滁州市鴻泰陽(yáng)光裝飾工程有限公司
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淺談：建筑幕墻可靠性設計原理與實(shí)踐（中）
提要：上篇簡(jiǎn)述了幕墻可靠性概念和原理，使讀者理解幕墻可靠性的內涵和外延。淺談：建筑幕墻可靠性設計原理與實(shí)踐(上)，中篇是可靠性分析基礎篇，從工程上可靠性的相關(guān)概念開(kāi)始，對質(zhì)保期、使用壽命、可靠性特點(diǎn)，盆浴曲線(xiàn)等在工程中的應用進(jìn)行闡述，著(zhù)重對可靠性模型的分類(lèi)和應用進(jìn)行案例講解，為幕墻工程的可靠性設計和應用打下基礎。
關(guān)鍵詞：質(zhì)保期設計年限 使用年限盆浴曲線(xiàn) 冗余設計 可靠性模型
1 前言
由上篇所示，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構體系在設計使用年限內和正常設計、施工、使用條件下，達到預期的安全性、適用性和耐久性等建筑物理性能的能力。那么，可靠性和質(zhì)保期、設計壽命、使用年限有什么內在的聯(lián)系，以及如何將可靠性進(jìn)行定性分析，建立模型應用到幕墻工程中，完成從定性到定量的轉變，這是本文所探討的主要內容。
2 可靠性相關(guān)概念
2.1 可用性和持久性
可靠性包括可用性和持久性?xún)蓚�(gè)層次，可用性available可以理解為設計壽命，而持久性durable可以理解為使用壽命。
上表可知，可靠性是指幕墻在規定條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的能力。維修性是指在規定條件下和規定時(shí)間內，按規定的程序和方法維修時(shí)，保持或恢復到規定功能的能力。
可靠性設計的目的之一就是在達到規范要求的持久性下盡最大可能延長(cháng)可用性。進(jìn)一步解釋這句話(huà)，就是使設計年限的時(shí)間長(cháng)度趨向使用年限，使我們能正常使用的時(shí)間盡量延長(cháng)。
2.2 可靠性與質(zhì)量
產(chǎn)品的質(zhì)量是需要管理的。幕墻“滿(mǎn)意性質(zhì)量”，即以顧客為關(guān)注焦點(diǎn)的質(zhì)量。顧客滿(mǎn)意的質(zhì)量，也就是ISO 9000所定義的“一組固有特性滿(mǎn)足要求的程度”。固有的是指產(chǎn)品本來(lái)就有的，尤其是那些永久性的特性。
幕墻本身就有的固有特性首先包含業(yè)主十分關(guān)心的幕墻性能、功能特性，例如200mm防火巖棉就比100mm厚的防火巖棉時(shí)效要長(cháng)，固有特性也應包含業(yè)主同樣也十分關(guān)心的可靠性、維修性、和安全性。此外，還應包括產(chǎn)品的經(jīng)濟性和美觀(guān)、舒適性等。從這個(gè)意義上講，可靠性、維修性等特性肯定是質(zhì)量特性中的若干重要的特性，產(chǎn)品的質(zhì)量本身也應包含可靠性、維修性等特性。
2.3 可靠性與安全
安全性和可靠性都是固有的質(zhì)量特性，兩者既有聯(lián)系，又有區別�？煽啃允钱a(chǎn)品在規定條件下和規定時(shí)間內完成規定功能的能力�？煽啃躁P(guān)注的是產(chǎn)品不失效或不發(fā)生故障，安全性關(guān)注的是產(chǎn)品不發(fā)生意外事故，而不關(guān)注產(chǎn)品功能是否完成�？煽啃钥紤]的是所有可能發(fā)生的故障或失效，安全性考慮的是所有可能威脅安全的危險源和各種激發(fā)因素[1]。
一般情況下，可靠的產(chǎn)品是安全的。因為很多安全問(wèn)題都是由于產(chǎn)品不可靠造成的，例如，鋼化玻璃自爆墜落傷人。但也不能說(shuō)，產(chǎn)品可靠就沒(méi)有安全問(wèn)題。例如，玻璃地板固然美觀(guān)，一旦有水，人就很容易摔傷，說(shuō)明玻璃是可靠的，但是有安全問(wèn)題。同時(shí)也不能說(shuō)，不可靠的產(chǎn)品就一定不安全，例如，鋼化玻璃自爆，但是有雨篷阻擋，也沒(méi)有發(fā)生傷人事件。
在某些特殊的情況下，可靠性與安全性是互相矛盾的。例如，為了保證消防員快速進(jìn)入室內救人，消防救援窗采用了單片浮法玻璃，使室內逃生人員的安全性大大提高，但是玻璃的基本可靠性卻降低了。
總的來(lái)說(shuō)，安全性與可靠性既有十分密切的關(guān)系，又有明顯的區別。應該根據實(shí)際情況和需要，具體問(wèn)題具體分析，但是產(chǎn)品是否可靠對安全是有很大影響的。
2.4 可靠性設計特點(diǎn)
設計一個(gè)具有規定可靠性水平的幕墻工程，內容應當貫穿于產(chǎn)品的預研、分析、設計、制造、試驗、安裝、運維等整個(gè)過(guò)程和各個(gè)方面。
幕墻可靠性工程包含了可靠性分析、預測與評估、可靠性設計、可靠性管理、可靠性生產(chǎn)、可靠性維修、可靠性試驗、可靠性數據的收集處理和交換等.從產(chǎn)品的設計到產(chǎn)品退役的整個(gè)壽命周期，每一步驟都可包含于可靠性工程之中。
幕墻傳統的建筑物理性能是有確定性，可重復驗證，真值可測可見(jiàn)，可應用傳統的科學(xué)知識求得的。而可靠性與傳統的幕墻物理性能不同的是，它是不確定的和隨機的，同時(shí)出現的情況也不可重復，真值無(wú)法預測和不可直觀(guān)看見(jiàn)，只能以傳統的科學(xué)知識可探索和推導它的不確定性。
2.5 產(chǎn)品的盆浴曲線(xiàn)
上表可知，可靠性是指幕墻在規定條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的能力。維修性是指在規定條件下和規定時(shí)間內，按規定的程序和方法維修時(shí)，保持或恢復到規定功能的能力。
可靠性設計的目的之一就是在達到規范要求的持久性下盡最大可能延長(cháng)可用性。進(jìn)一步解釋這句話(huà)，就是使設計年限的時(shí)間長(cháng)度趨向使用年限，使我們能正常使用的時(shí)間盡量延長(cháng)。
2.2 可靠性與質(zhì)量
產(chǎn)品的質(zhì)量是需要管理的。幕墻“滿(mǎn)意性質(zhì)量”，即以顧客為關(guān)注焦點(diǎn)的質(zhì)量。顧客滿(mǎn)意的質(zhì)量，也就是ISO 9000所定義的“一組固有特性滿(mǎn)足要求的程度”。固有的是指產(chǎn)品本來(lái)就有的，尤其是那些永久性的特性。
幕墻本身就有的固有特性首先包含業(yè)主十分關(guān)心的幕墻性能、功能特性，例如200mm防火巖棉就比100mm厚的防火巖棉時(shí)效要長(cháng)，固有特性也應包含業(yè)主同樣也十分關(guān)心的可靠性、維修性、和安全性。此外，還應包括產(chǎn)品的經(jīng)濟性和美觀(guān)、舒適性等。從這個(gè)意義上講，可靠性、維修性等特性肯定是質(zhì)量特性中的若干重要的特性，產(chǎn)品的質(zhì)量本身也應包含可靠性、維修性等特性。
2.3 可靠性與安全
安全性和可靠性都是固有的質(zhì)量特性，兩者既有聯(lián)系，又有區別�？煽啃允钱a(chǎn)品在規定條件下和規定時(shí)間內完成規定功能的能力�？煽啃躁P(guān)注的是產(chǎn)品不失效或不發(fā)生故障，安全性關(guān)注的是產(chǎn)品不發(fā)生意外事故，而不關(guān)注產(chǎn)品功能是否完成�？煽啃钥紤]的是所有可能發(fā)生的故障或失效，安全性考慮的是所有可能威脅安全的危險源和各種激發(fā)因素[1]。
一般情況下，可靠的產(chǎn)品是安全的。因為很多安全問(wèn)題都是由于產(chǎn)品不可靠造成的，例如，鋼化玻璃自爆墜落傷人。但也不能說(shuō)，產(chǎn)品可靠就沒(méi)有安全問(wèn)題。例如，玻璃地板固然美觀(guān)，一旦有水，人就很容易摔傷，說(shuō)明玻璃是可靠的，但是有安全問(wèn)題。同時(shí)也不能說(shuō)，不可靠的產(chǎn)品就一定不安全，例如，鋼化玻璃自爆，但是有雨篷阻擋，也沒(méi)有發(fā)生傷人事件。
在某些特殊的情況下，可靠性與安全性是互相矛盾的。例如，為了保證消防員快速進(jìn)入室內救人，消防救援窗采用了單片浮法玻璃，使室內逃生人員的安全性大大提高，但是玻璃的基本可靠性卻降低了。
總的來(lái)說(shuō)，安全性與可靠性既有十分密切的關(guān)系，又有明顯的區別。應該根據實(shí)際情況和需要，具體問(wèn)題具體分析，但是產(chǎn)品是否可靠對安全是有很大影響的。
2.4 可靠性設計特點(diǎn)
設計一個(gè)具有規定可靠性水平的幕墻工程，內容應當貫穿于產(chǎn)品的預研、分析、設計、制造、試驗、安裝、運維等整個(gè)過(guò)程和各個(gè)方面。
幕墻可靠性工程包含了可靠性分析、預測與評估、可靠性設計、可靠性管理、可靠性生產(chǎn)、可靠性維修、可靠性試驗、可靠性數據的收集處理和交換等.從產(chǎn)品的設計到產(chǎn)品退役的整個(gè)壽命周期，每一步驟都可包含于可靠性工程之中。
幕墻傳統的建筑物理性能是有確定性，可重復驗證，真值可測可見(jiàn)，可應用傳統的科學(xué)知識求得的。而可靠性與傳統的幕墻物理性能不同的是，它是不確定的和隨機的，同時(shí)出現的情況也不可重復，真值無(wú)法預測和不可直觀(guān)看見(jiàn)，只能以傳統的科學(xué)知識可探索和推導它的不確定性。
2.5 產(chǎn)品的盆浴曲線(xiàn)
階段Ⅰ：初期故障期，設計、制造、裝配缺陷。在幕墻投入使用的初期，產(chǎn)品的故障率較高，且具有迅速下降的特征。這一階段的故障主要是設計與制造中的缺陷，如設計不當、材料缺陷、加工缺陷、安裝調整不當等，幕墻投入使用后很容易較快地暴露出來(lái)�？梢酝ㄟ^(guò)加強質(zhì)量管理及采用專(zhuān)項可靠性試驗等方法來(lái)減少甚至消除早期故障。初期故障主要發(fā)生在質(zhì)保期內。
階段Ⅱ：偶發(fā)故障期，h(t)故障率近似為常數，壽命服從指數分布。
在幕墻投入使用一段時(shí)間后，故障率會(huì )降到一個(gè)較低的水平，且基本處于平穩穩定狀態(tài)，可以近似認為故障率為常數，在這個(gè)時(shí)期的故障主要是由偶然因素引起的，偶然故障期是主要指幕墻的設計年限。
階段Ⅲ：磨損故障期，老化、疲勞、磨損。
在幕墻經(jīng)過(guò)使用年限中后期，就會(huì )進(jìn)入耗損故障期，其特點(diǎn)是故障率隨時(shí)間迅速上升，很快出現產(chǎn)品故障大量增加直至最后報廢。這一階段故障主要是由老化、疲勞、磨損、腐蝕等耗損性因素引起的。
可靠性工作是為了改變這條三段式的浴盆曲線(xiàn)，即盡量減少并消除早期故障，盡量延長(cháng)偶然故障期并盡量降低偶然故障率，同時(shí)通過(guò)完善預防性維修，盡量延緩故障率的增加，把浴盆曲線(xiàn)圖2.1中的曲線(xiàn)一改造成一條近似直線(xiàn)形狀且故障率盡量低的理想曲線(xiàn)二�？煽啃怨こ痰乃蟹椒ǘ际菄@改造浴盆曲線(xiàn)進(jìn)行的。
對幕墻來(lái)講可靠性研究的目的，消除并降低早期故障率----減少設計與材料自身、加工、安裝中缺陷;四性試驗、埋件錨栓極限拉拔、抗震、熱循環(huán)、耐撞擊等荷載、溫度、鹽霧極限測試;延長(cháng)偶然故障期并降低偶然故障率----預防(可靠性分析)完善和維修;與時(shí)間相關(guān)的交變荷載、溫度、鹽霧、濕度的鑒定、驗收、壽命等可靠性統計測試;延后耗損故障期----收集數據、分析出失效模型，研究及改造后期曲線(xiàn)為平直線(xiàn)，降低規定的故障率，延長(cháng)使用年限。
3 可靠性模型
3.1 建立可靠性模型的目的
明確各單元的可靠性邏輯關(guān)系及其數學(xué)模型。利用模型進(jìn)行可靠性分配和預計，發(fā)現設計中的薄弱環(huán)節，以改進(jìn)設計。對不同的方案進(jìn)行比較，為設計決策提供依據。
3.2 可靠性建模的一般程序
包括明確對象的定義、繪制可靠性框圖、建立可靠性數學(xué)模型等步驟。明確幕墻功能定義：即明確幕墻及其系統的構成、功能、接口、失效判據等。功能框圖是在對幕墻構造各層次功能進(jìn)行靜態(tài)分組的基礎上，描述系統的功能和各子功能之間的相互關(guān)系，以及系統的數據(信息)流程。對于各功能間有時(shí)序關(guān)系的幕墻設計施工驗收等階段，一般采用功能流程圖的形式。功能流程圖是動(dòng)態(tài)的，可以描述系統各功能之間的時(shí)序相關(guān)性。功能框圖或功能流程圖是繪制可靠性框圖的基礎。
3.3 繪制可靠性框圖
可靠性框圖是以圖的形式邏輯地描述產(chǎn)品正常工作的情況�？煽啃钥驁D應描述幕墻完成特定功能時(shí)的所有單元功能組之間的相互關(guān)系，繪制可靠性框圖需要充分了解幕墻系統的階段功能定義和壽命剖面。建立可靠性框圖的基礎是幕墻系統的原理圖和功能框圖。
在最終的可靠性框圖中，通常一個(gè)方框只對應一個(gè)功能單元;所有方框均應按要求以串聯(lián)、并聯(lián)、旁聯(lián)或其它組合形式連接;每一方框都應進(jìn)行標志。如：圖3.1 可靠性框圖
3.4 建立可靠性數學(xué)模型
可靠性數學(xué)模型用于表達可靠性框圖中各方框的可靠性與系統可靠性之間的函數關(guān)系。如：RS(t)=R1*R2*R3* ……*R8
3.5 常用的可靠性模型
常用的可靠性模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、表決模型和旁聯(lián)模型。這些模型又可以劃分為工作貯備模型、非工作貯備模型和非貯備模型三類(lèi)。如圖3.2 常用的系統可靠性模型
可見(jiàn)，系統的可靠度是各單元可靠度的乘積，單元越多，產(chǎn)品越復雜，其可靠度越低。為提高串聯(lián)系統的可靠度，可考慮：盡可能減少串聯(lián)構件單元數量，即簡(jiǎn)化在力的傳導路徑上構件的數量;提高構件單元的可靠度。
串聯(lián)系統的特點(diǎn)是：系統的可靠度小于任何一個(gè)組成單元的可靠度。若產(chǎn)品由10 個(gè)單元組成，每個(gè)單元的可靠度均為0.9,則產(chǎn)品的可靠度不到0.35。由此可以看出，簡(jiǎn)化設計是提高系統可靠性的最重要途徑。
如下圖3.4所示全玻璃幕墻的串聯(lián)模型：
其中j面玻璃k硅酮結構膠l肋玻璃m上下端錨固構造�？梢钥闯�，任何一個(gè)構件失靈都會(huì )導致整個(gè)體系破壞。典型的串聯(lián)系統。此時(shí)的數學(xué)模型為：Rs=R1*R2*R3*R4這里有一點(diǎn)要說(shuō)明的是工程中常見(jiàn)付計算冗余度問(wèn)題，相關(guān)材料的強度指標，通過(guò)計算吃掉安全余量的方法來(lái)降低建造成本，需要謹慎考慮。串聯(lián)型簡(jiǎn)化模型，不考慮分項權重、材料制造公差、施工誤差等因素。以占材料為95%強度，每個(gè)單元假定99%的可靠度指標，系統可靠度0.994=0.96，3%下降率;以占材料為99%強度，材料利用率增加，可靠度指標下降假定為95%，則系統可靠度0.954=0.81，18%下降率�？梢�(jiàn)材料冗余設計的重要性。
3.5.2 并聯(lián)模型
組成產(chǎn)品的所有構件單元都發(fā)生故障時(shí)，系統才發(fā)生故障的模型稱(chēng)為并聯(lián)模型，也稱(chēng)冗余模型。并聯(lián)模型是最簡(jiǎn)單的工作貯備模型。并聯(lián)模型的可靠性框圖如圖3.5所示。
并聯(lián)模型的數學(xué)模型為：RS(t)=1-∏(1-Ri(t))式3-2
式中，RS(t)為系統t時(shí)刻的可靠度;Ri為第i個(gè)單元t時(shí)刻的可靠度。
當系統各單元的壽命分布為指數分布時(shí)，其并聯(lián)單元數與系統可靠度的關(guān)系如下圖3.6所示。
對于N個(gè)相同單元的并聯(lián)系統，尤其是N≤2時(shí)，可靠度的提高更顯著(zhù)。當并聯(lián)單元過(guò)多時(shí)，可靠度提高的速度大為減慢。并聯(lián)系統的特點(diǎn)是：系統的可靠度大于任何一個(gè)構件單元的可靠度。因此，為了提高產(chǎn)品的可靠性，可以采用冗余技術(shù)，但采用冗余設計，必然會(huì )增加成本、體積或重量，它提高的是整體系統可靠性，而基本構件可靠性可能會(huì )降低，因此，需要權衡利弊。一般只在影響重點(diǎn)安全和關(guān)鍵目標的情況下才考慮應用。
如下圖3.7所示橫梁抵抗水平風(fēng)荷載的并聯(lián)模型：
圖中j面玻璃k明框壓板l硅酮結構膠�？梢钥吹�，只有壓板和結構膠都失效后，抗風(fēng)措施才完全失去功能�，F實(shí)的情況往往比這復雜得多，例如串并聯(lián)組合而成的混聯(lián)系統。此時(shí)的數學(xué)模型為：Rs=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-R3)
3.5.3 旁聯(lián)模型
旁聯(lián)模型。組成系統的各個(gè)構件單元只有一個(gè)構件單元工作，當工作構件故障時(shí)，通過(guò)力的轉換裝置轉接到另一個(gè)構件繼續工作，直到所有構件都發(fā)生失效時(shí)系統才發(fā)生故障，稱(chēng)為非工作貯備模型，又稱(chēng)旁聯(lián)模型。旁聯(lián)模型用于任務(wù)可靠性建模。旁聯(lián)模型的可靠性框圖如圖3.7所示。
旁聯(lián)模型的優(yōu)點(diǎn)是能大大提高系統的可靠度。但由于增加了代替構件提高了系統的復雜度和成本;同時(shí)要求轉換替代構件的可靠度非常高，否則貯備模型帶來(lái)的優(yōu)勢會(huì )被嚴重削弱。如圖3.8斷熱型材加釘的抗風(fēng)水平荷載的使用。
圖中1機制螺釘k斷熱型材，可以看出，在機制螺釘失效后，斷熱型材還能傳遞水平荷載，兩者都失效的情況下，傳力路徑才會(huì )阻斷。
3.5.4 表決模型
N個(gè)構件單元及傳力路徑設計組成的表決系統，當表決器正常時(shí)，正常工作的構件數不小于r個(gè)時(shí)（l<r<n)< span="">，系統不會(huì )發(fā)生失效，這樣的系統模型是r/n(G)模型，它是工作貯備模型的一種形式。r/n(G)表決模型用于性能（任務(wù)）可靠性建模。r/n(G)模型的可靠性框圖如圖3.9所示。</r<n)<>
在r/n(G)模型中，當n必須為奇數(令為2k+1)，且正常單元數必須大于n/2(不小于k+1)時(shí)系統才正常，這樣的系統稱(chēng)為多數表決模型。多數表決模型是r/n(G)系統的一種特例。例如三中取二系統是常用的多數表決模型，其可靠性框圖如下圖3.10所示2/3(G)表決型框圖。
另若表決器的可靠度為1：當r=1時(shí)，1/n(G)即為并聯(lián)系統，當r=n時(shí)，n/n(G)即為串聯(lián)系統：表決系統的可靠性比并聯(lián)系統小，比串聯(lián)系統大。
例如幕墻開(kāi)啟構造的表決系統如圖3.11所示。
圖中，①窗扇玻璃②窗扇型材③玻璃窗扇結構膠④外壓板⑤支撐鉸鏈⑥多點(diǎn)鎖⑦窗框型材⑧主立柱。從傳力角度上看可形成幾種表決形式：如4/8(G)
(1) 明框形式：①+④+②+⑥+⑦+⑧
(2) 隱框形式：①+③+②+⑥+⑦+⑧
(3) 開(kāi)啟狀態(tài)一：①+④+②+⑤+⑦+⑧
(4) 開(kāi)啟狀態(tài)二：①+③+②+⑤+⑦+⑧
3.6 可靠性建模特點(diǎn)
可靠性模型的建立在幕墻初步設計階段就應進(jìn)行，設計推進(jìn)的過(guò)程中可靠性框圖應不斷修改完善。在建立基本可靠性模型時(shí)，要包幕墻系統的所有組成單元。當單元工作在多個(gè)工況時(shí)，應該采用可靠度最低的數據進(jìn)行分析。不同的功能剖面應該分別建立各自的任務(wù)可靠性模型，模型中應該包括在該功能剖面中工作的所有單元。
當提高單元的可靠性所花的費用高于使用冗余模型的費用時(shí)，則應采用冗余模型。對于簡(jiǎn)單并聯(lián)模型來(lái)說(shuō)，n = 2時(shí)，可靠度的提高最顯著(zhù)。采用并聯(lián)模型可以提高幕墻整體的功能可靠性，但也會(huì )降低幕墻系統的基本可靠性，同時(shí)增加幕墻的重量、體積、成本及設計時(shí)間。必須進(jìn)行綜合權衡。
2021.5.26
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