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建筑玻璃采光顶的防水构造
李宝成
内容摘要：本文主要阐述了玻璃采光顶防雨水渗漏构造和室内结露水排放设计的原则。
关键词：阳光效应.，线膨胀系数，热应力，完全密封，等压密封。
1 玻璃采光顶的发展
玻璃采光顶又称为玻璃屋顶，它的出现主要是解决建筑的采光问题 ，早期多用于养花温室、室内游泳池的屋顶。追溯起世界上最早采用玻璃面积最大的建筑应该是： 1851年伦敦博览会时建的，世称“水晶宫”的大厦。这十层楼高，占地7.3万平方米的“水晶宫”，全部采用玻璃预制件和钢铁，仅用4个月时间就建成，给世界各国建筑大师以新的启迪。特别是设计建筑的明暗变化时应用越来越多，人们不断追求阳光下绿色空间的舒适生活条件，也越来越需要，于是造型各异丰富多彩的玻璃采光顶应运而生。
2 早期玻璃采光顶的防水
早期玻璃采光顶多数被应用于温室和室内游泳池等建筑。这些建筑内的空气湿度相当大，室内结露水南流北淌的现象相当严重，给人们产生了这些建筑不结露是不可能的印象，只要不漏雨就可以了，于是设计采光顶时重点放在了如何解决雨水渗漏的问题上。
早期玻璃采光顶用型钢作龙骨的较多，图1就是一个典型的温室采光顶结构：
1 2 3 4 5 6 4

A-A B-B
图1 温室示意图 1.槽钢 2.压条 3.螺钉 4.玻璃腻子 5.玻璃 6.角钢
当时由于认识的局面性和密封材料的欠缺，玻璃分格都比较小，其主要原因是当时密封玻璃缝只有腻子。这种桐油和滑石粉合成的腻子固化后比较硬，没有一点弹性。下面我们可以计算一下，玻璃板块长度1500mm时与钢材的膨胀差：

线膨胀系数
钢材： α1：1.2×10-5（1/℃）
玻璃： α2：0.9×10-5（1/℃）
年温差： Δt：80℃
玻璃长边：L：1500mm
膨胀差： δ：mm
δ=L·Δt（α1-α2） 公式（1）
=1500×80（1.2-0.9）×10-5
=0.36mm
采光顶的玻璃面是向光的，玻璃腻子在阳光紫外线的照射下，在臭氧的剥蚀、风雨的冲刷下，很快就老化产生龟裂，抵抗不了这一年四季大的温差变化，和一天随太阳起落阳光效应产生的温度突变。虽然钢材与玻璃的膨胀差只有0.36mm，但在长期的交变热应力作用下，腻子与玻璃定会脱开而产生雨水渗漏。加上当时的玻璃多数采用4mm厚的，板块太大承受不了风载、雪压，而且安装时还要上人，所以只能作小块玻璃的采光顶。
3 玻璃采光顶防水渗漏设计
3.1 完全密封式
完全密封方法，主要应用在隐框采光顶的面板间缝隙密封。这种密封方法，是在近代出现了硅酮耐侯密封胶之后才得以实现。
完全密封，顾名思义就是用胶完完全全的将缝隙密封。图2是一个点式结构玻璃采光顶，玻璃板块间就是采用的完全密封方法。
3.1.1完全密封涂胶宽度的计算

图2 点式玻璃幕墙 W0：涂胶原始状态 Wy：压缩状态 Wl：拉伸状态
在这种时刻都变化的交变载荷作用下的胶缝计算公式：

L·α·Δt
W0= ————— K 公式（2）
b　　　　
L：玻璃长边尺寸：2000mm
α：玻璃线膨胀系数：0.9×10-5（1/ ℃）
Δt：年温度差：80 C
b：在恶劣条件交变载荷作用下密封胶允许位移量20%
K：热伸缩限制率（0.7～0.4）

2000×0.9×10－5×80
最小涂胶宽度：W0= ——————————×0.6=4.32mm
0.2 　　　　　

3.1.2 选用密封胶的注意事项
3.1.2.1 采光顶采用中空玻璃，中空玻璃合片时必须用中空玻璃结构胶。两玻璃板块间的缝隙密封，必须用同一厂家生产配套的硅酮耐侯密封胶。两种胶必须作相溶性试验，并获取检验合格报告才允许施工。
3.1.2.2采光顶采用镀膜玻璃或夹胶玻璃时，密封两玻璃板块间的缝隙必须用中性耐侯密封胶，避免与镀膜和胶片产生化学反应。
3.2等压密封原理在采光顶结构中的应用
自从铝合金优异的挤压成型工艺出现，配合性能优越的硅酮密封胶，各种造型新颖形态各异的采光顶开始出现在现代建筑上。由于氟碳漆和各种镀膜玻璃的应用，使采光顶更加璀璨夺目，成为一些建筑不可缺少的主要配置，人们向往的绿色场所。
回想起1985年，在承制的第一个玻璃采光顶时，那种尴尬的场面还历历在目。那时在南方旅游城市签了一个花园式宾馆的外维护装修工程，工程快结束时甲方的经理一看装修的很漂亮，非要在主楼的西山墙外加一个上面有单玻采光顶的玻璃房子，说是要作咖啡厅。当时没有玻璃屋顶型材，不能接这样的活。但该工程的项目经理不听，让设计员现场设计，用铝方管型材作龙骨，用扣座扣条镶嵌玻璃，所有接缝均涂当时最好的“XM-38”双组份建筑密封膏，很快就完工了。当时甲方经理可乐的不得了，不惜重金进行了内部豪华装修，开始营业。可好景不长，一进入雨季漏的南流北淌，地毯也泡了，玻璃吊灯里灌满了水，被迫停业。雨季过后这个项目经理不服气，硬说工人涂胶质量不好才造成漏雨，而后全部将玻璃拆下来，他亲自带人涂胶重装了一遍，结果还是以失败而告终。所以在80年代设计员造成了见“顶”生危的毛病。
3.2.1雨水渗漏的机理
解释水的渗漏机理，最清楚的方法是利用火焰这一简单的对比，为了产生火焰，必须要有三个必要的组成部分：即必须有燃料、热和氧气。如果三项缺一则则无火可言。依照完全相同的思路，水的渗漏也必须具有三个要素：即必须有水、开口面积、某种将水穿过开口的力。同样如果这三要素去其一，则渗漏就不可能发生，这是阻止雨水渗漏的关键所在。
3.2.2等压密封原理
等压原理，实际是雨幕和压力平衡体系共同作用的密封原理。如图3所示，外侧的雨幕主要是阻止雨水的重力、表面张力和毛细渗漏。在风雨天气里，当风雨同时吹来时，外侧雨幕将风和水分开，风通过开口进入空气间层，使空气间层里的空气压力与外面风压相等。即使开口部位有雨水，这雨水在自身重力作用下只能向下淌，而不会流进室内。这就是等压密封原理。
图3 等压密封原理示意图
3.2.3等压原理在采光顶结构中的应用
3.2.3.1设计铝合金玻璃采光顶必须有专用型材
在1985年承制的铝合金采光顶失败后，经仔细的研究得出的结论是：隐框的采光顶包括雨蓬，面板无论是玻璃、单铝板、铝塑板都容易密封，只要用硅酮耐候密封胶将板块与板块间的缝隙涂好，就可以保证不漏。明框的铝合金玻璃采光顶的密封十分棘手，因铝型材与玻璃两种材料线膨胀系数差的太多。采光顶的造型越来越复杂，产生的结构缝隙有平缝、角缝、对接缝、搭接缝、插接缝，种类繁多。设计结构时每根杆件都不能产生热应力，涂胶设计又不允许造成胶三面粘接，还要考虑内部结露水易于排放。这是用普通型材包括用幕墙系列型材也做不到的事情，必须着手研制开发铝合金采光顶专用型材。
3.2.3.2铝合金玻璃采光顶防雨水渗漏结构设计
经过查阅了各国的采光顶资料，对比分析后，我们开发了一套采光顶专用铝型材。这套型材可满足单坡、人字、圆穹、半球、各种棱锥和塔形采光顶的造型需要。防雨水渗漏采用了等压密封，内部结露水阶梯排放。具体结构见图4所示，这是一个结构较复杂的金字塔型铝合金明框玻璃采光顶：

图4 玻璃采光顶示意图

A- A
图5 等压通道示意图
由节点④和图⑤都可以看到带齿形的玻璃压板型材与护边型材的装配情况。这两种型材在装配前加工时，每间隔300mm长就各掉120mm的耦合齿，形成等压通道。这类通道开口尺寸一定不能小于6mm（如图5），以保证在大雨时不能被水膜盖住而形成压差或产生毛细现象。
节点④是金字塔采光顶的棱线剖面图，这四条棱线延伸到护边型材头部的开口是与室外相通的。这又形成了四点通道口。节点④两侧玻璃压板与两边护边型材一样也各开有相同的通道，这样将图①、②、③、④所有等压腔都可连通，所有型材杆件上部都有与等压通道相通的等压腔，形成了连通等压网。当风雨吹向采光顶时，玻璃压板起到雨幕的作用，将风与雨水分离。风由四边压板和棱线的等压通道口进入等压网，使网中的气压与外界平衡。采光顶压板处即使胶涂的不好也不会产生大的渗漏，就是渗漏进等压腔雨水也可从第二道防线的等压通道口排出室外，从而保证了玻璃采光顶的雨水渗漏性能。
4.玻璃采光顶结露水的排放设计
4.1 滚水斜度
在设计采光顶时的外部滚水斜度不能小于2°，流水方向遇到突出玻璃表面较大的障碍物还要作马鞍分水，以便不产生流水死角排水不畅。
采光顶内部结露水的滚水斜度不允许小于12°，在洗澡的浴池里经常往身上滴落冷凝水的地方，上面结露处肯定不大于12°，这是由水分子在光滑的玻璃表面相互间的引力所决定的。所以在设计采光顶时玻璃的面角绝对不能小于12°，否则，有再好的的排结露水结构结露水也照样滴落。
4.2 型材对接缝的密封
有的采光顶防雨水渗漏、排结露水结构设计的相当合理，可做成采光顶后仍然漏了个一塌糊涂，仔细检查发现是型材接缝处漏水，拆开仔细一看型材端面切的不垂直，还有毛碴，就是型材端面涂胶后再组合也不能保证不渗水。所以采光顶结构型材对接的端头加工一定要细心把关：一是角度要准确；二是要平整光滑。组装时，在型材端先粘上用热熔丁基胶浸过的厚纸垫，以吸收加工偏差，也利于热应力的释放。
4.3 结露水的阶梯排放

图6 型材杆件断面接露槽的设计
人往高处走，水往低处流，这是大家都知道的常理。在设计采光顶结构的
型材断面时，一定要遵循上层杆件的接露槽下底沿，高于下层杆件接露槽的上边沿，如图⑥所示。否则上层产生的结露水流不进下层的接露槽中，将产生滴水现象，导致设计失败。
以上是本人的一点浅识，可作抛砖引玉，有不当之处请批评指正。