淺談建筑幕墻可靠性設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐

1 前言

我們在幕墻設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)師對同一個(gè)節(jié)點(diǎn)細(xì)部安全的可靠性理解大相徑庭；幕墻結(jié)構(gòu)評審時(shí)，專家的評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(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。這些因素都會影響對結(jié)構(gòu)真實(shí)可靠性評價(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單地引入安全因子概念，使用應(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)識的不完整性。(2)模糊現(xiàn)象，是因?yàn)殡y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(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(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。

建筑幕墻的定義是：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(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?？煽啃愿拍羁蓮倪@兩方面來進(jìn)行考慮。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)可靠性

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、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(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、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。

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