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玻璃幕墙防水密封结构设计与试验广东亚洲国

发布时间:2019-11-10 21:03:32

玻璃幕墙防水密封结构设计与试验——广东亚洲国际大酒店建筑幕墙工程设计技术总结

内容摘要:构造防水(等压腔防水)在理论上是最有效的最有保障的防水措施,在玻璃幕墙上应用是业内关注的问题。目前成功地采用构造防水的玻璃幕墙工程设计实例不多,本文主要介绍广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙设计过程中的思路和应用构造防水的过程,虽然几经波折,但最后还是成功的。一、工程概况 广东亚洲国际大酒店位于广州市中心的环市中路,建筑物50层(其中地上47层),建筑物地面上高度171m。广东亚洲国际大酒店始建于1993年,是当时广州市最高的建筑物之一(建筑高度仅次于中信广场和广东国际酒店)。 工程所选用的均为高档材料:铝合金型材采用深圳华加铝业有限公司的产品,幕墙玻璃采用法国圣哥本公司的产品(Cool life系列SS408及SS508),结构胶及耐候胶采用美国道康龄公司的产品(DC 983及DC 793),石材采用加拿大的金水晶和金贝利石材(意大利加工);开启窗配件采用法国飞高牌单控多点锁和英国的固力牌铰链。 建筑物的1~9层为裙楼,外墙以玻璃幕墙与干挂石幕墙为主,10~43层为主楼,外墙以玻璃幕墙和铝板幕墙为主;44层以上为旋转餐厅,外墙以全玻璃幕墙和铝板幕墙为主。建筑物的外墙面积约5万m2,其中玻璃幕墙占60%,铝板幕墙占23%,干挂石幕墙占12%。建筑物的立面是变化多样的,她已拼弃了以往全部由玻璃幕墙构成外墙的玻璃盒子的格调,建筑师通过运用多种外墙装饰面板材料的有机组合,使建筑物的立面与建筑物的体型更协调,更有现代的气息。(建筑物的外形如图1),从图片中可以看到外墙中玻璃幕墙占主导地位,铝板幕墙和干挂石幕墙将玻璃幕墙分割成若干个小板块,而在每一块玻璃幕墙又同时存在着横明竖隐.竖明横隐或全隐多种结构形式,形成一个远看是由铝板幕墙(或干挂石幕墙)构成的大框架,近看又可看出纵横交错的铝合金装饰线。这样,外立面是丰富了,好看了,但对于建筑幕墙的设计和施工的难度却增大了,因为在不同形式的幕墙中比较难做到建筑幕墙的各项性能协调统一。 由此可见,业主对幕墙工程的要求之高,因此除国内有关的单位进行施工监督外,业主还特别聘请了香港帷幕墙技术专业顾问有限公司对工程的幕墙工程设计进行监督。二、幕墙性能的要求及分析 我公司是从1995年下半年开始对广东亚洲国际大酒店的建筑幕墙进行设计的,由于当时尚未有建筑幕墙国家和行业标准规范(现行的《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-96)和《建筑幕墙》GB3035-96)是从一九九七年开始执行的)所以设计是根据中国建筑装饰协会铝制品委员会的《玻璃幕墙》(产品标准)(LXB-001)而进行的,同时参考了广东亚洲国际大酒店工程在西飞试验中心进行的风洞试验数据进行风荷载计算,选取两种计算方式的较大值,并征得建筑结构设计工程师的同意,建筑的各部分风荷载的取值为: 根据《建筑幕墙物理性能分级》(GB/T15225)定级的原则,玻璃幕墙的抗风压性能属于Ⅲ级,其雨水渗漏性能相应取为Ⅲ级(固定部分1000Pa~1600Pa);空气渗透性能取为Ⅲ级(0.05~0.1m3/m·h)。风压变形性能、雨水渗漏性能和空气渗透性能是建筑幕墙三项基本物理性能。这三项基本物理性能都会直接影响到建筑的整体质量,但各项物理性能对建筑的整体质量影响的程度会受到建筑所在地的地理气候环境影响,而控制和解决的方法和难易程度也各自不同。 风压变形性能是对建筑整体质量影响最大的物理性能,也是建筑幕墙有关的标准和法规所重点针对解决和使用者最为关注的安全问题,但有比较系统和精确的计算方法,结构设计可以得到保证。 空气渗透性能对建筑整体质量的影响较小,过量的空气渗透只会造成空调能量的损失,根据以往对幕墙设计和施工的经验,空气渗透性能是一个较易得到保证的性能。 雨水渗漏性能(简称水密性)是最难控制、最难计算和预计的,过量的雨水渗漏会影响室内的舒适环境和损坏装修材料,严重影响人们的正常生活,如何提高幕墙的水密性,是幕墙设计和施工过程中最难解决的问题。与幕墙雨水渗漏有关的气候因素主要是暴风雨时的风力和降雨强度,在确定幕墙水密性指标时,应按照建筑物所在地的风雨气象资料和建筑物本身的重要性,合理地确定幕墙雨水设防的漏水危险率及相应的风速,然后根据有关公式计算出水密性的压力差值。我国行业标准《建筑气象参数标准》(JGJ)和广东省标准《建筑气象参数标准》(DBJ)中所给出的只有年平均、一日最大、一小时最大、十分钟最大降雨量和30年一遇10min平均最大风速,最大风速和最大降雨量同时出现的概率在不同的地区是不同的,广州市属于台风地区,有较高的同时出现的概率。根据水密性定义计算方法,水密性的压力差值(P2)为: 从计算结果来看,幕墙水密性指标应属于Ⅲ级。可以说广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙的水密性取为Ⅲ级是合理的。 三、造成幕墙漏水的原因及各种防水方法的工作原理 雨水、缝隙和作用力是幕墙漏水的三个要素。只要在某一处同时出现这三个要素,就会造成漏水。如何减少漏水,控制漏水和解决漏水这一问题,亦应从这三要素着手:A,雨水:出现雨水是必然的,但可以在可能有缝隙的部位设置挡水板来减少雨水接触缝隙的机会。B,缝隙:应在缝隙位置填充密封胶。C,作用力:作用力包括有重力、毛细现象、水的冲击、表面张力、空气流动、压力差等。各种作用力在不同的条件下都可能成为漏水的要素。(如图2) 建筑幕墙的防水措施可分为堵塞防水和构造防水两种方式: 堵塞防水就是利用密封胶将缝隙填充密封,这一方式是构件式幕墙中最常用的密封方法,是较为有效的密封方法,但它受到多方面的因素影响,如:两侧基材的表面粗糙度、密封胶在空气中需承受紫外线的照射而造成的老化、温度变化及建筑的位移而产生的变形,密封胶本身的质量和气泡、新旧密封胶的交接位置等等。同时由于幕墙室外侧与幕墙中腔和压力不同,导致进入了幕墙中腔的水很难排出,在中腔内越积越多直至溢出至室内。(堵塞防水工作原理如图3) 构造防水亦即等压腔防水,就是在幕墙构造内形成水密介面和气密介面,并令到两个介面之间的空间与幕墙室外侧的压力相等。气密介面一般设于玻璃组件与幕墙框格室内恻之间,水密介面设于幕墙的外侧,一般设有排水通道和压力平衡孔。这种方法一方面在中腔和幕墙外侧设有排水通道,可将进入中腔的水安全、快捷地排到室外,另一方面亦将密封材料移至幕墙靠室内一侧,大大减缓密封材料的老化图一速度。在幕墙结构中形成一个有水的地方没有压差,有压差的地方没有水的局面,可大幅度地提高幕墙的水密性。也可以大大减少多种施工不利因素的影响。同时亦可缩小在三性能试验(足尺型式试验)中取得的水密性和工程的实际防水能力的差距,可以说,等压腔防水是比较有效的密封防水方法。等压腔防水在理论上是可靠的,但由于受到幕墙的结构形式、系列尺寸、材料配件、加工工艺和施工手段等诸多因素的影响,在实际应用过程中是存在着一定困难的。(等压腔防水工作原理如图4) 四、玻璃幕墙防水密封结构设计与试验 广东亚洲国际大酒店外墙的建筑幕墙主要有三种形式:玻璃幕墙、铝板幕墙、干挂石幕墙。铝板幕墙和干挂石幕墙是全隐框的结构形式,有较好的密封条件和平直的接触面,只要对填充密封胶工序稍加注意,并且在其与玻璃幕墙交接的部位做好隔断,在铝板幕墙和干挂石幕墙中获取—较高的水密性等级不是一件难事。(防水隔断层如图5) 玻璃幕墙由于是由或明或隐多种组合形式的,所以决定了玻璃幕墙的外侧面没有一个完整平直的密封胶接触面,同时,又由于玻璃幕墙与室内空间有一个跨越多层的,较大的接触面,很难避免进入幕墙内部的水到外流窜而造成检修的困难,所以我们在开始设计的时候,就确定了设计的方向、目标和防水设计的意念,那就是: “分层断流”和“等压排水” 在整个设计过程中,我们都是围绕着上述两个设计意念进行的。 1.分层断流 分层断流就是在幕墙结构内部设置有效的断流层,将幕墙分为纵向的若干个独立的防水区域,其目的就是利用断流层将进入幕墙结构内的雨水隔断并排出室外,避免进入幕墙结构内部的雨水到处流窜,造成万一出现漏水现象时,不知问题出现在什么地方而增加检修的面积和难度。 本设计根据玻璃幕墙每隔数件玻璃就有一道横向明框装饰线这一立面特点,并加以利用。在横明框的水平线上,设置断流层,断流层的主体部分是用横梁中的挡水板构成的,但其在立柱位置(即横梁接头处)出现一道宽约80mm的缺口。考虑到此部位的胶缝不可能设置过厚,而紧贴型粘接胶缝不能满足因温度变化产生的线位移和因建筑层间位移产生的角位移的变化,特意选用了基本成份与硅酮密封胶相同的硅胶,浇注成型为槽形板,并用硅酮密封胶与立柱横梁粘接,封堵了横梁接头处的缺口,形成一道柔软的、有效的、耐用的断水桥,将已进入幕墙结构内部,并将向下流淌的雨水截住,通过排水通道快捷地排至室外。(断水桥如图6) 2.等压腔防水 构成等压腔的气密介面设置在玻璃组件与框格平面之间。首先将玻璃幕墙的立柱与横梁与玻璃组件接触的部分设计成一个较为完整的平面,在立柱与横梁连接的位置留有3~5mm宽的缝隙填充密封胶并刮平,保证不会因为温度变化引起横梁的热胀冷缩而造成胶缝拉裂。其次是在玻璃小框上设置密封胶条槽 [注:本工程所选用的密封条的材质为Santoprene橡胶(热塑性橡胶),是目前最先进的密封胶条材料,在外露的状态下,抗老化年限达到20年以上]。密封胶条通过用电烙铁的焊合成为一个完全闭合的方形的密封环,在玻璃安装时密封胶条受到压缩并与幕墙框格的平面接触,构成等压腔的气密介面。 构成等压腔的水密介面设置在玻璃幕墙外侧的横向明框的装饰板上。在每根横梁外装饰板的下侧开两个φ7的排水孔(压力平衡孔),同时为了防止万一出现漏气(水时),空气在等压腔内的流速过快而带动水气,特意将横梁不同层次的排水通道缺口开在不同的位置。(幕墙的横截面示意说明详见图7) 3.第一次试验及设计的调整和修改 1996年7月4日,广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙工程在福建省厦门市幕墙检测中心进行了三项基本物理性能试验。从试验的结果看来,三项基本物理性能的试验是成功的,符合国家标准和设计的要求。其中水密性试验结果为:固定部分为1000Pa Ⅲ级(按照GB/T15228-94试验),而业主和香港顾问公司向我公司提出了更高的要求,建议我们对设计做出修改,使幕墙的水密性能有进一步的提高。 根据业主和香港顾问公司的要求和建议,我们对原设计和试件进行了详细的分析,并向更高的性能要求挑战。在对试件拆除的过程中,可以看到以下几个现象: (1)明框横梁外装饰板排水孔位置,可以看到明显的水珠(见图8)。 (2)玻璃小框密封胶条压缩量不够。 (3)玻璃小框密封胶条在转角处有多处断开。 从分析试件的几种现象可以得到以下几点判断和推测: (1)玻璃小框密封条在转角处的断开,是导致气密介面失效的主要原因。 (2)玻璃小框密封胶条的截面尺寸过小,导致密封胶条在转角处的焊合面积太小,容易在玻璃组件的搬运和安装过程中被扯断。 (3)玻璃小框密封胶条的截面尺寸过小,在玻璃组件的安装时,只要铝合金型材有少许弯曲,则胶条压缩密封不足而不能防漏气,也是气密介面失效的原因之一。 (4)明框外装饰板排水孔位置,有大量的水珠,可以证明到在试水过程中,此部位有大量的水存在或在流动。 (5)明框外装饰板的排水孔尺寸过窄,在空气流动的状态下,在玻璃幕墙表面形成连续水幕的水(4L/m2·min)封闭了排水孔,并通过排水孔源源不断地卷进等压腔内,再通过已经失效的气密介面漏入幕墙的室内侧,导致幕墙漏水。 根据上述的判断和推测,经过仔细的研究,对原设计进行以下的调整和修改。 (1)将排水孔从φ7加大至7×20mm,保证排水孔能起到其应有的作用。 (2)加大玻璃小框密封胶条的截面尺寸,将密封胶条的有效尺寸(净高度)从2.2mm增加至3.5mm。在焊合胶条时注要焊合质量,在运输过程中尽量避免扯断胶条的焊合口,安装前再次检查胶条的焊合部位是否满足设计要求。 4.第二次水密性试验及设计的调整和修改 1996年8月上旬,在广东省建筑门窗幕墙检测中心进行了广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙的第二次水密性试验。这一次检测的情况虽然较上次试验的情况要好,但仍然没有达到业主和香港顾问公司的要求,而且又出现了一个新的情况——那就是在横框的室内槽中积存着一定数量的水。(见图9)而且在玻璃组件的上角有少量的水滴。 从试件的情况可以判断为: (1)横框内槽中的水是通过压紧螺钉与螺纹孔的螺纹间隙流入到室内的,尝若试验的时间再长一点,到槽口不能容纳所渗漏的水量时,必须会造成大量的漏水。而水能够通过位置较高的压紧螺钉孔渗入到室内,很显然,证明了等压腔内仍然有雨水存在,但由玻璃小框密封胶条和幕墙框格构成的气密介面基本已达到了设计要求。 (2)玻璃组件上角渗出的水滴是由于玻璃小框接头处所涂的榫口胶开裂而造成的。 为此又采取了相应的措施对设计进行了进一步的调整和修改。 ① 进一步加大排水孔的尺寸,从7×20mm增大至15×35mm。 ② 在固定玻璃时,先在螺钉上或螺纹孔上涂防水密封胶。 ③ 以弹性较好,质地较软的耐候胶,代替较硬的榫口胶作玻璃小框接头的密封。 5.玻璃幕墙固定部分的最后试验 此后,我们又在公司内自行进行了多次试验,这些试验包括用静压试验和动压试验,随着试验压力的不断提高,每一次试验都发现新的造成漏水的原因,又针对这些原因对设计进行修改,如:因横梁跨中位置因玻璃小框的强度较为薄弱,造成玻璃小框扭曲而导致密封胶条压不紧,再次加大玻璃小框密封胶条的截面尺寸(从3.5mm增大至少4.5mm);在较高压力状态下,水从玻璃小框胶条槽底与密封胶之间渗进室内侧,造成室内有几点小水滴,设计在密封胶条转角处增加填充一小段密封胶等等,直到完全没有出现漏水为止。 最后,在业主、质监部门、监理公司和香港顾问公司的监督下,在公司内进行了一次水密性试验,试水的压力按照检测标准的要求,一直加到2800Pa,玻璃幕墙仍然没有出现漏水的现象。完全满足了业主和香港顾问公司的要求,达到了玻璃幕墙水密性的最高等级。(水密性Ⅰ级的压力要求为2500 Pa) 6.开启窗的设计与试验 工程的开启窗为70系列的镶嵌式隐框上悬窗,窗锁选用法国的飞高牌单控多点锁,平均每只窗扇设有7全锁点,分布均匀的锁点,在关窗时,将窗扇均匀,有力地压向窗框,使到窗的密封胶条有一定程度的均匀的压缩量,可以讲,在这种状态下的开启窗,本身就具有较好的水密性。尽管如此,我们在设计时,仍然根据等压防水的原理,在窗顶部位设置了一条压缩型的挡水密封胶条。 开启窗的密封胶条,进一步有效地提高了开启窗的水密性。因此,在广东省门窗幕墙检测中心进行的开启窗物理性能测试中,开启窗一次就达到了设计要求,试验等级为Ⅰ级。 7.现场喷水测试 在现场施工进行到中后期,由香港顾问公司要求并组织进行了一次现场喷水测试。这一次现场喷水测试的所有事项都是按照美国AAMA501·2—94“Field check of Metal Storonts,Curtain Walls,and Sloped Glazing Systems for Water leakage”(工地金属幕墙雨水渗漏检测)标准的要求进行的。 1997年11月6日,在多方有关人员的监督下,进行了这次现场喷水测试,所有试验的部位均没有出现雨水渗漏情况,试验结果是令人满意的。这个试验结果一方面证实了我公司幕墙施工的技术和管理实力,另一方面,亦体现了这项工程的玻璃幕墙设计的水平,同时又一次证实了构造防水设计的优点。 五、结束语 广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙工程的设计基本上是按照当时国家有关的标准和法规以及主业、顾问公司、建筑设计单位的要求进行的。尽管有些性能的要求过高(水密性等级的要求在前两次试验后,业主将原来的Ⅲ级提高到Ⅰ级),但在我们不懈的努力下,通过多次的试验和设计改进,最终还是能够通过各方面的认可和达到各项性能等级的要求。为我们公司在工程上应用构造防水迈出了第一步。 广东亚洲国际大酒店玻璃幕墙工程自1998年初完工以来,一直受到社会的关注并得到良好的反映,经历了多次暴风雨的考验而安然无恙。特别是1999年的9908号台风,是16年来又一个正面袭击广州市的强台风,风力达六级、阵风八级,其中8月23日下了239mm的大暴雨,是广州市35年来的最大日雨量,当日曾测得阵风达27.6m/s(十级风),风速与广州市30年一遇的十分钟平均风速接近。(广州市30年一遇的十分钟平均风速为27.7m/s)在如此条件下,幕墙工程一样没有发生漏水。实践证明,本工程的防水设计是过硬的。本工程所设计的铝合金型材,被华加日铝业有限公司录入其公司的产品介绍,并命名为160系列全类型玻璃幕墙,这可以说明本设计是成功的,并得到了市场的认可,为公司树立了一个良好的社会形象,取得了一定的社会效益。

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