基于主成分分析法的装配式建筑构件生产质量影响因素研究.pdf

为对影响装配式建筑构件生产质量的重要因素进行识别，提高企业装配式建筑构件生产质量管理水平，论文中使用主成分分析法对众多影响装配式建筑构件生产质量因素进行分析，将影响因素归类为混凝土作业、原材料质量与设计等三个主要层面，抓住主要矛盾，简化了质量管理模型，并针对性地提出了相应管理建议，对装配式建筑构件生产质量管理具有一定参考意义。【关键词】装配式建筑；构件生产；质量管理；主成分分析【中图分类号】TU756【文献标志码】A【文章编号】16713702（2023）070012060引言 随着国内建筑业向绿色低碳化转型升级，装配式建筑由于其在建造过程中具有低浪费、低能耗等优点如今被广泛采用。不少省份均发布指导性文件，要求新开工项目中的装配式建筑需占一定的比例1。与传统现浇基金项目：甘肃省住建厅 装配式钢结构住宅新型节能外围护体系研究及应用（JK2020-13）作者简介：温鸿武，男，高级工程师，研究方向为钢结构建筑及工程管理。Research on the Factors Influencing the Production Quality of Assembled Building Components Based on Principal Component Analysis WEN Hongwu，GUO Zhen，LI Fushun（Gansu Science and Industry Construction Group Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730300，China）Abstract：In order to identify the important factors affecting the quality of assembled building component production and improve the quality management of enterprise assembled building component production.This study uses principal component analysis to analyze numerous factors affecting the quality of assembled building component production，categorizes the influencing factors into three main levels such as concrete operation，raw material quality and design，captures the main contradictions，simplifies the quality management model，and puts forward the corresponding management suggestions in a targeted manner.It has some reference significance to the quality management of the production of assembled building components.Keywords：assembled construction；component production；quality management；principal component analysis建筑不同的是，装配式建筑主要是由预制构件在现场组装建造而成。构件质量的好坏，对建筑总体质量的表现有着显著的影响2。然而，对于传统建筑企业，装配式建筑预制构件生产工艺新颖，影响构件生产质量因素众多，复杂程度高，质量控制难度大。目前，如何对装配式建筑预制构件生产质量进行系统的管理，提高装配式建筑整体质量，成为亟需解决的问题。当前，有许多学者对装配式建筑的质量管理问题进行了研究。庄雪丽3从PDCA 与 4M1E 的角度出发，uality Management2023年第41卷第7期质量管理Q-13-第7 期对装配式混凝土住宅质量控制进行了研究，并对借鉴国外企业管理经验提出了相应建议。张嫚4基于全生命周期理论，利用 SEM 模型对影响装配式混凝土建筑质量的模型进行了验证研究。陈伟等用系统动力学建立了装配式建筑预制构件质量管控模型，但模型过于复杂。曹江红等5对装配式质量链进行了细致研究。钟春玲等6基于 C-OWA 算子与向量夹角余弦对预制构件施工质量进行了研究。齐宝库等7基于层次分析法与模糊综合评价法建立了装配式建筑施工质量评估指标体系具有较好的实用价值。苏杨月等8使用鱼刺图法对影响装配式建筑施工质量的问题进行了剖析，并提出了基于物联网、3D 打印、BIM 技术支撑的科学管理平台。基于对上述学者研究的梳理与总结，发现之前学者的研究多集中在装配式建筑全生命周期过程或仅对施工阶段的质量管理进行研究，针对装配式建筑构件生产阶段的质量控制研究较少，并且所建立的质量控制模型相对复杂，不便于一线工人展开工作。对于此种情况本研究在对现有研究成果梳理总结的基础上，采用主成分分析法与线性回归结合的方法，根据装配式建筑构件生产厂专家实际经验与统计数据，提取影响装配式构件生产过程中的主要因素并对其影响构件质量的显著程度进行分析。从而抓住质量管理中的关键因素，为构件生产厂家提供参考依据。1模型构建1.1影响因素的选取目前对装配式建筑全生命周期质量管理的研究较多，但由于其研究覆盖范围广，对构件生产阶段的质量管理研究不够深入。所以本研究在之前学者的研究成果与现场调研的基础上，对影响装配式建筑构件生产质量的因素进行梳理总结。最终得出在装配式构件生产的三个阶段影响构件质量的 22 个因素（见表 1）。1.2主成分分析主成分分析是一种降维优化算法，可以将大量的指标变换为几个主成份，一般来说，当问题与多元化相关、自变量间存在有强相关时，可以考虑到应用主成分分析法的办法来简单化数据信息。降维可以保存高维数据信息的最重要特征，根据除去非关键特征来达到数据处理方法提高效率的目的。在现实生产制造和使用中，降维可以在一定的信息损失范畴内，大大地节省了大家的时间和成本，是十分普遍的数据预处理方式。其具体计算步骤如下，设有 n 个样本 P 个指标，其可构成 np 的样本矩阵 x 如式（1）所示。x=x11x12x1px21x22x2p xn1xn2xnp=（x1，x2，xp）（1）首先对其进行标准化处理，按照式（2）、（3）所示。xj=1nni=1xij（2）Sj=ni=1（xij-xj）2n-1（3）对列进行计算，标准化数据如式（4）所示。表 1 装配式构件生产质量影响因素过程因素出现频次前期控制阶段X1 未应用信息化技术3X2 原材料质量未检验8X3 构件分割设计不合理12生产过程控制阶段X4 模具质量9X5 车间温度与湿度10X6 灌浆流速过快13X7 混凝土振捣不均匀15X8 外墙板与止水条之间未压实4X9 钢筋定位偏差超过 5 mm7X10 构件表面污染9X11 构件没有达到设计强度而脱模11X12 混凝土没有达到设计强度过早起吊14X13 未合理配置钢筋12X14 模具未按规定要求定期校核7X15 模具定位尺寸不准12X16 未按施工图进行放线4X17 预埋件没有加设固定措施9X18 工人随意踩踏或材料随意堆放13X19 未对外露金属件进行防腐、防锈处理4出货阶段X20 运输保护不到位7X21 构件存放、运输等设计存在缺陷11X22 预制构件装车未严格按规范执行10温鸿武等：基于主成分分析法的装配式建筑构件生产质量影响因素研究-14-工程质量第41卷uality Management质量管理Q xij=xij-xjSj （4）得标准化矩阵如式（5）所示。X=X11X12X1pX21X22X2p Xn1Xn2Xnp=（X1，X2，Xp）（5）其次计算标准化矩阵的协方差矩阵 R 如式（6）所示。R=r11r12r1pr21r22r2p rp1rp2rpp（6）其中：rij=1n-1nk=1（X ki-X i）（X kj-X j）1n-1nk=1 X ki X kj（7）然后使用软件对式（6）的特征值与特征向量分别进行计算，其中特征值如式（8）所示。12p0（8）特征向量如式（9）所示。a1=a11a21 ap1，a2=a12a22 ap2，ap=a1pa2p app（9）最后计算主成分贡献率与其累计贡献率，其中贡献率如式（10）所示。pk=1ik（i=1，2，p）（10）累计贡献率如式（11）所示。ik=1k（i=1，2，p）pk=1k（11）一般对于累计贡献率超过 85%的特征值对应的地 1，2，m 个主成分（mp），第 i 个主成分如式（12）所示。F i=a1i X1+a2i X2+api Xp（i=1，2，m）（12）2计量结果与分析根据表 1 与李克特量表设计调查问卷，对多个装配式构件生产厂工作人员进行采访。其中 15 标度分别表示每个因素对装配式构件生产质量影响的重要度，分为 5 个等级（1 弱；2 较弱；3一般；4 较强；5 强），如表 2 所示。本研究在全省范围内发放问卷 163 份，其中包括建设单位、设计单位、构件生产厂、施工单位与监理单位的职员，有效回收 118 份，有效回收率达到 72.4%。如表 3 所示。2.1信度检验运用 SPSS 软件对 118 个样本进行主成分分析。首先对问卷数据进行信度检验，信度最早由斯皮尔曼（Spearman）于 1904 年将其引入心理测量，指的是测验结果的一致性程度或可靠性程度。根据所关心的重点不同，信度可分为内在和外在信度两类。目的是检验问卷的可靠性、所得结果的一致性程度。信度检验的方法有很多，本文采用 Conrbach s alpha（克隆巴赫信度）系数进行检验。是考量心理学测试和教学检测稳定性的常见方式，依据一定公式计算可能检测的内部结构一致性，做为可靠性指标。它解决了一部分折半法的缺陷，是社会发展科学研究中最经常使用的信度指标值，同义词或平行面地考量“总数”的信度。有专家学者研究表明，信度指数为 0.650.70，为最少规定值、0.700.80 为宜，0.800.90 非常好。本研究选用 SPSS 对调查问卷結果开展信度检验，信度检验結果为 0.812，如表 4 所示。信度检验达标。表 2李克特量表含义标度12345含义（影响程度）弱较弱一般较强强表 4信度检验结果Cronbach s标准化项的Cronbach s alpha项数0.8600.85822表 3受访人员具体情况受访人员情况人数 N/人受访人员占比/%建设单位1512.7监理单位1916.1施工单位3731.4构件生产厂4739.8-15-第7 期2.2效度检验其次对样本数据进行效度检验，效度检验就是指测量仪器可以精确测量的水平，精确测量結果与具体情况的一致性越高，表明实效性越高，精确测量結果与具体情况的一致性越低，表明实效性越低。本研究选用 KMO（检验统计量）和巴特利特查验。巴特利特球型检验是检测各变量值中间相关性的检验方式。通常在开展因子剖析以前对巴特利特开展球型检验，以分辨自变量是不是合适因子剖析。Kaiser 得出了较常用的 KMO 精确测量规范。0.9 以上表明十分适合；0.8 表明合乎；0.7 表明一般；0.6 表明不适合；0.5 以下表明十分不适合。KMO 统计量取 0 和 1 中间的值。假如全部自变量间的简易相关系数 r 的平均数远高于偏相关系数的平均数，则 KMO 值贴近 1。检验结果如表 5 所示。根据检验结果可知，其 KMO 值0.7 说明该问卷数据适合主成分分析，其值越接近 1 表明因素指标之间的相关性越强，分析效果越优。同时在检验结果中若巴特利特球形度的检验值显著性0.05，说明数据符合标准，数据间相互独立且呈球形分布。2.3主成分分析结果根据软件计算结果，式（6）的特征值及贡献率来选取主成分，结果如表 4 所示。在统计学中一般认为，因子其对应的累积贡献率达到 85%时，即说明所提取的因子最具代表性。经过计算，相关系数矩阵的特征值、相应的特征向量以及贡献率如表 6 所示。根据总方差的解释结果，如表 6 所示，将初始特征值提取载荷平方和后并旋转，由结果可知，影响装配式建筑构件生产质量的各项指标的贡献率为 39.651%、26.471%、19.667%、6.472%等。通过查看参考文献，SPSS 统计分析软件开展主成分分析时，对提取因子的累积增长率达到85%时，获取因子的代表性最优。从表 6 可以看出，在其中前三位的总计增长率达到 85.8%，超出了 85%的水准，本研究认为可以有效地意味着全部指标值。再结合碎石图（见图 1）可知，前 4 个主成分的特征值均1，且变化明显，自第 5 个主成分起，特征值均1，变化趋于平缓且。但由于第 4 主成分的贡献率与前 3 个主成分相比较低，综上所述，本研究提取前 3 个因子作为影响装配式建筑构件生产质量因素的主成分进行研究。最终构建主成分因子荷载矩阵，如表 7 所示。对主成分因子进行相关性矩阵构建，测算其相关矩阵相匹配的特征根和矩阵的特征值构建的旋转矩阵，最后旋转获得主成分因子的荷载矩阵。由转动的因子负荷矩阵得知，各指标值各成分中的荷载不尽相同，必须依据因子荷载的多少来辨别各指标值对各成分的贡献率，挑选贡献率大的做为该成分的主要内容。根据公式（12）与表 7 因子载荷矩阵可得主成分 F1的数学表达式如式（13）式（15）所示。表 6因子分析结果成分总记方差/%累计方差/%15.20139.65139.65123.48226.47166.11232.75719.66785.78941.4216.47292.26150.3942.12494.38560.2230.67195.05670.1120.47995.53580.1050.41695.95190.0940.39596.346100.0810.31196.657图 1碎石图表 5问卷指标 KMO 和巴特利特检验检验结果KMO 取样适切性量数巴特利特球形度检验0.825近似卡方788.254自由度114.000显著性0.000温鸿武等：基于主成分分析法的装配式建筑构件生产质量影响因素研究-16-工程质量第41卷uality Management质量管理Q表 7因子载荷矩阵F1F2F3X1 未应用信息化技术-0.3710.0620.054X2 原材料质量未检验0.2140.7210.129X3 构件分割设计不合理0.3510.3040.783X4 模具质量0.4530.618-0.014X5 车间温度与湿度-0.2690.0510.217X6 灌浆流速过快0.8140.0140.053X7 混凝土振捣不均匀0.7560.213-0.094X8 外墙板与止水条之间未压实-0.4840.0320.148X9 钢筋定位偏差超过 5 mm0.6710.0410.218X10 构件表面污染0.6470.0890.351X11 构件没有达到设计强度而脱模0.6310.3120.816X12 混凝土没有达到设计强度过早起吊0.3240.2410.047X13 未合理配置钢筋0.652-0.2750.714X14 模具未按规定要求定期校核0.0510.351-0.193X15 模具定位尺寸不准-0.8710.3170.008X16 未按施工图进行放线0.5640.4420.647X17 预埋件没有加设固定措施0.2710.3760.314X18 工人随意踩踏或材料随意堆放0.068-0.142-0.171X19 未对外露金属件进行防腐、防锈处理0.4130.6370.084X20 运输保护不到位0.0810.1160.099X21 构件存放、运输等设计存在缺陷0.1450.4310.748X22 预制构件装车未严格按规范执行-0.0910.2470.021根据上述可知，主成分 F1 在 X6 灌浆流速过快上的荷载比较大、X7 混凝土振捣不均匀、X9 钢筋定位偏差超过 5 mm、X10 构件表面污染、X11 构件没有达到设计强度而脱模、X15 模具定位尺寸不准、X16 未按施工图进行放线，这几个因素可以概括为混凝土作业层面。主成分 F2 在 X2 原材料质量未检验、X4 模具质量。X19 未对外露金属件进行防腐、防锈处理等因素上载荷较大，可以概括为生产原材料质量层面。主成分 F3 在 X3 构件分割设计不合理、X13 未合理配置钢筋、X21 构件存放、运输等设计存在缺陷等因素上的载荷较大，可以概括为设计层面。3对策及建议根据本文上述研究结果，分别对所提取的影响装配式建筑构件生产质量主成分因子代表的混凝土作业层面、生产材料质量层面与设计层面等三个维度提出如下建议。3.1混凝土作业质量控制根据上文分析结果，混凝土作业是影响装配式建筑构件生产质量的首要原因，其中主成分因子 X6 灌浆流速过快、X7 混凝土振捣不均匀、X9 钢筋定位偏差超过 5 mm、X16 未按施工图进行放线等成分，主要会影响混凝土构件的力学性能，将会对构件质量产生极大的影响。目前我国装配式建筑构件生产处于发展阶段，规范多由现浇建筑规范借鉴而来。对此，本文建议应该针对构件生产过程制中的混凝土浇筑作业制定新的规范标准，更加具有针对性地对装配式建筑的质量进行把控；其次，建议生产企业采用可视化窥探等技术，对构件生产过程中的混凝土空洞进行控制，保障构件生产质量；必要时应该采取监理入厂等方式进行浇筑作业监督管理。3.2生产原材料质量控制装配式建筑构件生产质量控制问题，原材料质量是源头。针对主成分因子 X2 原材料质量未检验、X4 模具质量、X19 未对外露金属件进行防腐、防锈处理等成分，本文建议构件生产企业在生产前对原材料质量严格（下转第 21 页）（13）F1=-0.371X1+0.214X2+0.351X3+0.453X4-0.269X5+0.814X6+0.756X7-0.484X8+0.671X9+0.647X10+0.631X11+0.324X12+0.652X13+0.051X14-0.871X15+0.564X16+0.271X17+0.068X18+0.413X19+0.081X20+0.145X21-0.091X22F2=0.062X1+0.721X2+0.304X3+0.618X4+0.051X5+0.014X6+0.213X7+0.032X8+0.041X9+0.089X10+0.312X11+0.241X12-0.275X13+0.351X14-0.317X15+0.442X16+0.376X17-0.142X18+0.637X19+0.116X20+0.431X21+0.247X22F3=0.054X1+0.129X2+0.783X3-0.014X4+0.217X5+0.053X6-0.094X7+0.148X8+0.218X9+0.351X10+0.816X11+0.047X12+0.714X13-0.193X14+0.008X15+0.647X16+0.314X17-0.171X18+0.084X19+0.099X20+0.748X21+0.021 X22（14）（15）-21-第7 期批次原材料，尽量降低试验数据误差的出现。5结语高性能混凝土配合比设计优化，首先要从原材料选用及质量控制入手，结合混凝土工程施工的标准要求，并综合考量原材料本身、施工现场温度、掺入量等对混凝土性能的影响，进行配合比设计原材料选用、质量控制措施、技术参数等的优化调整，提高配合比设计与施工实际条件的适配性，全面提高混凝土工程的强度、密实度与耐久性。Q参考文献 1 赵志强，刘军，刘康，等.广西防城港核电站高强度混凝土配合比设计J.施工技术（中英文），2022，51（14）：1012，45.2王宇，王睿，李冬云，等.西村港跨海大桥工程用高性能海工混凝土配合比优化设计J.施工技术（中英文），2022，51（6）：1418.3韩小华.基于工作性的混凝土配合比设计方法及应用 J.混凝土，2022，44（2）：6066，70.4杨利香，宋兴福，陆美荣，等.基于再生粗骨料裹浆厚度的含砂透水混凝土配合比设计方法 J.材料导报，2022，36（4）：115121.5潘本金，王蒙蒙.高性能混凝土配合比优化设计及施工J.山西建筑，2021，47（22）：8183.6米永刚，刘云贺.高寒地区高性能混凝土配合比设计与耐久性研究 J.混凝土，2020，42（7）：9295.进行检查，不购买质量不达标材料。建议监理单位参与全生命周期质量管理，对原材料采购进行严格把关。另外严格杜绝在材料采购过程中的“吃拿卡要”现象，防止材料采购中的贪污行为，从源头上制止供应商以次充好的行为。3.3设计层面质量控制设计问题关系到质量控制的目标，如果设计本身不合理，质量控制将无从谈起。针对 X3 构件分割设计不合理、X13 未合理配置钢筋、X21 构件存放、运输等设计存在缺陷等成分，本文建议构件生产单位应联合设计单位与施工单位应用 BIM 等信息化技术共同制定生产设计运输方案，协同处理设计难点。由于装配式建筑构件拆分设计难度大，对设计人员要求高，建议设计单位与装配式建筑发展较为优先地区进行交流学习提高业务水平，以减少设计不合理之处。4结语之前学者对装配式建筑质量管理的研究主要集中在施工阶段。然而，构件的质量对装配式建筑的整体质量也有着很重要的影响，为了对影响装配式建筑构件生产质量的因素进行识别，本文在之前学者与国家规范的基础上对影响因素进行主成分分析，将众多因素归纳为重要的三个层面即混凝土作业层面、原材料质量层面与设计层面。并针对具体主成分因子提出了相应建议，对装配式建筑构件生产阶段的质量管理具有一定参考意义。Q参考文献1陈伟，孙翔君，王朝晖，等.装配式建筑预制构件质量链管控 SD 模型 J.土木工程与管理学报，2020，37（6）：1420.2屈勇.装配式混凝土建筑建造质量管理研究D.西安：西安建筑科技大学，2020.3庄雪丽.装配式混凝土住宅建造质量管理研究D.北京：北京交通大学，2018.4张嫚.装配式混凝土住宅项目全生命期质量管理研究D.西安：西安建筑科技大学，2019.5 曹江红，纪凡荣，解本政，等.基于 BIM 的装配式建筑质量管理J.土木工程与管理学报，2017，34（3）：108113.6钟春玲，武金宝.基于 C-OWA 算子与向量夹角余弦的装配式建筑预制构件施工质量评价研究J.吉林建筑大学学报，2021，38（4）：7378.7齐宝库，李长福.装配式建筑施工质量评估指标体系的建立与评估方法研究 J.施工技术，2014，43（15）：2024.8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）：4348.（上接第 16 页）张惠敏：高性能混凝土配合比设计优化与质量控制措施探讨