装配式建筑外墙系统设计（3）

>四、外墙系统的基本概念（一）承重墙直到19世纪，几乎所有的大型建筑物都是采用承重外墙建造。这些墙支撑建筑物的大部分楼面和屋顶荷载，也把室内环境与室外隔开。在不燃建筑物里，这些墙是用砖或石材建造的。从功能上看，这样的墙有几种固有的局限。它们是很差的热力保温，并且它们是很重的，需要大型基础，并且限制了它们的高度，只有几层。高强度石材和混凝土的承重墙已经更新换代；像热力保温材料这样的部件、空腔、泛水、空气障，以及蒸汽缓凝剂都已经使得墙更加耐水、空气和热的穿透；并且增加的钢筋已经允许墙更薄、更轻，并且更好的抵抗风和地震荷载。对于低层和中层建筑物而言，承重石材和混凝土外墙经常是招建造人喜爱的，并且是经济的。带有外部承重石材墙的高层住宅塔楼也继续在建造，特别是在亚洲（当然，主要是中国）。（一） 幕墙在19世纪建造了第一栋钢结构摩天大楼，引进了幕墙概念，外墙支撑在每层骨架上。“幕墙”装置的名称来自墙是薄的，并且像一个“悬挂”在结构骨架上的幕的想法。（大多数幕墙板都不是张力悬挂在骨架上，而是支撑在每个楼层平面的底部。）早期的幕墙都是采用石材建造的（图19.2）。幕墙最重要的优点是因为它没有垂直荷载，不管建筑物有多高，幕墙都可以很薄而轻，而很高的建筑物都可能严禁使用厚而重的石材承重墙。可以采用任何不燃材料来建造幕墙，只要它适合裸露到室外。既可以现场建造幕墙，也可以预制幕墙。我们将见到一些类型的现场建造的墙，以及其它类型的预制墙，但是所有都是由建筑物的骨架来支撑。建筑围合必不可少的东西：空气障（一）空气泄漏在建筑物组件的一侧和另外一侧之间存在压力差，空气可以通过它移动。这样的压力差可能由作用在建筑物的外表面上的风力产生，通过叠加效果（高层建筑物的趋势作用稍微像烟囱，抽取顶部或底部空气，并且把它们驱使到另外一端），并且通过换气扇和空气处理系统这样的机械设备（图A6）。当外侧空气通过外墙和屋顶渗透进建筑物时，它增加了建筑物能源消耗。美国国家标准和技术协会2005年的研究估计空气渗透可能导致建筑物的加热和制冷费用增加差不多40%。外侧空气渗透液带进了未经过滤的空气污染和未经调节的空气进入建筑物内部，损害了室内空气质量，并且减少了居住舒适度。空气泄漏把水蒸汽输送进保温墙和屋顶里，增加了冷凝和水分损坏建筑物部件的风险。当空气在建筑物的空间之间泄漏，它可能瓦解HVAC系统维持的压力差，该压力差的目的是为了控制传播建筑物的各个分区部分之间的气味或污染物。例如，讨厌的烹调气味可能从一个公寓建筑物居住单元跑到另外一个单元，来自停车场的汽车尾气或毒气可能渗透到附近的居住区域，灰尘粒子可能跑进实验室洁净室，或细菌可能传入医院的手术套房。（二）空气障空气障材料的作用是减少空气通过建筑物组装件得泄漏。空气障材料的例子包括建筑物呼吸纸、石膏墙板、聚乙烯薄膜塑料、刚性泡沫保温、各种配方的液态膜、堵缝胶、密封胶、垫圈、带子，以及更多其它东西。作为空气障的功能，其材料必须能够抵抗空气穿透；它必须有足够的强度和刚度，以抵抗作用在其上面的空气压力差；在跨接移动接缝的地方，它必须有足够的弹性，以允许移动还不会损坏；并且它必须是耐久的，足以在建筑物的寿命期间执行它的功能。比较大的材料的耐空气通过，而不耐空气渗透，并且很好的执行空气障。根据ASTM E2178来测量空气渗透，单位是在每平方英尺1.57磅（或0.3英寸水）空气压力，每分钟每平方英尺面积渗透的立方英尺空气，或是公制单位，在75Pa空气压力下，每秒每平方米面积公升。1cfm/sf@1.57psf的空气渗透大约等于5L/s-m2@75Pa。最普通的空气障材料引用标准是空气渗透不大于0.004cfm/sf@1.57psf或0.02L/s-m2@75Pa（图A7）。空气障材料必须能够抵抗作用在建筑物装配件内外的空气压力，没有损坏或超出变形。柔软的薄膜材料，例如建筑呼吸纸，塑料薄膜、屋面卷材，以及柔软的泛水等都是特别容易受损的。如果不合适的支撑或适当的紧固，这些材料可能撕裂、伸缩，或拉松，并且变得无法作为空气障使用。由空气压力引起的损坏也可能导致材料无法执行其它重要功能，例如让液体水流出建筑物，或抵抗喷出的水蒸气等。如果空气障材料维持完整无缺，但是在正负空气压力交互循环下，过度偏离，它可能抽取空气进出建筑物装配件，减少了保温效率，并且增加了水蒸气进入装配件的风险。空气障材料也必须能够适应正常的热和没有过度磨损和破坏的建筑物系统内部发生的结构移动。

图A6在建筑物里的空气压力差可能由它们引起：（a）风，（b）烟囱效应，例如在电梯井之内，以及（c）建筑物机械系统。材料空气渗透cfm/sf@1.57psf L/s-m2@75Pa聚乙烯薄膜塑料，0.15mm~0~0铝箔，0.025mm~0~0自黏性改性沥青卷材~0~0胶合板，9.5mm~0~0挤塑聚苯乙烯刚性泡沫保温，38mm~0~0最低坡度屋面卷材~0-0.002~0-0.01专门的高密度喷雾聚氨酯泡沫保温，38mm0.00020.001专门的液态蒸汽渗透空气障膜＜0.0004＜0.002合适的无孔聚烯烃建筑物呼吸纸商业等级0.0010.005住宅等级0.0070.036低密度喷雾聚氨酯泡沫保温，75mm0.002-0.320.01-1.6石膏墙板，12mm外墙覆盖物0.0020.0091内隔墙板，未喷漆0.0040.0196OSB,11mm＜0.004＜0.02屋顶油毡,#300.0370.1837无孔沥青毡，#150.0780.3962沥青浸渍纤维板0.1630.8285企口板3.719玻璃纤维保温7.337纤维保温，喷洒1787图A7普通堵缝材料的空气渗透。十分建议使用阴影排显示的材料作为空气障材料来防止空气渗透。（三）空气障系统为了限制空气泄漏进出建筑物，必须完全用空气障材料把调节空间围合起来，采用薄膜、人造网、裂缝填充物、接缝封闭剂等，创建一个能够有效阻止空气压力差的不间断的空气障系统。为了实现这个目标，在设计和施工期间，需要小心注意详图设计。所有都会潜在的中断空气障系统——板之间的裂缝，搭接的薄材料、不同质地之间的过度、紧固件穿透、移动接缝、结构和公共设施的穿孔、窗户和门骨架周围的安装间隙，在基础、墙，以及屋顶组件之间的结合处，在可操作门和窗户，以及它们的骨架之间的缝隙，如此等等——都必须采用带子、密封胶、堵缝胶、泛水、垫圈，以及其它能够自己限制空气渗透和空气障材料的结构要求的材料来作为气密性材料。由于作用在空气障系统上的显著的空气压力差，即使再小的缝隙都能够允许大量的空气和水蒸气穿透建筑物围合，并且因此必须尽可能最大程度地减少缝隙。紧固件穿透、移动接缝、结构和公共设施的穿孔、窗户和门骨架周围的安装间隙，在基础、墙，以及屋顶组件之间的结合处，在可操作门和窗户，以及它们的骨架之间的缝隙，如此等等——都必须采用带子、密封胶、堵缝胶、泛水、垫圈，以及其它能够自己限制空气渗透和空气障材料的结构要求的材料来作为气密性材料。由于作用在空气障系统上的显著的空气压力差，即使再小的缝隙都能够允许大量的空气和水蒸气穿透建筑物围合，并且因此必须尽可能最大程度地减少缝隙。装配组装空气障材料所执行的空气渗透标准要比那些单独的材料严格，考虑到现实问题，完美无缺的，连续的材料和部件之间的密封是没有可能的。建议空气障组件的最大空气穿透，也就是一个完整的墙、屋顶或楼面系统的空气障系统总的材料责任是在0.01到0.04cfm/sf@1.57psf(0.05到0.2L/s-m2@75Pa)范围内。考虑到一栋建筑物的连接空气障组装、开孔，以及其它维护构件的组合性能，整栋建筑物空气障系统可以接受的空气泄漏率可能要比预期地更大。（四）空气障位置空气障材料可以位于组装的任何地方，只要它们形成一个相互联系的气密系统。在建筑物围合的内侧表面，空气障系统是气密性干墙和简单的堵缝和密封，它们是由石膏墙板联同堵缝胶、密封胶，以及垫圈组成，在墙板穿孔周围和面层里面的骨架构件（图7.22）之间密封泄漏路径。安装这些系统是相对容易和不贵的，使得它们特别流行于住宅施工。商业建筑物类型很少使用它们，因为商业建筑物频繁改变内部布局、装修，以及配线，不大可能一成不变的长期使用。往往是把塑料片放在石膏墙板后面作为蒸汽缓凝剂使用，也具备低空气渗透，并且可以作为空气障使用。然而，困难在于密封塑料片接缝和穿透，在支撑骨架之间的塑料片也倾向于延伸和弯曲，限制了这个材料在空气障系统方面的的适用性，特别是作为高层建筑物或其它会发生高空气压力差的地方。对于中层建筑物围合组件，可以把泡沫保温喷进墙柱、托梁和椽子之间的空间，再结合堵缝胶或密封胶来密封围绕骨架构件周围的泄漏路径，就可以作为空气障系统使用。空气障材料位置靠近建筑物围合的内侧，或在骨架空腔之内，从保护外部构件的角度看也有好处。对于建筑物围合的外侧，常常在骨架施工时，在覆盖物上或在石材或混凝土靠墙的外面安装空气障材料。建筑呼吸纸、夹板、石膏板覆盖板，以及液体或全部用粘附薄膜等，再结合各种各样的密封和带子材料，都可以使用。在这那些没有复杂的横截面的位置，是很容易安装空气障材料的。在锚固挂板或覆盖物发生穿透的地方，它们通常都容易密封，确保气密性（图A7）。

图A7五、幕墙试验和标准（一）结构性能和抗风雨对于任何新的幕墙设计，最明智的做法是照原物尺寸建造和测试墙部件，以确定它在重风荷载下，抵抗空气和水的渗透，以及结构性能。在北美，有几个室外实验室配备着可以做这些实验的装备。照原物尺寸的墙系统的样品常常是二层高，一个开间宽，作为一个的房间的外墙来施工，可以由校准的风机系统来增压或减压。根据美国建筑师制造商协会标准AAMA 501外墙试验方法来进行幕墙试验，该标准参考许多其它具体的试验标准。首先采用ASTME283来测试样品空气渗透，它属于静态空气压力，符合预先考虑的建筑物附近的最大风速压力。仔细测量通过墙泄漏的空气，并与指定的标准来比较泄漏率。把空气障放到建筑物保温的外侧，它们也能防止外部空气在组装件内部的流动，减少了保温效果。然而，在建筑物的生命周期内，靠近建筑物组装件外侧的材料也必须特别可靠，并且表现能够令人满意，裸露在外，经受住大雨冲刷和大的温度波动。在高层建筑系统里，包括液体的应用，或完全黏贴到刚性底层上的全部薄膜要好于建筑物呼吸纸这样的柔性薄膜。提早注意，松动的薄膜材料可能无法抵抗撕碎或过度弯曲。在保证液体水流出建筑物围合方面，在挂板外侧的后面形成抗水排水表面，外侧空气障材料也常常扮演重要的角色。不像蒸汽缓凝剂，在一个组件之内安装多重空气障都不会有损坏。多重空气障可以提供每种类型的系统特别的优点，并且也能提供富裕，减轻材料瑕疵所引起的建筑物总体空气泄漏的机会。接下来的水渗透静压试验，采用ASTM E331：在墙的表面湿的一致时，在墙的表面承受每小时每平方英尺5加仑压力（3.4L/m2-mion）的静压试验。注明水的泄漏点，并且小心收集泄漏的水，并计量它有多少。动态水渗透试验也可以是执行AAMA 501.1，采用航空发动机和螺旋桨来把水往墙上吹。，根据ASTM E330进行墙的结构性能试验，用校准的风机，按照50%的指定风荷载来向墙样品施加空气压力和吸力，并且测量墙里的结构构件的弯曲。也可能附带执行随机试验测试热力性能，声音传递，以及热循环的影响，地震荷载，以及幕墙结构移动等。所有这些试验都提供数字结果，在每个试验期间，严密观察样品的行为也是重要的，以便把所有设计、材料、详图，以及保温等问题都能够找出来并解决掉。大多数墙系统样品经受一到二次空气和水泄漏试验后就失效。在试验期间，注意泄漏源，修改泛水、密封剂、泄水孔，或其它设计部件，以便修改的样品通过随后的试验。然后把这些修改内容放进真实建筑物的最终详图中。在试验完成，以及最终设计调整好之后，就开始生产墙部件，并且发送到工地，一旦框架准备就绪，就可以接纳这些系统。在安装期间，需要仔细检查幕墙系统，确保没有工艺缺陷。在组装时即使看起来是小的缺陷，事后也能导致大的，昂贵的问题。作为工作程序，可以根据AAMA501.2来检查幕墙安装部分水泄漏。这包括采用带有特殊管嘴的软管，往墙里接缝处喷水，接着就按照指定的程序来找出任何泄漏成因。在认为必要的地方，要安排更加详细的仪器手段，在现场测试水和空气泄漏。（一）空气障和水蒸气控制当空气穿过建筑物组件时，也同时把空气中的水蒸汽带进组件。当在组件的一侧和另外一侧之间存在显著的空气压力差时，不受控的空气泄漏所带进建筑物组件的水蒸气量可能要比通过建筑物材料直接扩散的水蒸气大一到二个数量级。通过控制暖风流动，潮湿空气向着建筑物组件的冷侧流动，空气障在防止组件内部冷凝方面扮演着重要的角色。当设计空气障系统时，必须考虑空气障材料的水蒸气渗透性。例如，在热带气候，空气障材料位于外侧，保温建筑物组件的冷侧必须是可以渗透水蒸汽，以防止在组件之内困住水蒸气。在这种应用场合使用传统的建筑纸和透气建筑包裹（呼吸纸）是好的选择；相比之下，含有沥青的低蒸汽可渗透性薄膜就是很差的选择。作为一般规则，空气障材料位于冷侧，建筑物组件的低蒸汽压力侧应该始终是可渗透水蒸气。相反，空气障位于暖侧，组件的高蒸汽压力侧，可能考虑带有低水蒸气渗透性材料，并且是设计成空气障和水蒸气缓凝剂双重功能。在保温建筑物组件里更多的水蒸气缓凝剂信息，以及水蒸气扩散的控制。（二）建筑物规范空气障要求加拿大国际建筑规范（2005）为空气障材料设置了可以计量的空气渗透限制，并且要求在大多数建筑物里带有连续的空气障系统来控制空气泄漏。为了控制空气泄漏，，在国际能源保护规范（2006）有着较多的限制要求，呼吁采用建筑物围合组件来密封缝隙，但是没有设置可以度量的评判标准。在撰写本文时，几个美国州已经基于加拿大模式规范，采用更加广泛的空气障系统要求，并且未来几年，这样的系统要求可能将会继续在美国扩散。（三）热力性能和其它特性尽管有时也可能采用NFRC标准，但是幕墙系统的热力特性最普通的测试是根据AAMA 1503来测试传热系数，以及根据AAMA  507来测试太阳能得热系数、可见光透射比、抗结露等。幕墙系统适合采用各种各样的玻璃类型、骨架尺寸和构造。出于这个原因，系统设计通常需要更加详细的分析，以确定实际系统精确的U值和其它特性，例如，当指定标准窗户构造时。在需要抗击碰撞或爆炸的地方，可以采用18章，门和窗户同样的标准来测试幕墙系统。六、外墙和建筑规范外墙设计中建筑规范的主要影响是在结构强度、耐火，以及能源效率等方面。强度要求涉及到墙系统自身的强度和刚度，以及足以附加到建筑物骨架上，特别要参考风和地震荷载。防火要求涉及到墙材料的燃烧性，耐火率，以及女儿墙和拱肩的垂直尺寸，面对其它建筑物的，近的足以使火焰从一栋建筑物向另外一栋建筑物蔓延的外墙的耐火率，在超过一层高度的墙里的任何垂直通道的隔离（挡火系统）。在每个楼层，隔间柱子覆盖，以及在外墙系统和楼面边缘之间的空间，都必须采用钢板和砂浆、金属板网和灰泥、矿棉加以保护，或其它能够限制烟雾和火焰通过这些空隙的材料来填充（图15）。

图15保险措施就是在幕墙板和楼面混凝土板之间插入耐高温、高耐火矿棉材料，堵塞火焰从一个楼层穿透到另外一个楼层。这儿可以看到它是隐藏在带有保温拱肩板的金属和玻璃幕墙后面。例如在前面最突出的地方看到的一个金属夹子夹住了矿棉。节能要求变得越来越苛刻。大多数能源规范都允许几个可选的方法来论证达标情况。在规定的方法中，指定了板、拱肩，以及玻璃的最小热值；蒸汽缓凝剂性能；以及空气泄漏的最大值。例如，在国际节能规范（IECC）的说明性方法中，根据建筑物位置的气候区域，商业建筑物多达40%的等级墙都是玻璃，最大U值范围为1.20-0.35（6.8-2.0W/m2-°K）的。构件权衡和系统分析方法让建筑物设计师在选择围护系统时更加灵活，论证推荐的设计的整体能耗特性是等于或高于同样建筑物所满足的规定的规范要求。CSI/CSC设计外墙系统的标准格式部分07 25 00气候障07 27 00空气障07 90 00接缝保护07 91 00实行接缝密封压缩密封接缝垫片泡沫棒接缝填缝胶接缝密封胶弹性接缝密封胶07 80 00火和烟雾保护07 84 00挡火系统消防安全选择参考1、 加拿大国家研究委员会建筑研究协会在外墙设计理论和性能试验方面所做过的开创新工作，以及现场观察所支持的理论。这个工作已经总结在特定专题的庞大的报告库中，可以在www.nrc,ca/irc/ircpubs在线阅读。例如，文献名为《控制雨水渗透进墙的设计的发展》。2、 布罗克，琳达。《设计外墙：垂直围合建筑师指南》。霍博肯，NJ，约翰·韦利&圣子有限公司，2005。这本书涵盖了建筑科学潜在的外墙性能，并且为设计轻木建筑到金属幕墙了的各种类型墙范围提供了应用的例子。3、 布鲁克斯，艾伦。建筑物的覆盖层（第三版）。伦敦，斯庞出版，1998。这本书清晰的介绍了覆盖层原理和材料类型。4、 安德森，J.M.,和J.R.吉莉安。《雨屏覆盖层：设计原理和实践指南》。伦敦，巴特沃思-海涅-曼恩，1988。这个清晰，简明摘要的概况了雨屏覆盖层原理，包括在主题中列出的广泛的书目提要。5、 Amstock,约瑟夫 S.《建筑胶和密封胶手册》。纽约，麦格劳-希尔教育出版集团，2000。这本书提供了所有类型的密封胶、建筑胶、接缝和混凝土裂缝控制，以及的挡火系统的详细资料，也提供了密封胶的设计、规格，以及测试。网站设计外墙系统增补网站：www.ianosbackfill.com/19_designing_cladding_systems道康宁密封胶：www.dowcoring.comGE密封胶：www.gesealants.com建筑研究协会：www.nrc,ca/irc/ircpubs整个建筑设计指南——墙系统：www.wbdg.org/design/env_wall.php关键术语和概念Exterior wall enclosure——外墙围护Building envelope——建筑围合Thermal bridge ——热桥Stack effect——烟囱效应Air barrier——空气障Air permeance——空气渗透系数Air barrier assembly——空气屏障组件Wind washing——风洗Internal drainage——内排水Gravity——重力Momentum——动量Labyrinth——迷宫Surface tension——表面张力Drip——滴水Capillary action）——毛细作用Capillary break——防水槽Wind current——吹流Pressure-equalized wall design——压力平衡墙设计Air barrier——气密层Rainscreen——雨屏Pressure-equalization chamber(PEC)——等压腔Rainscreen principle——雨屏原理Rainscreen claddin——雨屏覆盖层Wash——冲刷Sealant joint——密封接缝Gunnable sealant——可以使用胶枪的密封胶Sealant gun——密封胶枪Low-range sealant, caulk——低等范围密封胶，堵缝胶Elongation——延伸率Medium-range sealant——中等范围密封胶High-range sealant——高度范围密封胶Polyurethane sealant——聚氨酯密封胶Silicone sealant——硅酮密封胶Sealant Type——密封胶类型Sealant Grade——密封胶等级Sealant Class——密封胶分类Sealant Use——密封胶应用Single-component sealant——单组分密封胶Multicomponent sealant——多组分密封胶Self-leveling sealant, pourable sealant——自流平密封胶,可倾倒的密封胶Nonsag sealant——不下沉密封胶Traffic sealant——交通等级密封胶Nontraffic sealant——非交通等级密封胶Immersible sealant——Immersible sealantGasket ——垫圈Lockstrip——锁条Preformed cellular tape sealant——预制蜂窝带状密封胶Preformed solid tape sealant——预制实心带状密封胶Priming (of sealant joints)——（密封胶缝的）底衬backer rod, backup rod——衬条，堵塞条loadbearing wall——承重墙curtain wall——幕墙firestopping ——挡火系统safing——上保险苹果手机ISO读者快速赞赏通道（欢迎留言）