浅谈建筑幕墙设计的防水性能

浅谈建筑幕墙设计的防水性能
建筑幕墙就是为建筑物遮风挡雨的外围护墙。

随着新工艺、新材料的不断运用，新类型，超高度和超难度幕墙的不断突破标准规范性，幕墙的防水技术在幕墙设计也越来越有难度。

幕墙设计中最重要的两个关键点：一个是结构的安全性、另一个就是其水密性。

过去很多案例显示在幕墙设计中防水设计做得很不够，至使幕墙的雨水渗漏问题相当严重，并成为建筑幕墙最大危害。

在实验室中绝大多数样品需经修复才能通过试验，在实际工程中可见一斑了。

幕墙一旦发生渗漏，所造的危害就相当大：渗漏的雨水不仅造成室内物品设备的损坏，更严重的是渗漏的雨水可以腐蚀幕墙的承力结构体系，危害幕墙的安全使用甚至人的生命安全。

因此，在幕墙的设计中必须完善解决幕墙系统的雨水渗漏问题。

以过长期的研究和实验，在众多防水设计理论中 "雨幕原理"和"等压原理"脱颖而出。

在JGJ102中就规定："明框玻璃幕墙的接缝部位、单元式玻璃幕墙的组件对插部位及幕墙开启部位，宜按雨幕原理进行构造设计"。

"玻璃幕墙的水密性直接关系到幕墙的使用功能和耐久性。

为提高玻璃幕墙的水密性能，要求其接缝部分按雨幕原理进行设计。

由于缝隙腔内、外的气压差是雨水渗漏的主要动力，因此要求接缝内的气压与室外气压相等，以防止内、外空气压力差将雨水压入腔内。

"
但对于雨幕原理和等压原理内涵及之间的关系，目前也没有专著对其进行系统介绍，众多幕墙设计师还不明就理，下面就这两个原理的重点要素进行深入讨论。

要系统理解幕墙的雨幕和等压原理，就必须了解基本的防水设计要素。

一. 水密性设计
幕墙的水密性设计是指在风雨同时作用下，幕墙透过雨水的能力。

在不同的自然条件、环境因素下，建筑物要达到相应的水密性能等级，《建筑幕墙》GB/T21086做出了明确要求。

而发生雨水渗漏的原因主要有三个条件：
1、水：要有能产生渗透的水源；
2、孔：要有能使水渗入的孔隙；
3、力：要有能使水通过孔产生渗透的作用力。

这三个条件缺少其中任何一条，幕墙就不会发生渗水。

幕墙是在建筑物的外围，暴露在自然环境之下，雨水是无法避免的。

幕墙本身是由面板、杆件、紧固件等组成，各种构件之间的缝隙也是无可避免的。

那么，剩下的就是外界产生的作用力，只要使水不进入室内就不会发生渗漏。

纯粹采用"封堵"难以完全有效地杜绝雨水渗入，同时采用"疏导"的办法才能达到防渗漏目的。

雨幕原理和等压原理正是"疏导"法则的应用。

二. 雨幕原理
雨幕原理是一个设计原理，它指出雨水相对于"外表面"这一层"幕"的渗透将如何被阻止的原理。

采用压力平衡设计是"雨幕原理"的核心。

在讨论如何应用这个原理之前，先了解雨水如何在墙体表面运动是十分重要的。

因水的重力作用，雨中大量的水会顺着幕墙表面流下来。

在风的作用下水可能会水平运动甚至由下往上移动。

使水通过缝隙进入幕墙内部的作用力有如下几种（如图1）：
a1）重力作用：雨水在下落过程中因自身的重力作用而遇到向下倾斜的缝隙而直接流入室内。

b1）动能作用：在风力的作用下，雨水以相当快的速度接近墙面，其具有的动能可使雨水通过较大的缝隙。

c1）表面张力：雨水落下时可以使水黏附在幕墙的表面而移动，致使其沿孔隙表面渗入室内。

d1）毛细作用：雨水遇两个潮湿表面之间的狭小空间而渗入。

e1）气流作用：雨水下落的过程中因风速带动雨水进入缝隙。

f1）压力差作用：雨水在下落过程中，因风力引起的气流在墙表面上形成风压差，或由墙体孔洞中的空气对流，将雨水带入幕墙内部。

只要有风存在，这种压力差就会产生，水总是会沿着压力降的方向渗入，这是导致墙体渗漏的主要原因。

针对发生渗水的各种作用力，可采取如下措施进行有效防范：
a2）重力作用：采用向上倾斜的缝隙或增加挡水台阶，防止雨水沿重力方向内流。

b2）动能作用：可以改变缝隙形状阻挡雨水沿动能方向渗入，也通常在缝隙处设置胶条、批水板等方法防止这种类型的雨水进入。

c2）表面张力：阻止这种渗漏的方法可以在出檐檐口处加设滴水缝。

d2）毛细作用：控制方法是在接缝设置间断处或空气间隙，缝隙宽度大于毛细缝即可。

e2）气流作用：在缝隙中设计多重转折结构，通过缝隙构造的方式消耗气流力量，阻隔雨滴的运动路径，使雨水不能到达室内。

f2）压力差作用：利用等压原理进行设计，消除室内外的压力差，使雨水不能到达室内侧，以达到防雨水渗漏的目的。

实践证明，这种方式是目前幕墙防渗水设计中效果最理想的一种。

三. 等壓原理
等压原理是雨幕和压力平衡体系共同作用的密封原理。

在导致雨水渗漏的几种作用中，动能、气流、压力差等主要是在风的作用下产生，压力差是形成幕墙接缝渗漏的最主要原因。

等压原理就是要解决当风雨吹来时，外侧雨幕将风和水分开，风通过开口进入空气间层，使空气间层里的空气压力与外面风压相等。

这样，即使开口部位有雨水，雨水在自身重力作用下只能向下淌，而不会流进室内。

雨幕的根本特点以及压力平衡的构造如图2所示：
a）在外侧压力较大的情况下，水通过缝隙。

b）在两侧压力相等的情况下，重力、动能、表面张力或毛细作用下的雨水将不会发生渗漏。

c）在建筑的外表面和内表面之间设置一个连续的空腔防止水在气流和风压作用下的渗漏。

压力平衡体有几个组成要素，包括外壁（雨幕）和内侧密封壁及在两壁之间的空气层。

压力平衡的维持主要依靠空气层，空气层在外侧不封口。

外壁上的密封为强制密封，内侧密封为空气密封。

压力平衡的取得是有意使开口处于敞开状态，使空腔与室外空气流通，以达到压力平衡。

这个效应是由外壁后面留有空腔所达成，此空腔必须和室外联通才能达到上述目的，由于风的随机性造成的阵风波动亦需在外壁两侧加以平衡。

等压原理简单地说，就是在幕墙体内设计一个"气室"，形成一个"空气层"。

并使气室内有一个通道与幕墙外侧连通，以保持幕墙体内空气层的压力与幕墙外的压力相等，达到相对"等压"的目的。

如图2d）所示。

由于幕墙体室内、外压力相等，不存在压力差，使幕墙外的雨水没有水流动力，雨水就不能流入幕墙体内。

而没有雨水进入的空腔处在房间的一侧，因此，房间内也就不会有雨水渗入。

四. 雨幕原理与等压原理的运用
从上面的分析中知道，只有通过消除作用力来使水不能通过外壁缝隙进入等压腔到达空气层的内侧壁，才可以避免雨水的渗漏。

这个设计的核心原理就是外壁雨幕的内、外侧等压，使雨水进不了等压腔，达到内壁缝隙周围无水，即在内壁把引起渗漏三要素（水、孔、力）中的水因素消除掉来达到幕墙整体接缝体系不渗漏的目的。

下面以单元式幕墙为典型来看雨幕、等压原理在幕墙设计中的实际运用，如图3：
单元式幕墙是采用雨幕等压原理进行防水构造设计的最典型系统。

在幕墙表面，为了运用雨幕原理进行防水，设计上使等压腔的压力等于或接近室外压力，即水密线两侧的风压基本相等，消除或减轻了风压的作用，使水不通过或很少通过水密线进入等压腔。

在气密线两侧，缝隙和作用力不可避免。

要达到不渗漏的目的，就要使水淋不到气密线，消除渗漏三要素中水的因素。

由于在气腔壁内外侧消除了压力差，水失去了向压力降方向流动的原动力，只能向低位方向流动，就不能淋到气密线。

气密线缝隙周围没有水，就不会发生渗漏，从而实现单元式幕墙对插部位具有良好的防水能力。

具体如下：
在单元式幕墙板块横、竖向接缝的外侧设置雨披，仅在两单元组件连接处留一个小开口，使等压腔与室外空气流通，以维持压力平衡，形成一个自上而下、自左到右连续的外壁雨幕。

雨披沿接缝全长阻止大量雨水渗入幕墙内部，仅开口处有少量雨水渗入，用披水板或集水槽将沿竖框空腔下落的水分层集水并即时排
至室外面板表面下泄，避免水沿全高下落愈往下水层愈厚的情况发生，减少这些水渗入等压腔的可能。

且排水孔远离接缝，减少缝隙周围水的聚集。

同时外披水板将每层竖向接缝的开口遮挡成为向下的开口构造，使水无法长驱直入，而且保持空气流通，达到水不会由于重力作用或气流渗入等压腔的目的。

其它幕墙类型、开启扇、窗系统等的设计原理也是一樣，限于篇幅，就不予一一赘述。

参考文献
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
《建筑幕墙》GB/T21086-2007。