建筑外門(mén)窗抗風(fēng)壓、氣密性能檢測(cè)計(jì)算方法研究與探討

吳波

(廈門(mén)市政工程研究所有限公司）

0 引言

《建筑外門(mén)窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測(cè)方法》GB/T 7106-2019 已經(jīng)于2020 年11 月1 日開(kāi)始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)在檢測(cè)裝置、術(shù)語(yǔ)定義、檢測(cè)原理、氣密性能檢測(cè)、水密性能檢測(cè)、抗風(fēng)壓性能檢測(cè)和附錄方面發(fā)生了大量變動(dòng)。新標(biāo)準(zhǔn)中檢測(cè)裝置增加了空氣收集箱，氣密性能檢測(cè)改變了加壓順序、修改了數(shù)據(jù)計(jì)算方法、增加了氣密性能工程檢測(cè)方法，水密性能檢測(cè)調(diào)整了工程檢測(cè)淋水量，抗風(fēng)壓性能檢測(cè)增加了風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值Pmax（定級(jí)檢測(cè)）和風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值P’max(工程檢測(cè))檢測(cè)。新標(biāo)準(zhǔn)主要在氣密性能、抗風(fēng)壓性的檢測(cè)步驟和函數(shù)計(jì)算方法做了重大改動(dòng)。本文從抗風(fēng)壓性能計(jì)算中驗(yàn)證所使用新計(jì)算方法的合理性，然后將該方法運(yùn)用到氣密性能的檢測(cè)計(jì)算中。

1 抗風(fēng)壓性能

實(shí)測(cè)5 組不同窗型樣品的抗風(fēng)壓檢測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），通過(guò)新標(biāo)準(zhǔn)附錄C 中線性回歸計(jì)算方法和直接使用Excel2016中趨勢(shì)線方法進(jìn)行比對(duì)。

⑴舊標(biāo)準(zhǔn)原文中只表述到“記錄每級(jí)壓力差作用下的面法線擾度值（角位移值），利用壓力差和變形之間的相對(duì)線性關(guān)系求出變形檢測(cè)時(shí)最大面法線擾度（角位移）對(duì)應(yīng)的壓力差值，作為變形檢測(cè)壓力差值，標(biāo)以±P1”，在這里只提到了兩者之間的相對(duì)線性關(guān)系并沒(méi)有具體計(jì)算方法。各檢測(cè)單位在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中只能自行編制檢測(cè)細(xì)則規(guī)定計(jì)算方法，具體使用的計(jì)算方法為以下兩種：

①方法一

以樣品1 檢測(cè)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表1），最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)面法線擾度值（角位移值）與壓差的比值為直線斜率，默認(rèn)該直線（見(jiàn)圖1 實(shí)直線所示）同時(shí)通過(guò)原點(diǎn)，利用壓力差和變形之間的相對(duì)線性關(guān)系求出變形檢測(cè)時(shí)最大面法線擾度（角位移）對(duì)應(yīng)的壓力差值，得出最大面法線擾度等于3.73mm時(shí)，±P1=2664Pa。從圖像可以看出，最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)向上或者向下偏移容易影響直線斜率。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)除最后測(cè)點(diǎn)，其他所有測(cè)點(diǎn)均在這條實(shí)線下方，可以判斷最后±P1比真實(shí)值略小。而如果最后測(cè)點(diǎn)向下偏移，可以判斷±P1比真實(shí)值略大。

表1 樣品抗風(fēng)壓檢測(cè)數(shù)據(jù)

②方法二

使用Excel2016 中添加趨勢(shì)線功能，得到一條趨勢(shì)線（見(jiàn)圖1 虛直線所示），其函數(shù)表達(dá)式為：y= 0.0014x-0.125。以此函數(shù)表達(dá)式推算出，得出最大面法線擾度等于3.73mm 時(shí)，±P1=2754Pa。可以觀察發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)在趨勢(shì)線上下兩側(cè)均勻分布，無(wú)較大離散現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖1 舊標(biāo)準(zhǔn)樣品1（壓力差-面法線擾度值關(guān)系曲線）

⑵新標(biāo)準(zhǔn)附錄C 直接給出了線性回歸計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出試件主受力桿件的面法線擾度值與壓力差的線性關(guān)系為：y= 0.0014x-0.125。圖形（見(jiàn)圖2）以此函數(shù)表達(dá)式推算出，得出最大面法線擾度等于3.73mm時(shí)，±P1=2754Pa。

圖2 新標(biāo)準(zhǔn)樣品1（壓力差-面法線擾度值關(guān)系曲線）

通過(guò)比對(duì)該組數(shù)據(jù)中新標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法和Excel2016 趨勢(shì)線法兩種方法得出的函數(shù)式是一致的，結(jié)果相同。同時(shí)演算其余4 組樣品，均得到相同結(jié)果。從而得出結(jié)論：Exce12016 趨勢(shì)線法和新標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法一致，同樣使用線性回歸計(jì)算方法。

2 氣密性能

用于采集檢測(cè)數(shù)據(jù)的樣品共5 組，為了對(duì)各種計(jì)算方式進(jìn)行比對(duì)，設(shè)計(jì)了4 組計(jì)算方案進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)試驗(yàn)。分別是新標(biāo)準(zhǔn)、舊標(biāo)準(zhǔn)、Excel2016 趨勢(shì)線計(jì)算（3點(diǎn)數(shù)據(jù)）、Excel2016 趨勢(shì)線計(jì)算（5 點(diǎn)數(shù)據(jù)）。檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集分兩部分進(jìn)行。第一步驟，以樣品1 為例，首先在保證密封箱完全密閉的條件下對(duì)壓力差△P（10Pa）時(shí)的試件空氣滲透量進(jìn)行測(cè)量，一共測(cè)量5 次，記錄并求得平均值為17.475（m3/h），記作實(shí)測(cè)值，見(jiàn)表3。第二步驟，按照新標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)步驟取得（見(jiàn)表2）各級(jí)壓力差數(shù)據(jù)。以下為4組不同方案的數(shù)據(jù)采集方法和計(jì)算過(guò)程。

2.1方案一

以樣品1 檢測(cè)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表2），新標(biāo)準(zhǔn)在氣密性能參數(shù)中改變了檢測(cè)步驟和方法，同時(shí)也更改了函數(shù)計(jì)算方式，現(xiàn)在采用線性回歸計(jì)算方法。從新標(biāo)準(zhǔn)附錄C線性回歸計(jì)算方法，使用該方法在氣密性能的計(jì)算中可以得出，壓力差△P和試件空氣滲透量平均值q△P的計(jì)算方式，即q△P= 4.711（△P）0.498。通過(guò)計(jì)算可得△P=10 時(shí)，10Pa 壓力差下試件的空氣滲透量q10=14.826m3/h。既然該函數(shù)是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，那么△P在10Pa 至150Pa 的區(qū)間內(nèi)是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，可以得到其曲線（見(jiàn)圖3）。將實(shí)際檢測(cè)值放入圖3，可以發(fā)現(xiàn)在10Pa 至70Pa 區(qū)間內(nèi)，實(shí)測(cè)值在函數(shù)曲線附近線性分布，但是從100Pa 開(kāi)始數(shù)值離散性加大，150Pa 時(shí)數(shù)值已經(jīng)偏離較大。

圖3 新標(biāo)準(zhǔn)樣品1（壓力差-試件空氣滲透量平均值關(guān)系曲線）

表2 樣品氣密性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.2方案二

以樣品1檢測(cè)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表2），舊標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別檢測(cè)50Pa、100Pa、150Pa 三個(gè)測(cè)點(diǎn)的試件空氣滲透量平均值，然后將100Pa 時(shí)試件空氣滲透量平均值除以開(kāi)啟縫長(zhǎng)度（或試件面積）后直接除以4.65 進(jìn)行計(jì)算。可以得出舊標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為在10Pa到100Pa的曲線內(nèi)，試件空氣滲透量是一條斜率1/4.65的直線，如圖4。使用舊標(biāo)準(zhǔn)壓差10Pa時(shí)的試件空氣滲透量值為：14.012（m3/h）。這不符合大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明在這個(gè)區(qū)間上，各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)連線明顯是一條曲線。

圖4 舊標(biāo)準(zhǔn)樣品1（壓力差-試件空氣滲透量平均值關(guān)系曲線）

2.3方案三

以樣品1 檢測(cè)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表2），使用舊標(biāo)準(zhǔn)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)Excel2016 圖表中指數(shù)趨勢(shì)線功能可得到一條e為底的指數(shù)函數(shù)曲線（圖5虛線）和其函數(shù)公式y(tǒng)= 11.034e0.0173x，通過(guò)該函數(shù)反推壓差10Pa 時(shí)的試件空氣滲透量值為：13.118m3/h。

2.4方案四

以樣品1 檢測(cè)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表2），使用Excel2016圖表中趨勢(shì)線功能解決以上問(wèn)題。首先舍棄壓差10Pa的測(cè)點(diǎn)，第一測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓差30Pa，然后依次檢測(cè)50Pa、70Pa、100Pa、150Pa 各點(diǎn)數(shù)據(jù)。這樣比舊標(biāo)準(zhǔn)多取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，所得曲線更貼近真實(shí)。取得5 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)后使用Excel2016 圖表中指數(shù)趨勢(shì)線功能，可以得到一條e 為底的指數(shù)函數(shù)曲線（圖5 實(shí)線）和其函數(shù)公式y(tǒng)= 13.429e0.0154x，使用該公式反推壓差10Pa時(shí)的試件空氣滲透量值。該方法各個(gè)測(cè)點(diǎn)均在曲線附近線性分布（兩測(cè)點(diǎn)位于曲線上方，兩測(cè)點(diǎn)位于曲線下方，一測(cè)點(diǎn)位于曲線上），無(wú)巨大偏離的情況發(fā)生。計(jì)算出壓差10Pa 時(shí)的試件空氣滲透量值為：15.665 m3/h。

圖5 Excel2016趨勢(shì)線計(jì)算樣品1（壓力差-試件空氣滲透量平均值關(guān)系曲線）

新標(biāo)準(zhǔn)方法僅能大致體現(xiàn)10Pa至70Pa區(qū)間內(nèi)數(shù)值變化，100Pa 后離散度越來(lái)越大。一條函數(shù)曲線如果僅在一個(gè)區(qū)間內(nèi)有效，那就只能說(shuō)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)僅能表達(dá)近似值，而不能完全體現(xiàn)這個(gè)物理現(xiàn)象。新標(biāo)準(zhǔn)不直接使用10Pa 數(shù)據(jù)作為檢測(cè)結(jié)果的原因。通過(guò)與數(shù)家儀器生產(chǎn)廠商的溝通和了解，可以知道現(xiàn)在隨著人民生活水平的提高，建筑外門(mén)窗的外形尺寸越來(lái)越大，一般門(mén)窗三性檢測(cè)儀器均要求能檢測(cè)3m×3m 的試件，于此同時(shí)就帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題，一是檢測(cè)設(shè)備外箱密封問(wèn)題，密封性能如果不佳，在10Pa 時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)必然偏大。二是10Pa 時(shí)因?yàn)榱髁枯^小，熱球風(fēng)速儀讀數(shù)是否準(zhǔn)確的問(wèn)題。介于以上兩點(diǎn)問(wèn)題，新標(biāo)準(zhǔn)才不直接使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而是采用了線性回歸的計(jì)算方法，但是所使用的5 組數(shù)據(jù)中，壓差10Pa時(shí)，試件空氣滲漏量數(shù)據(jù)失真，100Pa的數(shù)據(jù)和曲線存在較大偏離。這種情況下計(jì)算得到的曲線然后再取值反推壓差10Pa 時(shí)的空氣滲漏量確實(shí)值得商榷。以上數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)（見(jiàn)表3），包括其余4 組樣品使用以上相同的試驗(yàn)步驟所得檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)。得出結(jié)論，使用Excel2016 指數(shù)趨勢(shì)線功能（5 點(diǎn)數(shù)據(jù)）的計(jì)算方法所得數(shù)據(jù)在所有上述方法中偏差最小，是一種在實(shí)際檢測(cè)工作中可以使用的偏差值更小的計(jì)算方法。

表3 四種計(jì)算方案與實(shí)測(cè)值比對(duì)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在建筑外門(mén)窗抗風(fēng)壓性能檢測(cè)使用Excel2016 趨勢(shì)線功能進(jìn)行方法驗(yàn)證，得出Excel2016 趨勢(shì)線功能同樣采用線性回歸方法進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。在對(duì)《建筑外門(mén)窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測(cè)方法》GB/T 7106-2019 新標(biāo)準(zhǔn)在運(yùn)行過(guò)程中提出對(duì)氣密性能檢測(cè)計(jì)算方法的疑問(wèn)和思考，嘗試使用Excel2016 趨勢(shì)線功能在建筑外門(mén)窗氣密性能檢測(cè)中進(jìn)行了一系列比對(duì)試驗(yàn)和計(jì)算。得出檢測(cè)5個(gè)壓力點(diǎn)，計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)使用Excel2016趨勢(shì)線功能與實(shí)測(cè)值偏差最小的結(jié)論。