0 引言

我国现代模数协调体系建立已有30多年,作为模数协调体系重要组成部分的相关公差内容,则一直未能形成体系。近年来,由于装配式建筑的大量应用,建筑工业化的概念亟待制定与制造业类似的公差体系。在ISO国际标准模数协调体系中,国际标准对建筑公差的论述主要为ISO 3443系列,该标准系列较为完善地给出了建筑公差的概念、分析、检查等内容。我国目前装配式建筑在公差方面尚未形成完善的理论体系^[1]。本文旨在通过对ISO标准相关内容和体系进行初步探讨,为建立公差体系奠定基础。

ISO国际标准建筑公差系列主要包含ISO 3443《建筑公差》系列标准,该系列共包含8部标准^{[2,3,4,5,6,7,8,9]},该标准系列归属ISO/TC 59委员会(见表1)。

ISO建筑公差标准的发布时间集中在二十世纪七八十年代;迄今为止,虽然经过ISO组织多次检视,但并未开展修订工作,仍在执行中。

ISO 3443建筑公差各部分可概述为:第1,2部分为公差方面的基础性标准;第3部分规定了如何计算接口净距;第4部分为公差分配;第5部分为公差序列;第6,7部分为检验方法;第8部分为检验项清单。ISO公差标准各部分层次如图1所示。

与ISO公差标准进行配合的相关标准主要有12部(见表2)。由表2可看出,与之配合的标准内容多为测量、检验及概率方面;ISO 1803对公差术语进行了详细定义,在国际上引用较多。

该部分给出了建筑尺寸可变性的性质和量化目的,重点在制造过程和现场施工时,提出了评价、规范和检验建筑构配件公差要考虑的各类因素。该部分适用于按照模数化协调原则设计的构配件及建筑物,给出了导致尺寸可变性的原因:诱导偏差(制造偏差、放线偏差、施工偏差)、固有偏差;诱导偏差基本符合基于平均尺寸或位置的正态分布,同时给出公差应用的主要原则。

1)公差分析与节点设计密不可分,偏差可由接口系统吸收。

2)接口净距与接口连接技术及配合概率相关。

3)偏差的测量方法、施工方法、精度水平与公差等级相关。

4)公差值的选择要充分考虑经济性和技术水平。

该部分继续阐明尺寸可变性的特征,以及尺寸符合正态分布特征下,尺寸变量及尺寸偏差的组合形式,将尺寸可变性与接缝宽度的限制联系起来,阐明以下观点。

1)生产与安装过程中,建筑与构配件多次取样获得相关尺寸遵循正态分布,密度函数可用高斯曲线表示。

2)“配合”的本质是所需接口净距范围(即技术需求下节点缝最大最小宽度)与预估的、由尺寸可变性引起的接口净距进行协调的过程,并与失效概率相联系。

3)给出实际尺寸与“制作尺寸”差值(偏差)的概率分布取样要求及概率分布均值和标准差求解方法,如图2所示。

工业化生产、安装的构配件尺寸数值符合正态分布曲线,曲线的标准差及平均值均可通过样本调查得到,调查方法可参考ISO 16269-6。

该部分给出规定的一系列数值,建议建筑构配件或组合件从给出的数值系列中选择公差值,用于规范建筑构件和结构尺寸。系列分为主要值与中间值,具体如表3所示。

ISO 3443第3和第4部分的提出,是为确定构配件、构造及接口尺寸时的精度、公差和配合方法。

本部分为接口净距和目标尺寸的关系提供了技术基础,并为尺寸协调(包括“模数协调”)范围内所谓“配合”预测概率化表达提供了依据。应当指出,本部分主要针对标志尺寸(Coordinating Size)内构配件与接口的基于概率统计基础下的相互关系。“配合”的概念贯穿其中,主要阐明如下观点。

1)假设构配件和现场施工的尺寸偏差遵循平均值的正态分布;假设首先安装的构配件形成的空间内,其余构配件须与节点接缝净距相匹配;假设构造空间及构配件之间的尺寸偏差分布相互独立。

2)达到“配合”的影响因素为:接口净距要求的限值范围、选择的接口连接技术在限制范围内的工作能力(如承载力、保温、防水等能力)。

3)给出的计算程序不是基于严格的数学关系推导得到的。

本部分基于概率统计概念,提出最大最小节点接口净距风险的Q和q值,其中与所选定的太大的接口净距概率有关的标准差的倍数为Q,与所选定的太小的接口净距概率有关的标准差的倍数为q;上述2个值提出的主要目的是在空间尺寸正态分布与构配件尺寸正态分布线性相加得到的正态概率密度函数上(即接口部分的概率密度函数),根据“失配”概率得到尺寸偏差的大小,如图3所示。本部分Q与q也可用标准正态分布Z值表查得。

本部分给出:(1)当所有构配件和其接口均为相同类型时,选择其中1个部品、构配件目标尺寸;(2)计算空间的目标尺寸,用以容纳标准构件;(3)当利用构配件预估目标尺寸,选择1种适宜的接口技术;(4)其他如构配件偏差不是相互独立等情况下的基本计算程序。应当指出,本部分有偏差参与的计算公式,需首先明确空间标志尺寸的均值和标准差,以及构配件的均值和标准差,上述数值需进行多次抽样测量才能得到。

本部分给出预测组合件系统的偏差,并规定组成组合件的构件公差,以满足功能和装配公差要求。本部分主要阐述以下内容。

1)组合件系统与各组成构件及接口的尺寸、偏差、偏差分布的标准差与均值之间的关系。

2)利用正态累积函数,在设计阶段对偏差进行推导预测。

3)基于失配概率给出用于优化公差要求的过程(公差分配)。

综合第3部分和第4部分内容来看,国际标准对公差方面的主要思路是:在构配件及空间尺寸都符合正态分布条件下,面向设计、制造、施工等全过程,寻求能够将偏差分布与接口联系起来的方法;其目的不是提出面向构配件及空间尺寸全面的公差数值要求,而是提出一种分析优化公差要求与接口之间关系的方法和手段。

第6部分给出了公差检验原则及施工几何特性的核验准则(一般检验方法);第7部分给出了规定一种基于统计抽样检验要求的操作程序,被用来确定部件尺寸可接受精度及在建筑业中使用的操作。该程序涉及对规定要求的承认、验收标准和拒收后果,对协议和测量方法的建议,以及通过统计方法计划和执行检验;第8部分给出了建筑项目各方认可的工作程序和检查项目清单。

从ISO建筑公差标准可看出,其体系较为复杂,不便于工程人员理解。但其提出了在全过程,尤其是设计初期,如何分析及优化公差和接口净距的思路及方法,具有一定的先进性。

从目前欧洲标准EN 13670:2009《Execution of concrete structures》、EN 13369:2018《Common rules for precast concrete products》以及德国标准DIN 18202:2005《Tolerance in building construction》等相关标准内容来看^[10,11,12],欧洲装配式标准基本不采用或引用ISO建筑公差标准,仅部分引用了ISO 1803;美国的ACI 117M-10《Specifications for Tolerance for Concrete Construction and Materials and Commentary》^[13]及PCI《预制及预应力混凝土设计手册》(第8版)^[14]相关标准则完全不采用ISO公差标准;日本作为工业化建筑发展较早的国家之一,其标准JIS A0003《建筑公差》^[15]也仅引用了ISO 3443-5的部分内容。总之在国外建筑领域,ISO建筑公差标准的实际应用较少。

我国在GB/T 50002—2013《建筑模数协调标准》中4.5节公差与配合中给出了基本公差的概念和相关要求,也未采用ISO公差标准相关内容^[16]。应用较少的原因如下。

1)有关建筑公差的分析偏于分析过程,其计算程序或流程较为复杂,贯穿其中的概率统计的概念及方法并不利于设计人员、施工单位及制造企业采用。

2)一些团体已提出较为详细的公差(偏差)要求,这些公差已成为建筑业公认的标准,这些标准来源于其自身的经验和集体判断,以及其自身的经济考虑,具有一定的合理性;而基于ISO标准建立有一定理论基础的公差体系,仍需开展面向各类构配件大量的调研及数据分析工作,最终得到的公差建议值也需行业认可。

随着建筑工业化的进一步发展,一些标准的逐步完善,针对构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;结合ISO国际公差标准及我国模数协调标准的发展情况,提出如下建议。

1)开展全面调研工作,针对构配件、接口尺寸及其重要性,制定和完善公差的等级及相关要求;全面梳理、整合建筑工业化系列标准中的公差要求。

2)全面及系统分析构配件及接口净距与公差之间的关系。

3)开展国际间合作,重点与国际标准化组织共同完善国内公差体系理论构建工作。

4)加强产品质量监管及施工验收要求。