在可持续发展背景下，装配式建筑以高生产效率、低消耗和低排放等特点，成为各国建筑工业化转型的着力点。本文通过项目实践和行业调研发现，装配式建筑作为一种离场制造和在场装配的建筑类型，虽然零件制造精度较高，但整体装配精度较低，由尺寸、形状和位置偏差累积造成的施工效率低下、返工、浪费和低质量等问题，阻碍了装配式建筑的可持续发展[1]。传统砌体或现浇体系可通过复尺发现、校正和吸收前一道工序的偏差(如抹灰、垫片、扩孔和盖缝等)，而装配式建筑的预制构件由工厂生产，在现场组装，偏差问题会在装配过程中集中暴露。
尺寸管理源自制造业，是一种包含多种工具和方法的系统工程，其目标是通过合理制定公差实现对尺寸或几何偏差的控制，以可控成本实现精确制造[2]。在建筑领域，尺寸管理属于工程质量管理的子项[3]，现有方法以合规性测量和现场修整偏差为主，但这种偏差问题出现后再处理的方式低效且被动，难以满足现场快速装配的需求，且预制构件返厂修整的成本较高。反观与装配式建筑关系紧密的制造业，尺寸管理手段非常成熟且实现了自动化，通过一系列计算机辅助装配技术在设计阶段便可分析偏差累积情况，并制定合适的公差，确保生产效率和制造精度[4-5]。建筑业对尺寸管理技术研究的投入不足，导致建造与制造的精度差异，进而造成了装配式建筑的整体装配精度问题。近年来，随着预制装配技术的发展，部分研究开始关注建造的公差和精度控制问题。高晓明等[6]引入了国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)标准体系中公差的相关计算方法；刘鹏等[7]对比分析了预制混凝土构件的国内外相关公差规范；Zhai[8]提出了应用于板式装配式建筑的面向制造与装配设计(design for manufacture and assembly，DfMA)评价方法，并考虑将公差作为评价指标之一；Milberg等[9]将制造领域的公差图引入土木工程领域，用于计算装配累积偏差；Talebi等[10]将机械设计领域的公差标注体系几何尺寸与公差(geometric dimensioning and tolerancing，GD&T)引入建筑制图。上述研究关注了预制构件装配的偏差现象，并旨在通过在设计阶段合理制定公差实现主动式装配精度控制，但现有研究结果均为较分散的策略建议，并未形成便于专业间协同执行的标准流程或信息化工具。
建筑信息模型(building information modeling，BIM)是进行装配式建筑尺寸管理的潜在最佳信息化工具，具有整合知识和促进专业协同的技术优势。随着建筑业的信息化转型，BIM在建筑设计和施工管理中的应用越来越广泛。新加坡建设局(Building and Construction Authority, BCA)[11]率先提出了装配式建筑DfMA的BIM应用指南，以加强技术人员在设计阶段对生产和装配知识的考虑；郭红领等[12]研究了包含模拟信息和实时信息的BIM施工管理应用流程；曹江红等[13]研究了基于BIM的装配式建筑质量管理流程。为便于各领域专家共同参与BIM开发，建筑智慧国际联盟(buildingSMART)提出了信息交付手册(information delivery manual，IDM)，并被ISO 29481-1—2016《建立信息模型-信息传递手册标准》(Building information models-information delivery manual)[14]采纳，旨在推动BIM业务流程标准化。自2019年以来，buildingSMART的用例管理服务网站已发布了129个开源IDM项目，其中有4个来自中国大陆地区，如Tong等[15]开发的基于三维扫描的钢结构施工过程质量控制IDM用例。上述研究结合BIM技术与装配式建筑设计、制造和建造流程，提供了特定业务流程的信息化技术路径，但缺少针对尺寸管理的研究。
本文基于上述问题和BIM开发中的IDM标准，研究了装配式建筑尺寸管理的标准化流程，并通过行业调研和专家问卷访谈，总结了现行流程及缺陷；结合相关文献与专家意见改进了尺寸管理方法，绘制了装配式建筑尺寸管理流程图，规定了流程活动内容和交换需求，为从设计早期预防和解决由尺寸偏差引起的装配质量和效率问题提供了多专业协同的信息化管理路径。
1 IDM基本概念与制定方法
BIM中尚未开发尺寸管理模块，尺寸管理相关手段目前分散于各专业中，无法形成规范化协作流程。目前，BIM主流数据交换标准由工业基础类(industry foundation classes，IFC)、国际字典框架(international framework for dictionaries，IFD)、IDM和模型定义视图(model view definition，MVD)等构成，如图 1所示。其中，IDM用于结构化组织建筑业务活动中各参与方信息交换流程，并形成交互框架将各参与方的信息需求映射至IFC，便于工程师进一步开发BIM。IDM高度适用于装配式建筑尺寸管理流程的信息化和标准化制定，为本文的参考方法。
2 参考流程发掘与改进
制定IDM需与行业专家合作确定参考流程，包括3部分内容：1) 明确拟开展业务范围；2) 识别现有资源，包括参与业务的人员工种、可用的规程规范和软件硬件资源等；3) 制订业务计划，包括时序安排、资源分配和成果交付等。参考流程最终以流程图形式呈现，需先总结现状业务流程，如有必要可进行改进，以实现后续完善的业务流程[14]。
2.1 尺寸管理现状
为了解装配式建筑尺寸管理的现状机制，本文进行了面向装配式建筑全行业的实地调研和问卷访谈。调研和访谈对象包括有装配式建筑项目经验的建筑师、结构工程师、施工经理、构件生产商、专家学者、BIM工程师和项目经理等36人，涉及7个省市地区的18家设计单位或生产施工企业。本文问卷访谈的主要内容围绕装配式建筑设计、生产和施工中的尺寸管理问题，了解各单位和各工种对由尺寸偏差引起的变更、返工、浪费、低质量和低效率问题的认识和解决流程。
装配式建筑现行尺寸管理机制受传统建筑业串行作业方式的影响，存在低效和高成本问题。本文根据问卷结果和专家意见，总结了现行装配式建筑尺寸管理机制存在的缺陷，如图 5所示。其中，主要缺陷有以下几方面：1) 过于依赖规范和现场测量的被动执行，忽略了在设计阶段预测和应对偏差风险；2) 现行公差规范覆盖能力有限，大量构件并未制定公差，且忽视了偏差累积效应；3) 合规性测量手段效率较低。由于上述缺陷使尺寸偏差问题不能被有效预防，装配式建筑工厂预生产和现场装配特性使现场修整偏差成本比传统项目高，且不符合高效装配的初衷，因此需改进现行尺寸管理流程。
2.2 尺寸管理流程改进
现状尺寸管理机制只在规范端和测量端进行约束，并不能有效促进各阶段目标的落实，各部门只会将责任推给下游。装配式建筑尺寸管理应形成动态交互的信息系统，如图 6所示。各部门和各工种在尺寸管理中应围绕一致目标进行跨部门合作，通过各种手段预防、监测和处理由尺寸变动或偏差造成的返工、变更和浪费问题，最终实现降本增效的目的。针对上述缺陷，本文梳理了装配式建筑在设计、制造和建造阶段的尺寸管理目标，具体内容如下：
1) 初步设计阶段，尺寸管理的目标为确定标称尺寸，建筑师或装配产品设计师应遵循一定的设计模数进行方案设计和部件划分。
2) 设计深化和优化阶段，尺寸管理的目标为确定施工和加工目标尺寸，由于需要建筑师或施工和加工深化设计师确定构件间的连接和配合方式，并基于初始制造公差和偏差累积预测结果进行工艺选择、公差协调和设计优化，因此需要设计师与制造商和施工方多次交换公差和施工工艺信息。
3) 制造和建造阶段，尺寸管理的目标为测量验核尺寸，构件质检员、施工经理或监理需通过自检和复检方式进行合规性测量，及时向上下游反馈测量信息，便于相关人员进行设计变更和偏差修整等生产决策。
表 1 装配式建筑尺寸管理IDM流程 |
| 阶段 | 人员工种 | 流程活动 | 活动描述 | 信息接收 | 信息交付 |
| 初步设计 | 业主 | A.1 | Ⅰ. 在设计早期启动尺寸管理程序，成立由专家、设计、生产和施工技术人员组成的尺寸管理小组，并指定组长或专职尺寸管理员，根据业主需求确定主要构件的公差等级；建筑初步设计需进行模数协调以适应标准化生产 | —① | 业主需求 |
| 尺寸管理小组 | B.1 | 业主需求 | 公差等级 | ||
| B.2 | |||||
| 建筑设计师 | C.1 | 业主需求 | BIM_LOD200② | ||
| C.2 | |||||
| C.3 | |||||
| 深化设计 | 业主 | A.2 | Ⅱ. 初步设计完成后，尺寸管理小组基于BIM模型(LOD200深度)与各专业人员交流确定对项目外观、功能、质量和可装配性等方面有影响的潜在偏差风险，并指定需进行偏差累积预测的关键尺寸；建筑、结构和设备深化设计需进行初步变形计算、碰撞检测和公差协调，保证构件间预留适当的间隙，以吸收偏差 | BIM_LOD200 | —① |
| 尺寸管理小组 | B.3 | ||||
| B.4 | 公差等级 | BIM_LOD300 | |||
| 建筑设计师 | C.4 | ||||
| C.5 | BIM_LOD200 | S_BIM_LOD300③ | |||
| 结构工程师 | D.1 | ||||
| D.2 | BIM_LOD200 | E_BIM_LOD300③ | |||
| 设备工程师 | E.1 | ||||
| E.2 | |||||
| 设计优化 | 尺寸管理小组 | B.5 | Ⅲ. 深化设计完成后，尺寸管理小组基于BIM模型(LOD300深度)，查阅相关规范，综合现有工艺和施工能力，选定一系列初始公差预测关键尺寸的偏差累积，并将预测结果反馈至设计端进行设计优化和公差分配，直至关键尺寸符合公差要求，然后输出公差方案和合规性测量方案 | 公差规范工艺能力数据BIM_LOD300 | 公差方案测量方案 |
| B.6 | |||||
| B.7 | |||||
| 建筑设计师 | C.6 | BIM_LOD300公差方案 | BIM_LOD400 | ||
| C.7 | |||||
| 结构工程师 | D.3 | ||||
| 设备工程师 | E.3 | ||||
| 生产施工与竣工验收 | 业主 | A.3 | Ⅳ. 制造和建造端根据公差方案进行构件加工和现场装配，并在测量方案的指导下进行合规性测量自检，由监理方进行复检以确保生产和施工在公差范围内，直至竣工；施工过程中发现超出公差范围的偏差情况由施工方出具偏差报告，反馈至尺寸管理小组和业主方进行偏差决策，并返回变更/返工单进行偏差修正或变更 Ⅴ.竣工验收后，由尺寸管理小组记录尺寸管理全流程，收集整理获得的知识经验并形成报告，便于在后续项目中继续使用和迭代优化，推动进一步完善规范和新技能产生 | 偏差报告 | 变更/返工单 |
| A.4 | |||||
| 尺寸管理小组 | B.8 | 偏差报告 | 尺寸管理报告 | ||
| 建筑设计师 | C.8 | ||||
| 制造商 | F.1 | —① | BIM_LOD500 | ||
| F.2 | BIM_LOD400公差方案测量方案 | 工艺能力数据 | |||
| F.3 | |||||
| F.4 | |||||
| F.5 | |||||
| 施工经理 | G.1 | BIM_LOD400公差方案测量方案 | 偏差报告 | ||
| G.2 | |||||
| G.3 | |||||
| G.4 | 变更/返工单偏差报告 | BIM_LOD500 | |||
| G.5 | |||||
| G.6 | BIM_LOD400公差方案测量方案偏差报告 | BIM_LOD500 | |||
| 监理 | H.1 | ||||
| H.2 | |||||
| H.3 |
注：① —表示该项无对应内容；② LOD为发展等级(level of development)，本文参考GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》[16]，使用LOD200、LOD300、LOD400和LOD500 4级BIM模型；③ S_BIM和E_BIM分别为建筑结构信息模型(building structure information model)和建筑设备信息模型(building equipment information model)。 |
3 尺寸管理IDM制定
装配式建筑尺寸管理IDM制定包括流程图绘制、交换需求和业务规则制定、关键功能部件制定。流程图参考上述研究发掘并改进的参考流程，以及装配式建筑设计、制造和建造流程绘制；交换需求和业务规则结合现有BIM资源和相关规范制定；关键功能部件基于本文研究团队在尺寸管理BIM技术方面的已有研究结果制定。
3.1 流程图绘制
本文参考装配式建筑设计、制造和建造流程将尺寸管理分为初步设计、深化设计、面向制造与装配的优化设计、生产施工与竣工验收4阶段，涉及管理、设计、制造、建造、监理5部门和8个工种。
3.2 交换需求和业务规则制定
表 2 装配式建筑尺寸管理IDM交换需求和业务规则 |
| 交换需求 | 先决条件 | 业务规则 | 信息单元 | |
| 图形 | 非图形 | |||
| BIM_LOD200 | 业主需求 | 应根据GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》[16]提供的BIM模型LOD规范，按照不同阶段需求完成相应深度的BIM模型，并满足相应的模数等级、公差等级和公差方案需求，竣工BIM需反映最终偏差报告中的实际偏差信息 | 几何和位置 | — |
| BIM_LOD300 | BIM_LOD200公差等级 | 接头和间隙 | 装配顺序 | |
| BIM_LOD400 | BIM_LOD300公差方案 | 基准和公差 | 生产运输和安装测量方案 | |
| BIM_LOD500 | BIM_LOD400偏差报告 | 实际偏差 | 运行环境 | |
| 业主需求 | — | 业主应提供对装配类型和装配率的期望，以及对项目精度的初始需求 | — | — |
| 公差等级 | 业主需求 | 应根据GB/T 50002—2013 《建筑模数协调标准》[18]相关内容和业主需求初步确定主要构件的公差等级 | — | 构件类型和公差等级 |
| 公差规范 | BIM_LOD300 | 应根据所选构件类型和项目所处的国家地区选择相应的公差规范，如GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》[19]规定的预制混凝土结构构件的相关公差 | 基准和公差值(允许偏差的上限值和下限值，如±5 mm) | — |
| 工艺能力数据 | BIM_LOD300 | 当选取的构件无公差规范或实际生产工艺精度高于规范时，应参考该构件的实际生产工艺能力数据，根据ISO 16269-6—2014《数据统计中公差区间的确定标准》(Statistical interpretation of data —Part 6: Determination of statistical tolerance intervals)[20]，通过抽样和测量统计确定构件公差 | ||
| 公差方案 | 公差规范工艺能力数据BIM_LOD300 | 应根据ISO 6284—2023《建筑施工图极限偏差标注标准》(Technical product documentation -construction documentation —indication of limit deviations)[21]，将设计优化后的控制公差标注在图纸中，形成公差方案 | ||
| 测量方案 | BIM_LOD300公差方案 | 应根据ISO 3443-8—1989《建筑工程尺寸检查和控制标准》(Tolerances for Building —Part 8: Dimensional inspection and control of construction work)[22]规定的程序制定测量方案 | 基准和测量点 | 测量方法、测量设备和数据处理方法 |
| 偏差报告 | BIM_LOD400公差方案测量方案 | 以BIM_LOD400为标称模型，对比测量结果获得实际偏差，并判断是否落入公差范围内，统计结果形成偏差报告 | 实际偏差值和公差值 | — |
| 变更/返工单 | 偏差报告 | 根据偏差报告进行变更/返工决策 | 变更/返工图纸 | 变更/返工说明 |
| 尺寸管理报告 | 偏差报告 | 记录尺寸管理过程中以上所有交换需求及包含的信息单元，形成尺寸管理报告 | — | — |
注：—表示该项无对应内容。 |
由于该尺寸管理流程引用的规范标准均为通用标准，因此该流程对不同装配类型和项目规模具有通用性。其中，由于本文重点关注的设计阶段公差分析模块引入制造业分析方法，适用于装配式项目中非现场作业(如预浇筑和焊接)的预制装配部分(通过卡口和栓接连接)，因此在实际项目中根据不同的装配率灵活使用预制装配部分。
本文各交换需求对应的业务规则仅结合现行相关规范标准进行概述，在具体BIM应用开发中需进一步描述数据使用、属性判断和取值范围等。
3.3 关键功能部件制定
1) 针对目前装配式建筑尺寸管理忽视设计阶段对偏差风险预测的现状，本文基于制造领域公差分析技术和ISO 3443-4—1986《装配偏差预测及公差分配标准》(Tolerances for building —part 4: Method for predicting deviations of assemblies and for allocation of tolerances)[23]开发了基于BIM的公差分析模块(见图 9)，实现了在设计阶段基于BIM模型，通过尺寸链搜寻和概率统计方法计算选定关键尺寸的累计偏差，并判断当前方案是否符合公差要求，以重新进行公差分配和设计优化，生成最终公差方案。
4 结论
本文在调研和改进装配式建筑尺寸管理机制的基础上，基于IDM标准开发了各专业协同开展尺寸管理的标准流程。该流程在传统以公差规范和合规性测量为主的模式基础上，强调在设计阶段成立专门的尺寸管理部门，组织公差等级选择、偏差风险识别和偏差累积预测等业务活动，并进一步指导面向制造和装配的设计优化等，实现主动式尺寸管理。同时，本文制定了装配式建筑尺寸管理IDM的交换需求和关键功能部件，引入制造业公差分析技术，为后续尺寸管理和BIM集成提供信息框架和技术基础。
本文在公差方面为装配式建筑实践提供了可持续改进和经验累积的信息化路径参考。在本文研究结果的基础上，后续需结合大量工程实践验证和优化尺寸管理流程，开发和集成相关BIM软件或插件，实现自动化精度预测和尺寸管理，推动装配式建筑的高质量发展。
