基于AHP-QFD-TRIZ的装配式混凝土预制构件质量控制研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-123-工 程 技 术建筑领域节能降碳是我国实现双碳目标的重要一环，为大力推广装配式建筑，我国对建筑行业提出“建设和管理模式低碳转型”的要求，并出台了相关政策。与传统建造方式相比，装配式建筑不仅能够大幅减少建筑垃圾和扬尘，还能缩短工期，提高建筑质量。预制构件质量是保证最终建筑质量的基础，但与一般制造业产品不同，混凝土的不可逆性使预制构件的深化设计质量控制尤为重要。现有文献对预制构件质量控制的研究，主要集中在生产、施工过程中质量的问题分析和控制措施的总结1，缺乏使用数学方法来定量评估控制措施和关键工序的重要性，也没有明确指出质量控制的重点。TRIZ理论的研究在制造业和服务业领域已有广泛应用，并取得了显著成果2，但在建筑工程领域内，对 TRIZ 技术的研究相对较少。因此，本文运用 AHP/QFD/TRIZ模型，从装配式混凝土预制构件深化设计阶段入手，分析装配式预制构件在生产、施工以及运输等阶段常见质量问题，将质量控制扩展到预制构件的整个生命周期，不仅可以提高装配式建筑施工效率，还可以保证装配式建筑的质量和稳定性。1 预制构件质量需求分析1.1 预制构件质量需求根据装配式建筑结构相关的规范、标准分析对预制构件质量的要求，通过查阅相关文献和实地调研并与生产、施工单位技术人员交流探讨，汇总预制构件在生产和施工阶段常见的质量问题，预制构件的主要质量需求如下。保温性强，防火性高，防水性强，丰富的立面样式，构件表面颜色好，预留预埋部位正确，满足要求的承载能力，安全性可靠，耐久性强，构件尺寸精确，结合面平滑，满足要求的保护层厚度，满足要求的连接套筒，便于生产的构件设计，构件拆分设计图无冲突，构件尺寸不宜过大，符合工艺要求的构件设计，满足吊装运输受力状态，构件质量不宜过重，构件拆分设计图表达清楚，方便运输，降低异型构件，方便吊装，预埋吊件安装方便，套筒内部无污染，预埋管线无误，叠合板电气管线铺设方便，便于节点现浇部位空间施工，连接钢筋无锈蚀，构件尺寸精确度高，模板搭接部位墙体平整度高，套筒位置精确，斜支撑预埋件精准，电气管线接驳点方便。1.2 预制构件质量需求展开获取预制构件质量需求信息后，采用亲和图法对获取的质量需求进行整理聚类分析，形成预制构件质量需求表，见表 1。表 1 预制构件质量需求表第一层次需求第二层次需求第三层次需求满足质量需求的预制构件X保温性强X1高质量的保温材料X11完整的保温材料X12无冷热桥X13防火性高X2保温材料阻燃性强X21防水性强X3防水构造无损坏X31窗口尺寸准确X32外观质量X4有装饰效果的墙体外表面X41构件表面颜色好X42构件表面无蜂窝麻面X43构件表面无裂纹X44构件尺寸精度及格X45安全性可靠X5连接件保温性能好X51预埋吊环规格正确X52构件吊装验算符合要求X53耐久性强X6保护层厚度符合要求X61保温材料耐久性强X62承载力符合要求X7混凝土强度等级合格X71套筒规格符合要求X72结合面易结合X73连接钢筋预留精确X74连接钢筋无锈蚀X75生产运输便利X8构件拆分设计图纸表达清楚X81构件拆分设计图无冲突X82符合工艺要求的构件设计X83安装施工便利X9方便吊装X91套筒内部无污染X92便于节点现浇部位空间施工X93斜支撑预埋件精准X94电气管线施工方便X95模板搭接部位墙体平整度高X961.3 基于 AHP 的预制构件质量需求权重计算1.3.1 构建判断矩阵为确定表 1 中第二层与第三层的各项指标间的相对重要性，采用德尔菲法分别对各指标进行比较，并采用九级标度法对每个比较结果进行打分，构建判断矩阵。第一层次判断矩阵如公式（1）所示。基于AHP-QFD-TRIZ的装配式混凝土预制构件质量控制研究杨帆董春芳（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）摘 要：为满足国家对装配式建筑管控的要求，将预制构件的质量从符合型质量提高为满意型质量。运用层次分析法（AHP）分析得到预制构件各质量需求的权重值。通过质量功能展开（QFD）将质量需求转化为预制构件的技术特性，求出技术特性的重要度排序并确定各技术特性间的相关性。采用发明问题解决理论（TRIZ）解决技术特性间负相关关系，即矛盾冲突，并确定解决矛盾对应发明原理，选出最佳方案。集成 AHP/QFD/TRIZ 模型，根据预制构件的安全性、防火性、吊装特性和构件特殊造型等方面的需求提出解决办法，解决装配式建筑施工、运输等阶段常见质量问题。运用 AHP/QFD/TRIZ 质量设计流程，在设计阶段考虑装配式建筑生产、施工、运输等阶段的质量问题，为预制构件深化设计提供了新思路。关键词：预制构件；质量功能展开；层次分析法；质量需求中图分类号：TU75文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（上）-124-工 程 技 术X?XXXXnnn1111n （1）第二层次判断矩阵如公式（2）所示。XXXX123911111 291 29?xxxxijjiij,.,;,.（2）式中：xij为 xi与 xj的重要性标度。1.3.2 计算组合权重对各判断矩阵采用方根法计算求出用户需求权重 Wi，计算过程如公式（3）、公式（4）所示。Win jnijnijn?11 2 31 2 3X,.,;,.,（3）WWWillin?0 （4）式中：Wi为 i 的重要度值；Xij为 i 较于 j 的重要程度。1.3.3 一致性检验通过求解判断矩阵的最大特征值来确定一致性水平，若CR 0.1，则判断矩阵符合一致性要求。判断矩阵需要满足一致性要求才能获得可靠结果，否则需要重新评判判断矩阵中的元素权重或修改判断矩阵的结构，直到满足一致性要求。数据计算过程如公式（5）公式（7）所示。?max?11nwiiincw （5）CInn?max1 （6）CRCIIR=（7）式中：（cw）i为判断矩阵的第 i 个行向量；max为判断矩阵的最大特征值；CI 为一致性指标；RI 为平均随机一致性指数；CR 为一致性比率。由此可得到第三层次预制构件质量需求各指标权重，见表 2。由表 3 可知，每层级的一致性比率均 0.1，均通过了判断矩阵的一致性检验。2 预制构件质量需求与质量特性的转化运用 QFD 将质量需求转化为可操作的预制构件技术特性，核心环节是构建质量屋，质量屋作为一个“桥梁”连接了“顾客的声音”与“工程技术人员的声音”，能够清晰地表达质量需求与技术特性间的关系，得出预制构件各技术特性的权重，也能帮助识别各项技术特性间的相关关系3，从而发现预制构件设计过程中可能存在的矛盾冲突，保证最终产品的质量和性能。在确定预制构件质量需求权重后，选取权重排序靠前的质量需求项进行技术特性的关系映射，采用头脑风暴法，综合归纳得到预制构件的 15 项技术特性：保温性 A、防火性B、防水性 C、外观质量 D、安全性 E、耐久性 F、承载能力G、吊装特性 H、图纸表达性 I、构件规格型号种类 J、尺寸精度 K、表面平整度 L、构件质量 M、预留预埋 N、构件特殊造型 O。对质量需求与技术特性间的相关关系进行分析判定，对预制构件质量需求技术特性二维关系矩阵中的“”、“”、表 2 第三层次预制构件质量需求各指标权重第一层第二层第二层权重第三层第三层权重综合权重CR质量符合要求的预制构件XX10.023X110.6590.01520.03X120.1560.0036X130.6590.0043X20.024X211.0000.0240X30.025X310.8330.02080X320.1670.0042X40.053X410.0330.00170.05X420.0630.0033X430.1290.0068X440.2610.0138X450.5130.0272X50.145X510.1050.01520.04X520.6370.0924X530.2580.0374X60.203X610.8330.16910.00X620.1670.0339X70.322X710.4660.15010.07X720.2290.0737X730.0800.0258X740.1980.0638X750.0470.0151X80.089X810.6370.05670.04X820.1050.0093X830.2580.0230X90.116X910.0760.00880.07X920.0360.0042X930.3800.0441X940.0680.0079X950.1530.0177X960.2870.0333中国新技术新产品2024 NO.3（上）-125-工 程 技 术“”、空白等符号分别赋值为：5、3、1、04。并将判定结果导入质量屋，构建质量屋的房间。计算产品技术特性的绝对权重以及相对权重，并将计算结果导入质量屋，构建质量屋的地下室。计算过程如公式（8）、公式（9）所示。WW Pjiijiq?1 （8）WWWkjiiq?1 （9）式中：Wj为质量特性绝对权重；Wi为质量需求权重；Pij为相关性系数；q 为质量需求总数；Wk为技术特性相对权重。质量屋的屋顶用来确定各项技术特性间的相关关系，这种关系包括各项技术特性间可能存在的相互阻碍、相互促进或者不相关等 3 种关系，用“+”“”号和空白来表示技术特性间的相互促进、相互阻碍及不相关的关系，并将结果导入质量屋，构建质量屋的屋顶。如图 1 所示。由图 1 可知，在加强预制构件设计质量措施中，预制构件的承载能力（1.65）和提前考虑预制构件的预留预埋（1.104）最重要，需要在预制构件设计阶段重点考虑。耐久性（0.6245）、图纸表达性（0.57）和表面平整度（0.4415）较为重要，也须作为预制构件设计阶段较重点考虑的对象。3 基于 TRIZ 的预制构件质量特性冲突解决通过质量屋正负相关度比较产品特性，找出相互冲突关系，再运用 TRIZ 矛盾分析法解决技术矛盾和物理矛盾，找到相应的矛盾矩阵和分离原理，根据实际情况及技术支持找到最优解5。3.1 矛盾分析运用TRIZ理论将预制构件的具体技术参数转化为TRIZ通用的 39 个工程技术参数，通过分离矛盾双方来解决物理矛盾，并借助 TRIZ 的 40 个发明原理提供创新指导。通过质量屋的屋顶区域，能直观地看出预制构件各项设计要素间的关联性，如图 2 所示。其中，“”号为正相关，即一项设计要素的改进会使另一项设计要素产生优化效果，“”号为负相关，即一项设计要素的改善会导致另一项设计要素的恶化6。图 2 技术特性正负相关性技术特性ABCDEFGHIJKLMNO图 1 预制构件设计质量屋质量需求 保温材料质量好 保温材料要完整 不能有冷热桥 保温材料阻燃性好 防水构造不能破坏 窗口尺寸精确 墙体外表面有装饰效果 构件外观颜色好 构件表面没有蜂窝麻面 构件表面没有裂缝 构件尺寸精度合格 保温连接件性能好 预理吊环规格正确 构件吊装验算满足要求 保护层厚度满足要求 保温材料的耐久性 混凝土强度等级合格 套简规格符合要求 结合面质量好 连接钢筋预留正确 连接钢筋不能锈蚀 构件拆分设计图纸表达明确 构件拆分设计图纸不能有冲突 构件设计满足工艺要求 吊装方便 套简内部不能污染 节点现浇部位空间使于施工 斜支撑预埋件正确 电气管线施工方便 模板搭接部位墙体平整度高综合权重 0.0152 0.0152 0.0152 0.0152 0.0208 0.0042 0.0017 0.0033 0.0068 0.0138 0.0272 0.0152 0.0924 0.0374 0.1691 0.0339 0.1501 0.0737 0.0258 0.0638 0.0151 0.0567 0.0093 0.023 0.0088 0.0042 0.0441 0.0079 0.0177 0.0333重要度0.15620.16330.3765 0.62450.16950.13350.44150.0851.650.570.1490.4050.0651.1040.013技术特性ABCDEFGHIJKLMNO中国新技术新产品2024 NO.3（上）-126-工 程 技 术将质量屋屋顶中的 3 对矛盾冲突转化为 TRIZ 的问题模型，对这 3 对矛盾冲突进行解释分析。矛盾 1 为防火性构件质量。这是一对技术矛盾，当对建筑构件进行设计时，若提高防火性则需要增加构件的质量，以确保其具备足够的耐火性能。但是过重的构件可能会给结构设计和施工带来困难，并且会增加成本。矛盾 2 为安全性构件特殊造型。这是一对技术矛盾，安全性要求构件能够承受一定的负荷、压力或其他外部因素，并保证使用过程中不会出现失效或危险。而特殊造型可能需要改变构件的形状、结构或材料，以实现某种特定的功能或满足设计需求。矛盾 3 为吊装特性构件特殊造型。这是一对物理矛盾，吊装特性通常涉及承载能力、稳定性、结构设计等对构件形状方面的要求，构件特殊造型可能会增加复杂性、改变重心位置等，也是对构件形状的要求。通过采用阿奇舒勒矛盾矩阵和 TRIZ 理论，解决工程中的 3 个主要技术问题。运用 TRIZ 理论将负相关关系的设计要素转化为 39 个通用工程参数，通过分析矛盾类型，并查询矛盾矩阵表，可以获得相应的发明原理，为解决技术矛盾提供指导。此外，当面对物理矛盾时，使用分离原理可以找到创新的解决办法，见表 3。3.2 矛盾解决综合上述矛盾冲突，根据预制构件质量的具体情况和要求，选择合适的发明原理进行设计实践。在 1 号矛盾中，采用 10 号原理预先作用原理，在预制构件的制造过程中，选择具有良好防火性能的材料，例如耐火混凝土、耐火板等。这些材料在遭受火灾的过程中能够延缓火势蔓延，保护结构的完整性，同时耐火混凝土的质量和普通混凝土相似，不会增加预制构件质量，确保预制构件防火性的同时也保证了预制构件的质量，见表 4。在 2 号矛盾中，采用 40 号原理复合材料原理，选择高强度、高刚度和耐腐蚀性能优异的纤维增强复合材料作为强化材料，预制构件中的接头部分用合适的设计和采取加固措施，以提高其强度和耐久性，见表 5。在 3 号矛盾中，采用 5 号发明原理组合原理，模块化设计与组合。将复杂的构件设计拆分为若干互相独立的模块，每个模块形状和大小都较简单，再将多个模块组合在一起，形成最终的特殊造型构件。每个模块都可以通过常规的吊装设备进行搬运和安装，不会受特殊造型的限制，既能满足特殊造型的要求，又能使用常规的吊装设备进行搬运和安装，以此解决了物理矛盾，见表 6。4 结论本文在设计阶段考虑预制构件生产、施工过程中常见的质量问题，把主观的预制构件的质量需求因素转化为客观的工程技术因素，从质量需求出发，分析了预制构件的产品设计属性，并通过解决冲突得到预制构件设计的创新解，使设计的产品充分满足预制构件的生产和施工需求，助力装配式建筑全过程质量管控和预制构件的生产设计质量管理工作。为获取预制构件的质量需求因素，采用质量屋作为工具，可视化了预制构件质量需求与功能要素间关系，细化了设计要素与产品功能配置的问题，将 TRIZ 理论引入预制构件的设计中，为后续设计过程提供了科学的参考依据，在一定程度上简化了预制构件深化设计思考步骤，解决了原有设计人员主观判断所产生的不确定性问题。参考文献1 苏杨月，赵锦锴，徐友全，等.装配式建筑生产施工质量问题与改进研究 J.建筑经济，2016，37（11）：43-48.2 周东亚，金燕，朱宏轩.基于 TRIZ 理论的榨汁机创新设计研究 J.包装工程，2023，44（8）：402-411.3 闫红.基于向量夹角余弦法装配式建筑 PC 构件质量评价研究 J.工程管理学报，2019，33（3）：42-46.4 杨静.基于 KANO-AHP 模型的陕西汉唐旅游纪念品需求指标评价 J.包装工程，2017，38（4）：239-247.5 黄诗雯，朱子兴，郭跃.基于 AHP/QFD/TRIZ 的两用雪地车造型设计研究 J.包装工程，2023，44（增刊1）：365-371.6 胡畅文，石元伍.基于 AHP/QFD/TRIZ 模型的儿童玩具设计研究 J.湖北工业大学学报，2023，38（3）：100-107.通信作者：董春芳（1975-），女，汉族，博士，副教授，就职于东北林业大学机电工程学院，主要研究方向为产品设计及制造过程质量控制，工业工程。电子邮箱：donglin_。表 3 各矛盾及其对应的发明原理矛盾冲突矛盾类型解决原理对应发明原理防火性构件质量技术矛盾改善参数：防火性；恶化参数：构件质量10，28，8，3安全性构件特殊造型技术矛盾改善参数：安全性；恶化参数：构件特殊造型10，40，16吊装特性构件特殊造型物理矛盾分离原理：整体与部分分离1，5，12，13表 4 1 号矛盾解决原理矛盾冲突使用发明原理解决方案防火性构件质量10号原理预先作用原理在预制构件的制造过程中，选择具有良好防火性能的耐火混凝土浇筑预制构件表 5 2 号矛盾解决原理矛盾冲突使用发明原理解决方案安全性构件特殊造型40号原理复合材料原理选择高强度、高刚度和耐腐蚀性能优异的纤维增强复合材料作为强化材料；用合适的设计和采取加固措施，以提高其强度和耐久性表 6 3 号矛盾解决原理矛盾冲突使用发明原理解决方案吊装特性构件特殊造型5号原理组合原理对有特殊造型要求的预制构件进行模块化设计后再组合，既能满足吊装要求，又能满足特殊造型要求