摘 要: 分析了玻璃采光頂的漏水原因，明水、滲水、冷凝水是主要漏水水源，探討了防水原理，由此提出了玻璃采光頂的防水構造和措施。
關鍵詞: 采光頂漏水 達西定律 道次密封 有組織排水 縫隙層防水

    隨著節能與環保的社會化大趨勢，建筑日益多樣化，以人居舒適性為核心的建筑追求更加關注建筑本身與自然的關系。建筑采光頂在眾多建筑中被廣泛采用，充分利用自然光，增加建筑與環境的親和力等就體現了這種關系。
采光頂除了安全性和熱工性能以外，在實際使用過程中，漏水是能夠最直接感受到和最日常煩惱的質量問題，多年來已成為采光頂中最常見的建筑弊病之一。2004年8月剛啟用的廣州新白云機場僅僅啟用半個月，在8月20號的一場暴雨中，機場航站樓B區國內航班出發廳屋頂漏水，其室內漏水程度類似小雨，機場工作人員和百余名旅客衣服被漏水淋的“濕漉漉的”，可見其漏水程度。據初步調查結果，“雨水主要是從屋頂的天溝里滲進來的。……漏水應該是屋頂連接處不夠密封。”（《南方都市報》）。 “根據歷次全國屋面滲漏調查資料分析，細部構造的滲漏占全部滲漏面積的80%以上”（《屋面工程技術規范》GB50345——2004）
    1． 玻璃采光頂的特點：
    玻璃采光頂形式十分豐富，根據其造型、外型、構造，以及與立面關系、數量關系等分為若干類。為分析漏水和防水問題方便，以面層形式分為坡度平面、折線平面，單曲面、雙曲面、組合面等形式。
    討論防水問題必須了解作為防水主體的玻璃采光頂的防水有關基本特點。
（1）組成采光頂材料本身不具有吸水性。玻璃采光頂主要由玻璃、鋼材、鋁材、密封膠、襯材組成。材料本身在非破壞情況下不會發生滲漏。
（2）防水措施處理空間有限。高強輕質材料組成，空間占有體積相比其它材質較小，尤其是縫隙處厚度非常有限，也就意味著對防水構造形式的要求和難度更高。
（3）屋面玻璃是位于建筑物頂端與水平面夾角小于75度的玻璃面層。所以匯水面積比較垂直玻璃幕墻大，包括風雨造成的強擊水更直接。
（4）陽光作用更直接照射采光頂表面，包括熱量和紫外線。更容易產生采光頂的各種材料熱變形。密封材料的抗紫外線能力和抗熱老化性是保證采光頂防水性的重要因素。
（5）采光頂表面并不能認為類似玻璃表面那么平整。玻璃表面的板面撓度會造成積水和積灰，特別是接縫處的膠縫和扣板造型都會帶來積水和積垢，這部分非常容易帶來滲水和美觀的不良后果。
（6）縫隙是采光頂滲漏的主要通道。而縫隙是由相同材料之間和異質材料之間拼接和連接所形成的。
    2． 相關概念和原理
    2．1 關于水：
    采光頂所涉及的水來自于自然界的雨水、雪水、冰以及溫濕空氣，理論上既水的三種形態：氣態（水蒸氣）、液態（液態水）、固態（冰和雪）。水的遷移分為重力遷移、材料或構造內部遷移，內部遷移只有兩種相態，一種是以氣態的擴散方式遷移（又稱水蒸氣滲透）；一種是以液態水分的毛細滲透方式遷移。
    水作為液體不能承受拉力，但可承受壓力。液體受壓后體積可以縮小，稱為水的壓縮性。水體積相對壓縮量值約為1/20000，即在20℃時，彈性系數E≈2．１×10 5N/㎝2 。在工程上可忽略水的壓縮性。
水的表面張力作用是產生毛管現象的原因。毛細滲透對構造和縫隙防水的影響不容忽略。
    實際中自然界的降水和滲透到建筑物內部的水是一種渾濁水，在降水和滲流過程中夾雜了大量灰塵和雜物。渾濁水增加了水流體的粘度，稱之為粘滯性。其流動時的特點是靠近壁面流速較小，遠離壁面處流速較大。在實際工程中，往往造成排水不暢，而且容易導致排水通道和導水孔的堵塞，破壞排水系統的通常而導致防水失效。
    2．2 滲流：
    為說明問題，引入滲流力學的原理，水在空隙、裂隙、縫隙中的運動可以說是毫無規律的，所以以統計學的觀點設定這種水流體的規律。一方面認為它是連續地充滿整個介質空間（包括空隙空間和骨架空間），另一方面認為它通過過水斷面的流量與真實水流通過該斷面的流量相同，它在斷面上的水頭和壓力與真實水流的水頭和壓力相等，它在空隙介質中運動時所受的阻力等于真實水流所受的阻力。滿足上述條件的情況稱之為滲流。
    2．3 匯水面積：
    根據有關資料，屋面排水的有關計算可以根據日本的有關資料進行，也可根據建設部有并設計院給定的匯水面積表進行查表設計。
    上式中標準降雨強度a的選擇是很重要的，但卻又是很困難的。在雨水排水設計中，最關心的是若干頻率的小時最大降雨強度，甚至10~30min內的最大降雨強度，但這個頻率取多少，目前還沒有相應的規定。無疑，頻率越小，則排水設計越安全，但卻越不經濟。因此，標準降雨強度的取值應該考慮到建筑物的重要性，也就是應該考慮其防水等級，防水等級越高，其頻率就應該取的越小。
    考慮天溝（檐溝）的排水量，即考慮了天溝（檐溝）在暴雨、大暴雨時的緩沖作用，也就是在暴雨、大暴雨時，水落管一進不能立即將水排完，而暫時將水匯集到天溝（檐溝）里。
    考慮所有水落管的排水量與天溝排水量的總和，在標準降雨強度時應大于屋面及出屋面高墻的降雨時，綜合其他因素，即可確定天溝大小，水落管直徑及數量。
    2．4 排水坡度：
    屋面坡度大對防止滲漏的效果是顯著的。
    傳統平面屋頂找坡一般有兩種方法：結構找坡和材料找坡。對于平面玻璃采光頂，結構找坡是由采光頂支撐結構與建筑主體屋面結構，如屋面梁或結構墻結合而形成的排水坡度；玻璃材料找坡主要是考慮玻璃中心撓度形成的“水洼”和積聚泥水的排水坡度。
    采光頂結構找坡時，坡度應不小于3%；
    當由玻璃材料找坡時，坡度應以保證由于單片玻璃撓度形成的積水可以排除為原則，參考《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ102—2003）規定，“在風荷載標準值作用下，4邊支撐玻璃的撓度限值DF，LIM宜按其短邊邊長的1/60采用”，“點支撐玻璃面板的撓度限值DF，LIM宜按其支撐點間長邊邊長的1/60采用”，“斜玻璃幕墻計算承載力時，應計入永久荷載、雪荷載、雨水荷載等重力荷載及施工荷載在垂直于玻璃平面方向作用所產生的彎曲應力“。因此，為抵消單片玻璃撓度所產生的積水，一般單片玻璃的傾斜坡度不小于2%；
    另外，玻璃采光頂周邊與結構的水平交接處的天溝、檐溝的縱向坡度不應小于是1%。
    玻璃采光頂找坡應以采光頂支撐結構找坡為主。實踐中，采光頂支撐大多以其特有的傾斜屋面效果滿足建筑物使用功能和美觀要求。
    2．5 達西定律：
    1 856年法國工程師H.Darcy在裝滿砂的圓筒中進行滲透實驗。從實驗中得到通過橫截面A的滲流量Q（單位時間的水體積）與橫截面A及水頭差（H1—H2）成正比，與滲透路徑L成反比，稱為Darcy定律。它指出滲透速度V與水力坡度J或滲透阻力成線性關系，故又稱線性滲透定律。
    容易看出，H1、H2是相對于某個任意水平基準面的水柱高度，稱為測壓水頭，從前述可知，它應是壓力水頭和位置水頭之和，公式表明，滲流流動是由高水頭向低水頭，而不是從高壓向低壓。這一點很重要，說明外界壓力對水的作用可忽略不計。
    2．6 縫隙通道和“死穴”
    采光頂中有大量縫隙、裂隙和孔洞，所形成的孔隙有兩種，一種是有效孔隙，液體可以通過或排出，還有一種是死端孔隙或滯流孔隙，對液體是無效的。如圖1所示。這一點對于采光頂防水中節點設計、密封設計以及安裝時的縫隙密封具有實際意義。
    3 漏水水源：
    水的來源無非是自然界的雨水、積雪融化水、結露冷凝水。雨水的特點是單位時間內的水量容易掌握，直接作用在采光頂外部，加上風力作用于采光頂表面的水擊強度大。結露是由于濕空氣在介質兩側的溫差達到一定差別時的介質表面凝水現象。對于采光頂來說，結露帶來兩個問題：一是結露冷凝水容易出現在室內一側，當結露冷凝水積到一定量時，形成滴水落水；二是采光頂節點構造內的結露冷凝水，特別是采光頂支撐結構的金屬材料空腔或內壁形成的冷凝水，如不及時排出，將會長期腐蝕周邊材料，使材料的功能性失效，導致漏水或滲水。
    采光頂屋面的設計、材料、施工安裝等任何一個環節的疏忽或輕視，都將導致堵不嚴、疏不暢的排水組織失效，通過采光頂系統結構漏下的水可侵蝕結構周邊接縫，腐蝕屋頂材料，損壞屋頂結構，污染和破壞內部環境。泄漏的水會順著結構件流至建筑物內不同的地方，由于漏水長期侵蝕，采光頂系統的各構件的安全隱患將對室內的人居環境的安全造成嚴重威脅。
    4 防水構造：
    4．1 防水設計：
    4．1．1 設計原則
    《屋面工程技術規范》（GB50345—2004）中規定了屋面工程防水設計應遵循“合理設防、防排結合、因地制宜、綜合治理”的原則。玻璃采光頂防水節點設計體現和隱藏在采光頂結構節點設計之中，同時與建筑主體結構的結合部位也都是防水設計的重要環節，玻璃采光頂防水設計是一個防水系統設計，是作為玻璃采光頂整體設計的子系統的重要組成部分。防水系統主要包括排水和防水。排水包括利用重力作用的面排水、槽排水、管排水。采光頂一個重要特征就是傾斜式玻璃面層，根據傾斜式玻璃裝配結構的定義：裝配玻璃面偏離垂直位置15O以上。將水排出室外的方式決定著傾斜系統的排水性能；防水則包括密封、設防道次和密封材料選擇。
    4．1．2 設計原理
    對于如何完成使用性能良好的系統所必需的密封和排水等所有細節的設計，核心問題是如何建立對“堵”與“疏”關系的理解和認識。
    對于玻璃采光頂傳統的方法是以“堵”為主，既依靠密封各構件之間的外部接縫來防止水的進入，這種裝配系統中玻璃板塊之間、玻璃板塊與支撐桿構件之間的外部和內部接縫進行某種程度的密封。但是，它往往忽視真正構件內部接合處的防水密封的重要性。這種方法存在著各種難于解決的弊端，如外部密封材料暴露在室外，密封膠承受著紫外線輻射、熱應力、污染物以及粗劣的施工質量的影響，使外部密封難以達到預期的效果，另外強調內部密封的同時，往往忽略了滲漏水和構造內部冷凝水的排出。
    良好的設計應該是“堵”和“疏”相結合，既堵也疏。無論是內部或外部，以最大限度的避免了密封處與水的接觸；同時確保滲漏水或冷凝水有組織的排出。
值得注意的是一些用于幕墻上的做法在采光頂上并不見效。首先，根據前述的達西定律，由于重力或其它壓力進入縫隙的水，在縫隙內壓力的影響已微乎其微，內部滲流水只和水頭有關。因此將雨幕等壓腔設計套用于采光頂通常是失敗的。其次，幕墻上常用的外部排水孔設計，在采光頂中水通過壓條的外表面和外扣蓋向外排出時，會被截留在各種內部接頭處。截留住的水要么通過一個孔排出，要么就一直積存下來侵蝕密封膠，直到這里形成一個漏洞讓水排出為止。由于重力方向的原因，水很難“溢出”。
    等壓設計在垂直的幕墻系統中起到不同程度的作用，在幕墻系統內保持防漏氣隔離層仍然是極其重要的，如果沒有這道屏障將內外分開，建筑外圍護系統將是不完整的，會造成一個空氣和水通過外圍護進入室內的通道。冬季冷空氣的滲透會使內部結構的表面溫度下降到露點溫度，從而出現冷凝水。建筑內部管道凍結、人感到不舒服，以及外界污染物刮進樓內，都可能是空氣未受控制滲漏進建筑物內的結果。等壓設計實際上是形成一個空氣隔離層，由于分隔空氣達到防漏氣隔離層起到防水層的作用，在采光頂的傾斜系統中，只有系統中水平構件的底部呈水平面，而且與外界形成能夠外傾的水流通道時等壓原理才能實現排水，而做到這一點技術和經濟上并不現實。
    4．1．3 玻璃采光頂的設計，應基于以下基本原則：
    4．1．3．1 根據《屋面工程技術規范》（GB50345—2004）規定，確定防水等級和設防要求。對于玻璃采光頂，最為重要的是確定防水合理使用年限。
防水等級分為4級，分別為5年、10年、15年、25年。
    4．1．3．2 排水組織
    根據采光頂的造型，劃分排水區域，尋找最短排水路徑，設計有效地排水組織路線圖，保證排水的流暢性；
    4．1．3．3 抓住關鍵“漏點”
    根據排水路徑，尋找路徑中的“可能漏點”，進行防水密封設防，首先考慮玻璃部分的單向接縫，如玻璃板塊拼接處的縱向接縫、橫向接縫；其次對縱橫交接處的防水和排水進行設計；最后對最終排水部分的如天溝、落水口、檐口等匯水結構進行設計；
    4．1．3．4 多道設防
    根據采光頂具體構造，針對不同的結合部位進行一道和多道防水設防。要針對外界明水、滲漏水、冷凝水等不同情況，進行防水道次設計，一般對于結合部位有外視扣板、扣條的情況，應考慮3道防水密封；
    4．1．3．5 考慮多種變形
    由于玻璃采光頂主要是由高強輕質材料構成，特別是支撐結構由金屬鋼材、鋁型材為主，可能存在的變形很多，如結構變形、溫差變形、震動變形等等，變形的直接影響首先是構造節點。因此，設計時應充分考慮節點滿足變形的要求。應在設防上、構造上、選材上多方考慮。
    4．1．3．6 合理選用密封材料
    為確保節點防水的質量，應該充分利用各種材料的特點。選材上應盡量采用高強度、高彈性、高延伸性材料。具體說，應根據具體防水位置，考慮采用不同的密封材料和柔性防水材料等互補并用的多道設防，包括設置附加層等。必要時還要考慮防水層的耐老化、耐穿刺以及飛禽破壞等。
    4．1．3．7 耐久性和針對性
    節點設計，應考慮其耐久性問題，保證節點設防的耐久性不低于整體防水的耐久性，不能只顧暫時可用。玻璃采光頂造型十分豐富，每個采光頂的節點都有其相同點和不同點，應該針對各自的使用條件和特點予以設計。
    4．2 防水節點構造
    4．2．1 特點和形式
    由于建筑的多樣性，每一個玻璃采光頂構造都有所不同，要獲得一個有效的防水系統必須考慮多種因素，而節點構造是多種因素綜合作用的關鍵，是防水設計的重點和難點。節點部位具有變形集中、形狀復雜、施工面狹小、操作困難、工作環境惡劣等特點。
    玻璃采光頂節點構造中的各種縫隙形式取決于采光頂構造本身，無論何種造型的采光頂，歸納到節點技術，主要分為：點支撐結構的玻璃板塊接縫節點和駁接頭處的玻璃接縫節點；隱框節點；明框節點；采光頂與其它材質交接部位節點；與主體支撐結構交接部位節點。
    4．2．2 技術要點
    4．2．1．1 最大限度地發揮外部濕法密封或干法密封的效果，但在采光頂的整體防水上不能只依靠外部密封。既在保證一道防水設防的基礎上，要考慮對滲流水的二道防水設防；
    4．2．1．2 最大程度的減少或消除外部密封處的積水。例如對水平方向的外飾構件造成的積水可能降至最低；
    4．2．1．3 對進入節點內部的水必須加以控制，并使其按重力方向有組織的流出室外。特別是針對扣板內側和玻璃鑲嵌槽的進水，盡量將進水和系統的內層密封適當隔離。
    4．2．1．4 對節點內部鋁框和玻璃邊部的冷凝水必須加以控制、收集和排出，以防止這些冷凝水積聚在鋁框內部和玻璃表面上。
    4．2．1．5 任何密封都不能百分之百地保證不漏水。采光頂構造節點的防水性是需要細致和技巧的細部設計，如設計冷凝水設防時，還要考慮外部空氣通道依靠氣體揮發而消失。
    4．2．3 基本主框節點（圖2）
    這是一個典型的明框節點。相比之下，使用硅酮結構膠密封的水平隱框設計更具防水性，而且具有減少灰塵和雜物積存量方面的優點，但成本高，硅酮結構膠的性能受環境影響很大，容易損害系統的整體防水性能。扣板的存在，為增加防水道次提供了可能空間。
    玻璃下部支撐肋的高度足以能夠防止中空玻璃邊部密封部位和膠條等浸入水中。根據美國《建筑玻璃實用手冊》資料，當幕墻傾斜角等于或大于30o和水平橫梁長度不超過1．8m的情況下，此處高度約10~13mm為宜。
    另外，相對上述豎框（視為主框）的橫框應盡量采用較低的不帶外扣蓋的壓條，這可以最大限度的減少外表面的積水量。
    4．2．4橫框與豎框的交接（圖3）
    橫框與豎框的交接節點是第二個典型節點。最主要的特點是橫框中玻璃槽的搭接延長部分能夠促進橫框向豎框的排水。
    傳統的做法是將橫豎框交接處鋁型材間的防漏氣和防水密封采用密封膠密封，這只是一種不切實際的理想設計，實際效果往往事與愿違。因為打膠操作時很難對打膠表面進行處理，打膠量無法有效控制，密封膠用量一旦過大，會把豎框玻璃鑲嵌槽堵塞。同時鋁材斷面如有任何的變形吸收位移，則密封膠就會因受剪切刀而出現缺口，水和空氣就可以穿過。
    此處使用連續的丁基膠帶是非常必要和有效的，根據美國對在采光頂上使用15年后的調查，發現丁基膠帶仍然保持著柔韌性。這種膠帶在夏天變熱時，它本身會有一些自密封能力。應用一條連續的膠帶密封橡膠密封條和鋁框之間的接縫，雖然，連接處如能增加一些理論設計接縫更好，在接縫處對密封膠過分的依賴是最常見的失敗原因。應推廣使用密封膠加膠帶的縫隙處理做法。
    4．2．5 收口部分的構造（圖4）
    這是一個需要增加第二道防水設防的節點，主是針對排水槽排出的可能的滲流水。在一定的環境條件下，玻璃和金屬構件表面上容易形成冷凝水，需要增加第二道輔助冷凝水排水槽進行控制。
    積水應通過引渡部分設計以便將排水槽中的積水排出。
    水平橫梁外露部分要低，以便讓水在它上面自由通過。同時橫梁內部應具有排水槽，可把水送到豎梁（或主梁），通過主梁排水槽最后將水排到室外。
    4．2．6 天溝和檐溝（圖5）
    天溝、檐溝經常受水流沖刷、雨水浸泡和干濕交替，是玻璃采光頂的第三個典型節點。此處是水量的最后匯集處，又是與建筑結構的過渡部位，建議以下構造技術要點：
    為保證其可靠性，應增加設防道次，至少不低于三道設防，應增設鋪附防水層，考慮保溫效果的同時，應使用空隙度大的發泡材料，也利于排水找坡。
天溝、檐溝與屋面交接處變形集中，容易開裂，為增強抗裂能力，應采用能夠吸收大變形量的密封膠，并且進行柔性連接。
    特別要注意大排水量時的水位增高所造成的水流回流。類似的古建筑中的“尿檐”現象就是大雨量時延扣瓦縫隙回流到室內。2004年4月29日，故宮新修繕的武英殿出現漏雨狀況，據故宮古建修繕中心調查，發生的是“尿檐現象“，“尿檐”是建筑學俗語，指屋檐及其排水系統不能導出全部雨水，部分雨水因此侵入琉璃瓦的縫隙，迂回流經多處，最終表現為侵蝕檐體。究其具體位置，一是琉璃瓦覆壓咬合的尺寸不夠，二是瓦頂鋪設的角度不對。
    目前，國內有工程采用德國的天溝虹吸技術進行排水。其優點是排水量大、所需空間和面積較小、安裝靈活方便、系統具有自清潔特點、不易堵塞。缺點是需要支架和噪音。虹吸式排水系統的基本原理是當天溝積水深度逐漸加大并超過雨水斗上表面高度，摻氣比值迅速下降為零，雨斗內水流形成負壓或壓力流，瀉流量迅速增大，從而形成飽和排水狀態。其技術特點在于虹吸式雨水斗設計，水進入立管的流態被雨水斗調整，消除了由于過水斷面縮小而形成的旋渦，從而避免了空氣進入排水系統，使系統內管道呈滿流狀態。利用了建筑物高度賦予的勢能，在雨水的連續流轉過程中形成虹吸作用，導致水流速度迅速增大，實現大流量排水過程。
    5． 漏水點檢查：
    實際工程中漏水的原因是多種多樣的，漏水最直接的檢驗是在建筑物實際使用中自然界有水時的狀況。尋找并確定漏水點是掌握漏水原因的最好辦法。
    如果不能明顯確定漏水點，尋找進水點最便捷的方法是澆水測試。既從采光頂的底部結構外側開始，用水噴在懷疑漏水區域，然后檢測建筑物內部的水分，按玻璃水平分格的高度，延垂直方向重復此程序，直到最高點。
    漏氣點和漏水點往往是同步的。檢測漏氣點比漏水點可能還要困難，在冬季，室內入口區域容易鑒別，但室外空氣就不那么明顯了。仔細檢查，可以確定室內空氣漏點。但是氣體密封往往藏埋在采光頂的節點構造內部。這是就需要從節點設計圖紙入手，仔細研究懷疑部位，確定區域，必要時要拆卸扣板或構件表面，就能確定滲漏點，做必要的修復。