来源:建筑钢结构网 作者:蔡昭昀 林莉 吴颖 时间:2012-01-12
关键词:金属板 防水性能研究
摘要：本文详细介绍金属板围护系统的防水概念、防水性能分析及设计研究，设计单位参考。
摘要：本文详细介绍金属板围护系统的防水概念、防水性能分析及设计研究，设计单位参考。
1.研究背景
金属材料应用于建筑外围护系统，可以追溯到罗马帝国时代，最早耶路撒冷教堂采用了铜屋顶。到了20世纪中叶，随着镀锌钢板及镀铝锌钢板的大量生产，使金属板材成为一种非常经济的材料，被广泛应用于建筑中；近年来金属板材表面涂层技术的提高和发展，使得其耐久性及耐候性得到增强，同时色彩及板型范围不断扩大，极大的丰富了建筑的表现力，应用领域更加宽广。
金属板建筑构造属于典型的装配式围护系统，通常用于结构形式为钢结构的工业建筑与民用建筑，主要包括生产厂房、工业仓库、物流建筑、体育场馆、会展建筑、商场超市、机场航站楼、火车车站及码头等，此类建筑的特点是跨度大、层数低，相应的屋面面积所占比重较大，金属材料以其轻质高强、设计灵活、色彩丰富、造型独特、建造成本与施工难度适宜，优势明显，得以广泛应用。
但是由于我国装配式建筑的系统研究及设计规范欠缺，建筑构造简单，施工水平粗糙，
使得采用金属板围护系统的建筑渗漏现象严重，使用中出现很多安全问题，因此提高防水性能是金属板围护系统继续推广的关键技术之一。
2.金属板围护系统的防水概念
在建筑设计中装配式围护系统的防水设计中，应主要防止两种水，即围护系统外部水和围护系统内冷凝水。
2.1防止外部水入侵
建筑围护系统首先要防止系统外部水的侵入，系统外部水包括：雨水、积雪融化水等。
围护系统渗漏现象大部分是由外部水造成的，从围护系统材料、构造、施工工艺等方面完成好围护系统的密实性是保障防水性能最为关键的一步。
防外部水除了要防止淋水，还要防止毛细渗水。
毛细现象是一种物理现象。物体之间细微缝隙与水分子接触时，在浸润情况下液体会沿缝隙上升或渗入，缝隙越细，液体上升越高或渗入越深。
金属板围护系统存在大量接缝，要想控制毛细水渗入，就必须合理控制板缝的尺寸，控制了板缝尺寸也就是消除了缝隙内外两侧的压力差，也就是“雨屏原理”。
根据试验得知，接缝的缝隙宽度大于0.5mm时，一般不再出现毛细渗水的现象。当金属板之间存在一定的缝隙时，就避免了压力差和毛细现象，利用雨屏原理构造设计的接缝称之为“压力平衡缝”或“防水空腔接缝”。搭接构造对比见图1、图2。
图1-1在自攻螺钉固定压型钢板时，将上下两块板紧密压实，容易出现毛细渗水现象。而图1-2，在板搭接之处，上下两块板压出不同形状，产生空腔，有效防止毛细渗水。
2.2防止内部冷凝水
系统冷凝水，俗称“结露”，表现为在围护系统内部出现水迹甚至水珠，系统内保温层浸湿、发霉，围护系统渗水等现象。产生冷凝水的条件有两个：温度、湿度。
产生冷凝水的原因主要是：
湿空气的露点温度是判断是否结露的重要依据。如果温度下降到低于露点温度时，就会有冷凝水产生。在同一温度时，相对湿度越高，水蒸气压力越大，则露点温度也越高，越易
结露。同理，相对湿度相同时，温度越高，露点温度也越高，也就容易结露。
露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。使一个镜面处在采样湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露点温度。
空气结露的根本原因就是当室内空气温度降到低于其露点温度时就会结露。
3.目前围护系统防水性能分析
3.1因构造问题引起的防水问题
3.1.1屋面坡度过缓，产生设计缺陷；
金属板材屋面的排水坡度，应根据屋面结构形式、材料性能以及当地气候条件等因素，经过技术和经济比较后确定。
目前在激烈的市场竞争中，为了节省原料，一味降低造价，在建筑设计时，尽可能减小房屋坡度，甚至有的低于1／20，极易产生积水，造成房屋漏水。
常用金属屋面的坡度，见表3-1
3.1.2屋面排水设计未考虑地域特征，造成防水缺陷；
在南方暴雨环境下，屋面宜采用大坡度、板型宜选用高波板系统；
在梅雨较多的地区，宜选择板边设计为防水空腔式板型，以减少毛细水的渗入；
在室内外温差及湿度较大的地区，宜加强系统的气密性水密性，以防止系统内部冷凝水的产生；
在沿海地区季台风环境下宜采用抗风揭能力强的紧固件连接板或360°直立锁边板，同时需要在屋面边角增加和加强固定点的防水措施；
在东北地区应考虑积雪冻融时的排水措施，宜采用水密性优良的360°直立锁边板，同时屋面尽量采用长尺整板，减少横向搭接缝，减少渗漏点。同时尽量不设女儿墙，以避免女儿墙处积雪不化。
3.1.3构造层简单、围护系统气密性差、保温层出现冷凝现象；
目前市场上常用的金属板屋面的构造过于简单，通常只有金属面板、保温层（含铝箔贴面）、金属底板。这样的构造无法满足装配式围护系统最基本的气密性、水密性要求，当建筑室内外温差及湿度达到一定状态，系统内即发生结露现象，产生冷凝水。
3.1.4屋面细节不到位，引发漏点；
根据以往经验，金属板屋面出现漏水现象，很多是天沟排水口堵塞，天沟设置溢流系统即是预设第二排水路径，实际效果显著。屋面天沟应按当地不少于30年一遇暴雨强度设置排水系统，并按更高年限暴雨强度设置溢流系统。金属板屋面的天沟、檐口、异性板、泛水板等构造部位的温度变形应采用伸缩缝处理；不同材料搭接处应采用多道密封胶带，否则容易出现渗漏点。
3.2因板型问题引起的防水问题
3.2.1板型选择考虑不周；
通过紧固件连接的板和板之间通过自攻螺钉相连，连接性能可靠,，能较好地发挥板材的强度，并且能较好的承受平面内的剪应力。但这样的连接也存在一些问题：自攻螺丝暴露在外面，
容易生锈，影响美观；密封胶老化，出现漏水。
而通过卡扣或咬边连接的压型钢板，由于连接支架是隐蔽的，较好得解决了屋面漏水的问题，但是抗风揭能力差异较大。
3.2.2板型连接不牢固，施工粗糙，抗风能力差
在风荷载较大的地区，许多厂房的轻型屋面板由于设计的不合理或施工中不注重连接能力，问题导致被局部或全部掀起，造成了较大的经济和安全问题。
3.3因材料变化引起的防水问题
3.3.1构造处理未考虑金属材料胀缩特性，引起连接部位点变形，引发渗漏；
3.3.2因板材基板、镀层等厚度过薄，使得耐腐蚀能力降低，穿孔处易锈蚀渗漏；
3.3.3密封材料选择不当；
4.金属板围护系统防水设计
金属板围护系统要满足防水性能的要求，必须从以下环节做起：
4.1完善各个功能层次
围护系统构造功能层次的完整是系统有效运行的基本保证，系统构造主要由防水层、防水透汽层、保温层、隔汽层、基础底板构成。
上述构造层中，隔汽层与防水透汽层都是极为重要的构造层次。
隔汽层：阻止水蒸汽进入保温层，避免当保温材料含水率增加后热阻下降以及结露现象。
防水透汽层：具有防风、防水透汽功能，将外界水与空气气流阻挡在建筑外部，阻止冷风渗透，同时能将室内及墙体中的潮汽排到室外。
屋面系统构造见图4-1 ，墙面系统构造见图4-2。
4.2加强系统气密性、水密性要求
系统气密性、水密性的完善能有效的保证系统耐久性、减少建筑能耗、提高建筑的舒适度。
4.2.1保证建筑耐久性
随气流侵入围护结构内部的水汽由高温侧向低温侧迁移，通常在保温层处积聚（玻璃棉卷毡类材料尤为明显），形成水汽凝结，在温差作用下发生结露现象，产生冷凝水，加速建筑材料老化、钢材锈蚀、产生渗漏现象等，从而对建筑的耐久性产生影响。
4.2.2减少建筑能耗
随气流侵入围护结构的水汽以及冷凝水将严重降低保温层的有效热阻，从而导致更多的能耗，提高系统的密闭性，可以有效降低建筑能耗。
4.2.3提高建筑舒适性
进入建筑围护结构内部的水汽，使保温层处于潮湿状态，导致霉菌形成，从而对建筑质量造成影响，提高系统的密闭性，可以有效提高建筑舒适性。
4.3完善系统概念
金属板围护系统包括材料、板型、构造等，金属板围护系统构造属于构造排水系统，尤其是屋面；其防水性能首先是通过快速排除雨水来解决，如果雨水不能迅速排除，渗漏问题就会不可避免的发生，故及时有效的排除雨水对保证系统防水能力至关重要。
屋面坡度、板型波高、搭接长度、连接方式、细节处理等都直接影响系统排水能力，因此对于装配式围护系统的防水性能设计必须从多方面综合考虑，做到以排为主、防排结合。
4.4采用可靠安全的连接技术
在屋面设计中，风荷载是一个极其重要的设计荷载，在风力作用下，屋面常受到很大的吸力，如果自重等荷载的作用不足以抵抗风吸力，屋面必将会被掀起而破坏。
压型金属板屋面通常跨度超过6m，钢板厚度小于0.8mm，结构自重轻，因此对屋面压型金属板进行风荷载作用下的连接受力性能研究是十分必要的。
4.5细节设计是不可忽略的重要部分
细节设计包括：节点处理、天沟檐沟、泛水包角、出屋面构件、屋面采光通风节点等，这些部位多是不同材料的结合部，渗漏问题非常难解决。
金属材料在大温差情况下的热胀冷缩是不可避免的客观规律，滑动式连接的板型通过滑动式支座，将金属板的热胀冷缩平均分配、同步涨缩，使巨大的温度应力通过适当的支座滑动得以消除，不会将板块挤压变形或拉裂；保证整体系统在使用过程中安全地工作，是值得推荐的板型。
4.6施工质量是系统性能保证的关键
应加强金属屋面相关施工工法的研究，对专业施工人员进行定期培训，持证上岗，提高施工验收手段，完善后期维护和保养工作。
5.结论
本文旨在探讨装配式围护系统防水设计的原理及设防技术，以期通过建筑构造层的设置、材料的选用，提高金属板围护系统的防水能力。
参考文献：
[1]中国建筑标准设计研究院。防水透气膜建筑构造-特卫强防水透汽材料（07CJ09）.北京，2007
[2]《国家建筑材料工业建筑防水材料产品质量监督检验测试中心》检验报告N0:2010W08081
[3]轻型板材设计手册编辑委员会编著《轻型板材设计手册》中国建筑工业出版社
[4]国家建筑标准设计图集06J925-1~3《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造（一）~（三）》
