模板支撑体系已成为当前各种大跨度、大空间等基础设施工程中广泛应用的一种施工技术, 加强模板支撑体系的质量控制对保障工程顺利建设有着重要意义^[1]。模板支撑架施工是体系的核心工序, 是质量控制和安全管理的重点。为了加强模板支撑架的质量安全管理, 国家先后出台了多项标准规范, 对支撑架的搭设做出详细的规定和说明, 极大地提高了模板支撑架的施工质量水平。然而, 在工程实践中模板支撑体系事故仍然不断发生, 住建部《2016年房屋市政工程生产安全事故情况通报》显示全年发生较大事故27起造成94人伤亡, 其中模板支撑体系坍塌事故8起造成30人伤亡, 模板支撑架的施工质量控制和安全管理形势严峻^[2]。

事故分析表明^[3,4], 模板支撑架施工质量不达规范要求仍然普遍存在, 已成为引起模板支撑体系事故发生的重要影响因素之一。研究者进行了质量管理的相关研究, 籍敬元等以某个现浇混凝土框架结构的高大模板支撑体系项目为例, 对模板支撑架的设计、安全及施工注意事项进行了分析^[5]。甘志明采用因果图法找出了某预应力箱梁高支模在实际施工中失稳的13条末端因素, 确定了在该工程条件下的7条要因, 提出了有效可行的对策并应用于工程中^[1]。蔡兰峰等分析了扣件式高大支撑架施工质量的主要影响因素, 提出了基于监理工程师视角的模板支撑架工程施工质量控制要点^[6]。可以看出, 目前关于模板支撑架在施工现场的施工质量与规范的偏差程度研究较少, 缺少基于施工现场质量数据的质量控制项目定量研究, 且质量管理精细程度不足, 极大地影响了施工现场质量管理。

为此, 本文从定量分析角度, 通过工程施工现场模板支撑架施工质量检查数据, 分析模板支撑架施工质量控制项目与标准规范的偏差度。然后, 基于聚类分析法对当前模板支撑架施工质量的偏差度进行聚类分析, 通过定义偏差度等级, 分析得到质量控制关键项目和一般项目。本文进一步引入检查和试验计划 (inspection and test plan, ITP) 方法加强施工现场的模板支架精细化质量管理, 控制致险因素并有力地提升质量安全管理水平。

模板支撑架通常是指脚手架用于模板支撑体系时的名称。目前, 用于模板支撑架的脚手架主要包括:扣件式钢管脚手架和碗扣式钢管脚手架2类^[7]。扣件式钢管脚手架有装卸方便、经济实用、坚固耐用、损耗小以及适应性好等优点, 目前应用最为广泛。碗扣式钢管脚手架则有结构稳定可靠、通用性好、整体性能好、承载力更大、装卸方便等优点, 但也存在着无法斜向放置和固定、不如扣件式钢管灵活和造价较高等不足。实践中, 住宅建筑、商业建筑等房屋建筑工程中的模板支撑体系使用扣件式和碗扣式钢管支撑架较多, 桥梁、高架、厂房等工程的模板支撑体系主要使用碗扣式钢管支撑架^[7]。本文以这2类支撑架为研究对象。

根据相关标准规范要求^[8,9,10], 模板支撑架的施工质量控制项目总结如下:表1为扣件式模板支撑架质量控制项目, 共24项;表2为碗扣式钢管支撑架质量控制项目, 共18项。

本文主要采用2种方式进行施工现场数据的采集, 即现场记录后客观计算和现场记录后主观评价。如钢管质量合格率, 在现场统计选定区域内所有钢管质量情况, 将合格数与检查总数的比值作为合格率;对于如扫地杆合理性的检查项, 则在现场记录描述工程实际情况, 根据实际情况与规范要求的偏差程度做出主观评判。为便于描述, 本文引入偏差度概念, 定义为模板支撑架施工操作与标准规范的偏差程度, 取值范围为[0, 1], 取值越小, 表明该项目的施工质量偏差越大;取值越大, 说明偏差越小, 越符合规范标准。其中, 数值型取值的项目可直接计算得到;对于需要主观评价的控制项目, 则设定相应的等级及对应取值。通过编制施工现场数据采集表, 进行施工现场数据调研采集。

本文采集了武汉市内的22个房屋建筑和市政工程项目。其中, 市政工程、民用建筑均为11个, 各占比50%。按照支撑架类型划分, 扣件式模板支撑架合计17个, 占77%;碗扣式模板支撑架5个, 占23% (见表3) 。

扣件式模板支撑架和碗扣式模板支撑架工程现场数据样本采集后, 进行归一化处理以消除各控制项之间的量纲差异, 由于篇幅有限, 得到处理后的部分样本如表4和表5所示。其中:A-i为扣件式模板支撑架项目编号, i=1, 2, …, 17;B-j为碗扣式模板支撑架项目编号, j=1, 2, 3, 4, 5。由于调研项目中项目的特点, 使得项目中不存在某些质量控制项目, 故暂未对此项目进行分析。对于扣件式模板支撑架, 主要有X13, X18, X22, X23;对于碗扣式模板支撑架, 有Y12。对于一些质量项目个别缺失数据, 以整体样本均值补充。

聚类分析 (cluster analysis) 是一种研究分类的多变量统计分析方法, 能够将一些具有相似数据特征的样本聚合为一类, 另外一些彼此相似的聚合为另一类^[11]。该方法能较好地用于将模板支撑架工程的各项元素按照在样本中的分布规律分类, 为模板支撑架施工质量控制项目分类管理提供支持。本文的数据类型比较单一、简单, 样本量较小, 故采用层次方法、欧几里得距离作为元素间距离的计算公式, 使用数据分析软件SPSS 20.0进行聚类分析。

选择合适的群集个数, 使各元素按照一定的特点被分类, 各个样本中的数值情况类似的分别归类, 进而得到在各个项目中都与规范偏差度基本相似的分类。为获得合适的分类效果, 本文进行了聚类数从3到10的聚类数讨论, 聚类分析结果如图1和图2所示。

从图1的扣件式模板支撑架聚类垂直冰锥图可以看出, 分为6和7群集较合适, 其中, 7群集将X11, X15和X16分成2类, 6群集则分成1类。从3个项目的均值和方差看, 分为1类较合适, 故选择6群集作为扣件式模板支撑架施工质量分类结果。

同理, 从图2碗扣式支撑架不同数目的聚集结果看, 10群集至6群集分组过细, 4群集和3群集过粗。比如4群集中, Y7和Y17均值、方差差异较大, 分到不同的群集更为合适, 故选择5群集作为碗扣式模板支撑架施工质量的分类结果。

根据6群集的分类结果, 并结合各项目均值和方差调整, 确定最终分类并分析项目重要性等级, 结果如表6所示。其中, 根据施工质量偏差度, 群集分类等级为:合格、基本合格、一般、比较严重、严重和非常严重6个等级。

根据聚类分析结果, 需要关注群集编号6, 5, 4, 3中的控制项目, 包括:X19, X20, X16, X15, X12, X11, X5。所以扣件式模板支撑架的质量控制关键项目为:扣件端头长度, 水平杆连接、搭接, 立杆底座、垫板, 立杆间距, 立杆步距, 水平剪刀撑, 竖向剪刀撑;其余项目为一般控制项目。

同理, 根据5群集的分类结果并结合方差和均值, 确定最终分类并分析项目重要性等级, 结果如表7所示。

根据聚类分析结果, 需关注群集编号5, 4, 3中的项目, 依次为Y11, Y17, Y7, Y16, Y4, Y13。故碗扣式模板支撑架的质量控制关键项目为:连墙件设置, 扣件力矩, 立杆底座、垫板, 间距≤1.5 m时的剪刀撑, 高度>4.5 m时的剪刀撑, 可调底座;其余为一般控制项目。

根据相关文献^[7,12]和事故案例^[2]等资料, 对我国2000—2016年发生的34起典型支撑架事故原因进行分析, 图3为支撑架事故中包含各原因的事故数量和所占比例。

图3表明, 支撑架坍塌事故中剪刀撑施工质量问题最突出, 70.6%的事故中涉及剪刀撑控制项。其后控制项依次是扫地杆、材料质量、立杆间距、立杆步距、水平杆件、立杆地基基础和连墙件等施工质量因素。扣件螺栓、对接构件、立杆伸出顶端距离所占比例较小。与基于现场数据调查的质量控制关键项相比, 剪刀撑、立杆步距、立杆间距、水平杆件、立杆地基基础、连墙件、扣件螺栓7项为共有项目。说明这些项目在实际施工过程中存在较大质量问题, 在管理中应重点关注这些致险因素^[13]。而扫地杆、材料质量、对接扣件、立杆伸出顶端距离4项未出现在基于现场数据分析出的控制项目中。扫地杆、立杆伸出顶端高度、立杆地基基础3项在本调研中施工质量较好, 对事故发生的敏感性较高, 应重点关注。

综上, 基于施工现场数据得到的质量控制关键项目与基于事故分析得到的基本吻合。剪刀撑、立杆间距、立杆步距、水平杆件、连墙件、扣件螺栓等在实际施工中情况较差, 并且容易引发质量安全事故;扫地杆设置、立杆伸出顶端高度和立杆地基基础在所调研项目的实际施工中情况较好, 但如果施工质量存在问题, 极易引发安全事故;立杆高低差处理措施, 钢管质量, 可调托撑螺杆, 扣件端头, 立杆底座、垫板在实际施工质量差, 施工中需要关注。

检查和试验计划 (inspection and test plan, ITP) 是一种用来指导和控制施工活动过程和质量的综合方法, 已经在核电、造船等领域广泛使用^[14]。ITP方法包含3个步骤:先决开启条件、工序检查和封闭验收^[15]。图4为ITP方法的操作流程。

1) 先决开启条件是ITP方法的第1步, 即进行工序开工前需要的准备工作是否完成, 工作界面是否达到要求, 是开工前的系统性检查。准备工作由施工单位完成, 监理单位进行检查核实并签字拍照留存, 施工活动才可以开始。

2) 工序检查是ITP质量检查的第2步, 即由参与方根据工序检查标准对工序活动的检验控制点进行检查并记录。工序不同, 其检查模式也不同, 主要包括见证点、停工待检点、旁站点和文件审核点。

3) 封闭验收则是对前2步不检查情况的结果进行检查, 满足以下条件才能封闭:工序活动已完成、整改要求已处理、文件记录完整清晰、检查点都已签字确定。

至此, 此项ITP项目的质量管理活动完成。

模板支撑架施工可以根据ITP操作流程, 分成模板支撑架施工准备阶段、施工阶段和验收阶段, 对应的ITP步骤方法分别进行先决开启条件检查、工序施工活动检查和关闭检查。图5为以碗扣式模板支撑架为例的施工质量管理ITP流程。ITP先决开启条件检查可采用清单方式, 根据JGJ166—2008《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》的要求, 主要检查内容包括图纸、技术文件、材料、工具和场地条件。工序检查则进一步根据规范要求, 各方对每道工序进行联合检查并指出存在的问题, 施工单位进行整改。最后, 对整个模板支撑架工程进行封闭验收, 系统化地对质量管理过程资料进行检查, 包括整改等情况资料。

基于ITP的模板支撑架施工质量管理贯穿事前、事中和事后3个阶段并体现了面向过程控制的特点, 与传统质量管理相比, ITP细化了检查的众多工序并分别编号, 提升了质量管理精细化。依据ITP检查文件进行各参与方联合检查、确认结果和明确责任, 为全过程质量管理的实施提供了条件。

模板支撑架施工质量管理是保障工程安全建设、预防事故发生的重要工作内容。本文基于聚类分析法分析质量偏差数据得到了反应模板支撑架工程施工中存在的实际质量问题的质量控制关键项目和一般项目, 基于ITP方法支持模板支撑架的精细化质量管理。由于本文研究调查的样本均在武汉市范围内, 国内模板支撑架工程的整体情况还需要进一步扩大样本采集数量进行分析。其次, 不同质量控制项目对风险事故的影响程度存在差异, 未来研究可以结合事故数据进一步分析导致事故发生的敏感项目, 支持质量控制关键项目的选择优化, 提升质量管理效果。