1 前言

我們?cè)谀粔υO(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)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)細(xì)部安全的可靠性理解大相徑庭；幕墻結(jié)構(gòu)評(píng)審時(shí)，專(zhuān)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(lái)的跨專(zhuān)業(yè)問(wèn)題；建筑幕墻使用壽命到期問(wèn)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(wèn)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(lái)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(guó)幕墻工程越來(lái)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(lái)保障的，但首先是被設(shè)計(jì)出來(lái)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(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(wú)法事先準(zhǔn)確斷定未來(lái)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(mǎn)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?chē)承┦挛锝o出明確的定義和確定性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，通常無(wú)法絕對(duì)判定事物屬于何類(lèi)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(wèn)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(méi)有破壞，但計(jì)算值超過(guò)哪怕是超過(guò)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(guò)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(lái)，學(xué)者和專(zhuān)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。

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(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(lái)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(mǎn)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(chēng)為可靠概率；結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率，稱(chēng)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(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(guò)程中的操作水平、維修和環(huán)境等因素有關(guān)。

可見(jiàn)，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(lèi)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(wú)法以類(lèi)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(mǎn)足建筑外觀要求和幕墻設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)持續(xù)滿(mǎn)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(mǎn)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、埋件，也包括開(kāi)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(guó)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(guò)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(chēng)。

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(shuō)，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(shuō)法應(yīng)該是“在某種程度上完成規(guī)定功能”，這樣一來(lái)，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(wèn)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(wèn)題中涉及到的模糊因素用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來(lái)，使問(wèn)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。