【門窗幕墻網(wǎng)】1 前言

我們在幕墻設(shè)計實踐過程中，常常會遇到既有建筑改造之前，需要檢測以判斷幕墻產(chǎn)品的可靠度;幕墻結(jié)構(gòu)工程師和幕墻系統(tǒng)設(shè)計師對同一個節(jié)點細部安全的可靠性理解大相徑庭;幕墻結(jié)構(gòu)評審時，專家的評判和被審查者的工程實踐經(jīng)驗和理論認(rèn)知差距較大時，評審?fù)萑雽擂蔚木置妗嶋H上新材料、新工藝、新技術(shù)在幕墻工程應(yīng)用中遇到的審查;復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的跨專業(yè)問題;建筑幕墻使用壽命到期問題;由于建筑功能要求日益苛刻的需要，導(dǎo)致幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性;災(zāi)害性氣候?qū)δ粔Φ膿p害，而導(dǎo)致社會公共安全及索賠問題，都對建筑幕墻可靠性提出新的要求和挑戰(zhàn)。

一種適合于幕墻的結(jié)構(gòu)可靠性理論，可用來指導(dǎo)技術(shù)人員進行科學(xué)合理的設(shè)計，除去思想上的疑惑，在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計上提高效率，在安全評估上能有明確和快速決斷的依據(jù)，有效降低幕墻維修的成本;同時，隨著我國幕墻工程越來越復(fù)雜，幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全的可靠性日益引起行業(yè)重視，它關(guān)系到幕墻工程的質(zhì)量安全和社會成本總投入，也涉及到幕墻技術(shù)的發(fā)展和理論創(chuàng)新。

2 可靠性概念

幕墻作為一個產(chǎn)品，系統(tǒng)可靠性是靠前期設(shè)計、生產(chǎn)制造、施工安裝、使用管理等一系列工程環(huán)節(jié)來保障的，但首先是被設(shè)計出來的。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核是基于確定性分析，即結(jié)構(gòu)計算時假定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料的物理性能以及所受的載荷均是確定的。但實際上這些因素都帶有隨機性：例如建筑立面上的風(fēng)等載荷都是不確定的，鋼鋁結(jié)構(gòu)材料中用的材料物理性能參數(shù)可能與提供的有所差別，名義尺寸與實際結(jié)構(gòu)不完全一致;計算中引入的假設(shè)和計算模型與實際情況有偏離等等。這些因素都會影響對結(jié)構(gòu)真實可靠性評價。慣用的確定性分析中為了考慮這些不確定因素的影響只是簡單地引入安全因子概念，使許用應(yīng)力略低于材料地試驗數(shù)據(jù)或認(rèn)為地加大幾何尺寸，以抵消一些偏危險地因素，提高安全感。安全因子K：

盡管如此，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的事件還時有發(fā)生。這是由于客觀世界的規(guī)律引起：(1)隨機現(xiàn)象，是因為難以全部估計的多種偶然因素存在，通常無法事先準(zhǔn)確斷定未來事件的結(jié)果，表現(xiàn)出因果關(guān)系不充分，在一些條件下，某些結(jié)果并不總是滿足“必然如此”。它除了客觀事物有這種特性外，還包括主觀認(rèn)識的不完整性。(2)模糊現(xiàn)象，是因為難以對周圍某些事物給出明確的定義和確定性的評定標(biāo)準(zhǔn)，通常無法絕對判定事物屬于何類型。判斷事件屬性時其邊界的不清楚性是模糊事件的特點。以強度問題為例，如計算求得的最大應(yīng)力值小于或等于許用應(yīng)力值，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)沒有破壞，但計算值超過哪怕是超過一點點，則結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是失效了。而事實上應(yīng)力的允許范圍具有模糊性，從允許到不允許是逐步過渡的。(3)不準(zhǔn)確或不完整的信息：對自然界現(xiàn)象認(rèn)識不足或辨別和了解能力的局限性。

在工程實踐中，上面三種不確定現(xiàn)象均存在。二十世紀(jì)五十年代以來，學(xué)者和專家對可靠性進行了不斷研究后，形成了基于上述規(guī)律的較為成熟的可靠性理論--隨機可靠性分析理論。

根據(jù)GB/T21086建筑幕墻[1]的定義是：由面板與支承結(jié)構(gòu)體系(支承裝置與支承結(jié)構(gòu))組成的、可相對主體有一定位移能力或自身有一定變形能力、不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護墻。幕墻是一個結(jié)構(gòu)概念也有別于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)體系，由于它由面板和支撐結(jié)構(gòu)體系組成，兼顧工程結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計范疇。可靠性概念可從這兩方面來進行考慮。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)可靠性

[2]建筑結(jié)構(gòu)可靠性包含了結(jié)構(gòu)安全性、適用性、耐久性幾個方面的含義，即(1)能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用;(2)在正常使用時具有良好的工作性能;(3)在正常維護狀態(tài)下具有足夠的耐久性能;(4)在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。

在規(guī)定的時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率，是工程結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。工程結(jié)構(gòu)可靠性，是指在規(guī)定時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)具有的滿足預(yù)期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計算模型的不完善，制作質(zhì)量的差異等，而且這些影響因素是隨機的，因而工程結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的能力只能用概率度量。結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的概率，稱為可靠概率;結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率，稱為失效概率。

幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性要求是完全吻合的，幕墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計和選擇與可靠性有著直接的關(guān)系。

2.2 機械可靠性

機械可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。包含4個要素(1)產(chǎn)品：任何設(shè)備、系統(tǒng)或元器件。(2)規(guī)定條件：包括使用時的環(huán)境條件和工作條件。環(huán)境條件：溫度、濕度、振動、沖擊、輻射等;工作條件：維護方法、儲存條件、操作人員水平等。(3)規(guī)定時間：產(chǎn)品的規(guī)定壽命。(4)規(guī)定功能：產(chǎn)品必須具備的功能和技術(shù)指標(biāo)。

固有可靠性指的是產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)中已經(jīng)確定的可靠性，它是產(chǎn)品內(nèi)在的可靠性。與產(chǎn)品的制造、設(shè)計與生產(chǎn)有關(guān);使用可靠性是指產(chǎn)品在使用中的可靠性，它與產(chǎn)品的運輸、儲藏、保管及使用過程中的操作水平、維修和環(huán)境等因素有關(guān)。

可見，機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的可靠性與幕墻的產(chǎn)品可靠性要求也是一致的，幕墻產(chǎn)品種類也有很多，如鉸鏈、風(fēng)撐、預(yù)埋件、通風(fēng)器等，而幕墻材料如玻璃、鋁合金型材、結(jié)構(gòu)密封膠等，也符合機械產(chǎn)品可靠性的概念。

2.3 建筑幕墻可靠性

工程結(jié)構(gòu)的隨機可靠性分析與機械系統(tǒng)和產(chǎn)品的可靠性分析從本質(zhì)上均是基于經(jīng)典可靠性理論。然而，工程結(jié)構(gòu)的隨機可靠性與機械產(chǎn)品等可靠性在一些重要方面還是有一定差別，因為機械產(chǎn)品多數(shù)是批量生產(chǎn)，且可以假定在名義上是相同的，可以根據(jù)統(tǒng)計概率得出破壞概率，但對工程結(jié)構(gòu)尤其是大型工程結(jié)構(gòu)常常無法以類似方法確定破壞概率。工程中需要預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞事件的數(shù)量，在設(shè)計階段要從各個方面預(yù)估結(jié)構(gòu)件強度或撓度特性，綜合其概率模型。這個模型應(yīng)該包括對所受載荷和結(jié)構(gòu)抗破壞能力有影響的所有隨機不確定因素。

從工程交付上看，幕墻是一個產(chǎn)品，具有機械可靠性的屬性，可理解為可靠性是指建筑在滿足建筑外觀要求和幕墻設(shè)計使用年限內(nèi)持續(xù)滿足建筑幕墻物理性能的能力。從結(jié)構(gòu)工程上看，幕墻可靠性是指在建筑幕墻使用年限內(nèi)和各種自然作用下，幕墻結(jié)構(gòu)具有滿足預(yù)期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由此可以看出，幕墻兼顧產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)功能的雙重屬性本質(zhì)上是一致的，對幕墻產(chǎn)品可靠性定義可理解為：建筑幕墻的可靠性是指幕墻面板和支撐結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計使用年限內(nèi)和正常設(shè)計、施工、使用條件下，達到預(yù)期的安全性、適用性和耐久性等建筑物理性能的能力。在這里，面板不僅是指玻璃、石材等面材，也包括板塊之間嵌縫的密封膠、密封條;而支撐結(jié)構(gòu)不僅包括受力龍骨、轉(zhuǎn)接件、埋件，也包括開窗器、鉸鏈等有結(jié)構(gòu)傳力作用的五金附件。

2.4 結(jié)構(gòu)可靠度

結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率量度，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，是時間的概率。規(guī)定時間是指幕墻設(shè)計使用年限，目前國家和行業(yè)規(guī)范界定幕墻設(shè)計使用年限為25年;規(guī)定條件是指正常的設(shè)計、施工、使用條件，而不考慮認(rèn)為過失所造成的事故。幕墻結(jié)構(gòu)可靠度應(yīng)該是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的統(tǒng)稱。

可靠度含有五個要素：對象、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能和概率。其中，前三個要素是可靠性的前提，是確切的具體的，這三個要素中不會也不允許包含模糊性，幕墻工程實踐中的模糊性主要出現(xiàn)在對是否“完成規(guī)定功能”的判斷和界定上，也就是說，在“完成”和“未完成”之間并不存在明顯的界限，因此事實上，更準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是“在某種程度上完成規(guī)定功能”，這樣一來，可靠性的定義中就體現(xiàn)出了其可能存在的模糊性。因此，為了解決這個問題，引入了概率論和數(shù)理統(tǒng)計的數(shù)學(xué)模型，兩者把實際問題中涉及到的模糊因素用數(shù)學(xué)表達式表示出來，使問題得以量化和精確化，可以將數(shù)學(xué)的研究對象從必然現(xiàn)象擴展到隨機現(xiàn)象的領(lǐng)域，為人們比較準(zhǔn)確地描述和處理具有模糊性的現(xiàn)象和事物提供了一種有效的數(shù)學(xué)手段。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理，幕墻結(jié)構(gòu)可靠性的因素歸納為兩個綜合值，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載作用S和抗力R，引入結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程：

其中Z為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。由于影響荷載作用S和結(jié)構(gòu)抗力R分別有由很多其下屬的基本隨機變量(如形狀、材性等)組成，將這些隨機變量設(shè)為X1,X2,…,Xn ,則結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的一般形式為：

極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)可靠性的臨界判斷狀態(tài)，可分為承載能力與正常使用狀態(tài)，其中承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)于幕墻結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形：

(1) 整個幕墻結(jié)構(gòu)體系或其中一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等);

(2) 幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連續(xù)因材料強度被超過而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載;

(3) 幕墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系;

(4) 幕墻結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等)。

正常使用極限狀態(tài)，對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。

(1) 影響幕墻正常使用或外觀的變形;

(2) 影響幕墻耐久性能的局部損壞(包括材料裂縫);由此可得出：

(a) Z > 0 結(jié)構(gòu)可靠

(b) Z < 0 結(jié)構(gòu)失效

(c) Z = 0 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)

以上是結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的基本判定公式。

引入可靠概率：結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率(ps);失效概率：結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率(pf)概念：

失效概率pf 越小，結(jié)構(gòu)的可靠性越高;失效概率pf 越大，結(jié)構(gòu)的可靠性越低。通常以失效概率pf來度量結(jié)構(gòu)可靠度。

圖2.1安全概率和失效概率的關(guān)系圖

實際上，失效概率pf的計算相當(dāng)復(fù)雜，引用結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)β來代替失效概率pf，

圖2.2可靠指標(biāo)與失效概率的關(guān)系圖

如前面所述，當(dāng)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z為多個隨機變量組成的非線性函數(shù)時，且變量并不都服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，此時基本上無法求解功能函數(shù)值，需要近似簡化，以近似概率法分析可靠度，常見的有中心點法和驗算點法，本文不在詳述。

3 幕墻可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

3.1 可靠性分析中常用的概率分布

產(chǎn)品的可靠度都是隨機變量，要運用概率論理論和方法來研究這些隨機變量的規(guī)律。通常的做法是先討論幾種典型的已被證實的重要分布類型，再把產(chǎn)品的現(xiàn)場或試驗數(shù)據(jù)用計算機進行模擬，進行統(tǒng)計學(xué)處理，用來判別處理結(jié)果和哪一種分布函數(shù)吻合，則稱這種隨機變量符合某種函數(shù)分布，運用函數(shù)分布曲線，可快速簡便估算出某一時刻的函數(shù)值，即可靠度。與幕墻工程相關(guān)的常見的分布函數(shù)有：二項分布、泊松分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布、威爾分布等。

(1) 離散型隨機變量的分布：隨機變量可能的取值為有限個，每一個不同的變量值對應(yīng)一個明確的概率值。

(2) 連續(xù)性隨機變量：在給定區(qū)間(或無限區(qū)間)內(nèi)可取的任意數(shù)值的隨機變量。通常電子零部件、機械產(chǎn)品的壽命都屬于連續(xù)性隨機變量，如幕墻開啟扇執(zhí)手、鉸鏈、電動開窗器等，

計算結(jié)果如下表3-1：

繪制圖形為圖3-1：

4 小結(jié)

本文針對工程可靠性概念，對幕墻結(jié)構(gòu)可靠性的原理概念進行了梳理和定義，兼具結(jié)構(gòu)工程和機械產(chǎn)品的雙重功能的幕墻系統(tǒng)，具有復(fù)雜的功能，文章介紹了用于可靠性研究的基本數(shù)學(xué)模型，并對幕墻部分產(chǎn)品可靠度計算舉例，闡明了以后可靠性分析所用的基本數(shù)學(xué)工具。

由于篇幅有限，后續(xù)相關(guān)針對幕墻可靠性設(shè)計與分析的方法、案例應(yīng)用的論述，另文詳敘，待續(xù)未完。

參考文獻

[1]國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》，GB/T21086-2007

[2]國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑可靠度統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，GB 50068-2001