國際標準化組織建筑公差標準體系介紹*

文/中國建筑標準設計研究院有限公司 高曉明 郁銀泉 李曉明 朱 茜 馮海悅 段朝霞

0 引言

我國現代模數協調體系建立已有30多年，作為模數協調體系重要組成部分的相關公差內容，則一直未能形成體系。近年來，由于裝配式建筑的大量應用，建筑工業化的概念亟待制定與制造業類似的公差體系。在ISO國際標準模數協調體系中，國際標準對建筑公差的論述主要為ISO 3443系列，該標準系列較為完善地給出了建筑公差的概念、分析、檢查等內容。我國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ISO標準相關內容和體系進行初步探討，為建立公差體系奠定基礎。

1 ISO國際標準建筑公差系列概述

ISO國際標準建筑公差系列主要包含ISO 3443《建筑公差》系列標準，該系列共包含8部標準[2-9]，該標準系列歸屬ISO/TC 59委員會（見表1）。

ISO建筑公差標準的發布時間集中在二十世紀七八十年代；迄今為止，雖然經過ISO組織多次檢視，但并未開展修訂工作，仍在執行中。

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性標準；第3部分規定了如何計算接口凈距；第4部分為公差分配；第5部分為公差序列；第6，7部分為檢驗方法；第8部分為檢驗項清單。ISO公差標準各部分層次如圖1所示。

與ISO公差標準進行配合的相關標準主要有12部（見表2）。由表2可看出，與之配合的標準內容多為測量、檢驗及概率方面；ISO 1803對公差術語進行了詳細定義，在國際上引用較多。

圖1 ISO公差標準體系框架

表1 ISO國際標準建筑公差系列

表2 ISO國際標準建筑公差系列配合標準

2 ISO 3443建筑公差基礎標準概述

2.1 評價與技術要求的基本準則

該部分給出了建筑尺寸可變性的性質和量化目的，重點在制造過程和現場施工時，提出了評價、規范和檢驗建筑構配件公差要考慮的各類因素。該部分適用于按照模數化協調原則設計的構配件及建筑物，給出了導致尺寸可變性的原因：誘導偏差（制造偏差、放線偏差、施工偏差）、固有偏差；誘導偏差基本符合基于平均尺寸或位置的正態分布，同時給出公差應用的主要原則。

1）公差分析與節點設計密不可分，偏差可由接口系統吸收。

2）接口凈距與接口連接技術及配合概率相關。

3）偏差的測量方法、施工方法、精度水平與公差等級相關。

4）公差值的選擇要充分考慮經濟性和技術水平。

2.2 尺寸具有正態分布特征的構件之間的配合的預測

該部分繼續闡明尺寸可變性的特征，以及尺寸符合正態分布特征下，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系起來，闡明以下觀點。

1）生產與安裝過程中，建筑與構配件多次取樣獲得相關尺寸遵循正態分布，密度函數可用高斯曲線表示。

2）“配合”的本質是所需接口凈距范圍（即技術需求下節點縫最大最小寬度）與預估的、由尺寸可變性引起的接口凈距進行協調的過程，并與失效概率相聯系。

3）給出實際尺寸與“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準差求解方法，如圖2所示。

工業化生產、安裝的構配件尺寸數值符合正態分布曲線，曲線的標準差及平均值均可通過樣本調查得到，調查方法可參考ISO 16269-6。

2.3 用于公差規定的數值系列

該部分給出規定的一系列數值，建議建筑構配件或組合件從給出的數值系列中選擇公差值，用于規范建筑構件和結構尺寸。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國際標準建筑公差系列配合標準

3 ISO建筑公差技術應用標準概述

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

3.1 選擇目標尺寸和預期配合的程序

本部分為接口凈距和目標尺寸的關系提供了技術基礎，并為尺寸協調（包括“模數協調”）范圍內所謂“配合”預測概率化表達提供了依據。應當指出，本部分主要針對標志尺寸（Coordinating Size）內構配件與接口的基于概率統計基礎下的相互關系。“配合”的概念貫穿其中，主要闡明如下觀點。

1）假設構配件和現場施工的尺寸偏差遵循平均值的正態分布；假設首先安裝的構配件形成的空間內，其余構配件須與節點接縫凈距相匹配；假設構造空間及構配件之間的尺寸偏差分布相互獨立。

2）達到“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在限制范圍內的工作能力（如承載力、保溫、防水等能力）。

3）給出的計算程序不是基于嚴格的數學關系推導得到的。

本部分基于概率統計概念，提出最大最小節點接口凈距風險的Q和q值，其中與所選定的太大的接口凈距概率有關的標準差的倍數為Q，與所選定的太小的接口凈距概率有關的標準差的倍數為q；上述2個值提出的主要目的是在空間尺寸正態分布與構配件尺寸正態分布線性相加得到的正態概率密度函數上（即接口部分的概率密度函數），根據“失配”概率得到尺寸偏差的大小，如圖3所示。本部分Q與q也可用標準正態分布Z值表查得。

圖3 Q及q在接口寬度概率密度函數上的示意

本部分給出：①當所有構配件和其接口均為相同類型時，選擇其中1個部品、構配件目標尺寸；②計算空間的目標尺寸，用以容納標準構件；③當利用構配件預估目標尺寸，選擇1種適宜的接口技術；④其他如構配件偏差不是相互獨立等情況下的基本計算程序。應當指出，本部分有偏差參與的計算公式，需首先明確空間標志尺寸的均值和標準差，以及構配件的均值和標準差，上述數值需進行多次抽樣測量才能得到。

3.2 組合件偏差的預測以及公差分配的方法

本部分給出預測組合件系統的偏差，并規定組成組合件的構件公差，以滿足功能和裝配公差要求。本部分主要闡述以下內容。

1）組合件系統與各組成構件及接口的尺寸、偏差、偏差分布的標準差與均值之間的關系。

2）利用正態累積函數，在設計階段對偏差進行推導預測。

3）基于失配概率給出用于優化公差要求的過程（公差分配）。

綜合第3部分和第4部分內容來看，國際標準對公差方面的主要思路是：在構配件及空間尺寸都符合正態分布條件下，面向設計、制造、施工等全過程，尋求能夠將偏差分布與接口聯系起來的方法；其目的不是提出面向構配件及空間尺寸全面的公差數值要求，而是提出一種分析優化公差要求與接口之間關系的方法和手段。

4 ISO建筑公差檢驗驗收標準概述

第6部分給出了公差檢驗原則及施工幾何特性的核驗準則（一般檢驗方法）；第7部分給出了規定一種基于統計抽樣檢驗要求的操作程序，被用來確定部件尺寸可接受精度及在建筑業中使用的操作。該程序涉及對規定要求的承認、驗收標準和拒收后果，對協議和測量方法的建議，以及通過統計方法計劃和執行檢驗；第8部分給出了建筑項目各方認可的工作程序和檢查項目清單。

5 ISO建筑公差標準應用情況

從ISO建筑公差標準可看出，其體系較為復雜，不便于工程人員理解。但其提出了在全過程，尤其是設計初期，如何分析及優化公差和接口凈距的思路及方法，具有一定的先進性。

從目前歐洲標準EN 13670：2009《Execution of concrete structures》、EN 13369：2018《Common rules for precast concrete products》以及德國標準DIN 18202：2005《Tolerance in building construction》等相關標準內容來看[10-12]，歐洲裝配式標準基本不采用或引用ISO建筑公差標準，僅部分引用了ISO 1803；美國的ACI 117M-10《Specifications for Tolerance for Concrete Construction and Materials and Commentary》[13]及PCI《預制及預應力混凝土設計手冊》（第8版）[14]相關標準則完全不采用ISO公差標準；日本作為工業化建筑發展較早的國家之一，其標準JIS A 0003 《建筑公差》[15]也僅引用了ISO 3443-5的部分內容。總之在國外建筑領域，ISO建筑公差標準的實際應用較少。

我國在GB/T 50002—2013《建筑模數協調標準》中4.5節公差與配合中給出了基本公差的概念和相關要求，也未采用ISO公差標準相關內容[16]。應用較少的原因如下。

1）有關建筑公差的分析偏于分析過程，其計算程序或流程較為復雜，貫穿其中的概率統計的概念及方法并不利于設計人員、施工單位及制造企業采用。

2）一些團體已提出較為詳細的公差（偏差）要求，這些公差已成為建筑業公認的標準，這些標準來源于其自身的經驗和集體判斷，以及其自身的經濟考慮，具有一定的合理性；而基于ISO標準建立有一定理論基礎的公差體系，仍需開展面向各類構配件大量的調研及數據分析工作，最終得到的公差建議值也需行業認可。

6 對我國建筑工業化公差體系發展的建議

隨著建筑工業化的進一步發展，一些標準的逐步完善，針對構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；結合ISO國際公差標準及我國模數協調標準的發展情況，提出如下建議。

1）開展全面調研工作，針對構配件、接口尺寸及其重要性，制定和完善公差的等級及相關要求；全面梳理、整合建筑工業化系列標準中的公差要求。

2）全面及系統分析構配件及接口凈距與公差之間的關系。

3）開展國際間合作，重點與國際標準化組織共同完善國內公差體系理論構建工作。

4）加強產品質量監管及施工驗收要求。