【论文】开放式非透光幕墙防水设计与创新实践

作者：杨 健

摘要：开放式幕墙在构造上实现了幕墙板块与背后空腔形成空气对流，相比传统打胶密封的幕墙具有更好的保温隔热性能，并能够尽量避免墙体产生结露发霉、提升外墙的使用耐久性，但也更易产生渗漏水。本文主要从设计角度出发研究较为可靠的开放式幕墙防水设计思路，并结合实际工程案例阐述在开放式幕墙防水设计上的创新实践。

作者简介：杨健，男，苏州苏明装饰有限公司设计总院副院长兼幕墙设计总监，高级工程师，国家一级注册建造师。

原文刊载于《中国建筑防水》2023年第3期。

开放式幕墙是指幕墙装饰面板之间缝隙不采取密封措施的幕墙，一般具有如下几种外观表现形式：完全开缝式、搭接遮挡式及板缝嵌密封条组合的形式（图1）。开放式幕墙在构造上实现了幕墙板块与背后空腔形成空气对流，相比传统打胶密封的幕墙具有更好的保温隔热性能；“双层皮”的构造有利于降低制冷及采暖能耗，同时幕墙与墙体间的“自由呼吸”也能够尽量避免墙体产生结露发霉，提升外墙的使用耐久性。正是在绿色节能及细节观感品质方面具有明显优势，开放式幕墙得到越来越多的应用。

图1 开放式幕墙表现形式

在开放式幕墙实际应用过程中，比较突出的问题是发生渗漏，且这种现象不在少数。渗漏的发生严重降低了建筑的使用功能，并对建筑低碳目标的实际达成构成严峻挑战。并且，发生渗漏的开放式幕墙，由于防水层被外层装饰面材遮挡，很难找到具体的渗漏点，为了解决一时的渗漏问题，往往只能将面材开放板缝全部打胶密封，使其又回归到封闭式幕墙的形式，违背了设计初心。本文拟从设计角度出发，研究较为可靠的开放式幕墙防水设计思路，并结合实际工程案例阐述在开放式幕墙防水设计上的创新实践。

开放式幕墙防水原理及渗漏原因分析

一般来说，幕墙渗漏水需具备3个必要条件：1）幕墙防水界面上存在缝隙形式的通道；2）缝隙部位要有相应水源；3）有使水通过缝隙进入幕墙内部的能量动力（如重力、风压、吸力等），以上3个要素中缺少一项就不会发生渗漏水。

开放式幕墙基本构造一般是由装饰面材（开放式板缝）、面材固定连接构件、内侧防水层、支撑结构、保温层等构成（图2）。幕墙面材与防水层之间所形成的空腔为“等压腔”，在室外空气流动较小的情况下，也就是面材两侧气流环境相对稳定的情况下，这道“等压腔”基本能够阻止外侧雨水进入到内侧防水层界面，形成“雨幕”。“相对稳定的环境”让内侧防水层无法形成漏水的3个必要条件，进而达到密封防水的目的。但这种情况在剧烈环境变化的条件下（如台风等“狂风暴雨”情况下）就难以成立，雨水势必会因动能扩展到内侧防水层界面，这个时候就需要内侧防水层具有足够有效的防水能力，否则必然会发生渗漏。

图2 开放式幕墙一般构造

不同于施胶方便且质量控制相对可靠的板缝密封式幕墙，开放式幕墙内侧防水层的密封难度显然要大的多，这主要是其自身构造特点所决定的。

由于存在众多连接构件、支座或固定配件穿越内侧防水层，造成内层防水层的“千疮百孔”（图3）；要使“千疮百孔”的内层防水层变得“天衣无缝”，就需要具备足够的施工工艺水准、施工人员素养、完善的复核检查流程及全面有效的淋水试验等。遗憾的是，许多开放式幕墙实例表明，要将成千上万的“破孔”完美有效密封是很困难的。俗话说“百密难免一疏”，且实际施工往往还会伴随个体侥幸麻痹心理，做不到尽心尽责地处理好各个细节，发生防水层渗漏也就不足为奇了。

图3 开放式幕墙内侧防水层的“千疮百孔”

另一方面，防水设计的不合理、图纸表达深度不足、落地性不强等，也是造成漏水的重要原因。设计师往往在图纸上未详细表达开放式幕墙内侧防水层穿越部位的密封处理要求，未考虑重点风险部位的多道密封设防，也未充分考虑可能的积水、排水路线过长等问题。这些“含糊的设计”大概率会导致防水层密封难以严密连续，从而造成整体水密体系失效。

开放式幕墙内侧防水层设置位置与材料选择

开放式幕墙内侧防水层位置主要有以下3种情况：1）防水层设置在幕墙固定龙骨外侧，将幕墙立柱横梁完全包封（图4）；2）防水层设置与幕墙固定龙骨之间，也就是立柱或横梁部分外露（图5）；3）防水层设置在墙面保温层外侧，固定龙骨及连接件基本全部外露（图6）。材料选择一般也分3种类型：1）氧化（或喷涂）防水铝板；2）镀锌防水钢板；3）防水透气膜。

图4 防水层设置在固定龙骨外侧

图5 防水层设置在固定龙骨之间

开放式幕墙防水层的材料选择与设置位置是建筑地理环境、防腐要求、工程造价投入等综合因素决定的。比如在沿海或临海地区，防水层采用氧化（或喷涂）防水铝板及将防水层设置在固定龙骨外侧是比较适宜的；防水层设置在外侧将对龙骨体系起到更好的防腐保护，提高幕墙龙骨的使用耐久性。而在内陆等对防腐环境要求不高的情境下，防水层采用镀锌防水钢板或防水透气膜更具性价比。防水透气膜一般铺在外墙保温层外侧（图6），其兼具防水和排出建筑内部潮气的特点，能够有效避免墙体霉菌或冷凝水的产生。防水透气膜本身轻盈柔韧、耐磨抗老化均较好，但防火性能较差，建议对其作满足规范要求的材料防火等级的适应性处理，否则不建议使用。

图6 防水层设置在墙面保温外侧

开放式幕墙防水及细节设计建议

1）应避免内侧防水层“积水”或排水路径过长

“积水”或排水路径过长会对内侧防水层的严密性造成巨大考验，一旦施工局部密封不到位或失效，极易导致渗漏，因此应在设计环节进行充分考虑并采取相应设计措施予以避免。如图7所示，为避免立面雨水倒灌至墙面玻璃窗部位，应在前端进行断水排水设计，让雨水快速排到室外。当立面为大面积开放式幕墙时，建议每3个层高左右设置1道水平截水，让区域内的雨水能够迅速有效排到室外，这一划分若干防水单元的措施也有助于后期锁定渗漏部位。

图7 施工图设计方案

需要特别注意的是，在严寒或寒冷地区，积水、积冰产生的冻胀会对幕墙构件构成严重损坏，设计时必须采取相应措施予以避免。

2）防水层密封设计应便于施工现场质量控制

一般内侧防水板设计均采用平板相互搭接的方式，且要求自下而上施工，上下层有一定的搭接距离，比如100 mm。从雨水批水角度考虑，顺水搭接设计是有利的，但未考虑防水板横向搭接以及实际复杂项目施工顺序的问题。在实际案例中，经常出现搭接密封不到位的现象，如搭接密封胶涂抹宽厚比难以满足搭接缝变形要求，造成热胀冷缩等变位情况下密封胶撕裂，防水失效。

建议防水板设计采用正常折边打胶密封设计，让密封胶满足一定厚度和宽厚比要求，确保防水板变位情况下密封胶不产生拉裂，同时也可避免对防水板施工顺序的要求。对于穿越防水层部位应采取至少2道防水措施（图8），内侧采用密封胶密封，外侧加强1道弹性丁基胶带密封，做到有备无患。

图8 防水设计细节建议

3）注重内部空间通风除湿能力设计

幕墙面材与防水层之间所形成的“等压腔”前后距离不宜过小，应至少大于20 mm。此数值参照德国标准DIN 18516—1999《背部通风外墙饰层 第1部分 要求和测试原则》中幕墙面板背部通风空间最低要求的规定，否则难以形成有效的空气流动。在实际工程中，还应根据幕墙所处风环境和面板接缝设计具体情况确定合适的通风层间距要求。

此外，内侧刚性防水层阻断了其与墙面间的水蒸气、潮气向室外的散发，建议在防水层设计时适当考虑潮湿水汽的排出，保证封闭空间的干燥性。

4）不可忽略内侧防水板的抗风压设计

由于板缝开放，幕墙背后的防水衬板将直接受到风力的作用，尤其在风压较大地区，不充分考虑风荷载可能会造成内侧防水板因风力过大而发生撕裂，进而产生漏水。因此，内侧防水板应考虑风荷载下的承载力设计。由于内侧防水板所承受的风荷载比较复杂，目前没有明确的规范取值方法及要求，建议试验并进行专项技术分析论证确定，否则建议采用与外部面板相同的风荷载取值。

5）开放式板缝形式建议根据不同气候地区环境进行适宜选择

在夏热冬冷及夏热冬暖等地区，因冷气使用时间相对较长，利用开放式幕墙“等压腔”的“烟囱效应”来降低外墙表面温度可达到较好的节能效果，因此采用完全开缝式或搭接遮挡式比较合理。而对于严寒或寒冷地区，因采暖时间长，应尽可能利用“等压腔”的“温室效应”来减少室内热量的散失。因此，对于冬季有保温要求的地区，板缝尽量选择组合嵌密封条形式，并在幕墙的顶底部位设置一定活动的进出风口，形成灵活通风空间，提高建筑节能效果。

开放式幕墙防水设计创新实践

浙江平湖博物馆项目紧邻浙江平湖市市政府南侧（图9），建筑立面实体部分采用大面积米黄色人工斧凿带凹槽肌理石材（50~80 mm厚），石材全部采用开放式幕墙系统形式。

图9 浙江平湖博物馆效果图

幕墙施工图采用如图10所示的常规开放式石材幕墙设计：在钢框架外侧铺设防水铝背板，防水层由下向上施工、相互搭接衔接；外侧石材铝合金挂件通过穿越防水层的不锈钢螺栓进行固定；幕墙立柱横梁一端采用焊接，一端采用钢角码及螺栓连接。

图10 施工图开放式石材设计方案

设计方案对施工实际落地不利的方面主要如下：1）钢结构本身精度无法满足高精度要求，防水板封闭后，石材前后无法进行水平进出调节；板块之间的平整性无法控制；单块石材重量约80 kg，施工安装十分困难。2）防水层被数万个固定螺栓穿透，对防水密封构成严峻挑战；防水效果受安装工人素质影响大；由下向上施工顺位搭接的方式与现场实际施工条件不符，安装功效低；叠加建筑的复杂性让开放式防水设计变得极不可靠。3）如果为满足水平调节而在防水板外侧增加连接固定角码，结合本工程石材超厚超重，横梁大偏心必然会造成石材面板“垂头”现象。4）龙骨焊接量较大；由于项目处于临海地区，盐雾气候下的防腐能力显得尤为重要，焊缝部位容易腐蚀的特性及防水铝板预先穿孔对工程防腐可靠性相当不利。

考虑到原先方案的隐患重重，且博物馆一旦产生漏水将产生难以估计的损失，我司对开放式石材幕墙系统进行了二次创新设计（图11）。目标是解决防水层安装调节、防水薄弱、防腐不可靠等方面的痛点，并且不带来增量成本。

图11 创新设计方案

创新设计在于采用铝合金横梁替代传统的钢横梁，将铝合金横梁设置于防水层外侧，将防水铝板直接与横梁进行固定并密封封堵（图12）。这样设计的优势在于纵向防水板可以尽量长，减少搭接胶缝；与横梁交接部位也便于有效打胶密封和质量检查，系统的防水可靠性得到了充分保障。石材面板连接支座直接与外侧铝横梁连接，其固定不会干扰内侧防水层，面板精度调节也非常方便。铝合金横梁可直接由型材厂运送至施工现场，中间无需进行任何加工；断开部位采用铝合金特制套芯进行相互衔接，节约材料运输及二次加工成本。通过在铝合金横梁预先设置螺栓固定槽口实现与立柱的快速免焊装配，提高效率的同时保障了龙骨优越的防腐性。

图12 创新设计方案实施现场照片

本工程内侧防水铝板施工结束后，现场对幕墙所有部位进行了24 h不间断淋水试验，试验结果无一处渗漏。目前此开放式幕墙系统已经配套申请了国家专利。

结语

秉持“人类命运共同体”理念，习近平总书记于2020年9月在联合国大会上做出“双碳”目标郑重承诺。建筑领域碳排放占我国碳排放总量的50%左右，建筑减排是实现我国“双碳”目标的关键。相对于普通打胶密封的幕墙，开放式幕墙在面材表面长久自洁、板缝细节品质效果、降低建筑能耗等方面有着诸多优势，但也更易发生渗漏。浙江平湖博物馆项目开放式幕墙，其防水设计创新性采用铝合金横梁替代传统的钢横梁，将铝合金横梁设置于防水层外侧，将防水铝板直接与横梁进行固定并密封封堵，取得了较好的防水效果，可供同类项目参考借鉴。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院.玻璃幕墙工程技术规范：JGJ 102—2003[S]北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2] 江苏省住房和城乡建设厅.建筑幕墙工程技术标准：DB32/T 4065—2021[S].江苏：江苏凤凰科学技术出版社，2021.

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