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1 前言
我們?cè)谀粔υO(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，常常會(huì)遇到既有建筑改造之前，需要檢測(cè)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(jì)師對(duì)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)（詞條“節(jié)點(diǎn)”由行業(yè)大百科提供）細(xì)部安全的可靠性（詞條“可靠性”由行業(yè)大百科提供）理解大相徑庭;幕墻結(jié)構(gòu)評(píng)審時(shí)，專家的評(píng)判和被審查者的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)知差距較大時(shí)，評(píng)審?fù)萑雽擂蔚木置妗�。�?shí)際上新材料、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(jì)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(jì)的復(fù)雜性;災(zāi)害性氣候?qū)δ粔Φ膿p害，而導(dǎo)致社會(huì)公共安全及索賠問題，都對(duì)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(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，除去思想上的疑惑，在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)上提高效率，在安全評(píng)估上能有明確和快速?zèng)Q斷的依據(jù)，有效降低幕墻維修的成本;同時(shí)，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(huì)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(gè)產(chǎn)品，系統(tǒng)可靠性是靠前期設(shè)計(jì)、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(jì)出來的。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核是基于確定性分析，即結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)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(shí)際上這些因素都帶有隨機(jī)性：例如建筑立面上的風(fēng)等載荷都是不確定的，鋼鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）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(shí)際結(jié)構(gòu)不完全一致;計(jì)算中引入的假設(shè)和計(jì)算模型與實(shí)際情況有偏離等等。這些因素都會(huì)影響對(duì)結(jié)構(gòu)真實(shí)可靠性評(píng)價(jià)。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(jiǎn)單地引入安全因子概念，使許用應(yīng)力略低于材料地試驗(yàn)數(shù)據(jù)或認(rèn)為地加大幾何尺寸，以抵消一些偏危險(xiǎn)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(shí)有發(fā)生。這是由于客觀世界的規(guī)律引起：(1)隨機(jī)現(xiàn)象，是因?yàn)殡y以全部估計(jì)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(shí)的不完整性。(2)模糊現(xiàn)象，是因?yàn)殡y以對(duì)周圍某些事物給出明確的定義和確定性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，通常無法絕對(duì)判定事物屬于何類型。判斷事件屬性時(shí)其邊界的不清楚性是模糊事件的特點(diǎn)。以強(qiáng)度問題為例，如計(jì)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(jì)算值超過哪怕是超過一點(diǎn)點(diǎn)，則結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是失效了。而事實(shí)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(duì)自然界現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不足或辨別和了解能力的局限性。
在工程實(shí)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(duì)可靠性進(jìn)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(jī)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（詞條“支承裝置”由行業(yè)大百科提供）與支承結(jié)構(gòu))組成的、可相對(duì)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(hù)墻。幕墻是一個(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)范疇。可靠性概念可從這兩方面來進(jìn)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(gè)方面的含義，即(1)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用;(2)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能;(3)在正常維護(hù)狀態(tài)下具有足夠的耐久性能;(4)在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。
在規(guī)定的時(shí)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(shí)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(jì)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(jī)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(jì)的可靠性與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性要求是完全吻合的，幕墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)和選擇與可靠性有著直接的關(guān)系。
2.2 機(jī)械可靠性
機(jī)械可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。包含4個(gè)要素(1)產(chǎn)品：任何設(shè)備（詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）、系統(tǒng)或元器件。(2)規(guī)定條件：包括使用時(shí)的環(huán)境條件和工作條件。環(huán)境條件：溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、輻射等;工作條件：維護(hù)方法、儲(chǔ)存條件、操作人員水平等。(3)規(guī)定時(shí)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(jì)、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(jì)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(yùn)輸、儲(chǔ)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(jī)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(jī)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(jī)可靠性分析與機(jī)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(jī)可靠性與機(jī)械產(chǎn)品等可靠性在一些重要方面還是有一定差別，因?yàn)闄C(jī)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(jì)概率得出破壞概率，但對(duì)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(cè)結(jié)構(gòu)破壞事件的數(shù)量，在設(shè)計(jì)階段要從各個(gè)方面預(yù)估結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度或撓度特性，綜合其概率模型。這個(gè)模型應(yīng)該包括對(duì)所受載荷和結(jié)構(gòu)抗破壞能力有影響的所有隨機(jī)不確定因素。
從工程交付上看，幕墻是一個(gè)產(chǎn)品，具有機(jī)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(jì)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(duì)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(jì)使用年限內(nèi)和正常設(shè)計(jì)、施工、使用條件下，達(dá)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（詞條“轉(zhuǎn)接件”由行業(yè)大百科提供）、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(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，是時(shí)間的概率。規(guī)定時(shí)間是指幕墻設(shè)計(jì)使用年限，目前國家和行業(yè)規(guī)范界定幕墻設(shè)計(jì)使用年限為25年;規(guī)定條件是指正常的設(shè)計(jì)、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(gè)要素：對(duì)象、規(guī)定條件、規(guī)定時(shí)間、規(guī)定功能和概率。其中，前三個(gè)要素是可靠性的前提，是確切的具體的，這三個(gè)要素中不會(huì)也不允許包含模糊性，幕墻工程實(shí)踐中的模糊性主要出現(xiàn)在對(duì)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(shí)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(gè)問題，引入了概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，兩者把實(shí)際問題中涉及到的模糊因素用數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)象從必然現(xiàn)象擴(kuò)展到隨機(jī)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(jì)的原理，幕墻結(jié)構(gòu)可靠性的因素歸納為兩個(gè)綜合值，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載作用S和抗力（詞條“抗力”由行業(yè)大百科提供）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(jī)變量(如形狀、材性等)組成，將這些隨機(jī)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(duì)應(yīng)于幕墻結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形：
(1) 整個(gè)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(qiáng)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(jī)動(dòng)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(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)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(jì)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(shí)際上，失效概率pf的計(jì)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(gè)隨機(jī)變量組成的非線性函數(shù)時(shí)，且變量并不都服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，此時(shí)基本上無法求解功能函數(shù)值，需要近似簡(jiǎn)化，以近似概率法分析可靠度，常見的有中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)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(jī)變量，要運(yùn)用概率論理論和方法來研究這些隨機(jī)變量的規(guī)律。通常的做法是先討論幾種典型的已被證實(shí)的重要分布類型，再把產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jī)變量符合某種函數(shù)分布，運(yùn)用函數(shù)分布曲線，可快速簡(jiǎn)便估算出某一時(shí)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(xiàng)分布、泊松分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布、威爾分布等。
(1) 離散型隨機(jī)變量的分布：隨機(jī)變量可能的取值為有限個(gè)，每一個(gè)不同的變量值對(duì)應(yīng)一個(gè)明確的概率值。
(2) 連續(xù)性隨機(jī)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(jī)變量。通常電子零部件、機(jī)械產(chǎn)品的壽命都屬于連續(xù)性隨機(jī)變量，如幕墻開啟扇執(zhí)手、鉸鏈、電動(dòng)開窗器（詞條“電動(dòng)開窗器”由行業(yè)大百科提供）等，
計(jì)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(duì)工程可靠性概念，對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)可靠性的原理概念進(jìn)行了梳理和定義，兼具結(jié)構(gòu)工程和機(jī)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(duì)幕墻部分產(chǎn)品可靠度計(jì)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(duì)幕墻可靠性設(shè)計(jì)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(xiàn)
[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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，GB 50068-2001
