國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建筑公差標(biāo)準(zhǔn)體系介紹*

文/中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司 高曉明 郁銀泉 李曉明 朱 茜 馮海悅 段朝霞

0 引言

我國(guó)現(xiàn)代模數(shù)協(xié)調(diào)體系建立已有30多年，作為模數(shù)協(xié)調(diào)體系重要組成部分的相關(guān)公差內(nèi)容，則一直未能形成體系。近年來，由于裝配式建筑的大量應(yīng)用，建筑工業(yè)化的概念亟待制定與制造業(yè)類似的公差體系。在ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)協(xié)調(diào)體系中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑公差的論述主要為ISO 3443系列，該標(biāo)準(zhǔn)系列較為完善地給出了建筑公差的概念、分析、檢查等內(nèi)容。我國(guó)目前裝配式建筑在公差方面尚未形成完善的理論體系[1]。本文旨在通過對(duì)ISO標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容和體系進(jìn)行初步探討，為建立公差體系奠定基礎(chǔ)。

1 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建筑公差系列概述

ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建筑公差系列主要包含ISO 3443《建筑公差》系列標(biāo)準(zhǔn)，該系列共包含8部標(biāo)準(zhǔn)[2-9]，該標(biāo)準(zhǔn)系列歸屬ISO/TC 59委員會(huì)（見表1）。

ISO建筑公差標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間集中在二十世紀(jì)七八十年代；迄今為止，雖然經(jīng)過ISO組織多次檢視，但并未開展修訂工作，仍在執(zhí)行中。

ISO 3443建筑公差各部分可概述為：第1，2部分為公差方面的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)；第3部分規(guī)定了如何計(jì)算接口凈距；第4部分為公差分配；第5部分為公差序列；第6，7部分為檢驗(yàn)方法；第8部分為檢驗(yàn)項(xiàng)清單。ISO公差標(biāo)準(zhǔn)各部分層次如圖1所示。

與ISO公差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配合的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有12部（見表2）。由表2可看出，與之配合的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容多為測(cè)量、檢驗(yàn)及概率方面；ISO 1803對(duì)公差術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了詳細(xì)定義，在國(guó)際上引用較多。

圖1 ISO公差標(biāo)準(zhǔn)體系框架

表1 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建筑公差系列

表2 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建筑公差系列配合標(biāo)準(zhǔn)

2 ISO 3443建筑公差基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)概述

2.1 評(píng)價(jià)與技術(shù)要求的基本準(zhǔn)則

該部分給出了建筑尺寸可變性的性質(zhì)和量化目的，重點(diǎn)在制造過程和現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，提出了評(píng)價(jià)、規(guī)范和檢驗(yàn)建筑構(gòu)配件公差要考慮的各類因素。該部分適用于按照模數(shù)化協(xié)調(diào)原則設(shè)計(jì)的構(gòu)配件及建筑物，給出了導(dǎo)致尺寸可變性的原因：誘導(dǎo)偏差（制造偏差、放線偏差、施工偏差）、固有偏差；誘導(dǎo)偏差基本符合基于平均尺寸或位置的正態(tài)分布，同時(shí)給出公差應(yīng)用的主要原則。

1）公差分析與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)密不可分，偏差可由接口系統(tǒng)吸收。

2）接口凈距與接口連接技術(shù)及配合概率相關(guān)。

3）偏差的測(cè)量方法、施工方法、精度水平與公差等級(jí)相關(guān)。

4）公差值的選擇要充分考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)水平。

2.2 尺寸具有正態(tài)分布特征的構(gòu)件之間的配合的預(yù)測(cè)

該部分繼續(xù)闡明尺寸可變性的特征，以及尺寸符合正態(tài)分布特征下，尺寸變量及尺寸偏差的組合形式，將尺寸可變性與接縫寬度的限制聯(lián)系起來，闡明以下觀點(diǎn)。

1）生產(chǎn)與安裝過程中，建筑與構(gòu)配件多次取樣獲得相關(guān)尺寸遵循正態(tài)分布，密度函數(shù)可用高斯曲線表示。

2）“配合”的本質(zhì)是所需接口凈距范圍（即技術(shù)需求下節(jié)點(diǎn)縫最大最小寬度）與預(yù)估的、由尺寸可變性引起的接口凈距進(jìn)行協(xié)調(diào)的過程，并與失效概率相聯(lián)系。

3）給出實(shí)際尺寸與“制作尺寸”差值（偏差）的概率分布取樣要求及概率分布均值和標(biāo)準(zhǔn)差求解方法，如圖2所示。

工業(yè)化生產(chǎn)、安裝的構(gòu)配件尺寸數(shù)值符合正態(tài)分布曲線，曲線的標(biāo)準(zhǔn)差及平均值均可通過樣本調(diào)查得到，調(diào)查方法可參考ISO 16269-6。

2.3 用于公差規(guī)定的數(shù)值系列

該部分給出規(guī)定的一系列數(shù)值，建議建筑構(gòu)配件或組合件從給出的數(shù)值系列中選擇公差值，用于規(guī)范建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)尺寸。系列分為主要值與中間值，具體如表3所示。

圖2 尺寸值分布、偏差分布及限值

表3 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建筑公差系列配合標(biāo)準(zhǔn)

3 ISO建筑公差技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)概述

ISO 3443第3和第4部分的提出，是為確定構(gòu)配件、構(gòu)造及接口尺寸時(shí)的精度、公差和配合方法。

3.1 選擇目標(biāo)尺寸和預(yù)期配合的程序

本部分為接口凈距和目標(biāo)尺寸的關(guān)系提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并為尺寸協(xié)調(diào)（包括“模數(shù)協(xié)調(diào)”）范圍內(nèi)所謂“配合”預(yù)測(cè)概率化表達(dá)提供了依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出，本部分主要針對(duì)標(biāo)志尺寸（Coordinating Size）內(nèi)構(gòu)配件與接口的基于概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)下的相互關(guān)系。“配合”的概念貫穿其中，主要闡明如下觀點(diǎn)。

1）假設(shè)構(gòu)配件和現(xiàn)場(chǎng)施工的尺寸偏差遵循平均值的正態(tài)分布；假設(shè)首先安裝的構(gòu)配件形成的空間內(nèi)，其余構(gòu)配件須與節(jié)點(diǎn)接縫凈距相匹配；假設(shè)構(gòu)造空間及構(gòu)配件之間的尺寸偏差分布相互獨(dú)立。

2）達(dá)到“配合”的影響因素為：接口凈距要求的限值范圍、選擇的接口連接技術(shù)在限制范圍內(nèi)的工作能力（如承載力、保溫、防水等能力）。

3）給出的計(jì)算程序不是基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)得到的。

本部分基于概率統(tǒng)計(jì)概念，提出最大最小節(jié)點(diǎn)接口凈距風(fēng)險(xiǎn)的Q和q值，其中與所選定的太大的接口凈距概率有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)為Q，與所選定的太小的接口凈距概率有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)為q；上述2個(gè)值提出的主要目的是在空間尺寸正態(tài)分布與構(gòu)配件尺寸正態(tài)分布線性相加得到的正態(tài)概率密度函數(shù)上（即接口部分的概率密度函數(shù)），根據(jù)“失配”概率得到尺寸偏差的大小，如圖3所示。本部分Q與q也可用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布Z值表查得。

圖3 Q及q在接口寬度概率密度函數(shù)上的示意

本部分給出：①當(dāng)所有構(gòu)配件和其接口均為相同類型時(shí)，選擇其中1個(gè)部品、構(gòu)配件目標(biāo)尺寸；②計(jì)算空間的目標(biāo)尺寸，用以容納標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件；③當(dāng)利用構(gòu)配件預(yù)估目標(biāo)尺寸，選擇1種適宜的接口技術(shù)；④其他如構(gòu)配件偏差不是相互獨(dú)立等情況下的基本計(jì)算程序。應(yīng)當(dāng)指出，本部分有偏差參與的計(jì)算公式，需首先明確空間標(biāo)志尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以及構(gòu)配件的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，上述數(shù)值需進(jìn)行多次抽樣測(cè)量才能得到。

3.2 組合件偏差的預(yù)測(cè)以及公差分配的方法

本部分給出預(yù)測(cè)組合件系統(tǒng)的偏差，并規(guī)定組成組合件的構(gòu)件公差，以滿足功能和裝配公差要求。本部分主要闡述以下內(nèi)容。

1）組合件系統(tǒng)與各組成構(gòu)件及接口的尺寸、偏差、偏差分布的標(biāo)準(zhǔn)差與均值之間的關(guān)系。

2）利用正態(tài)累積函數(shù)，在設(shè)計(jì)階段對(duì)偏差進(jìn)行推導(dǎo)預(yù)測(cè)。

3）基于失配概率給出用于優(yōu)化公差要求的過程（公差分配）。

綜合第3部分和第4部分內(nèi)容來看，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公差方面的主要思路是：在構(gòu)配件及空間尺寸都符合正態(tài)分布條件下，面向設(shè)計(jì)、制造、施工等全過程，尋求能夠?qū)⑵罘植寂c接口聯(lián)系起來的方法；其目的不是提出面向構(gòu)配件及空間尺寸全面的公差數(shù)值要求，而是提出一種分析優(yōu)化公差要求與接口之間關(guān)系的方法和手段。

4 ISO建筑公差檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)概述

第6部分給出了公差檢驗(yàn)原則及施工幾何特性的核驗(yàn)準(zhǔn)則（一般檢驗(yàn)方法）；第7部分給出了規(guī)定一種基于統(tǒng)計(jì)抽樣檢驗(yàn)要求的操作程序，被用來確定部件尺寸可接受精度及在建筑業(yè)中使用的操作。該程序涉及對(duì)規(guī)定要求的承認(rèn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和拒收后果，對(duì)協(xié)議和測(cè)量方法的建議，以及通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)劃和執(zhí)行檢驗(yàn)；第8部分給出了建筑項(xiàng)目各方認(rèn)可的工作程序和檢查項(xiàng)目清單。

5 ISO建筑公差標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用情況

從ISO建筑公差標(biāo)準(zhǔn)可看出，其體系較為復(fù)雜，不便于工程人員理解。但其提出了在全過程，尤其是設(shè)計(jì)初期，如何分析及優(yōu)化公差和接口凈距的思路及方法，具有一定的先進(jìn)性。

從目前歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13670：2009《Execution of concrete structures》、EN 13369：2018《Common rules for precast concrete products》以及德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 18202：2005《Tolerance in building construction》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容來看[10-12]，歐洲裝配式標(biāo)準(zhǔn)基本不采用或引用ISO建筑公差標(biāo)準(zhǔn)，僅部分引用了ISO 1803；美國(guó)的ACI 117M-10《Specifications for Tolerance for Concrete Construction and Materials and Commentary》[13]及PCI《預(yù)制及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第8版）[14]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則完全不采用ISO公差標(biāo)準(zhǔn)；日本作為工業(yè)化建筑發(fā)展較早的國(guó)家之一，其標(biāo)準(zhǔn)JIS A 0003 《建筑公差》[15]也僅引用了ISO 3443-5的部分內(nèi)容。總之在國(guó)外建筑領(lǐng)域，ISO建筑公差標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用較少。

我國(guó)在GB/T 50002—2013《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)》中4.5節(jié)公差與配合中給出了基本公差的概念和相關(guān)要求，也未采用ISO公差標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容[16]。應(yīng)用較少的原因如下。

1）有關(guān)建筑公差的分析偏于分析過程，其計(jì)算程序或流程較為復(fù)雜，貫穿其中的概率統(tǒng)計(jì)的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。

2）一些團(tuán)體已提出較為詳細(xì)的公差（偏差）要求，這些公差已成為建筑業(yè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)來源于其自身的經(jīng)驗(yàn)和集體判斷，以及其自身的經(jīng)濟(jì)考慮，具有一定的合理性；而基于ISO標(biāo)準(zhǔn)建立有一定理論基礎(chǔ)的公差體系，仍需開展面向各類構(gòu)配件大量的調(diào)研及數(shù)據(jù)分析工作，最終得到的公差建議值也需行業(yè)認(rèn)可。

6 對(duì)我國(guó)建筑工業(yè)化公差體系發(fā)展的建議

隨著建筑工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，針對(duì)構(gòu)配件及建筑施工方面的公差限值要求逐步完善，制造及施工建造的精度也在逐步提升；結(jié)合ISO國(guó)際公差標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)模數(shù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況，提出如下建議。

1）開展全面調(diào)研工作，針對(duì)構(gòu)配件、接口尺寸及其重要性，制定和完善公差的等級(jí)及相關(guān)要求；全面梳理、整合建筑工業(yè)化系列標(biāo)準(zhǔn)中的公差要求。

2）全面及系統(tǒng)分析構(gòu)配件及接口凈距與公差之間的關(guān)系。

3）開展國(guó)際間合作，重點(diǎn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織共同完善國(guó)內(nèi)公差體系理論構(gòu)建工作。

4）加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管及施工驗(yàn)收要求。