浅谈：建筑幕墙可靠性设计原理与实践（中）

提要：上篇简述了幕墙可靠性概念和原理，使读者理解幕墙可靠性的内涵和外延。浅谈：建筑幕墙可靠性设计原理与实践(上)，中篇是可靠性分析基础篇，从工程上可靠性的相关概念开始，对质保期、使用寿命、可靠性特点，盆浴曲线等在工程中的应用进行阐述，着重对可靠性模型的分类和应用进行案例讲解，为幕墙工程的可靠性设计和应用打下基础。

　　关键词：质保期设计年限 使用年限盆浴曲线 冗余设计 可靠性模型

　　1 前言

　　由上篇所示，对幕墙产品可靠性定义可理解为：建筑幕墙的可靠性是指幕墙面板和支撑结构体系在设计使用年限内和正常设计、施工、使用条件下，达到预期的安全性、适用性和耐久性等建筑物理性能的能力。那么，可靠性和质保期、设计寿命、使用年限有什么内在的联系，以及如何将可靠性进行定性分析，建立模型应用到幕墙工程中，完成从定性到定量的转变，这是本文所探讨的主要内容。

　　2 可靠性相关概念

　　2.1 可用性和持久性

　　可靠性包括可用性和持久性两个层次，可用性available可以理解为设计寿命，而持久性durable可以理解为使用寿命。

上表可知，可靠性是指幕墙在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。维修性是指在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法维修时，保持或恢复到规定功能的能力。

　　可靠性设计的目的之一就是在达到规范要求的持久性下尽最大可能延长可用性。进一步解释这句话，就是使设计年限的时间长度趋向使用年限，使我们能正常使用的时间尽量延长。

　　2.2 可靠性与质量

　　产品的质量是需要管理的。幕墙“满意性质量”，即以顾客为关注焦点的质量。顾客满意的质量，也就是ISO 9000所定义的“一组固有特性满足要求的程度”。固有的是指产品本来就有的，尤其是那些永久性的特性。

　　幕墙本身就有的固有特性首先包含业主十分关心的幕墙性能、功能特性，例如200mm防火岩棉就比100mm厚的防火岩棉时效要长，固有特性也应包含业主同样也十分关心的可靠性、维修性、和安全性。此外，还应包括产品的经济性和美观、舒适性等。从这个意义上讲，可靠性、维修性等特性肯定是质量特性中的若干重要的特性，产品的质量本身也应包含可靠性、维修性等特性。

　　2.3 可靠性与安全

　　安全性和可靠性都是固有的质量特性，两者既有联系，又有区别。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性关注的是产品不失效或不发生故障，安全性关注的是产品不发生意外事故，而不关注产品功能是否完成。可靠性考虑的是所有可能发生的故障或失效，安全性考虑的是所有可能威胁安全的危险源和各种激发因素[1]。

　　一般情况下，可靠的产品是安全的。因为很多安全问题都是由于产品不可靠造成的，例如，钢化玻璃自爆坠落伤人。但也不能说，产品可靠就没有安全问题。例如，玻璃地板固然美观，一旦有水，人就很容易摔伤，说明玻璃是可靠的，但是有安全问题。同时也不能说，不可靠的产品就一定不安全，例如，钢化玻璃自爆，但是有雨篷阻挡，也没有发生伤人事件。

　　在某些特殊的情况下，可靠性与安全性是互相矛盾的。例如，为了保证消防员快速进入室内救人，消防救援窗采用了单片浮法玻璃，使室内逃生人员的安全性大大提高，但是玻璃的基本可靠性却降低了。

　　总的来说，安全性与可靠性既有十分密切的关系，又有明显的区别。应该根据实际情况和需要，具体问题具体分析，但是产品是否可靠对安全是有很大影响的。

　　2.4 可靠性设计特点

　　设计一个具有规定可靠性水平的幕墙工程，内容应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、试验、安装、运维等整个过程和各个方面。

　　幕墙可靠性工程包含了可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等.从产品的设计到产品退役的整个寿命周期，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。

　　幕墙传统的建筑物理性能是有确定性，可重复验证，真值可测可见，可应用传统的科学知识求得的。而可靠性与传统的幕墙物理性能不同的是，它是不确定的和随机的，同时出现的情况也不可重复，真值无法预测和不可直观看见，只能以传统的科学知识可探索和推导它的不确定性。

　　2.5 产品的盆浴曲线

上表可知，可靠性是指幕墙在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。维修性是指在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法维修时，保持或恢复到规定功能的能力。

　　可靠性设计的目的之一就是在达到规范要求的持久性下尽最大可能延长可用性。进一步解释这句话，就是使设计年限的时间长度趋向使用年限，使我们能正常使用的时间尽量延长。

　　2.2 可靠性与质量

　　产品的质量是需要管理的。幕墙“满意性质量”，即以顾客为关注焦点的质量。顾客满意的质量，也就是ISO 9000所定义的“一组固有特性满足要求的程度”。固有的是指产品本来就有的，尤其是那些永久性的特性。

　　幕墙本身就有的固有特性首先包含业主十分关心的幕墙性能、功能特性，例如200mm防火岩棉就比100mm厚的防火岩棉时效要长，固有特性也应包含业主同样也十分关心的可靠性、维修性、和安全性。此外，还应包括产品的经济性和美观、舒适性等。从这个意义上讲，可靠性、维修性等特性肯定是质量特性中的若干重要的特性，产品的质量本身也应包含可靠性、维修性等特性。

　　2.3 可靠性与安全

　　安全性和可靠性都是固有的质量特性，两者既有联系，又有区别。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性关注的是产品不失效或不发生故障，安全性关注的是产品不发生意外事故，而不关注产品功能是否完成。可靠性考虑的是所有可能发生的故障或失效，安全性考虑的是所有可能威胁安全的危险源和各种激发因素[1]。

　　一般情况下，可靠的产品是安全的。因为很多安全问题都是由于产品不可靠造成的，例如，钢化玻璃自爆坠落伤人。但也不能说，产品可靠就没有安全问题。例如，玻璃地板固然美观，一旦有水，人就很容易摔伤，说明玻璃是可靠的，但是有安全问题。同时也不能说，不可靠的产品就一定不安全，例如，钢化玻璃自爆，但是有雨篷阻挡，也没有发生伤人事件。

　　在某些特殊的情况下，可靠性与安全性是互相矛盾的。例如，为了保证消防员快速进入室内救人，消防救援窗采用了单片浮法玻璃，使室内逃生人员的安全性大大提高，但是玻璃的基本可靠性却降低了。

　　总的来说，安全性与可靠性既有十分密切的关系，又有明显的区别。应该根据实际情况和需要，具体问题具体分析，但是产品是否可靠对安全是有很大影响的。

　　2.4 可靠性设计特点

　　设计一个具有规定可靠性水平的幕墙工程，内容应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、试验、安装、运维等整个过程和各个方面。

　　幕墙可靠性工程包含了可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等.从产品的设计到产品退役的整个寿命周期，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。

　　幕墙传统的建筑物理性能是有确定性，可重复验证，真值可测可见，可应用传统的科学知识求得的。而可靠性与传统的幕墙物理性能不同的是，它是不确定的和随机的，同时出现的情况也不可重复，真值无法预测和不可直观看见，只能以传统的科学知识可探索和推导它的不确定性。

2.5 产品的盆浴曲线  

阶段Ⅰ：初期故障期，设计、制造、装配缺陷。

　　在幕墙投入使用的初期，产品的故障率较高，且具有迅速下降的特征。这一阶段的故障主要是设计与制造中的缺陷，如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等，幕墙投入使用后很容易较快地暴露出来。可以通过加强质量管理及采用专项可靠性试验等方法来减少甚至消除早期故障。初期故障主要发生在质保期内。

　　阶段Ⅱ：偶发故障期，h(t)故障率近似为常数，寿命服从指数分布。

　　在幕墙投入使用一段时间后，故障率会降到一个较低的水平，且基本处于平稳稳定状态，可以近似认为故障率为常数，在这个时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墙的设计年限。

　　阶段Ⅲ：磨损故障期，老化、疲劳、磨损。

　　在幕墙经过使用年限中后期，就会进入耗损故障期，其特点是故障率随时间迅速上升，很快出现产品故障大量增加直至最后报废。这一阶段故障主要是由老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起的。

　　可靠性工作是为了改变这条三段式的浴盆曲线，即尽量减少并消除早期故障，尽量延长偶然故障期并尽量降低偶然故障率，同时通过完善预防性维修，尽量延缓故障率的增加，把浴盆曲线图2.1中的曲线一改造成一条近似直线形状且故障率尽量低的理想曲线二。可靠性工程的所有方法都是围绕改造浴盆曲线进行的。

　　对幕墙来讲可靠性研究的目的，消除并降低早期故障率----减少设计与材料自身、加工、安装中缺陷;四性试验、埋件锚栓极限拉拔、抗震、热循环、耐撞击等荷载、温度、盐雾极限测试;延长偶然故障期并降低偶然故障率----预防(可靠性分析)完善和维修;与时间相关的交变荷载、温度、盐雾、湿度的鉴定、验收、寿命等可靠性统计测试;延后耗损故障期----收集数据、分析出失效模型，研究及改造后期曲线为平直线，降低规定的故障率，延长使用年限。

　　3 可靠性模型

　　3.1 建立可靠性模型的目的

　　明确各单元的可靠性逻辑关系及其数学模型。利用模型进行可靠性分配和预计，发现设计中的薄弱环节，以改进设计。对不同的方案进行比较，为设计决策提供依据。

　　3.2 可靠性建模的一般程序

　　包括明确对象的定义、绘制可靠性框图、建立可靠性数学模型等步骤。明确幕墙功能定义：即明确幕墙及其系统的构成、功能、接口、失效判据等。功能框图是在对幕墙构造各层次功能进行静态分组的基础上，描述系统的功能和各子功能之间的相互关系，以及系统的数据(信息)流程。对于各功能间有时序关系的幕墙设计施工验收等阶段，一般采用功能流程图的形式。功能流程图是动态的，可以描述系统各功能之间的时序相关性。功能框图或功能流程图是绘制可靠性框图的基础。

　　3.3 绘制可靠性框图

　　可靠性框图是以图的形式逻辑地描述产品正常工作的情况。可靠性框图应描述幕墙完成特定功能时的所有单元功能组之间的相互关系，绘制可靠性框图需要充分了解幕墙系统的阶段功能定义和寿命剖面。建立可靠性框图的基础是幕墙系统的原理图和功能框图。

　　在最终的可靠性框图中，通常一个方框只对应一个功能单元;所有方框均应按要求以串联、并联、旁联或其它组合形式连接;每一方框都应进行标志。如：图3.1 可靠性框图

　　3.4 建立可靠性数学模型

　　可靠性数学模型用于表达可靠性框图中各方框的可靠性与系统可靠性之间的函数关系。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联模型、并联模型、表决模型和旁联模型。这些模型又可以划分为工作贮备模型、非工作贮备模型和非贮备模型三类。如图3.2 常用的系统可靠性模型

　可见，系统的可靠度是各单元可靠度的乘积，单元越多，产品越复杂，其可靠度越低。为提高串联系统的可靠度，可考虑：尽可能减少串联构件单元数量，即简化在力的传导路径上构件的数量;提高构件单元的可靠度。

　　串联系统的特点是：系统的可靠度小于任何一个组成单元的可靠度。若产品由10 个单元组成，每个单元的可靠度均为0.9,则产品的可靠度不到0.35。由此可以看出，简化设计是提高系统可靠性的最重要途径。

　　如下图3.4所示全玻璃幕墙的串联模型：

其中j面玻璃k硅酮结构胶l肋玻璃m上下端锚固构造。可以看出，任何一个构件失灵都会导致整个体系破坏。典型的串联系统。此时的数学模型为：Rs=R1*R2*R3*R4

　　这里有一点要说明的是工程中常见付计算冗余度问题，相关材料的强度指标，通过计算吃掉安全余量的方法来降低建造成本，需要谨慎考虑。串联型简化模型，不考虑分项权重、材料制造公差、施工误差等因素。以占材料为95%强度，每个单元假定99%的可靠度指标，系统可靠度0.994=0.96，3%下降率;以占材料为99%强度，材料利用率增加，可靠度指标下降假定为95%，则系统可靠度0.954=0.81，18%下降率。可见材料冗余设计的重要性。

　　3.5.2 并联模型

　　组成产品的所有构件单元都发生故障时，系统才发生故障的模型称为并联模型，也称冗余模型。并联模型是最简单的工作贮备模型。并联模型的可靠性框图如图3.5所示。

　并联模型的数学模型为：RS(t)=1-∏(1-Ri(t))式3-2

　　式中，RS(t)为系统t时刻的可靠度;Ri为第i个单元t时刻的可靠度。

　　当系统各单元的寿命分布为指数分布时，其并联单元数与系统可靠度的关系如下图3.6所示。

对于N个相同单元的并联系统，尤其是N≤2时，可靠度的提高更显著。当并联单元过多时，可靠度提高的速度大为减慢。

　　并联系统的特点是：系统的可靠度大于任何一个构件单元的可靠度。因此，为了提高产品的可靠性，可以采用冗余技术，但采用冗余设计，必然会增加成本、体积或重量，它提高的是整体系统可靠性，而基本构件可靠性可能会降低，因此，需要权衡利弊。一般只在影响重点安全和关键目标的情况下才考虑应用。

　　如下图3.7所示横梁抵抗水平风荷载的并联模型：

　　图中j面玻璃k明框压板l硅酮结构胶。可以看到，只有压板和结构胶都失效后，抗风措施才完全失去功能。现实的情况往往比这复杂得多，例如串并联组合而成的混联系统。此时的数学模型为：Rs=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-R3)

　　3.5.3 旁联模型

　　旁联模型。组成系统的各个构件单元只有一个构件单元工作，当工作构件故障时，通过力的转换装置转接到另一个构件继续工作，直到所有构件都发生失效时系统才发生故障，称为非工作贮备模型，又称旁联模型。旁联模型用于任务可靠性建模。旁联模型的可靠性框图如图3.7所示。

　　旁联模型的优点是能大大提高系统的可靠度。但由于增加了代替构件提高了系统的复杂度和成本;同时要求转换替代构件的可靠度非常高，否则贮备模型带来的优势会被严重削弱。如图3.8断热型材加钉的抗风水平荷载的使用。

　　图中1机制螺钉k断热型材，可以看出，在机制螺钉失效后，断热型材还能传递水平荷载，两者都失效的情况下，传力路径才会阻断。

　　3.5.4 表决模型

　　 N个构件单元及传力路径设计组成的表决系统，当表决器正常时，正常工作的构件数不小于r个时（l<r<n)< span="">，系统不会发生失效，这样的系统模型是r/n(G)模型，它是工作贮备模型的一种形式。r/n(G)表决模型用于性能（任务）可靠性建模。r/n(G)模型的可靠性框图如图3.9所示。</r<n)<>

　　在r/n(G)模型中，当n必须为奇数(令为2k+1)，且正常单元数必须大于n/2(不小于k+1)时系统才正常，这样的系统称为多数表决模型。多数表决模型是r/n(G)系统的一种特例。例如三中取二系统是常用的多数表决模型，其可靠性框图如下图3.10所示2/3(G)表决型框图。

　　另若表决器的可靠度为1：当r=1时，1/n(G)即为并联系统，当r=n时，n/n(G)即为串联系统：表决系统的可靠性比并联系统小，比串联系统大。

　　例如幕墙开启构造的表决系统如图3.11所示。

　　图中，①窗扇玻璃②窗扇型材③玻璃窗扇结构胶④外压板⑤支撑铰链⑥多点锁⑦窗框型材⑧主立柱。从传力角度上看可形成几种表决形式：如4/8(G)

　　(1) 明框形式：①+④+②+⑥+⑦+⑧

　　(2) 隐框形式：①+③+②+⑥+⑦+⑧

　　(3) 开启状态一：①+④+②+⑤+⑦+⑧

　　(4) 开启状态二：①+③+②+⑤+⑦+⑧

　　3.6 可靠性建模特点

　　可靠性模型的建立在幕墙初步设计阶段就应进行，设计推进的过程中可靠性框图应不断修改完善。在建立基本可靠性模型时，要包幕墙系统的所有组成单元。当单元工作在多个工况时，应该采用可靠度最低的数据进行分析。不同的功能剖面应该分别建立各自的任务可靠性模型，模型中应该包括在该功能剖面中工作的所有单元。

　　当提高单元的可靠性所花的费用高于使用冗余模型的费用时，则应采用冗余模型。对于简单并联模型来说，n = 2时，可靠度的提高最显著。采用并联模型可以提高幕墙整体的功能可靠性，但也会降低幕墙系统的基本可靠性，同时增加幕墙的重量、体积、成本及设计时间。必须进行综合权衡。

                                                 2021.5.26

2021-5-26 21:50:09     浏览人次: 1561