装配式建筑质量链管理研究
1 引言
近年来学术界对装配式建筑及相关问题的研究热度较高,但对于装配式建筑质量管理的研究较少。学者们从不同角度展开研究,如有研究者识别装配式建筑的构部件在不同阶段的风险因素并提出相应的对策,有研究者则建立了装配式建筑施工质量的评估指标体系及评估方法。还有学者强调将BIM引入装配式建筑质量管理以解决普遍存在的信息问题,如提出基于BIM的质量控制流程和管理措施,或构建装配式建筑BIM自动化质量管理平台。其他学者则尝试将BI M与其他技术结合以解决装配式建筑的质量管理问题,如搭建集成BIM和RFID的构件生产质量管理流程模型,建立整合TQM和BIM的质量管理系统,等等。
BIM的引入对于确保和提升装配式建筑质量起到积极作用,然而装配式建筑的质量形成有其独特性,取决于不同因素,涉及到多个过程和环节。现有文献较少关注多因素和多环节等对装配式建筑质量的影响,而质量链管理的理论和方法则有可能弥补这一不足。有研究者将质量链从生产制造领域引入建设工程领域,并探究总承包体制下质量链管理的契合性,其后有研究者构建了复杂工程项目的宏观质量链体系框架,有研究者还系统研究了复杂项目质量链的识别方法及优化模型。以现有研究为基础,本文尝试将装配式建筑质量形成的独特性纳入质量链管理的分析框架,构建装配式建筑质量链管理模型,并应用BIM技术促进质量链管理的良性运作。
2 装配式建筑质量形成的独特性
装配式建筑质量形成的独特性体现在:
(1)宏观层面,从质量形成过程的角度看,装配式建筑远比传统建筑更为复杂。尽管传统建筑的质量形成也涉及多因素和多阶段等问题,但总体上看相对简单。根据《装配式建筑评价标准》(GB T/51129-2017),装配率不低于50%的建筑为装配式建筑。这意味着,装配式建筑质量形成过程中只有50%以内的部分,如工程设计等与传统建筑质量的形成相似,其余部分则遵循结构构件标准化、加工制作自动化、现场安装装配化等“九段九化”的要求展开。而装配式建筑的构部件从设计、原材料到成品的过程,实际上更接近于产品的生产制造过程。但在两个关键点上与产品生产制造过程有所区别,一是装配式建筑的构部件具有多元化特征,在生产之前必须进行深化设计;二是装配式建筑构部件还将在施工现场经历装配化的过程。因此装配式建筑质量的形成实际上包含传统建筑建造过程、构部件的生产制造过程和构部件的装配化过程三个相互联系又相互独立的过程。
(2)微观层面,装配式建筑质量的基本单元是质量特性,质量特性随着质量的形成过程迁移,从一个企业过渡到另一个企业,从一个环节过渡到另一个环节。前端过程的质量状态将会以某种形式影响到后续过程的质量产出。质量特性的迁移具体包括三种情况:上一个过程产出的质量特性作为下一个过程的投入、上一个过程产出的质量特性作为若干个后续过程的投入、多个位于前端的过程产出的质量特性作为下一个过程的投入。可见任何质量特性均扮演着投入与产出两种状态,所有质量特性的状态使得其必然处于装配式建筑质量形成的某个或多个环节之中,并因此串联成若干条环环相扣的质量线条。
3 装配式建筑质量链管理模型
3.1 装配式建筑质量链的概念与结构
装配式建筑质量的形成取决于前后相续的不同过程的质量特性,实现质量目标的关键则在于质量特性从单位到单位、从阶段到阶段、从工序到工序的迁移。不同单位、阶段或工序所形成的质量特性类似于实际生活中构成链条的一个个环节,因此所谓装配式建筑质量链,即是将装配式建筑质量形成的整个过程看作是环环相扣的链条,而每一个具体过程则构成链条的一个个环。装配式建筑的最终质量绝非仅是某个单位或过程的功劳,而是整个过程中不同单位有机应用不同要素共同努力的结果。装配式建筑质量链的概念隐含“木桶原理”和“阈值原理”,前者表明装配式建筑的最终质量受制于整个过程中最低质量状态的影响,而后者则表明每一环节的质量必须满足最低质量要求(阈值),否则必将影响到装配式建筑的最终质量。因此从质量链的角度看,装配式建筑质量链链条上的各个环节并没有绝对的轻重之分。
从结构上看,装配式建筑质量链是总体上具有层次性的链式结构。质量链的层次性意指其质量过程可逐层分解至最小环节,最小环节所对应的产出为质量特性单元;并且从装配式建筑的建造规律看,质量链并不是单独的链条,而是由多根链条相互交接而成。不同的装配式建筑,其质量链长短及支线的多少也是不同的。装配式建筑质量链进一步可以区分为纵向质量链和横向质量链。以参与单位为划分依据,则纵向质量链为具体参与单位按照内部工作流程完成合同范围内所有工作过程,横向质量链是跨单位的外部质量链;以时间为线索,纵向质量链是指在特定建设阶段内,按照工艺流程所需完成的各项工作过程,横向质量链是跨阶段的外部质量链。
3.2 装配式建筑质量链管理的内在要求
装配式建筑质量链的结构特征不仅使得更有必要、同时也更易于采取过程控制与结果控制相结合的质量管理方法和措施。传统观点认为只要有效控制4M1E(人、机、料、法、环)等质量影响因素,就能够确保质量目标的实现,但是这种做法忽略了这些因素之间的相互关联,从而可能导致每个因素都在可控范围内,但最终质量却难尽人意。有研究者将4M1E扩展为6M1E,即管理者(Manager)、工人(Man)、设备(Machine)、材料(Material)、方法(Method)、测量(Measure)和环境(Environment),并将影响因素之间的关联概括为管理过程、作业过程和工艺过程。6M1E的提出和三个过程的认识更加贴近于装配式建筑质量链管理的实践需求,使得过程控制成为可能。传统的结果控制以质量验收为主线,但难免陷入简单化窠臼,而Cooper、Edgett和Kleinschmidt提出的用于指导新产品开发的阶段门方法,则有助于改善这种状况。阶段门技术通过识别开发过程不同阶段的系统关键点(门),制定明确的交付成果、标准及产出,从而确保产品开发每个阶段的可靠性及质量。阶段门技术引入装配式建筑质量链管理,作为传统质量验收的补充,可能会更有利于装配式建筑质量目标的实现。
3.3 装配式建筑质量链管理模型构建
装配式建筑质量链管理是指各参与单位根据质量链的运行规律,对6M1E及其对应的管理过程、作业过程和工艺过程的质量进行控制,并应用阶段门技术对关键节点进行结果控制,实现纵向质量链内部过程和横向质量链外部过程之间的有机耦合,从而确保装配式建筑质量目标的实现。据此本文建立了装配式建筑质量链管理模型(图1)。由图1可知,装配式建筑质量链可分解为设计链、施工链、生产链和装配链。每种类型的链均可逐层分解至最小环节,质量链管理则是以链的不同层级环节为对象,识别不同过程产出的质量特性,对质量特性的产出过程进行控制,并对形成的质量特性进行验收,关键链节点则应用阶段门技术进行结果控制。质量链管理的关键可以概括为“过程控制与结果控制的双重把控、微观到宏观的逐步集成”。下面以第1层级链为例对装配式建筑质量链管理模型进行说明。
对于设计链,设计单位首先基于业主需求识别设计质量特性,并将质量特性参数分解作为结构、建筑及水电等专业设计工作的输入,设计人员据此开展设计工作,对其管理过程和作业过程进行控制,确保符合合同及国家标准规范,分专业设计形成设计图纸并对图纸质量进行验收,而后开展多专业集成工作,以避免图纸冲突等问题,此时设置阶段门,以图纸冲突率等指标作为考核标准。通过阶段门的设计图纸作为施工链的输入端,此时宜从可施工性的角度设置阶段门。由于此阶段设计图纸并未包含预制构件的生产及施工信息,因此需要进行深化设计,对构件分类、编码并定义构件信息,作为生产链的输入,此处则从构件分解、信息准确性、定位精确性等角度设置阶段门。
对于施工链,以业主需求、设计文件为输入,识别施工质量特性,按照基础、主体、屋面等从下到上,以及装饰装修、给排水与采暖等专业工程的逻辑展开,对于不同分部工程施工的管理过程、工艺过程及作业过程进行监控,并按照现有规范进行研究。施工链中有如下处应设置阶段门:一是不同分部工程界面,如基础工程与主体工程之间;二是施工现浇部分与预制结构的交叉之处;三是重要分部分项工程节点。
对于生产链,以业主需求、设计文件和深化设计文件为输入,识别构部件质量特性,据此开展技术、物资和劳动等准备工作,此时设置阶段门,提出原材料、模具等具体要求;然后进行构件制作,对构件制作的管理过程、作业过程和工艺过程进行监控,开展构件质量验收工作,并设置阶段门,控制构件各项参数;第三是构件的堆放和运输环节,作为装配链的输入,此时亦应设置阶段门,对构件装配前的各项指标进行控制。
对于装配链,以业主需求、设计文件及深化设计文件为输入,识别装配质量特性,然后以与现浇匹配的方式开展装配化施工,并从管理过程、工艺过程和作业过程角度开展过程控制,考虑到目前尚缺乏系统完善的技术标准,特别要重视工艺过程和作业过程。装配链中应设置三处阶段门:一是预制构件的吊装后,二是预制构件的组装后,三是预制构件装配后。
实践中,设计链、施工链、生产链和装配链不存在绝对的时间先后顺序,如深化设计可能和施工同时进行,同时也并非是完全独立的链条,如深化设计需要和现场施工匹配、构件安装需要与现浇结构交叉等。因此,包含不同层级的完整装配式建筑质量链是极为复杂的。
3.4 装配式建筑质量链管理流程设计
以过程为中心的质量链的多层次结构使其具有明显的分形特征,即上一层级与下一层级链条所涉及的过程可能存在量的差别,但无本质区别,故而质量链管理在不同层级具有较高的一致性。质量链管理流程设计的核心在于集成过程质量与结果质量,微观层面上典型的质量链管理流程如图2所示。
每一个质量过程的管理流程,起点在于上一环节或紧前环节输入的质量特性,以及对本环节质量特性的识别,影响到质量特性实现的诸多因素,集中于管理过程、工艺过程和作业过程,因此过程质量的关键在于如何使得上述三个过程符合要求,这即是过程控制;本环节输出的质量特性是否符合要求,通常借助验收的形式确定,但对于跨组织界面的过程、跨阶段界面的过程、重要节点如现浇与预制界面等处,必须设置阶段门,设置该环节过程需要达到的各项要求。符合验收或阶段门要求的,进入下一环节,否则需要整改或者废弃,对于重复性过程,还应该有反馈的回路,以便后续整改。
4 BIM在装配式建筑质量链管理中的应用
装配式建筑质量链管理绩效的实现有赖于信息在质量链各环节的传递质量。质量链管理对信息的需求集中体现在高效无缝传递和精确性两个方面,然而要实现这两点要求在管理上有一定的难度。要实现高效的信息传递,就需要各主体及各过程高度协同,传统做法是从“谁需要?谁提供?如何提供?”三个问题的解答入手;为了实现信息的精确性,通常做法是以回答“需要什么信息?如何保证信息的质量?”为切入点。理论上,只要能够较为完整地精确回答上述五个问题,再加上恰当的管理手段和措施即可满足质量链管理需求。然而装配式建筑质量链管理中信息问题具有复杂性。一方面,装配式建筑的信息具有动态性。比如一个典型的构部件要经历初步设计、施工图设计、深化设计、构件生产、构件组装和构件安装等不同过程。在这些过程中,可能涉及多个单位、若干具体人员及数以十计的具体过程,其间相关信息一以贯之,且逐步深化和精确。另一方面,装配式建筑信息量巨大,构部件的类型可能多达数百,数量则可能数以千计,很多构部件仅有微小差异,组装差异多样化等,增加了信息收集、积累及传递等的难度。面对动态性和信息量巨大的挑战,各主体对于自身在质量链管理中需要何种信息以及信息精确程度如何并非都有足够认识,对于该如何提供以及提供何种信息也未必有深刻理解,更不要说在质量链的不同环节,信息提供者和需求者可能并不存在业务上的直接联系却存在信息方面的关联,或者需求者需要整合多个提供者的信息方能满足质量过程所需,诸如此类的复杂情况更增加了信息问题的难度。由此导致的信息传递延迟、信息丢失和信息扭曲等问题将对装配式建筑的质量产生潜在的消极影响,传统方法难以满足装配式建筑质量链管理的信息需求。
对于装配式建筑质量链管理中的信息需求,BIM技术可以提供如下解决方案:首先,以BIM模型为基础,架构BIM数据库;其次,各主体在各阶段各环节将质量信息数据整合进BIM模型,据此搭建BIM信息集成平台;最后各主体在BIM信息集成平台交互信息,各取所需。BIM解决方案以技术手段而非管理手段解决装配式建筑质量链管理中的信息问题,与传统方法相比具有如下优势:(1)更高效。各主体直接从BIM信息集成平台获取所需质量信息,消解了主体之间的直接联系,避免传递不及时等问题。(2)更精确。BIM信息集成平台包含了同一过程不同阶段的质量信息,降低了主体间传递信息时出现信息丢失及信息应用方扭曲信息的可能性。(3)更集成。BIM信息集成平台有可能容纳更多的质量信息,也允许对各类质量信息进行进一步处理以满足实践所需。故而BIM信息集成平台的构建使得装配式建筑质量链管理更加顺畅,有助于其扩展应用于施工模拟、材料管理等诸多方面,甚至能够为质量管理制度的建立和运行提供有力帮助。
5 结论及操作性建议
从装配式建筑质量的形成特征入手,提出装配式建筑质量链的概念,分析装配式建筑质量链的结构,构建了装配式建筑质量链管理模型,主要研究结论如下:
(1)装配式建筑质量链管理以过程为中心,将影响质量的诸多因素及其关系集约成管理过程、工艺过程和作业过程,借助对三大过程的控制确保装配式建筑的过程质量;将产品开发的阶段门技术引入结果控制,形成质量验收与阶段门的多重把控,过程控制和结果控制的集成有助于实现装配式建筑的质量。
(2)装配式建筑质量链的多层次性,及不同层次具有较明显的分形特征,决定了实现装配式建筑质量链管理目标的关键在于从微观到宏观不同层面的逐步集成。
(3)从信息角度,借助BIM技术有助于实现装配式建筑质量链管理在不同主体、不同过程信息的高效无缝传递。
为实现装配式建筑质量链管理的良性运作,进一步提出如下操作性建议:
(1)从管理角度,装配式建筑参与单位要深化过程管理视角,以质量链为线索,在介入项目之初,即开始深入分析自身所在链及与质量链上其他链的关系;并对自身参与项目过程进行分解,明了链条上诸环节过程的前后相互关系;识别所在链的重要过程,重点关注跨阶段、跨单位的链节点,从单位、人员、过程、材料等提供者和顾客的角度,科学合理设定监测点及阶段门,明确需要满足的质量特性的诸多要求。
(2)从技术角度,要充分重视信息对装配式建筑质量链管理绩效的关键作用,建议以BIM技术为核心,集成物联网、大数据和云等其他技术,架构各参与单位、各建设阶段、各过程及反映质量各方面指标全息式的项目级信息系统;并设计囊括数据上传、储存、提取及应用在内的信息流程。
(3)从制度角度,进一步完善质量链管理的制度建设。基于BIM信息集成平台、立足于装配式建筑建设的质量目标,着力于制定立体化的质量管理制度:一是标杆制度,从外部或项目内部树立标杆,从而为同类质量过程提供指引;二是施工质量控制制度,以对施工过程中的质量控制点及过程本身进行监控,确保过程质量;三是质量测量制度,以恰当的技术方法对质量状况进行测量,得到质量状态信息;四是质量预警制度,对质量的形成过程及质量状态进行统计分析,以及时纠正;五是质量问题责任追溯制度,应用各种技术对出现的质量问题进行追责;六是质量问题库制度,以便及时总结装配式建筑在建设过程中出现的问题及相应的解决方案,为后续及其他项目提供借鉴。
[2]刘杏红,张瀚宇.基于TQM理论和BIM的装配式建筑质量管理研究[J].建筑经济,2018 (10) :25-30.
[3]杨益晟.复杂大型建设项目质量链识别方法及其优化模型研究[D].北京:华北电力大学,2015.
[4]沈祖炎,李元齐.建筑工业化建造的本质和内涵[J].建筑钢结构进展,2015 (5) :1-4.
[5]鲁守东,周国华,陈海峰,赵国堂.基于状态空间法的铁路建设工程过程质量模型研究[J].中国工程科学,2014 (3) :64-69.
[6] Cooper R G, Edgett S J, Kleinschmidt E J. Optimizing the stage-gate process:what best-practice companies do?[J].Research-Technology Management, 2002 (5) :21-27.
[7] Cooper R G. Perspective:The Stage-Gate®Idea-to-Launch Process-Update, Whats’ New, and NexGen Systems[J]. Journal of Product Innovation Management, 2008 (3) :213-232.