基于AHP-QFD-TRIZ的裝配式混凝土預制構件質量控制研究

摘 要：為滿足國家對裝配式建筑管控的要求，將預制構件的質量從符合型質量提高為滿意型質量。運用層次分析法（AHP）分析得到預制構件各質量需求的權重值。通過質量功能展開（QFD）將質量需求轉化為預制構件的技術特性，求出技術特性的重要度排序并確定各技術特性間的相關性。采用發(fā)明問題解決理論（TRIZ）解決技術特性間負相關關系，即矛盾沖突，并確定解決矛盾對應發(fā)明原理，選出最佳方案。集成AHP/QFD/TRIZ模型，根據(jù)預制構件的安全性、防火性、吊裝特性和構件特殊造型等方面的需求提出解決辦法，解決裝配式建筑施工、運輸?shù)入A段常見質量問題。運用AHP/QFD/TRIZ質量設計流程，在設計階段考慮裝配式建筑生產、施工、運輸?shù)入A段的質量問題，為預制構件深化設計提供了新思路。

關鍵詞：預制構件；質量功能展開；層次分析法；質量需求

中圖分類號：TU 75" " " " 文獻標志碼：A

建筑領域節(jié)能降碳是我國實現(xiàn)雙碳目標的重要一環(huán)，為大力推廣裝配式建筑，我國對建筑行業(yè)提出“建設和管理模式低碳轉型”的要求，并出臺了相關政策。與傳統(tǒng)建造方式相比，裝配式建筑不僅能夠大幅減少建筑垃圾和揚塵，還能縮短工期，提高建筑質量。預制構件質量是保證最終建筑質量的基礎，但與一般制造業(yè)產品不同，混凝土的不可逆性使預制構件的深化設計質量控制尤為重要。

現(xiàn)有文獻對預制構件質量控制的研究，主要集中在生產、施工過程中質量的問題分析和控制措施的總結[1]，缺乏使用數(shù)學方法來定量評估控制措施和關鍵工序的重要性，也沒有明確指出質量控制的重點。TRIZ理論的研究在制造業(yè)和服務業(yè)領域已有廣泛應用，并取得了顯著成果[2]，但在建筑工程領域內，對TRIZ技術的研究相對較少。因此，本文運用AHP/QFD/TRIZ模型，從裝配式混凝土預制構件深化設計階段入手，分析裝配式預制構件在生產、施工以及運輸?shù)入A段常見質量問題，將質量控制擴展到預制構件的整個生命周期，不僅可以提高裝配式建筑施工效率，還可以保證裝配式建筑的質量和穩(wěn)定性。

1 預制構件質量需求分析

1.1 預制構件質量需求

根據(jù)裝配式建筑結構相關的規(guī)范、標準分析對預制構件質量的要求，通過查閱相關文獻和實地調研并與生產、施工單位技術人員交流探討，匯總預制構件在生產和施工階段常見的質量問題，預制構件的主要質量需求如下。保溫性強，防火性高，防水性強，豐富的立面樣式，構件表面顏色好，預留預埋部位正確，滿足要求的承載能力，安全性可靠，耐久性強，構件尺寸精確，結合面平滑，滿足要求的保護層厚度，滿足要求的連接套筒，便于生產的構件設計，構件拆分設計圖無沖突，構件尺寸不宜過大，符合工藝要求的構件設計，滿足吊裝運輸受力狀態(tài)，構件質量不宜過重，構件拆分設計圖表達清楚，方便運輸，降低異型構件，方便吊裝，預埋吊件安裝方便，套筒內部無污染，預埋管線無誤，疊合板電氣管線鋪設方便，便于節(jié)點現(xiàn)澆部位空間施工，連接鋼筋無銹蝕，構件尺寸精確度高，模板搭接部位墻體平整度高，套筒位置精確，斜支撐預埋件精準，電氣管線接駁點方便。

1.2 預制構件質量需求展開

獲取預制構件質量需求信息后，采用親和圖法對獲取的質量需求進行整理聚類分析，形成預制構件質量需求表，見表1。

1.3 基于AHP的預制構件質量需求權重計算

1.3.1 構建判斷矩陣

為確定表1中第二層與第三層的各項指標間的相對重要性，采用德爾菲法分別對各指標進行比較，并采用九級標度法對每個比較結果進行打分，構建判斷矩陣。

第一層次判斷矩陣如公式（1）所示。

（1）

第二層次判斷矩陣如公式（2）所示。

（2）

式中：xij為xi與xj的重要性標度。

1.3.2 計算組合權重

對各判斷矩陣采用方根法計算求出用戶需求權重Wi，計算過程如公式（3）、公式（4）所示。

（3）

（4）

式中：Wi為i的重要度值；Xij為i較于j的重要程度。

1.3.3 一致性檢驗

通過求解判斷矩陣的最大特征值來確定一致性水平，若CR＜0.1，則判斷矩陣符合一致性要求。判斷矩陣需要滿足一致性要求才能獲得可靠結果，否則需要重新評判判斷矩陣中的元素權重或修改判斷矩陣的結構，直到滿足一致性要求。數(shù)據(jù)計算過程如公式（5）～公式（7）所示。

（5）

（6）

（7）

式中：（cw）i為判斷矩陣的第i個行向量；λmax為判斷矩陣的最大特征值；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指數(shù)；CR為一致性比率。由此可得到第三層次預制構件質量需求各指標權重，見表2。

由表3可知，每層級的一致性比率均＜0.1，均通過了判斷矩陣的一致性檢驗。

2 預制構件質量需求與質量特性的轉化

運用QFD將質量需求轉化為可操作的預制構件技術特性，核心環(huán)節(jié)是構建質量屋，質量屋作為一個“橋梁”連接了“顧客的聲音”與“工程技術人員的聲音”，能夠清晰地表達質量需求與技術特性間的關系，得出預制構件各技術特性的權重，也能幫助識別各項技術特性間的相關關系[3]，從而發(fā)現(xiàn)預制構件設計過程中可能存在的矛盾沖突，保證最終產品的質量和性能。

在確定預制構件質量需求權重后，選取權重排序靠前的質量需求項進行技術特性的關系映射，采用頭腦風暴法，綜合歸納得到預制構件的15項技術特性：保溫性A、防火性B、防水性C、外觀質量D、安全性E、耐久性F、承載能力G、吊裝特性H、圖紙表達性I、構件規(guī)格型號種類J、尺寸精度K、表面平整度L、構件質量M、預留預埋N、構件特殊造型O。

對質量需求與技術特性間的相關關系進行分析判定，對預制構件質量需求—技術特性二維關系矩陣中的“◎”、“○”、“△”、空白等符號分別賦值為：5、3、1、0[4]。并將判定結果導入質量屋，構建質量屋的房間。

計算產品技術特性的絕對權重以及相對權重，并將計算結果導入質量屋，構建質量屋的地下室。計算過程如公式（8）、公式（9）所示。

（8）

（9）

式中：Wj為質量特性絕對權重；Wi為質量需求權重；Pij為相關性系數(shù)；q為質量需求總數(shù)；Wk為技術特性相對權重。

質量屋的屋頂用來確定各項技術特性間的相關關系，這種關系包括各項技術特性間可能存在的相互阻礙、相互促進或者不相關等3種關系，用“+”“－”號和空白來表示技術特性間的相互促進、相互阻礙及不相關的關系，并將結果導入質量屋，構建質量屋的屋頂。如圖1所示。

由圖1可知，在加強預制構件設計質量措施中，預制構件的承載能力（1.65）和提前考慮預制構件的預留預埋（1.104）最重要，需要在預制構件設計階段重點考慮。耐久性（0.6245）、圖紙表達性（0.57）和表面平整度（0.4415）較為重要，也須作為預制構件設計階段較重點考慮的對象。

3 基于TRIZ的預制構件質量特性沖突解決

通過質量屋正負相關度比較產品特性，找出相互沖突關系，再運用TRIZ矛盾分析法解決技術矛盾和物理矛盾，找到相應的矛盾矩陣和分離原理，根據(jù)實際情況及技術支持找到最優(yōu)解[5]。

3.1 矛盾分析

運用TRIZ理論將預制構件的具體技術參數(shù)轉化為TRIZ通用的39個工程技術參數(shù)，通過分離矛盾雙方來解決物理矛盾，并借助TRIZ的40個發(fā)明原理提供創(chuàng)新指導。

通過質量屋的屋頂區(qū)域，能直觀地看出預制構件各項設計要素間的關聯(lián)性，如圖2所示。其中，“＋”號為正相關，即一項設計要素的改進會使另一項設計要素產生優(yōu)化效果，“－”號為負相關，即一項設計要素的改善會導致另一項設計要素的惡化[6]。

將質量屋屋頂中的3對矛盾沖突轉化為TRIZ的問題模型，對這3對矛盾沖突進行解釋分析。

矛盾1為防火性—構件質量。這是一對技術矛盾，當對建筑構件進行設計時，若提高防火性則需要增加構件的質量，以確保其具備足夠的耐火性能。但是過重的構件可能會給結構設計和施工帶來困難，并且會增加成本。

矛盾2為安全性—構件特殊造型。這是一對技術矛盾，安全性要求構件能夠承受一定的負荷、壓力或其他外部因素，并保證使用過程中不會出現(xiàn)失效或危險。而特殊造型可能需要改變構件的形狀、結構或材料，以實現(xiàn)某種特定的功能或滿足設計需求。

矛盾3為吊裝特性—構件特殊造型。這是一對物理矛盾，吊裝特性通常涉及承載能力、穩(wěn)定性、結構設計等對構件形狀方面的要求，構件特殊造型可能會增加復雜性、改變重心位置等，也是對構件形狀的要求。

通過采用阿奇舒勒矛盾矩陣和TRIZ理論，解決工程中的3個主要技術問題。運用TRIZ理論將負相關關系的設計要素轉化為39個通用工程參數(shù)，通過分析矛盾類型，并查詢矛盾矩陣表，可以獲得相應的發(fā)明原理，為解決技術矛盾提供指導。此外，當面對物理矛盾時，使用分離原理可以找到創(chuàng)新的解決辦法，見表3。

3.2 矛盾解決

綜合上述矛盾沖突，根據(jù)預制構件質量的具體情況和要求，選擇合適的發(fā)明原理進行設計實踐。

在1號矛盾中，采用10號原理—預先作用原理，在預制構件的制造過程中，選擇具有良好防火性能的材料，例如耐火混凝土、耐火板等。這些材料在遭受火災的過程中能夠延緩火勢蔓延，保護結構的完整性，同時耐火混凝土的質量和普通混凝土相似，不會增加預制構件質量，確保預制構件防火性的同時也保證了預制構件的質量，見表4。

在2號矛盾中，采用40號原理—復合材料原理，選擇高強度、高剛度和耐腐蝕性能優(yōu)異的纖維增強復合材料作為強化材料，預制構件中的接頭部分用合適的設計和采取加固措施，以提高其強度和耐久性，見表5。

在3號矛盾中，采用5號發(fā)明原理—組合原理，模塊化設計與組合。將復雜的構件設計拆分為若干互相獨立的模塊，每個模塊形狀和大小都較簡單，再將多個模塊組合在一起，形成最終的特殊造型構件。每個模塊都可以通過常規(guī)的吊裝設備進行搬運和安裝，不會受特殊造型的限制，既能滿足特殊造型的要求，又能使用常規(guī)的吊裝設備進行搬運和安裝，以此解決了物理矛盾，見表6。

4 結論

本文在設計階段考慮預制構件生產、施工過程中常見的質量問題，把主觀的預制構件的質量需求因素轉化為客觀的工程技術因素，從質量需求出發(fā)，分析了預制構件的產品設計屬性，并通過解決沖突得到預制構件設計的創(chuàng)新解，使設計的產品充分滿足預制構件的生產和施工需求，助力裝配式建筑全過程質量管控和預制構件的生產設計質量管理工作。為獲取預制構件的質量需求因素，采用質量屋作為工具，可視化了預制構件質量需求與功能要素間關系，細化了設計要素與產品功能配置的問題，將TRIZ理論引入預制構件的設計中，為后續(xù)設計過程提供了科學的參考依據(jù)，在一定程度上簡化了預制構件深化設計思考步驟，解決了原有設計人員主觀判斷所產生的不確定性問題。

參考文獻

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通信作者：董春芳（1975-），女，漢族，博士，副教授，就職于東北林業(yè)大學機電工程學院，主要研究方向為產品設計及制造過程質量控制，工業(yè)工程。

電子郵箱：donglin_nefu2008@163.com。