學等作用下，部件或分部件所產生的位移和變形的允許偏差。本次調研的公差是指上述幾項累積的整體公差(以下簡稱“公差”)，即生產、堆放、施工、養護等過程中累積的偏差總和。

嚴格按照建筑設計圖紙制作加工的門、窗在安裝時與土建完成的門窗洞口完成面經常難以配合，目前工程上的做法大多在主體結構完成后，門、窗進入制作之前，在現場復尺，根據復尺結果定制生產門、窗，進入安裝。

一些固定儲藏、廚房臺面，如果嚴格按照建筑及室內設計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調，工程上也需要復尺，再根據復尺結果進行定制式的部品生產。圖1為建筑主體完成后圍合成的室內空間精確度示意，從此圖中能夠看出，建筑主體結構的公差是厘米級的，而部品的公差是毫米級的，兩方的不匹配是難以順利完成安裝的重點問題。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律，并在未來的工程建設過程中加以解決。

圖1 建筑主體結構完成時室內凈空間

從上述舉例能夠看出，門窗洞口、重復率較高的建筑功能空間(開間、進深)是亟需解決的部位。而對于非洞口、非固定家具安裝的部位，建筑主體結構即使有偏差，對室內的安裝條件均可通過技術尺寸化解。所以，本次調研的目標也基本鎖定帶有居住類性質的建筑的門、窗洞口和建筑功能空間。根據以上分析，本次調研擬定的技術路線如圖2所示。

圖2 調研采用的技術路線

3 現行技術標準查詢

對于建筑設計、門窗洞口、各類建筑構配件的制作、建筑施工驗收等，國家、行業及一些地方標準中有較為詳盡的描述，可作為本次調研的基礎數據參考，以控制調研過程中可能出現的數據離散現象。國家標準作為指導建筑設計與施工的基礎標準，所有類型的居住建筑都應滿足如下標準:GB50001—2017《房屋建筑制圖統一標準》，GB/T50002—2013《建筑模數協調標準》，GB50300—2013《建筑工程施工質量驗收統一標準》，GB50210—2018《建筑裝飾裝修工程質量驗收規范》。

3.1 鋼結構建筑

在鋼結構建筑中，鋼材作為主要受力構件，是建筑主體結構重要的一環。參考性較高的現行技術標準有:GB50017—2017《鋼結構設計規范》，GB50755—2012《鋼結構工程施工規范》，GB/T51232—2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》，GB50628—2010《鋼管混凝土工程施工質量驗收規范》，GB50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》。

由于各類鋼構件主要作為結構受力構件，建筑功能空間的圍合還需外圍護結構、內隔墻、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隔墻、外圍護結構墻、樓板等建筑構配件本身引起，鋼結構主體的施工早于上述工程，精細化程度較高，對洞口和空間偏差的影響也較小。具體表現在:主體結構整體垂直度允許偏差為H/1000，且不應大于25mm，主體結構整體平面彎曲允許偏差L/1500，且不應大于25mm；鋼構件外形尺寸主控項目的允許偏差中，構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，受壓構件(桿件)彎曲矢高允許偏差為L/1000，且不應大于10mm。

3.2 混凝土建筑

混凝土建筑結構相關規范如下:GB50010—2010(2015版)《混凝土結構設計規范》，GB50666—2011《混凝土結構工程施工規范》，GB50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》。

對于裝配式混凝土建筑除施工驗收規范之外還存在產品標準規范，規定了預制混凝土的尺寸偏差，產品標準規范一般較施工驗收規范更為嚴格，以保證后續施工的誤差能夠滿足施工驗收的要求，如:GB/T51231—2016《裝配式混凝土建筑技術標準》，J G J1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》。

無論是產品標準還是施工、驗收標準，都對混凝土尺寸偏差及預留洞的偏差有詳細規定，主要體現在《混凝土結構工程施工質量驗收規范》。

3.3 建筑門窗洞口

目前現行有關門窗的技術標準都是主要針對門窗材料、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留洞口和設計值的偏差，包括預制類和現澆式混凝土對于預留洞口的規定。除此之外，針對不同類型的門窗，一些技術標準還有其他相關規定，如J G J103—2008《塑料門窗工程技術規程》中提出，對于同一類型的門窗洞口，上下左右方向位置偏差應符合下列要求。

1)處于同一垂直位置的相鄰洞口，中線左右位置相對偏差不應大于10mm；全樓高度內，所有處于同一垂直線位置的各樓層洞口，左右位置相對偏差不應大于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，中線上下位置相對偏差不應大于10mm；全樓長度內，所有處于同一水平線位置的各單元洞口，上線位置相對偏差不應大于15mm(全樓長度≥30 m)。

3.4 建筑功能空間尺寸相關標準

建筑凈空間尺寸是質量分戶檢驗中的重要內容，各地方的室內凈距、凈高尺寸檢驗細則大致類似但又不盡相同，都參照J G J/T304—2013《住宅室內裝飾裝修工程質量驗收規范》的附錄A，如圖3所示。

圖3 室內空間尺寸測量

1)每個房間凈高共抽測5點，開間、進深尺寸各抽測2處。偏差不應大于20mm。房間方正度測對角兩點，偏差不應大于4mm。

2)偏差為實測值與標準值之間的絕對差；極差為實測中最大值與最小值之差，極差不應大于垂直長度的0.5%。

3)室內每戶為一個檢驗單元。

4 理論分析論證

4.1 樣本量確定

抽樣估計的精確度是指樣本的統計量與其所代表的總體值的接近程度。調研結果相對于總體真實值的精確度與樣本容量直接相關。樣本容量越大，抽樣誤差相對就會減少，估計精度就會提高；若樣本容量太小，抽樣誤差就會增大，從而影響抽樣估計的精確度。

但需要注意的是，樣本量和選取的統計量有直接關系，中心極限定理指出:如果樣本的數量大小n≥30，且屬于任何均值為μ，標準差為σ的抽樣總體，這個樣本均值會近似服從正態分布。在本次住宅公差問題的統計中，選取公差的均值作為統計量，此時需滿足n≥30樣本才具有統計學意義。

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，此時平面四邊形可看做一個平面剛體。證明在已知5個約束條件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

假設平面四邊形剛體A B C D，4個頂點坐標分別為A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)，D(x4，y4)。由于一個剛體在平面內有2個平動自由度和1個轉動自由度，因此不妨設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動。若此時已經測量出A B、BC、CD、DA、AC的長度，則可以分別計算出其他3個頂點的坐標，從而確定此剛體的形狀。

4.3 建筑功能空間的約束條件

在假定內墻面都為平面的情況下，建筑功能空間可近似看作一個空間六面體(見圖5)，即可在已知12個約束條件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 調研表制作

4.4.1 建筑門、窗洞口測量

1)假設前提 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C C’≤5cm時，B’C’=B C(見圖6)。

2)注意事項 ①根據具體工程，每個項目應測量50組數據；②每組有效的數據由5個距離組成:AB、BC、CD、DA、BD；③門窗洞口的測量應選取室內到室外的角度來觀測。若洞口兩側都在室內，應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 假設前提

建筑空間的形狀為六面體；當②P≤5cm時，PQ=②⑥(見圖7)。

圖7 建筑空間測量

4.4.2.2 注意事項

1)根據具體工程，每個項目應測量50組數據。

2)每組有效的數據由15個距離組成:①②、②③、③④、④①、①⑤、②⑥、③⑦、④⑧、⑤⑥、⑥⑦、⑦⑧、⑧⑤、①⑥、①③、①⑧。

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

5 結語

當前我國工業化建筑的主體結構構配件、室內部品之前的公差協調缺乏，有效減少差異是當下亟待解決的問題，為了解建筑主體結構公差在實際項目中的普遍情況，找到建筑主體結構公差范圍和其協調原則，通過研究發現，合理地統計施工中門窗洞口及室內凈空間尺寸偏差，可掌握工程實際中建筑主體結構公差的基本規律，從而找到公差配合及協調原則，對今后的工程實踐有很大的參考價值。為此，通過數理統計理論和幾何空間分析，創新了一套建筑主體結構公差的調研方法。本次調研方法的研究主要有以下主要結論。

1)根據大樣本理論，一組統計結果超過30個數據，即可認為其均值具有統計意義。為保證樣本的有效性，調研表擬選取每組50個數據。

2)由四邊形約束條件可得，確定1個四邊形至少需要5個約束條件，在此選取4條邊和1條斜邊來確定門窗洞口的偏差，經驗證可行。

3)由六面體約束條件可得，確定1個六面體至少需要12個約束，在此選取12條邊和3條斜邊來確定室內凈空間尺寸的偏差，經驗證可行。