装配式建筑外墙系统设计（1）
哈耶银行精美细致的花岗岩砖和金属板覆盖层。外墙围护（也称为围护结构）是建筑物的一部分，必须保护内部空间不受水、风、阳光、热和冷，以及所有其它自然力量的入侵。它的设计是错综复杂的过程，融合了艺术、科学，以及手艺，以解决很多困难的问题。外墙也作为建筑悖论的典型：那些暴露到我们视线内的建筑部件也因暴露而磨损和侵蚀。外墙最外面的一层是建筑物最显眼的部分，建筑师花费大量的时间来获得想要的视觉效果。它也是建筑物最易受到自然力侵袭，可能破坏外观的那部分。一、外墙设计要求（一） 外墙的主要功能外墙的主要目的是把建筑物的室内环境与室外隔离开来，以这样的方式把建筑物的室内环境条件维持在预期使用的合适水平。这将转化成的许多独立和不同的功能和要求。1、让水流出外墙必须防止雨、雪，以及冰等进入建筑物。这个要求是错综复杂的，事实是建筑物表面的水经常受到高速和高压风吹，风不只是向下吹，而是每个方向都吹，甚至是向上吹。高层建筑的水问题是特别严重的，而且高处风速要比地面高很多。在大暴雨期间，必须要从高层建筑的迎风面排掉巨大的水量，并且水会被风吹的堆积在缝隙处，并紧挨着突出的竖框，在那儿水很容易渗透进细小裂缝或孔中，并进入建筑物。我们应该认真考虑让水流出的方法。
图1正在安装铝、不锈钢，以及玻璃幕墙覆盖层的钢材骨架芝加哥办公建筑。注意钢材骨架的对角风支撑。
图2芝加哥里莱恩斯大厦的幕墙，建造于1894-1895。已经采用白色陶瓦作为拱肩。1、防止空气泄漏必须防止建筑物的外墙无意识的在室内和室外之间漏气。大体上就是控制住建筑物内部的风速。很小的泄漏都是有害的，因为他们浪费调节（加热或制冷）空气，携带水穿过墙，允许水蒸汽在内侧墙上冷凝，并且允许室外噪音穿透建筑物。建筑规范要求建筑围合的气密性更加严格。密封剂、密封垫、密封条，以及各种类型的气密膜都是用来防止空气穿过外墙泄漏的。3、控制光建筑物的外墙必须控制光穿透，特别是阳光。阳光是热的，可能受欢迎，或不受欢迎。阳光是有利于照明的可见光，但是如果它照进建筑物里晃眼就令人讨厌了。它包括必须让有害的紫外线波远离人类皮肤，并且远离内部材料，以免引起褪色和恶化。应该放置窗户，并考虑窗户比例。外墙系统有时还包括让光和太阳热避开窗户的外部遮阳装置。经常选择窗户上的玻璃来控制光和热。为了进一步控制，可以增加内部遮阳、窗帘，以及帘子。2、控制热辐射在调节太阳的辐射热流量方面，建筑物的外墙内表面温度也不应该导致辐射不舒服。当人靠近墙时，即使建筑物里的空气是温暖的舒适水平，很冷的内表面也会使人感到冷。尽管室内空气凉爽，热的内表面或直接照射夏季阳光都会引起身体过热。外部遮阳装置，足够的热保温和热断桥，以及适当选择的玻璃都是潜在的控制热辐射的战略。4、控制热传导建筑物的外墙必须能抵抗热传导进、出建筑物。这个要求不仅仅是令人满意的全面阻挡墙传导热，也避免热桥，像金属骨架构件这样的墙部件就高度的导热，因此可能会在表面引起局部冷凝。热力保温、适当的玻璃，以及热断桥都可以用来控制热传导到外墙。正如限制热传导一样，也正如控制水在冷的内表面冷凝一样，建筑规范规定了墙部件的最小热阻值。3、控制声音外墙把建筑物的室内与室外噪音隔离开，反过来一样。通过密封、厚重，以及有弹性的墙来获得良好的噪音隔离。根据建筑物的不同，每种建筑物要求的噪音隔离程度也不同，这取决于室内外环境的噪音水平和噪音偏差。靠近机场的医院外墙需要高水平的噪音隔离。郊区商业办公室停车场外墙不需要执行这么高的标准。（一） 外墙的第二功能实现外墙的主要功能要求不可避免的会影响到第二功能，但是实现第二功能同样重要。1、抵抗风力建筑物的外墙必须使足够强壮和刚性，以支撑风在其上面产生的压力和吸力。对于低层建筑物，暴露到相对可预报的风，这个要求相当容易得到满足。高层建筑物的上面几层承受的风的方向和速度都常常受到周围建筑物的空气动力学影响。高吸力可能发生在外墙的一些部分，特别是靠近建筑物的拐角（图3）。
图3在高层建筑物的覆盖物上预测的正风压和负风压的例子，这儿显示的是立面，是根据风洞实验预测的。在这个案例中的建筑物是64层高，并且是三角形布局。注意，高负压（吸力）可能发生在正面的上层区域。在建筑物上的风压取决于许多因素，包括建筑物的形状、它的朝向、地形地貌、风向，以及周围的建筑物。每栋建筑物都必须分别建模和试验，以确定他预期要经历的压力。2、控制水蒸气建筑物的外墙必须阻止水蒸气穿过。在夏季炎热和冬季寒冷时，蒸汽运动穿过墙组件可能在组件的内侧冷凝，并且引起褪色、保温值损失、金属腐蚀，以及木材腐烂。为了防止水蒸气转移到墙部件里，在那里水蒸气可能冷凝，必须要把外墙建造的抵抗水蒸气的扩散，并且要限制包含水分的空气的泄漏。3、调节运动几种不同种类的力总是始终作用在建筑物上，推拉骨架和外墙：热膨胀和收缩、湿气膨胀和收缩、以及结构扰度。必须预先考虑到这些力，并且考虑设计一个系统建筑物围合。（三）热膨胀和收缩建筑物的外墙必须接纳几个等级温度变化带来的移动：由于外挂板内侧和外侧表面不同的膨胀和收缩，室内/室外温度差可能引起外挂板翘曲，（图4a）。外墙作为一个整体，裸露到室外温度变化中，不断的膨胀和收缩，通常是由外墙来保护建筑物骨架免受极端温度影响。并且建筑物骨架自身膨胀和收缩有时也很大，特别是在外墙安装期间和建筑物第一次居住期间，此时它的室内温度是受控制的。（四）水分膨胀和收缩石材和混凝土外墙材料必须适应他们自身水分含量的变化引起的膨胀和收缩。砖和建筑石材在安装之后一般膨胀轻微。在一栋建筑物安装之后，凝固和释放掉多余的水分，混凝土砌块和预先浇筑混凝土收缩轻微。这些运动很小，但是却能够逐渐累积，并且可能在石材或混凝土板的长度和高度上累积令人讨厌的数量。在较小的建筑物里，木材挂板部件是最容易受到水分运动影响。（五）结构运动在建筑物骨架里，外墙必须调节结构运动。建筑物基础可能下沉不均匀，引起骨架的扭曲。重力缩短了柱子，并且影响到固定外墙系统的梁和大梁轻微下沉。风和地震力从侧面推动建筑物骨架，并且破坏固定面层的板材。在建筑物寿命的第一年或第二年期间，长期蠕变引起混凝土柱子显著的缩短，并且引起混凝土梁和混凝土板的下沉。如果由于温度差、水分差、结构应力，以及允许在骨架和外墙之间蠕动，而使得建筑物运动，就可能发生想不到的事情。墙系统部件可能会遭受意外的力，导致打碎玻璃，挂板扣件密封故障，以及损坏挂板附件（图5）。在极端情况下，可能是外墙最终支撑建筑物骨架，而不是相反，或挂板可能从建筑物上掉下来。很明显，处理移动的许多规定都来自所有这些原因。（六）耐火建筑物的外墙可以以几种方式与建筑物着火互动。这将导致许多建筑规范规定都涉及建筑物外墙系统的施工。（七）虽经风化，任然优雅为了维持建筑物的外观质量，它的挂板必须虽经风化，任然优雅。不可避免的有泥土和污垢积累，但却没有条痕和擦伤。必须制定维护运行的功能规定，例如玻璃和密封胶更换，以及定期清洁，包括为窗户清洗者安装脚手架支撑和安全设备固定点。挂板必须耐氧化，抗紫外线，有机材料的损坏，金属部件的腐蚀，空气污染的化学侵蚀，以及石材、砖、混凝土、混凝土块和瓦的冻融损坏。（八）外墙安装要求外墙系统应该容易安装。应该有牢固的地方供安装者站立，最好是站在建筑物的楼面上，而不是站在室外脚手架上。在外墙系统到骨架的所有紧固部件中，必须有嵌入式调节机构，允许建筑物结构骨架上，以及墙部件自身正常出现的误差。必须提供尺寸公差，允许墙部件插入建筑物，而不和邻近的部件发生干涉。并且最重要的是，必须有宽容的特色，要具备无故障围合功能，不管发生什么不可避免的工艺失误——例如，一旦出现错误的密封接缝，或安装的玻璃有轻微歪斜，在薄玻璃和骨架硬材料接触的地方留有的宽大边缘间隙都会泄漏水分，这时，排除水分的气障和排水管道特色就管用了。
图4在插图横截面里显示了幕墙板的扭曲。（a）在这个案例里，是因为在炎热夏天条件下，阳光板的外侧皮肤比内侧皮肤热膨胀大而引起弓起。（b）因为幕墙的重量引起外墙托梁翘曲。
图5立面插图显示了建筑物骨架移动在幕墙板上产生的力。在六个例子中，左边的图显示建筑物全部骨架的移动，右边放大图显示覆盖建筑物一跨的幕墙板（灰色阴影）的重要性。在横截面里显示了板和骨架之间的固定点。黑色箭头指示了墙板上由结构移动引起的力。为了清楚，夸大了巨大的结构移动，并且一些不妥当的固定设计证明他们的重要性。对于这样一些力，如果在设计中不考虑骨架和挂板，就可能导致玻璃破碎，板损坏，以及板和骨架之间的固定故障。在外墙系统中考虑可持续性对许多建筑物来说，外墙消耗的能源大于其它任何因数的影响。差劲的，设计成全玻璃箱子式的建筑物在冬季损失大量的热，在夏季获取大量的太阳热。无差别表面显示，设计师没有意识到朝向对于能源通过建筑物墙壁的影响。■玻璃应该用于需要采光和提供观景的地方。如果不能有效遮阳，就会发生夏季过热，或者当太阳在天空中的位置很低时，居住者可能遭受过度的强光照射。■在许多建筑物中，窗户可以打开和关闭，可以有助于居住者减少能源费用。■外墙不透明区域应该做好保温。■应该避免外墙热桥。■整个建筑物围合都应该仔细设计密封。应该由建筑物的通风系统来提供新鲜空气，不要让外墙泄漏空气。■在适当的地方，南面玻璃可以用来为建筑物在冬季提供太阳热，但是必须要小心，避免出现暴露在阳光下的强光照射，局部过热，以及紫外线恶化内部表面或家具。■光电池是非常经济的，应该考虑用在外墙的南面以产生电能。二、外墙气密性概念方法在详细设计的防水外墙中，我们从安全理论基础着手，陈述如下：水要想渗透进墙，必须同时满足三个条件：1、墙的外侧表面必须要有水。2、必须有开口能让水移动穿过。3、必须有力来移动水穿过开口。如果没有满足这些条件中的任何一个，墙就不会泄漏。下面建议三个概念方法，使得墙不漏水：1、我们可以保持让水完全离开墙。很宽的屋顶悬挑就可以保持一或二层墙（一、二层的低层建筑）在大多数情况下干燥。然而，当设计高层建筑物的外墙时，我们必须用它自己的小屋顶来遮蔽每一处开口——这常常是不现实的选择——否则墙就会弄湿。2、我们可以试着消除墙里的开口。我们可以很小心的建造，用薄膜、密封胶或垫圈来密封墙里面每一个接缝，试图消除每个孔和裂缝。这个方法称之为“屏障方法”，如果做得好就相当不错，但是，它有自身问题。在由密封接缝部件组成墙时，接缝未必是最好的（大禹治水，讲究的是“疏而不堵”）。如果表面有点潮湿、弄脏。或油腻，密封胶就可能黏不住。如果工人不会抹密封胶，或抹的远没有达到最终接缝要求的量，他或她就可能抹不好接缝。即使接缝都被制成完美的，但是建筑物移动可能撕裂密封胶或把它拉扯掉下来。因为在这个方法里，密封胶是在建筑物的外侧，它是裸露到阳光、风、水和冰的全部破坏力中，并且可能因侵蚀而过早失效。并且无论什么原因引起密封胶失效，由于密封接缝是在墙的外表面，它是很难检查和维修的。因此，在实际上，屏障墙方法证明是不可靠的。针对这些问题，外墙设计师们经常使用内排水战略，或第二道防线，接受不确定的外部密封接缝，在墙里提供内排水通道来带走任何泄漏或冷凝的水，并堵住密封接缝，把水排到内排水通道里。普通的砌块空腔墙饰面就是这个战略的典型例子：空腔泛水，以及滴水的洞，构成一个内排水系统，通过表面砖进来的任何水分都会通过这条通道排除掉。内排水系统是市场上每个金属玻璃幕墙系统的重要部件。3、我们可以试着消除或使所有能够移动水通过墙的力无效。这些力有5种：重力、动能、表面张力、毛细作用，以及空气流动（图6）。只有当墙含有向着建筑物内倾斜，而不是向外倾斜的平面坡度，重力就是把水拉进墙里的力。通常最简单的就是在外墙系统详图设计中不要有这样的向内倾斜的平面存在，不管设计师做出多大的努力，但有时松动的垫圈或不匹配的密封胶都可能产生一个向建筑物内倾斜的平面坡度。只要当瓢泼大雨正好朝着贯穿墙的狭槽或孔吹刮，瓢泼大雨的动能可能把水驱动进墙。通过在墙上每个接缝处加盖子，或为每个接缝设计一个简单的迷宫，就很容易使动能失效。水的表面张力导致它粘附到覆盖部件的下侧，把水卷进建筑物里。排除这一问题的简单办法就是让水滴挂在任何下侧表面上，让水粘附在那儿。毛细作用是表面张力影响，水滴可能达成一个桥，拉水通过任何开口。让水转穿过石材墙的毛孔是主要的力。使墙里每一个开口比可能形成桥的水滴宽（而不是窄），让入口处的水通过墙，如果这样不可行，或不令人满意的话，可以在开口内侧提供一个隐藏的防水槽。在像砖这样的透水材料里，可以通过施加看不见的硅基水剂涂层，破坏水和砖孔壁之间的粘附力，以抵消毛细作用。在前面段落里描述的四种解决方案是容易实施的。采用相对直接了当的节点几何控制，就可以避免五种力中的四种力所引起的，让水移动穿过墙里的开口而泄漏（按照大禹治水的方法——“疏，而不是堵”）。第四种力是墙水密性设计中最难处理的风流力。我们可以通过采用压力平衡墙设计来消除风流力。
图6五种力都能使水穿过墙里的开口，左边为室外的横截面插图作了示范。每对图都首先显示了幕墙板之间的水平接缝，在那里的力引起水泄漏进墙里，然后是一个可选的消除这个力的接缝设计方案。通过向室外倾斜的斜坡接缝来避免重力引起的泄漏；斜坡称为“冲刷”。如图显示，采用简单的迷宫就可以防止动能泄漏。这儿显示的滴水和防水槽是作为挡住表面张力和毛细作用这二种紧密相关力的泄漏手段。在接缝的室外和室内之间的空气压力差将导致空气流动，可能让水穿过接缝。如图显示，采用压力平衡腔（PEC）封闭接缝后边的区域可以阻止水泄漏。当风击打建筑物表面时，穿过接缝的微小的空气移动都会提升压力平衡腔（PEC）的压力，一直到它等于墙外压力为止，所有空气移动才会终止。在外墙上的每个接缝、窗户或门，都必须从设计上消除这五种力。（一） 雨幕覆盖层和压力平衡墙设计风流问题的一般解决方案是通过压力平衡墙设计这样一个概念，让外墙的室外和室内之间的风压差自身无效.这个涉及制造一个密封面，在墙的外表面之后设置空气障。空气障是通过未密封的称为雨幕的迷宫接缝层来保护，以免直接暴露到室外。在雨幕和空气障之间是称为压力平衡腔（PEC）的间隙。当外部，或墙上形成风压并波动，向后和向前吹的小的气流穿过雨幕里未密封的接缝，压力平衡腔（PEC）内侧压力正好直接等于室外压力（图6）。这些气流太弱，无法用它们携带水。在空气障上的小裂缝，例如已经从接缝一侧密封胶条把拔出来，未必会引起水泄漏，因为可以穿过裂缝的空气量仍然是相对小，并且很可能不足以携带水。相比之下，在外部密封接缝里的任何裂缝无论怎样小，如果在它后面没有空气障，都会引起水泄漏，因为密封接缝自身是湿的（图7）。因为在一个表面区域和另外一个表面区域之间，在任何给定的瞬间，穿过建筑物的表面的风压可能变化相当大，必须把压力平衡腔（PEC）必须分成足够小的气密腔，以至于空气量无法快速通过表面高压区域里的接缝，并且流过空气腔到达低压区域，携带水和空气一道进去。根据墙系统的设计，以及裸露的风力，这些腔的合适尺寸可能变化相当大。大体上说，压力平衡腔（PEC）是通常不得高于一层，不得宽于一到二个柱子开间。在一些应用中，它们可能是非常的小。术语雨屏原理起源于压力平衡墙设计概念，并且曾经专门用于有关压力平衡挂板系统。最近，不管排水空间的划分程度，以及可以获得的压力平衡程度，术语雨屏挂板已经越来越广泛应用于的带有内部排水系统任何挂板系统。实际上，获得的压力平衡变化程度，以及在挂板系统最佳特性线之间，简单雨屏或压力平衡墙经常是模糊不清的。1、压力平衡墙设计图8描绘的挂板设计以很简单的形式表现了雨屏和压力平衡原理。无表面接缝密封或没有采用垫圈。金属雨屏板互不接触，但是用阻止水毛细运动的大的缝隙隔开，提供安装间隙，并且允许膨胀和收缩。每块板的所有四个边缘形状都是迷宫接缝。表面张力和重力都被斜坡表面和滴水抵消。
图7正如在平面图里显的示，通过幕墙板之间错误的密封接缝泄漏。在上面那个例子里，密封接缝是在板的外表面，在暴风雨期间，那儿是湿的。一股小的携带水和空气的气流穿过错误的接缝。在下面那个的例子里，错误的密封位于板的内侧,那儿保持干燥，通过接缝泄漏的空气是不足以把水转移通过接缝，并且无水穿过。
图8这个典型的挂板系统里的雨屏是用金属板制造的，每一块都是采用薄金属成型。安装是简单的，并且容忍工作中的小失误：把金属U型夹子焊接到靠墙上，靠墙上涂有气密膏，产生空气障。把刚性保温板黏贴到墙上，把夹子穿过刚性保温板。把垂直金属檩条焊接到夹子上。虽然图上画的是悬挂钩在墙上，但是最终是把制造雨屏的金属板简单的悬挂在檩条支撑的水平杆上。在金属雨屏板和保温之间的空间是作为内部排水空间。在一或二层间隔的檩条之间安装没有显示的水平金属角钢，获得压力平衡设计。垂直檩条进一步把压力平衡腔（PEC）分成狭小的间隔，（在板的边缘和檩条之间的空间是狭窄的，足以限制气流获得增压的设计，如果需要完成更多的划分，可以沿着檩条安装压缩泡沫条或垫圈，在这些位置产生更多的气密分界线。）当风把雨刮进墙时，少量的空气流通过雨屏里的开口接缝，直到压力平衡腔（PEC）里的压力等于室外压力。这些空气流在体量和速度上不足以把水和空气带进去。2、小规模的压力均衡也可以小规模的应用雨屏设计和压力均衡原理，在许多建筑物的外部详细设计方面指导我们。图9示范了如何在窗户框详图上放置挡风雨条。在正确的详图中，挡风雨条的功能是作为空气障，是放置在窗框导轨的下部内侧。在窗框导轨下的开口接缝，提供防水槽，作为压力平衡腔（PEC）使用。除非挡风雨条是非常有缺陷，否则水是不能由风压差吹进接缝的。注意如何消除把水转移进接缝的其它力：在窗框上的斜坡（建筑师称之为冲刷）防止重力把水拉进去。在窗框下部边缘的沟槽作用是防水槽，也作为阻挡表面张力的滴水使用。在窗框和导轨之间的L型接缝是作为迷宫使用，以防止动能进入。在错误的详图设计中，挡风雨条可能被雨水打湿。在挡风雨条里的任何小气流都会让水流进接缝。比较少的建筑物完全依赖雨屏原理和压力平衡墙设计来做气密性防水。然而，作为防止水穿透的重要部分，只有极少数当代挂板系统是不采用这些原理的。再次回到大家熟悉的石材空腔墙例子：在砖面层里可以看到这些原理，隔板作为雨屏，靠墙作为空气障，并且空腔是作为压力平衡腔（PEC），通过滴水和通风孔来局部增压。然而，外部石材饰面的表面也频繁的采用复合物来密封，以减少它的吸收能力（一种屏障墙的方法），并且也有空腔，提供滴水孔，让水通过安全沟槽穿过饰面留到室外（内部排水的应用）。
图9应用雨屏原理设计的双悬窗窗台详图。苹果手机ISO读者快速赞赏通道（欢迎留言）