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提要：上篇簡述了幕墻可靠性概念和原理，使讀者理解幕墻可靠性的內(nèi)涵和外延。淺談：建筑幕墻可靠性設(shè)計原理與實踐(上)，中篇是可靠性分析基礎(chǔ)篇，從工程上可靠性的相關(guān)概念開始，對質(zhì)保期、使用壽命、可靠性特點，盆浴曲線等在工程中的應(yīng)用進行闡述，著重對可靠性模型的分類和應(yīng)用進行案例講解，為幕墻工程的可靠性設(shè)計和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：質(zhì)保期 設(shè)計年限 使用年限盆浴曲線 冗余設(shè)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（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）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。那么，可靠性和質(zhì)保期、設(shè)計壽命、使用年限有什么內(nèi)在的聯(lián)系，以及如何將可靠性進行定性分析，建立模型應(yīng)用到幕墻工程中，完成從定性到定量的轉(zhuǎn)變，這是本文所探討的主要內(nèi)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兩個層次，可用性available可以理解為設(shè)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(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。維修性是指在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法維修時，保持或恢復(fù)到規(guī)定功能的能力。
可靠性設(shè)計的目的之一就是在達到規(guī)范要求的持久性下盡最大可能延長可用性。進一步解釋這句話，就是使設(shè)計年限的時間長度趨向使用年限，使我們能正常使用的時間盡量延長。
2.2 可靠性與質(zhì)量
產(chǎn)品的質(zhì)量是需要管理的。幕墻“滿意性質(zhì)量”，即以顧客為關(guān)注焦點的質(zhì)量。顧客滿意的質(zhì)量，也就是ISO 9000所定義的“一組固有特性滿足要求的程度”。固有的是指產(chǎn)品本來就有的，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（詞條“巖棉”由行業(yè)大百科提供）就比100mm厚的防火巖棉時效要長，固有特性也應(yīng)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(yīng)包括產(chǎn)品的經(jīng)濟性和美觀、舒適性等。從這個意義上講，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(yīng)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(qū)別�？煽啃允钱a(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�？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，產(chǎn)品可靠就沒有安全問題。例如，玻璃地板固然美觀，一旦有水，人就很容易摔傷，說明玻璃是可靠的，但是有安全問題。同時也不能說，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入室內(nèi)救人，消防救援窗采用了單片浮法玻璃，使室內(nèi)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。
總的來說，安全性與可靠性既有十分密切的關(guān)系，又有明顯的區(qū)別。應(yīng)該根據(jù)實際情況和需要，具體問題具體分析，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(shè)計特點
設(shè)計一個具有規(guī)定可靠性水平的幕墻工程，內(nèi)容應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn)品的預(yù)研、分析、設(shè)計、制造、試驗、安裝、運維等整個過程和各個方面。
幕墻可靠性工程包含了可靠性分析、預(yù)測與評估、可靠性設(shè)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(shù)據(jù)的收集處理和交換等.從產(chǎn)品的設(shè)計到產(chǎn)品退役的整個壽命周期，每一步驟都可包含于可靠性工程之中。
幕墻傳統(tǒng)的建筑物理性能是有確定性，可重復(fù)驗證，真值可測可見，可應(yīng)用傳統(tǒng)的科學(xué)知識求得的。而可靠性與傳統(tǒng)的幕墻物理性能不同的是，它是不確定的和隨機的，同時出現(xiàn)的情況也不可重復(fù)，真值無法預(yù)測和不可直觀看見，只能以傳統(tǒng)的科學(xué)知識可探索和推導(dǎo)它的不確定性。
2.5 產(chǎn)品的盆浴曲線
階段Ⅰ：初期故障期，設(shè)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(shè)計與制造中的缺陷，如設(shè)計不當(dāng)、材料缺陷、加工缺陷、安裝調(diào)整不當(dāng)?shù)龋粔ν度胧褂煤蠛苋菀纵^快地暴露出來�？梢酝ㄟ^加強質(zhì)量管理及采用專項可靠性試驗等方法來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(nèi)。
階段Ⅱ：偶發(fā)故障期，h(t)故障率近似為常數(shù)，壽命服從指數(shù)分布。
在幕墻投入使用一段時間后，故障率會降到一個較低的水平，且基本處于平穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)，可以近似認(rèn)為故障率為常數(shù)，在這個時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(shè)計年限。
階段Ⅲ：磨損故障期，老化、疲勞、磨損。
在幕墻經(jīng)過使用年限中后期，就會進入耗損故障期，其特點是故障率隨時間迅速上升，很快出現(xiàn)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（詞條“腐蝕”由行業(yè)大百科提供）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，即盡量減少并消除早期故障，盡量延長偶然故障期并盡量降低偶然故障率，同時通過完善預(yù)防性維修，盡量延緩故障率的增加，把浴盆曲線圖2.1中的曲線一改造成一條近似直線形狀且故障率盡量低的理想曲線二。可靠性工程的所有方法都是圍繞改造浴盆曲線進行的。
對幕墻來講可靠性研究的目的，消除并降低早期故障率----減少設(shè)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;延長偶然故障期并降低偶然故障率----預(yù)防(可靠性分析)完善和維修;與時間相關(guān)的交變荷載、溫度、鹽霧、濕度的鑒定、驗收、壽命等可靠性統(tǒng)計測試;延后耗損故障期----收集數(shù)據(jù)、分析出失效模型，研究及改造后期曲線為平直線，降低規(guī)定的故障率，延長使用年限。
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(shù)學(xué)模型。利用模型進行可靠性分配和預(yù)計，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，以改進設(shè)計。對不同的方案進行比較，為設(shè)計決策提供依據(jù)。
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(shù)學(xué)模型等步驟。明確幕墻功能定義：即明確幕墻及其系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、接口、失效判據(jù)等。功能框圖是在對幕墻構(gòu)造各層次功能進行靜態(tài)分組的基礎(chǔ)上，描述系統(tǒng)的功能和各子功能之間的相互關(guān)系，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(信息)流程。對于各功能間有時序關(guān)系的幕墻設(shè)計施工驗收等階段，一般采用功能流程圖的形式。功能流程圖是動態(tài)的，可以描述系統(tǒng)各功能之間的時序相關(guān)性。功能框圖或功能流程圖是繪制可靠性框圖的基礎(chǔ)。
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。可靠性框圖應(yīng)描述幕墻完成特定功能時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(tǒng)的階段功能定義和壽命剖面。建立可靠性框圖的基礎(chǔ)是幕墻系統(tǒng)的原理圖和功能框圖。
在最終的可靠性框圖中，通常一個方框只對應(yīng)一個功能單元;所有方框均應(yīng)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(yīng)進行標(biāo)志。如：圖3.1 可靠性框圖
3.4 建立可靠性數(shù)學(xué)模型
可靠性數(shù)學(xué)模型用于表達可靠性框圖中各方框的可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的函數(shù)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。如圖3.2 常用的系統(tǒng)可靠性模型
3.5.1 串聯(lián)模型
組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元發(fā)生故障，均會導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障的模型稱為串聯(lián)模型。串聯(lián)模型既可用于基本可靠性建模，也可用于功能可靠性建模。串聯(lián)模型的可靠性框圖如圖3.3所示。
可見，系統(tǒng)的可靠度是各單元可靠度的乘積，單元越多，產(chǎn)品越復(fù)雜，其可靠度越低。為提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度，可考慮：盡可能減少串聯(lián)構(gòu)件單元數(shù)量，即簡化在力的傳導(dǎo)（詞條“傳導(dǎo)”由行業(yè)大百科提供）路徑上構(gòu)件的數(shù)量;提高構(gòu)件單元的可靠度。
串聯(lián)系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的可靠度小于任何一個組成單元的可靠度。若產(chǎn)品由10 個單元組成，每個單元的可靠度均為0.9,則產(chǎn)品的可靠度不到0.35。由此可以看出，簡化設(shè)計是提高系統(tǒng)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(jié)構(gòu)膠l肋玻璃m上下端錨固構(gòu)造。可以看出，任何一個構(gòu)件失靈都會導(dǎo)致整個體系破壞。典型的串聯(lián)系統(tǒng)。此時的數(shù)學(xué)模型為：Rs=R1*R2*R3*R4
這里有一點要說明的是工程中常見付計算冗余度問題，相關(guān)材料的強度指標(biāo)，通過計算吃掉安全余量的方法來降低建造成本，需要謹(jǐn)慎考慮。串聯(lián)型簡化模型，不考慮分項權(quán)重、材料制造公差、施工誤差等因素。以占材料為95%強度，每個單元假定99%的可靠度指標(biāo)，系統(tǒng)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(biāo)下降假定為95%，則系統(tǒng)可靠度0.954=0.81，18%下降率�？梢姴牧先哂嘣O(shè)計的重要性。
3.5.2 并聯(lián)模型
組成產(chǎn)品的所有構(gòu)件單元都發(fā)生故障時，系統(tǒng)才發(fā)生故障的模型稱為并聯(lián)模型，也稱冗余模型。并聯(lián)模型是最簡單的工作貯備模型。并聯(lián)模型的可靠性框圖如圖3.5所示。
并聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型為：RS(t)=1-∏(1-Ri(t))式3-2
式中，RS(t)為系統(tǒng)t時刻的可靠度;Ri為第i個單元t時刻的可靠度。
當(dāng)系統(tǒng)各單元的壽命分布為指數(shù)分布時，其并聯(lián)單元數(shù)與系統(tǒng)可靠度的關(guān)系如下圖3.6所示。
對于N個相同單元的并聯(lián)系統(tǒng)，尤其是N≤2時，可靠度的提高更顯著。當(dāng)并聯(lián)單元過多時，可靠度提高的速度大為減慢。
并聯(lián)系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的可靠度大于任何一個構(gòu)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(shè)計，必然會增加成本、體積或重量，它提高的是整體系統(tǒng)可靠性，而基本構(gòu)件可靠性可能會降低，因此，需要權(quán)衡利弊。一般只在影響重點安全和關(guān)鍵目標(biāo)的情況下才考慮應(yīng)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（詞條“壓板”由行業(yè)大百科提供）l硅酮結(jié)構(gòu)膠。可以看到，只有壓板和結(jié)構(gòu)膠都失效后，抗風(fēng)措施才完全失去功能�，F(xiàn)實的情況往往比這復(fù)雜得多，例如串并聯(lián)組合而成的混聯(lián)系統(tǒng)。此時的數(shù)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(tǒng)的各個構(gòu)件單元只有一個構(gòu)件單元工作，當(dāng)工作構(gòu)件故障時，通過力的轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)接到另一個構(gòu)件繼續(xù)工作，直到所有構(gòu)件都發(fā)生失效時系統(tǒng)才發(fā)生故障，稱為非工作貯備模型，又稱旁聯(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)點是能大大提高系統(tǒng)的可靠度。但由于增加了代替構(gòu)件提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本;同時要求轉(zhuǎn)換替代構(gòu)件的可靠度非常高，否則貯備模型帶來的優(yōu)勢會被嚴(yán)重削弱。如圖3.8斷熱型材加釘?shù)目癸L(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，傳力路徑才會阻斷。
3.5.4 表決模型
N個構(gòu)件單元及傳力路徑設(shè)計組成的表決系統(tǒng)，當(dāng)表決器正常時，正常工作的構(gòu)件數(shù)不小于r個時（l，系統(tǒng)不會發(fā)生失效，這樣的系統(tǒng)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。
在r/n(G)模型中，當(dāng)n必須為奇數(shù)(令為2k+1)，且正常單元數(shù)必須大于n/2(不小于k+1)時系統(tǒng)才正常，這樣的系統(tǒng)稱為多數(shù)表決模型。多數(shù)表決模型是r/n(G)系統(tǒng)的一種特例。例如三中取二系統(tǒng)是常用的多數(shù)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(dāng)r=1時，1/n(G)即為并聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)r=n時，n/n(G)即為串聯(lián)系統(tǒng)：表決系統(tǒng)的可靠性比并聯(lián)系統(tǒng)小，比串聯(lián)系統(tǒng)大。
例如幕墻開啟構(gòu)造的表決系統(tǒng)如圖3.11所示。
圖中，①窗扇玻璃②窗扇型材③玻璃窗扇結(jié)構(gòu)膠④外壓板⑤支撐鉸鏈⑥多點鎖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) 開啟狀態(tài)一：①+④+②+⑤+⑦+⑧
(4) 開啟狀態(tài)二：①+③+②+⑤+⑦+⑧
3.6 可靠性建模特點
可靠性模型的建立在幕墻初步設(shè)計階段就應(yīng)進行，設(shè)計推進的過程中可靠性框圖應(yīng)不斷修改完善。在建立基本可靠性模型時，要包幕墻系統(tǒng)的所有組成單元。當(dāng)單元工作在多個工況時，應(yīng)該采用可靠度最低的數(shù)據(jù)進行分析。不同的功能剖面應(yīng)該分別建立各自的任務(wù)可靠性模型，模型中應(yīng)該包括在該功能剖面中工作的所有單元。
當(dāng)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，則應(yīng)采用冗余模型。對于簡單并聯(lián)模型來說，n = 2時，可靠度的提高最顯著。采用并聯(lián)模型可以提高幕墻整體的功能可靠性，但也會降低幕墻系統(tǒng)的基本可靠性，同時增加幕墻的重量、體積、成本及設(shè)計時間。必須進行綜合權(quán)衡。
4 小結(jié)
本文針對工程可靠性的相關(guān)概念：質(zhì)保期、設(shè)計年限、使用年限、安全、質(zhì)量和盆浴曲線等進行了梳理，并針對可靠性建模進行了詳細的初步介紹，為后期幕墻工程可靠性設(shè)計與應(yīng)用建立了由定性到定量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
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、工程應(yīng)用的論述，另文詳敘，待續(xù)未完。
參考文獻
[1]《可靠性工程師手冊》，中國人民大學(xué)出版社。李巧良主編。
作者單位：華建集團華東建筑設(shè)計研究總院
