建筑结构构配件公差调研方法研究*

姜中天，田元昊

(1.中国建筑设计院有限公司，北京100044；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

1 研究背景

目前，国家大力推广各类工业化建筑，在实现建筑主体结构及围护结构部品等装配化安装的前提下，行业和地方也在大力推进全装修成品交房，并提出具体要求和实施细则，部分地区也出台了装配式装修相关技术标准。

我国建筑工业化发展至今，建筑设计与室内设计虽均为建筑这一成品本身服务，但一直分属2个技术领域，施工安装、运行维护等环节也都按照各自的理解和常规做法进行操作，工业化建筑建设中遇到的2个专业相互协同和配合的技术问题大多采用管理手段解决，这导致2个专业协调配合产生的问题，在发展全装修成品建筑的大前提下愈发严重，某种程度上已对工业化建筑成品的质量性能产生了一定影响。

建筑设计与室内设计难以协同最为突出的是制造和安装精度难以匹配，从而产生大量的协调配合问题。设计中同样规格的建筑功能空间在门窗、台面、固定家具等安装前要重新复尺，而室内装修的设计、相关部品的制作和安装大多需要以复尺结果作为依据。不但浪费了大量的人力和时间，还给标准化制造和安装制造了很大困难，这与我国发展工业化建筑的基本理念相冲突。在居住建筑领域，这种问题在建设毛坯房的条件下不明显，但在发展全装修成品住房方面劣势尽显，不利于工业化建筑的推广和发展。

制造和安装精度的最终体现，在工程建设及制品制造等领域称之为公差，在GB/T50002—2013《建筑模数协调标准》中也有相关描述。随着我国建筑工程整体水平的提升，虽然主体结构存在的安全问题大量减少，但在施工阶段建筑主体结构还是会出现一定的公差，公差虽然对结构受力情况基本没有影响，但对建筑后续装修造成很大困扰，为适应建筑主体结构偏差，室内装修也不得不产生大量的非标准化部品，施工现场的错、漏、碰、缺等现象十分普遍。而对于建筑公差产生和消纳方面的问题，目前也找不到更多的技术手段解决，甚至在建筑主体结构完成时并没有太多的关注。

为从公差入手解决上述问题，对建筑公差进行调研方法上的研究，通过了解目前工业化建筑的公差情况，从中找到建筑主体结构与室内装修之间的公差协调原则。从公差产生的源头控制建筑主体结构的完成界面，以期与室内装修形成良好的配合。

2 调研目标

公差为部件或分部件在制作、放线或安装时的允许偏差值，公差又分为制作公差、安装公差和位形公差。其中，制作公差是指部件或分部件在生产制作时与制作尺寸之间的允许偏差；安装公差是指部件或分部件安装时，基准面或基准线之间的允许偏差；位形公差是指在力学、物理、化学等作用下，部件或分部件所产生的位移和变形的允许偏差。本次调研的公差是指上述几项累积的整体公差(以下简称“公差”)，即生产、堆放、施工、养护等过程中累积的偏差总和。

严格按照建筑设计图纸制作加工的门、窗在安装时与土建完成的门窗洞口完成面经常难以配合，目前工程上的做法大多在主体结构完成后，门、窗进入制作之前，在现场复尺，根据复尺结果定制生产门、窗，进入安装。

一些固定储藏、厨房台面，如果严格按照建筑及室内设计图纸制作难以顺利安装，其原因也是建筑功能空间的公差与该部品不协调，工程上也需要复尺，再根据复尺结果进行定制式的部品生产。图1为建筑主体完成后围合成的室内空间精确度示意，从此图中能够看出，建筑主体结构的公差是厘米级的，而部品的公差是毫米级的，两方的不匹配是难以顺利完成安装的重点问题。所以亟需了解建筑门窗洞口、建筑功能空间的公差及其普遍规律，并在未来的工程建设过程中加以解决。

图1 建筑主体结构完成时室内净空间

从上述举例能够看出，门窗洞口、重复率较高的建筑功能空间(开间、进深)是亟需解决的部位。而对于非洞口、非固定家具安装的部位，建筑主体结构即使有偏差，对室内的安装条件均可通过技术尺寸化解。所以，本次调研的目标也基本锁定带有居住类性质的建筑的门、窗洞口和建筑功能空间。根据以上分析，本次调研拟定的技术路线如图2所示。

图2 调研采用的技术路线

3 现行技术标准查询

对于建筑设计、门窗洞口、各类建筑构配件的制作、建筑施工验收等，国家、行业及一些地方标准中有较为详尽的描述，可作为本次调研的基础数据参考，以控制调研过程中可能出现的数据离散现象。国家标准作为指导建筑设计与施工的基础标准，所有类型的居住建筑都应满足如下标准:GB50001—2017《房屋建筑制图统一标准》，GB/T50002—2013《建筑模数协调标准》，GB50300—2013《建筑工程施工质量验收统一标准》，GB50210—2018《建筑装饰装修工程质量验收规范》。

3.1 钢结构建筑

在钢结构建筑中，钢材作为主要受力构件，是建筑主体结构重要的一环。参考性较高的现行技术标准有:GB50017—2017《钢结构设计规范》，GB50755—2012《钢结构工程施工规范》，GB/T51232—2016《装配式钢结构建筑技术标准》，GB50628—2010《钢管混凝土工程施工质量验收规范》，GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》。

由于各类钢构件主要作为结构受力构件，建筑功能空间的围合还需外围护结构、内隔墙、各类装饰工程的配合，建筑净空间的偏差及门、窗洞口的偏差主要由内隔墙、外围护结构墙、楼板等建筑构配件本身引起，钢结构主体的施工早于上述工程，精细化程度较高，对洞口和空间偏差的影响也较小。具体表现在:主体结构整体垂直度允许偏差为H/1000，且不应大于25mm，主体结构整体平面弯曲允许偏差L/1500，且不应大于25mm；钢构件外形尺寸主控项目的允许偏差中，构件连接处的截面几何尺寸允许偏差为±3mm，柱、梁连接处的腹板中心线偏移允许偏差为2mm，受压构件(杆件)弯曲矢高允许偏差为L/1000，且不应大于10mm。

3.2 混凝土建筑

混凝土建筑结构相关规范如下:GB50010—2010(2015版)《混凝土结构设计规范》，GB50666—2011《混凝土结构工程施工规范》，GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》。

对于装配式混凝土建筑除施工验收规范之外还存在产品标准规范，规定了预制混凝土的尺寸偏差，产品标准规范一般较施工验收规范更为严格，以保证后续施工的误差能够满足施工验收的要求，如:GB/T51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》，J G J1—2014《装配式混凝土结构技术规程》。

无论是产品标准还是施工、验收标准，都对混凝土尺寸偏差及预留洞的偏差有详细规定，主要体现在《混凝土结构工程施工质量验收规范》。

3.3 建筑门窗洞口

目前现行有关门窗的技术标准都是主要针对门窗材料、制造过程及安装过程中的控制及安装之后的偏差要求。但本文主要考虑的是门窗施工前预留洞口和设计值的偏差，包括预制类和现浇式混凝土对于预留洞口的规定。除此之外，针对不同类型的门窗，一些技术标准还有其他相关规定，如J G J103—2008《塑料门窗工程技术规程》中提出，对于同一类型的门窗洞口，上下左右方向位置偏差应符合下列要求。

1)处于同一垂直位置的相邻洞口，中线左右位置相对偏差不应大于10mm；全楼高度内，所有处于同一垂直线位置的各楼层洞口，左右位置相对偏差不应大于15mm(全楼高度小于30 m)或20mm(全楼高度≥30 m)。

2)处于同一水平位置的相邻洞口，中线上下位置相对偏差不应大于10mm；全楼长度内，所有处于同一水平线位置的各单元洞口，上线位置相对偏差不应大于15mm(全楼长度≥30 m)。

3.4 建筑功能空间尺寸相关标准

建筑净空间尺寸是质量分户检验中的重要内容，各地方的室内净距、净高尺寸检验细则大致类似但又不尽相同，都参照J G J/T304—2013《住宅室内装饰装修工程质量验收规范》的附录A，如图3所示。

图3 室内空间尺寸测量

1)每个房间净高共抽测5点，开间、进深尺寸各抽测2处。偏差不应大于20mm。房间方正度测对角两点，偏差不应大于4mm。

2)偏差为实测值与标准值之间的绝对差；极差为实测中最大值与最小值之差，极差不应大于垂直长度的0.5%。

3)室内每户为一个检验单元。

4 理论分析论证

4.1 样本量确定

抽样估计的精确度是指样本的统计量与其所代表的总体值的接近程度。调研结果相对于总体真实值的精确度与样本容量直接相关。样本容量越大，抽样误差相对就会减少，估计精度就会提高；若样本容量太小，抽样误差就会增大，从而影响抽样估计的精确度。

但需要注意的是，样本量和选取的统计量有直接关系，中心极限定理指出:如果样本的数量大小n≥30，且属于任何均值为μ，标准差为σ的抽样总体，这个样本均值会近似服从正态分布。在本次住宅公差问题的统计中，选取公差的均值作为统计量，此时需满足n≥30样本才具有统计学意义。

4.2 建筑门、窗洞口的约束条件

由于在不考虑厚度的情况下，建筑门、窗洞口近似为平面四边形，如图4所示，此时平面四边形可看做一个平面刚体。证明在已知5个约束条件A B、BC、CD、DA、AC的条件下可确定此刚体的形状。

图4 平面四边形

假设平面四边形刚体A B C D，4个顶点坐标分别为A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)，D(x4，y4)。由于一个刚体在平面内有2个平动自由度和1个转动自由度，因此不妨设A(x1，y1)已知，且A B与x轴的夹角α已知，用来约束平面刚体运动。若此时已经测量出A B、BC、CD、DA、AC的长度，则可以分别计算出其他3个顶点的坐标，从而确定此刚体的形状。

4.3 建筑功能空间的约束条件

在假定内墙面都为平面的情况下，建筑功能空间可近似看作一个空间六面体(见图5)，即可在已知12个约束条件AB、BC、CD、DA、AC、AB’、BB’、CB’、AA’、A’B’、B’C、B’C’下，可确定此空间六面体的形状。

图5 建筑空间六面体

4.4 调研表制作

4.4.1 建筑门、窗洞口测量

1)假设前提 ①门窗洞口的形状为平面四边形，四条边都为直线段；②门窗洞口处的混凝土厚度无变化；③当C C’≤5cm时，B’C’=B C(见图6)。

2)注意事项 ①根据具体工程，每个项目应测量50组数据；②每组有效的数据由5个距离组成:AB、BC、CD、DA、BD；③门窗洞口的测量应选取室内到室外的角度来观测。若洞口两侧都在室内，应选择从私密性高的房间到私密性低的房间角度，且在测量过程中不得切换方位。

4.4.2 建筑功能空间测量

4.4.2.1 假设前提

建筑空间的形状为六面体；当②P≤5cm时，PQ=②⑥(见图7)。

图7 建筑空间测量

4.4.2.2 注意事项

1)根据具体工程，每个项目应测量50组数据。

2)每组有效的数据由15个距离组成:①②、②③、③④、④①、①⑤、②⑥、③⑦、④⑧、⑤⑥、⑥⑦、⑦⑧、⑧⑤、①⑥、①③、①⑧。

3)建筑空间的测量应先选取地层一点作为基准点①，以此确定②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧点的相对位置，且在测量过程中不得更换基准点①。

5 结语

当前我国工业化建筑的主体结构构配件、室内部品之前的公差协调缺乏，有效减少差异是当下亟待解决的问题，为了解建筑主体结构公差在实际项目中的普遍情况，找到建筑主体结构公差范围和其协调原则，通过研究发现，合理地统计施工中门窗洞口及室内净空间尺寸偏差，可掌握工程实际中建筑主体结构公差的基本规律，从而找到公差配合及协调原则，对今后的工程实践有很大的参考价值。为此，通过数理统计理论和几何空间分析，创新了一套建筑主体结构公差的调研方法。本次调研方法的研究主要有以下主要结论。

1)根据大样本理论，一组统计结果超过30个数据，即可认为其均值具有统计意义。为保证样本的有效性，调研表拟选取每组50个数据。

2)由四边形约束条件可得，确定1个四边形至少需要5个约束条件，在此选取4条边和1条斜边来确定门窗洞口的偏差，经验证可行。

3)由六面体约束条件可得，确定1个六面体至少需要12个约束，在此选取12条边和3条斜边来确定室内净空间尺寸的偏差，经验证可行。