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玻璃采光顶结构系统的防水设计研究

来源:现代幕墙系统技术(苏州)有限公司  作者:李德生  日期:2018-4-11
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  摘要:理论上,通过密封胶将暴露于室外的所有接缝完全密封是实现玻璃采光顶密封防水性能的可靠方式。但是,这一构造的实现需建立在“理想状态”下,而“理想状态”在现实中是几乎不存在的。本文从等压腔压力平衡技术角度出发,提出玻璃采光顶密封的理论假设,并按照此理论进行了采光顶系统的防水研究。   关键词:玻璃采光顶;等压腔压力平衡技术;密封封堵;防排结合;系统设计
  

  本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布:

  在建筑外围护结构(词条“围护结构”由行业大百科提供)中,玻璃采光顶一直建筑的点睛之笔,因为其通透、清逸、造型轻巧而受到很多建筑的厚爱,在很多的建筑中,在大堂位置、公共空间顶部,很多选用的玻璃采光顶及采光天窗,但是其质量问题却屡屡发生,包括玻璃自爆、雨水渗漏等等,行业中也有“十个采光顶九个漏”的调侃说法。雨水渗漏问题成了玻璃采光顶系统结构中最常见最麻烦的问题。

  本文就常见的玻璃采光顶系统设计的防水问题进行研究,并就如何设计高水密性能的玻璃采光顶系统进行系统分析。

  一、建立在理想状态下的采光顶密封封堵技术

  长期以来,解决建筑外围护结构及玻璃采光顶渗漏问题的方式均是通过打胶实现,通过对玻璃接缝缝隙进行密封封堵(图一)。但是大量的项目案例我们发现,通过打胶封堵的方式只是暂时可靠,随着时间的推移,大部分此种构造的采光顶均会出现的不同程度雨水渗漏。

 
图一

  在理论上,在理想情况下,通过密封胶将暴露室外的所有接缝完全密封是实现外围护结构密封性能的可靠方式。并随着密封技术的不断进步,密封性能也是在不断的提高。但这些均是建立在“理想状态”下,这些“理想状态”大概包括以下几点:

  1, 理想的密封打胶状态,包括打胶的环境及密封胶宽厚比的控制。

  2, 理想的生产施工工艺质量控制;

  3, 建筑采光顶系统要一直处于静止状态,或采光顶的变形位移均是在密封胶允许变形范围之内。

  4, 一直维持温和的天气环境,而不受到室内外压力差、风压变形、及暴风雨的影响。

  经过对这些理想状态的条件分析,很明显,这些理想状态,在目前的客观条件下几乎是不可能实现。通过大量的完全依赖密封胶的采光顶渗漏的实际案例,进行归纳得知:完全依赖外露缝隙密封封堵是采光顶渗漏的主要原因。

  二、等压腔压力平衡技术的理论假设

  通常,建筑外围护结构发送渗漏的原因有以下几个方面:密封失效、室内外气压差、大量水分聚集。当这三种情况同时发生时,沿着建筑表皮流下的水被大风带来的室内外气压差压进失效的密封缝隙内而造成渗漏。所以,要解决建筑外围护结构的渗漏,就得在系统设计及生产施工中考虑“如何消除室内外的气压差”。于是等压腔压力平衡技术在外围护结构系统技术中得到迅速的发展。

  所谓“等压腔压力平衡技术”,就是要在系统墙体内部制造一个空间,让这个空间能与室外空气相通,若这个空间的压力能与室外气压相等,即实现了等压,而这个空间就称之为等压腔体。等压原理在建筑力学上的解释为,建筑物表面所受压力与室外压力(Pi)越接近相等时,表示建筑物表面所受压力越小,也就是越近似于等压。

  因为室外自然环境的复杂性,空气压力是随时波动变化,要保存等压腔体于室外气压完全相等还需要取决于等压通道的大小、空气的流速及等压腔的体积大小,故所谓等压也只是一个技术上的假设,实际上的等压腔并不能达到完全等压,仍会因为外部气压的变化及等压通道布置等原因而有压力差的产生,因此等压腔体事实上是为不完全等压,故如果在系统设计与生产施工如果不考虑这些理想与实践的差距,往往就无法实现通过等压腔的设计而达到防水作用,并可能会因环境的气压波动而造成大量雨水的侵入,这也是大量的单元体幕墙系统采光顶系统等使用等压腔技术但却实际工程却大量出现渗漏的主要原因。

图二

  图二是建立在理想状态下的密封封堵技术,因为室内外开启压力差始终存在Po>Pi,并且所有的接缝缝隙均依靠打胶实现密封,密封胶缝始终处在压力之下,当在恶劣天气的情况下水密性很难得到可靠保证。

3

图三

  图三是依据等压腔原理进行设计的外围护系统结构示意,通过布置双道密封形成等压腔体,通过恰当的等压通道布置而实现室外气压大约等于等压腔气压Po≈Pa>Pi,只有极少量的气流能够进入室内,室外的雨水因为压力大致相等平衡而失去向室内渗漏的动力,此原理称为等压腔压力平衡技术。

  虽然很多的外墙围护结构系统是按照等压腔压力平衡技术进行布置等压腔体,但因为等压腔的实现只是一个技术上的假设,要实现这个假设还需有很多的制约条件,如果不进行可靠的设计与生产施工,那么虽然是按照等压腔压力平衡技术进行考虑,但实际上依然达不到等压的条件,导致Po>Pa>Pi,故当在恶劣天气情况下水密性依旧很难得到可靠保证。

  按照等压腔压力平衡技术原理,我们再来分析图一的设计,虽然看图纸上玻璃与玻璃的接缝通过硅酮密封胶(词条“硅酮密封胶”由行业大百科提供)衬垫材料进行密封处理,如果从静态情况分析,这样的密封是可靠的合理的,但是,所有的建筑外围护及玻璃采光顶均处于动态的自然之中,时时刻刻承受着室内外压力差的因素,并要承受着风压下变形与位移的影响,所以考虑这些综合因素,此系统的水密性能并不靠谱。

  三、玻璃采光顶防水系统设计要点

  上述的等压腔压力平衡技术在垂直的幕墙系统中的运用比比皆是,常见的单元体幕墙系统防水设计皆源于此,不过根据具体的项目进行一些形式的变化而已。但是对于玻璃采光顶系统,问题将更加复杂,虽然在理论上,等压腔压力平衡技术有助于提高水密性能,但是对于几乎是平面的玻璃采光顶,要顺利的实现等压腔与室外空气压力平衡将是非常的困难,所有的板块接缝密封层朝天而设,如果简单的进行等压气孔的开设无疑是为雨水渗漏提供通道。

  对于玻璃采光顶,还有一个结构位移的考虑,当在结构平面变形位移时,需依旧维持接缝密封的可靠性能,这就要求密封的位移性能能够满足结构位移的要求。

  基于以上的分析,要实现可靠的玻璃采光顶系统的防水性能,需解决以下的技术问题:

  1, 采光顶结构变形位移需满足结构位移变形的要求。

  2, 采光顶杆件的变形与板块的变形除了满足规范要求外,还需满足不能因为变形而出现面板或者接缝积水情况的出现。

  3, 板块接缝的密封需满足变形位移,在位移变形后依旧能够实现密封有效。

  4, 尽量布置等压腔体,通过隐蔽的布置等压通道实现等压,并防止雨水倒流倒灌。

图四

  图四表示的是使用等压腔平衡技术的采光顶双层皮系统,通过侧面隐蔽的空气等压孔实现等压腔内的压力与室外气压大致相等Po≈Pa>Pi。

  四、玻璃采光顶防水系统的技术实现

  玻璃采光顶的设计原则按照 “保证功能、构造合理、防排结合、优选用材、美观耐用”进行,并根据实际情况确定防水等级与设防要求,合理确定玻璃采光顶防水使用年限,综合考虑排水坡度、排水组织及积水积雪等因素。良好的采光顶系统设计应该是“堵”“疏”结合,无论外部还是内部,均最大限度的避免密封处于水的结合,同时确保渗漏水及冷凝水能够有组织的排出。

  通常情况下,国内常见的都是如图一所示的全隐框结构构造,但是其密封胶缝通过上述的分析在恶劣天气环境下很难保证水密性能,为了保证水密的有效可靠,我们进行以下的系统设计。

  采光顶系统密封层分为第一密封层与第二密封层,两个密封层中间的部分为等压腔体,在进一步技术考虑之前,综合前文的技术考虑,进行以下几个技术条件假设:

  1,假设室外气压Po≈等压腔气压Pa>室内气压Pi。

  2,假设第一密封层为柔性密封连接,能够适应结构变形位移的变化。

  3,为实现以上所述的技术考虑,假设第二密封层为连续有效的密封层。

  在技术假设基础上,进行设计的采光顶系统,见图五、图六、图七。

图五

图六

图七

  图五、图六、图七分别表述了设计的采光顶主受力杆件与次受力杆件的系统构法,系统采用明框系统,通过铝合金压板固定中空夹胶钢化玻璃,在合金(词条“合金”由行业大百科提供)压板内设置有柔性密封材料(词条“密封材料”由行业大百科提供),铝合金压板通过螺钉连接在主受力杆件上。

  在系统设计中,连贯的等压腔通过封边(词条“封边”由行业大百科提供)的排水通道实现等压腔体气压与室外气压的大致平衡Po≈Pa>Pi,断绝雨水侵占接缝的压力,通过柔性密封材料及密封胶的作用实现在第一密封层的完全密封,第二密封层通过玻璃与胶条的压力挤压而实现。

  系统构成的前提之一是采光顶系统的防水是有限度的防水,在进行大型采光屋面设计时,实现要根据规范进行技术采光顶的水密性能指标分级,再考虑所在地区的雨水量,进行适当的防水单元划分,通过布置组合水沟进行对采光顶表面雨水的分流导排。

  系统构成的前提之二是需要保证第一密封层的完全可靠的密封,因为采光顶系统是几乎平面的玻璃顶,需尽量避免出现朝天胶缝,系统通过明框的设计将缝隙转换为侧面密封,并在明框下部布置有柔性的密封层,因明框压板是通过螺钉直接与受力框料进行连接,也能保证第一层密封层与框料能够维持同样的变形位移,减少第一密封层在位移下破坏的可能。

  系统构成的前提之三是第二密封层的密封考虑,因为第二密封层在安装玻璃后无法进行湿法打胶施工,实际上就需要在玻璃安装前密封完所有的缝隙,包括次受力梁与主受力梁的搭接(词条“搭接”由行业大百科提供)缝隙,需保证作为等压腔的排水通道在导排局部渗漏雨水时能维持密封状态。

  系统构成的前提之四是在进行玻璃安装时,需考虑玻璃在结构变形位移的情况下的蹿动可能,一般情况下,采光顶为了排水顺利便捷,均按照规范及经验进行布置采光顶的斜面角度,这就需要在玻璃周边布置定位卡件,给予玻璃在位移允许范围内的蹿动能力。

  系统构成的前提之五是当偶然情况下发生雨水渗漏时,作为等压腔的排水通道需能够迅疾的将渗漏雨水排出。

  系统构成的前提之六是关于冷凝水的收集与排水,冷凝水的出现是由于湿空气在室内外的温差达到一定差别时在室内表面出现的凝水现象,在主次受力杆件下部均设置有冷凝水收集槽,并次受力杆件的冷凝水排至主受力杆件的,再通过端部引流排至室外;

  系统构成的前提之七是在采光顶端部密封位置进行等压的实现,在采光顶端部,通过布置等压孔洞实现等压腔体与室外的气压相等,等压孔洞同时作为排水通道,将可能的渗水排至室外。

  五、后记:

  因为建筑效果的丰富多彩,建筑外围护结构日趋复杂,玻璃采光顶的形式也复杂多变,气候变化、施工质量影响、系统结构设计、节能的提高、接缝形式的变化、材料耐久性能,这些都对采光顶的水密性能产生极大的影响。但无论如何,对于建筑玻璃采光顶来说,防水的重要性都是处于第一位,对于系统防水技术的考量必须基于理论研究与实践经验进行技术结合考虑。

  所有的技术研究及系统图纸的设计均属于技术的理论假设,而所有的理论假设的实现均必须依靠技术工人的工艺实现作为保证。

  参考文献:

  《屋面工程技术规范》 GB50345-2012中国建筑工业出版社

  《采光顶与金属屋面技术规程》 JGJ255-2012 中国建筑工业出版社

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