幕墙雨幕原理

雨幕原理及其在幕墙上的应用孙立雄（ecoFacade易科幕墙顾问）摘要：幕墙设计应遵循雨幕原理，而非等压原理。关键词：雨幕原理（RainscreenPrinciple）；等压原理（PressureEqualizationPrinciple）；开口外层；中间空腔；密封内层；静压；动压在建筑幕墙行业中，雨幕原理（RainscreenPrinciple）众所周知，也被广泛采用，是人类经过漫长摸索总结而来，虽然在1963年才被正式命名记载并推广，但它的应用其实已经有几千年的历史，譬如三千年前就出现的瓦屋顶和屋檐。雨幕原理是一种消除建筑外部雨水渗漏的方法，一般由开口外层、中间空腔和密封内层组成。开口外层是主要防水层，隔绝了大部分雨水，只有少部分雨水进入中间空腔淋到内层表面，并及时排出，中间空腔起到缓冲外部环境包括雨水对密封内层的影响，内层全部密封，阻止空气和越过外层的雨水进入室内，密封程度是决定幕墙气密和水密性能高低的关键。在日常生活中，当我们撑伞避雨或在雨棚下避雨的时候，雨伞（雨棚）是开口外层，阻挡大部分雨水，身上的衣服就是内层，阻挡少部分越过外层的雨水和风，雨伞（雨棚）、身上的衣服和他们之间的空间就形成了一个雨幕系统。雨幕系统相比外层直接打胶密封有以下优点：1）由于外层的遮蔽作用，内层密封层的胶或胶条不直接暴露于阳光和大量雨水中，可极大地改善内层密封胶或胶条的工作环境，延长其使用寿命。2）外层的开口使得密封层两边的气压差减小。3）内层密封层打胶不需顾及美观，因此可减少刮胶对已注胶缝的影响。雨幕原理在幕墙上主要应用于两种情况：一.应用于面板应用于整幅幕墙的面板系统是典型的雨幕系统，如开放式石材或铝板等金属板幕墙及外循环双层幕墙，其构造比较直观清晰，易于理解，外层开口面板阻止大部分雨水进入，内层面板（如铝板、镀锌板或玻璃）接缝处全部打胶密封，内外层之间有一定间隙的空气层，少量淋在内层的雨水将在自重作用下流下从开口处排出，因外层开口而流动的空气也会将内层上的水风干。二.应用于板块接缝这种情况较为复杂，以铝合金单元式幕墙最为典型，由于不如第一种情况直观，多数人对雨幕原理在这儿的应用认识不清，通常与“等压原理（PressureEqualizationPrinciple）”相混淆，国内国外均存在误解。“等压原理”是有人从雨幕原理衍变得来并广为流传，有的人认为是雨幕原理的别名，有的人则认为类似雨幕原理但有所区别，在该原理指导下，强调空腔与外部等压或多腔时空腔间等压，专注于如何用“等压腔”实现“等压”，从而“消除”雨水渗漏的动力，然而，事实上等压是无法实现的。2008年纽约的一个建筑协会举办了一场雨幕原理对“等压原理”的辩论会，虽然辩论到最后双方仍各执己见，但持等压观点的一方也承认在十几年的研究和实验中，即使将空腔分成了很多小隔间仍达不到真正等压。为什么无法实现等压？简单地说是因为外部风压主要是由风的运动引起的，风的速度和方向时时刻刻都在变化，因而同一位置，风压不停变化，同一时刻，各处风压各不相同，腔内压强随外部变化但滞后，并且各处也各不相同，变化不定，而且正是因为有压差才会使得腔内的压强随腔外气压变化，因此腔内外气压永远不会相等。从微观来看，空气压强是由大量空气分子运动碰撞在物体表面产生的，可分为静压和动压，合称为全压。静压是由空气分子热运动产生的，大小与空气密度、温度成正比，无方向性。动压是由于空气流动（风）而使得空气分子具有机械动能，与速度平方成正比，其值恒为正且具有方向性。外层雨幕开口减小了温度和密度造成的空气压力差（静压），但空气流动而产生的动压才是作用在幕墙上的主要的压力差。当中间空腔内空气的密度、温度与外界一致时，内外空气分子所产生的静压相等，但因空气流动而具备机械动能的外部空气分子，不断由外层开口进入空腔，与腔内动能较低的分子碰撞，传递机械动能，并因分子间相互碰撞而继续向空腔深处空气分子动能小的地方运动，由于能量碰撞传递损耗、分子间摩擦、边界层粘性以及腔内紊流作用，空气分子机械动能逐渐减小，产生的动压也随之减小，表现出来便是内外形成压差（动压差），因而产生气流，由外部从开口处吹向中间空腔。只有在腔内外空气密度、温度相等（静压相等），完全没有风没有空气流动（动压为零）的情况下，内外压强才会一致，只要外部有空气流动就会形成动压差，因而无法实现等压。在实际应用中，铝合金单元式幕墙最外面的披水胶条或扣盖是开口雨幕，阻止大部分雨水进入，后面几道相互插接的铝型材臂和胶条构成数个空腔，然而，不管有多少个空腔，大多数铝合金单元式幕墙内层却没有一道胶条彼此交圈连接，构造上没有实现完全密封，多多少少存在漏气现象，在风雨天，水雾便跟随气流从开口处进入第一个空腔，在动压差作用下又从缝隙进入第二个空腔，进而进入室内，当水分子充满空腔、密度足够大时便连续进入室内，在室内漏风处便会形成水珠或漏水现象。由于很多设计师只着眼于设计“等压腔”，而在设计环节上忽视了利用胶条形成连续密封，更不注意单元板块在加工和安装两个重要环节时胶条的连续性，胶条随意剪裁，参差不齐，很多都短一截，彼此交接不上，更谈不上连接，工地安装后必然漏气，漏气便可能漏水，有的设计在最内层的十字接口处放置海绵，确实能过滤部分水分子和减低漏风风速，但始终未能全部密封铝型材构造造成的胶条不彼此连接形成的缝隙，彻底解决问题。在幕墙性能检测中，气密水密性能测试有静态测试和动态测试两种，静态测试是通过增加或减小空气密度来提高或降低空气压力（静压差），而动态测试则是通过引擎驱动空气赋予其动能而提高空气压力（动压差）。有些人认为动态测试更加严格，其实不然。在两种测试外部气压相等时，动态测试中铝型材腔内的气压会因动能减小而低于外部气压，而静态测试中铝型材腔内的气压会等于外部气压，因为空气密度一致，这就意味着静态测试中空腔与室内的压力差大于动态测试的，因而从气密水密性能测试的角度来看静态测试更加严格。动态测试比较接近实际情况，也更适用于检测遮阳架和突出构件等结构性能，但不方便检测负风压情况。大部分铝合金单元式幕墙之所以气密和水密达不到高性能，就是因为内层不密封，如果内层能连续密封，哪怕只有一个腔，气密和水密也能达到很高，相反，如果没有一个连续密封内层，即使多做几个腔，尽管空腔间压差会减小，但空隙间形成气流后也照样会渗漏。因此，按照“等压原理”的指导思想去一门心思地设计“等压腔”的思路是不正确的，该名称本身也会误导很多对内容认识不清的人走上追求“等压”之路。在幕墙中我们真正应用的是雨幕原理，强调的是内层的密封，而非中间腔的“等压”。另外，开启窗和门的铝型材接缝也是应用了雨幕原理，甚至有些明框框架式幕墙也是如此，利用外部扣盖和胶条形成开口外层，内部玻璃边与铝型材壁打胶形成连续密封内层。总之，要构筑一幅高密封性能的幕墙，按雨幕原理设计一道连续密封的内层是关键，在加工和安装单元板块时要确保实现内层连续密封，如果在加工和安装时不注意密封细节，设计得再好也功亏一篑，而且将来渗漏维修也会极其困难。