玻璃采光顶的漏水及防水

摘要: 分析了玻璃采光顶的漏水原因，明水、渗水、冷凝水是主要漏水水源，探讨了防水原理，由此提出了玻璃采光顶的防水构造和措施。
关键词: 采光顶漏水达西定律道次密封有组织排水缝隙层防水

    随着节能与环保的社会化大趋势，建筑日益多样化，以人居舒适性为核心的建筑追求更加关注建筑本身与自然的关系。建筑采光顶在众多建筑中被广泛采用，充分利用自然光，增加建筑与环境的亲和力等就体现了这种关系。
采光顶除了安全性和热工性能以外，在实际使用过程中，漏水是能够最直接感受到和最日常烦恼的质量问题，多年来已成为采光顶中最常见的建筑弊病之一。2004年8月刚启用的广州新白云机场仅仅启用半个月，在8月20号的一场暴雨中，机场航站楼B区国内航班出发厅屋顶漏水，其室内漏水程度类似小雨，机场工作人员和百余名旅客衣服被漏水淋的“湿漉漉的”，可见其漏水程度。据初步调查结果，“雨水主要是从屋顶的天沟里渗进来的。……漏水应该是屋顶连接处不够密封。”（《南方都市报》）。 “根据历次全国屋面渗漏调查资料分析，细部构造的渗漏占全部渗漏面积的80%以上”（《屋面工程技术规范》GB50345——2004）
    1．玻璃采光顶的特点：
    玻璃采光顶形式十分丰富，根据其造型、外型、构造，以及与立面关系、数量关系等分为若干类。为分析漏水和防水问题方便，以面层形式分为坡度平面、折线平面，单曲面、双曲面、组合面等形式。
    讨论防水问题必须了解作为防水主体的玻璃采光顶的防水有关基本特点。
（1）组成采光顶材料本身不具有吸水性。玻璃采光顶主要由玻璃、钢材、铝材、密封胶、衬材组成。材料本身在非破坏情况下不会发生渗漏。
（2）防水措施处理空间有限。高强轻质材料组成，空间占有体积相比其它材质较小，尤其是缝隙处厚度非常有限，也就意味着对防水构造形式的要求和难度更高。
（3）屋面玻璃是位于建筑物顶端与水平面夹角小于75度的玻璃面层。所以汇水面积比较垂直玻璃幕墙大，包括风雨造成的强击水更直接。
（4）阳光作用更直接照射采光顶表面，包括热量和紫外线。更容易产生采光顶的各种材料热变形。密封材料的抗紫外线能力和抗热老化性是保证采光顶防水性的重要因素。
（5）采光顶表面并不能认为类似玻璃表面那么平整。玻璃表面的板面挠度会造成积水和积灰，特别是接缝处的胶缝和扣板造型都会带来积水和积垢，这部分非常容易带来渗水和美观的不良后果。
（6）缝隙是采光顶渗漏的主要通道。而缝隙是由相同材料之间和异质材料之间拼接和连接所形成的。
    2．相关概念和原理
    2．1 关于水：
    采光顶所涉及的水来自于自然界的雨水、雪水、冰以及温湿空气，理论上既水的三种形态：气态（水蒸气）、液态（液态水）、固态（冰和雪）。水的迁移分为重力迁移、材料或构造内部迁移，内部迁移只有两种相态，一种是以气态的扩散方式迁移（又称水蒸气渗透）；一种是以液态水分的毛细渗透方式迁移。
    水作为液体不能承受拉力，但可承受压力。液体受压后体积可以缩小，称为水的压缩性。水体积相对压缩量值约为1/20000，即在20℃时，弹性系数E≈2．１×10 5N/㎝2 。在工程上可忽略水的压缩性。
水的表面张力作用是产生毛管现象的原因。毛细渗透对构造和缝隙防水的影响不容忽略。
    实际中自然界的降水和渗透到建筑物内部的水是一种浑浊水，在降水和渗流过程中夹杂了大量灰尘和杂物。浑浊水增加了水流体的粘度，称之为粘滞性。其流动时的特点是靠近壁面流速较小，远离壁面处流速较大。在实际工程中，往往造成排水不畅，而且容易导致排水通道和导水孔的堵塞，破坏排水系统的通常而导致防水失效。
    2．2 渗流：
    为说明问题，引入渗流力学的原理，水在空隙、裂隙、缝隙中的运动可以说是毫无规律的，所以以统计学的观点设定这种水流体的规律。一方面认为它是连续地充满整个介质空间（包括空隙空间和骨架空间），另一方面认为它通过过水断面的流量与真实水流通过该断面的流量相同，它在断面上的水头和压力与真实水流的水头和压力相等，它在空隙介质中运动时所受的阻力等于真实水流所受的阻力。满足上述条件的情况称之为渗流。
    2．3 汇水面积：
    根据有关资料，屋面排水的有关计算可以根据日本的有关资料进行，也可根据建设部有并设计院给定的汇水面积表进行查表设计。
    上式中标准降雨强度a的选择是很重要的，但却又是很困难的。在雨水排水设计中，最关心的是若干频率的小时最大降雨强度，甚至10~30min内的最大降雨强度，但这个频率取多少，目前还没有相应的规定。无疑，频率越小，则排水设计越安全，但却越不经济。因此，标准降雨强度的取值应该考虑到建筑物的重要性，也就是应该考虑其防水等级，防水等级越高，其频率就应该取的越小。
    考虑天沟（檐沟）的排水量，即考虑了天沟（檐沟）在暴雨、大暴雨时的缓冲作用，也就是在暴雨、大暴雨时，水落管一进不能立即将水排完，而暂时将水汇集到天沟（檐沟）里。
    考虑所有水落管的排水量与天沟排水量的总和，在标准降雨强度时应大于屋面及出屋面高墙的降雨时，综合其他因素，即可确定天沟大小，水落管直径及数量。
    2．4 排水坡度：
    屋面坡度大对防止渗漏的效果是显著的。
    传统平面屋顶找坡一般有两种方法：结构找坡和材料找坡。对于平面玻璃采光顶，结构找坡是由采光顶支撑结构与建筑主体屋面结构，如屋面梁或结构墙结合而形成的排水坡度；玻璃材料找坡主要是考虑玻璃中心挠度形成的“水洼”和积聚泥水的排水坡度。
    采光顶结构找坡时，坡度应不小于3%；
    当由玻璃材料找坡时，坡度应以保证由于单片玻璃挠度形成的积水可以排除为原则，参考《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102—2003）规定，“在风荷载标准值作用下，4边支撑玻璃的挠度限值DF，LIM宜按其短边边长的1/60采用”，“点支撑玻璃面板的挠度限值DF，LIM宜按其支撑点间长边边长的1/60采用”，“斜玻璃幕墙计算承载力时，应计入永久荷载、雪荷载、雨水荷载等重力荷载及施工荷载在垂直于玻璃平面方向作用所产生的弯曲应力“。因此，为抵消单片玻璃挠度所产生的积水，一般单片玻璃的倾斜坡度不小于2%；
    另外，玻璃采光顶周边与结构的水平交接处的天沟、檐沟的纵向坡度不应小于是1%。
    玻璃采光顶找坡应以采光顶支撑结构找坡为主。实践中，采光顶支撑大多以其特有的倾斜屋面效果满足建筑物使用功能和美观要求。
    2．5 达西定律：
    1 856年法国工程师H.Darcy在装满砂的圆筒中进行渗透实验。从实验中得到通过横截面A的渗流量Q（单位时间的水体积）与横截面A及水头差（H1—H2）成正比，与渗透路径L成反比，称为Darcy定律。它指出渗透速度V与水力坡度J或渗透阻力成线性关系，故又称线性渗透定律。
    容易看出，H1、H2是相对于某个任意水平基准面的水柱高度，称为测压水头，从前述可知，它应是压力水头和位置水头之和，公式表明，渗流流动是由高水头向低水头，而不是从高压向低压。这一点很重要，说明外界压力对水的作用可忽略不计。
    2．6 缝隙通道和“死穴”
    采光顶中有大量缝隙、裂隙和孔洞，所形成的孔隙有两种，一种是有效孔隙，液体可以通过或排出，还有一种是死端孔隙或滞流孔隙，对液体是无效的。如图1所示。这一点对于采光顶防水中节点设计、密封设计以及安装时的缝隙密封具有实际意义。
    3 漏水水源：
    水的来源无非是自然界的雨水、积雪融化水、结露冷凝水。雨水的特点是单位时间内的水量容易掌握，直接作用在采光顶外部，加上风力作用于采光顶表面的水击强度大。结露是由于湿空气在介质两侧的温差达到一定差别时的介质表面凝水现象。对于采光顶来说，结露带来两个问题：一是结露冷凝水容易出现在室内一侧，当结露冷凝水积到一定量时，形成滴水落水；二是采光顶节点构造内的结露冷凝水，特别是采光顶支撑结构的金属材料空腔或内壁形成的冷凝水，如不及时排出，将会长期腐蚀周边材料，使材料的功能性失效，导致漏水或渗水。
    采光顶屋面的设计、材料、施工安装等任何一个环节的疏忽或轻视，都将导致堵不严、疏不畅的排水组织失效，通过采光顶系统结构漏下的水可侵蚀结构周边接缝，腐蚀屋顶材料，损坏屋顶结构，污染和破坏内部环境。泄漏的水会顺着结构件流至建筑物内不同的地方，由于漏水长期侵蚀，采光顶系统的各构件的安全隐患将对室内的人居环境的安全造成严重威胁。
    4 防水构造：
    4．1 防水设计：
    4．1．1 设计原则
    《屋面工程技术规范》（GB50345—2004）中规定了屋面工程防水设计应遵循“合理设防、防排结合、因地制宜、综合治理”的原则。玻璃采光顶防水节点设计体现和隐藏在采光顶结构节点设计之中，同时与建筑主体结构的结合部位也都是防水设计的重要环节，玻璃采光顶防水设计是一个防水系统设计，是作为玻璃采光顶整体设计的子系统的重要组成部分。防水系统主要包括排水和防水。排水包括利用重力作用的面排水、槽排水、管排水。采光顶一个重要特征就是倾斜式玻璃面层，根据倾斜式玻璃装配结构的定义：装配玻璃面偏离垂直位置15O以上。将水排出室外的方式决定着倾斜系统的排水性能；防水则包括密封、设防道次和密封材料选择。
    4．1．2 设计原理
    对于如何完成使用性能良好的系统所必需的密封和排水等所有细节的设计，核心问题是如何建立对“堵”与“疏”关系的理解和认识。
    对于玻璃采光顶传统的方法是以“堵”为主，既依靠密封各构件之间的外部接缝来防止水的进入，这种装配系统中玻璃板块之间、玻璃板块与支撑杆构件之间的外部和内部接缝进行某种程度的密封。但是，它往往忽视真正构件内部接合处的防水密封的重要性。这种方法存在着各种难于解决的弊端，如外部密封材料暴露在室外，密封胶承受着紫外线辐射、热应力、污染物以及粗劣的施工质量的影响，使外部密封难以达到预期的效果，另外强调内部密封的同时，往往忽略了渗漏水和构造内部冷凝水的排出。
    良好的设计应该是“堵”和“疏”相结合，既堵也疏。无论是内部或外部，以最大限度的避免了密封处与水的接触；同时确保渗漏水或冷凝水有组织的排出。
值得注意的是一些用于幕墙上的做法在采光顶上并不见效。首先，根据前述的达西定律，由于重力或其它压力进入缝隙的水，在缝隙内压力的影响已微乎其微，内部渗流水只和水头有关。因此将雨幕等压腔设计套用于采光顶通常是失败的。其次，幕墙上常用的外部排水孔设计，在采光顶中水通过压条的外表面和外扣盖向外排出时，会被截留在各种内部接头处。截留住的水要么通过一个孔排出，要么就一直积存下来侵蚀密封胶，直到这里形成一个漏洞让水排出为止。由于重力方向的原因，水很难“溢出”。
    等压设计在垂直的幕墙系统中起到不同程度的作用，在幕墙系统内保持防漏气隔离层仍然是极其重要的，如果没有这道屏障将内外分开，建筑外围护系统将是不完整的，会造成一个空气和水通过外围护进入室内的通道。冬季冷空气的渗透会使内部结构的表面温度下降到露点温度，从而出现冷凝水。建筑内部管道冻结、人感到不舒服，以及外界污染物刮进楼内，都可能是空气未受控制渗漏进建筑物内的结果。等压设计实际上是形成一个空气隔离层，由于分隔空气达到防漏气隔离层起到防水层的作用，在采光顶的倾斜系统中，只有系统中水平构件的底部呈水平面，而且与外界形成能够外倾的水流通道时等压原理才能实现排水，而做到这一点技术和经济上并不现实。
    4．1．3 玻璃采光顶的设计，应基于以下基本原则：
    4．1．3．1 根据《屋面工程技术规范》（GB50345—2004）规定，确定防水等级和设防要求。对于玻璃采光顶，最为重要的是确定防水合理使用年限。
防水等级分为4级，分别为5年、10年、15年、25年。
    4．1．3．2 排水组织
    根据采光顶的造型，划分排水区域，寻找最短排水路径，设计有效地排水组织路线图，保证排水的流畅性；
    4．1．3．3 抓住关键“漏点”
    根据排水路径，寻找路径中的“可能漏点”，进行防水密封设防，首先考虑玻璃部分的单向接缝，如玻璃板块拼接处的纵向接缝、横向接缝；其次对纵横交接处的防水和排水进行设计；最后对最终排水部分的如天沟、落水口、檐口等汇水结构进行设计；
    4．1．3．4 多道设防
    根据采光顶具体构造，针对不同的结合部位进行一道和多道防水设防。要针对外界明水、渗漏水、冷凝水等不同情况，进行防水道次设计，一般对于结合部位有外视扣板、扣条的情况，应考虑3道防水密封；
    4．1．3．5 考虑多种变形
    由于玻璃采光顶主要是由高强轻质材料构成，特别是支撑结构由金属钢材、铝型材为主，可能存在的变形很多，如结构变形、温差变形、震动变形等等，变形的直接影响首先是构造节点。因此，设计时应充分考虑节点满足变形的要求。应在设防上、构造上、选材上多方考虑。
    4．1．3．6 合理选用密封材料
    为确保节点防水的质量，应该充分利用各种材料的特点。选材上应尽量采用高强度、高弹性、高延伸性材料。具体说，应根据具体防水位置，考虑采用不同的密封材料和柔性防水材料等互补并用的多道设防，包括设置附加层等。必要时还要考虑防水层的耐老化、耐穿刺以及飞禽破坏等。
    4．1．3．7 耐久性和针对性
    节点设计，应考虑其耐久性问题，保证节点设防的耐久性不低于整体防水的耐久性，不能只顾暂时可用。玻璃采光顶造型十分丰富，每个采光顶的节点都有其相同点和不同点，应该针对各自的使用条件和特点予以设计。
    4．2 防水节点构造
    4．2．1 特点和形式
    由于建筑的多样性，每一个玻璃采光顶构造都有所不同，要获得一个有效的防水系统必须考虑多种因素，而节点构造是多种因素综合作用的关键，是防水设计的重点和难点。节点部位具有变形集中、形状复杂、施工面狭小、操作困难、工作环境恶劣等特点。
    玻璃采光顶节点构造中的各种缝隙形式取决于采光顶构造本身，无论何种造型的采光顶，归纳到节点技术，主要分为：点支撑结构的玻璃板块接缝节点和驳接头处的玻璃接缝节点；隐框节点；明框节点；采光顶与其它材质交接部位节点；与主体支撑结构交接部位节点。
    4．2．2 技术要点
    4．2．1．1 最大限度地发挥外部湿法密封或干法密封的效果，但在采光顶的整体防水上不能只依靠外部密封。既在保证一道防水设防的基础上，要考虑对渗流水的二道防水设防；
    4．2．1．2 最大程度的减少或消除外部密封处的积水。例如对水平方向的外饰构件造成的积水可能降至最低；
    4．2．1．3 对进入节点内部的水必须加以控制，并使其按重力方向有组织的流出室外。特别是针对扣板内侧和玻璃镶嵌槽的进水，尽量将进水和系统的内层密封适当隔离。
    4．2．1．4 对节点内部铝框和玻璃边部的冷凝水必须加以控制、收集和排出，以防止这些冷凝水积聚在铝框内部和玻璃表面上。
    4．2．1．5 任何密封都不能百分之百地保证不漏水。采光顶构造节点的防水性是需要细致和技巧的细部设计，如设计冷凝水设防时，还要考虑外部空气通道依靠气体挥发而消失。
    4．2．3 基本主框节点（图2）
    这是一个典型的明框节点。相比之下，使用硅酮结构胶密封的水平隐框设计更具防水性，而且具有减少灰尘和杂物积存量方面的优点，但成本高，硅酮结构胶的性能受环境影响很大，容易损害系统的整体防水性能。扣板的存在，为增加防水道次提供了可能空间。
    玻璃下部支撑肋的高度足以能够防止中空玻璃边部密封部位和胶条等浸入水中。根据美国《建筑玻璃实用手册》资料，当幕墙倾斜角等于或大于30o和水平横梁长度不超过1．8m的情况下，此处高度约10~13mm为宜。
    另外，相对上述竖框（视为主框）的横框应尽量采用较低的不带外扣盖的压条，这可以最大限度的减少外表面的积水量。
    4．2．4横框与竖框的交接（图3）
    横框与竖框的交接节点是第二个典型节点。最主要的特点是横框中玻璃槽的搭接延长部分能够促进横框向竖框的排水。
    传统的做法是将横竖框交接处铝型材间的防漏气和防水密封采用密封胶密封，这只是一种不切实际的理想设计，实际效果往往事与愿违。因为打胶操作时很难对打胶表面进行处理，打胶量无法有效控制，密封胶用量一旦过大，会把竖框玻璃镶嵌槽堵塞。同时铝材断面如有任何的变形吸收位移，则密封胶就会因受剪切刀而出现缺口，水和空气就可以穿过。
    此处使用连续的丁基胶带是非常必要和有效的，根据美国对在采光顶上使用15年后的调查，发现丁基胶带仍然保持着柔韧性。这种胶带在夏天变热时，它本身会有一些自密封能力。应用一条连续的胶带密封橡胶密封条和铝框之间的接缝，虽然，连接处如能增加一些理论设计接缝更好，在接缝处对密封胶过分的依赖是最常见的失败原因。应推广使用密封胶加胶带的缝隙处理做法。
    4．2．5 收口部分的构造（图4）
    这是一个需要增加第二道防水设防的节点，主是针对排水槽排出的可能的渗流水。在一定的环境条件下，玻璃和金属构件表面上容易形成冷凝水，需要增加第二道辅助冷凝水排水槽进行控制。
    积水应通过引渡部分设计以便将排水槽中的积水排出。
    水平横梁外露部分要低，以便让水在它上面自由通过。同时横梁内部应具有排水槽，可把水送到竖梁（或主梁），通过主梁排水槽最后将水排到室外。
    4．2．6 天沟和檐沟（图5）
    天沟、檐沟经常受水流冲刷、雨水浸泡和干湿交替，是玻璃采光顶的第三个典型节点。此处是水量的最后汇集处，又是与建筑结构的过渡部位，建议以下构造技术要点：
    为保证其可靠性，应增加设防道次，至少不低于三道设防，应增设铺附防水层，考虑保温效果的同时，应使用空隙度大的发泡材料，也利于排水找坡。
天沟、檐沟与屋面交接处变形集中，容易开裂，为增强抗裂能力，应采用能够吸收大变形量的密封胶，并且进行柔性连接。
    特别要注意大排水量时的水位增高所造成的水流回流。类似的古建筑中的“尿檐”现象就是大雨量时延扣瓦缝隙回流到室内。2004年4月29日，故宫新修缮的武英殿出现漏雨状况，据故宫古建修缮中心调查，发生的是“尿檐现象“，“尿檐”是建筑学俗语，指屋檐及其排水系统不能导出全部雨水，部分雨水因此侵入琉璃瓦的缝隙，迂回流经多处，最终表现为侵蚀檐体。究其具体位置，一是琉璃瓦覆压咬合的尺寸不够，二是瓦顶铺设的角度不对。
    目前，国内有工程采用德国的天沟虹吸技术进行排水。其优点是排水量大、所需空间和面积较小、安装灵活方便、系统具有自清洁特点、不易堵塞。缺点是需要支架和噪音。虹吸式排水系统的基本原理是当天沟积水深度逐渐加大并超过雨水斗上表面高度，掺气比值迅速下降为零，雨斗内水流形成负压或压力流，泻流量迅速增大，从而形成饱和排水状态。其技术特点在于虹吸式雨水斗设计，水进入立管的流态被雨水斗调整，消除了由于过水断面缩小而形成的旋涡，从而避免了空气进入排水系统，使系统内管道呈满流状态。利用了建筑物高度赋予的势能，在雨水的连续流转过程中形成虹吸作用，导致水流速度迅速增大，实现大流量排水过程。
    5．漏水点检查：
    实际工程中漏水的原因是多种多样的，漏水最直接的检验是在建筑物实际使用中自然界有水时的状况。寻找并确定漏水点是掌握漏水原因的最好办法。
    如果不能明显确定漏水点，寻找进水点最便捷的方法是浇水测试。既从采光顶的底部结构外侧开始，用水喷在怀疑漏水区域，然后检测建筑物内部的水分，按玻璃水平分格的高度，延垂直方向重复此程序，直到最高点。
    漏气点和漏水点往往是同步的。检测漏气点比漏水点可能还要困难，在冬季，室内入口区域容易鉴别，但室外空气就不那么明显了。仔细检查，可以确定室内空气漏点。但是气体密封往往藏埋在采光顶的节点构造内部。这是就需要从节点设计图纸入手，仔细研究怀疑部位，确定区域，必要时要拆卸扣板或构件表面，就能确定渗漏点，做必要的修复。