单元幕墙十字位水密气密的设计经验

单元式幕墙是当今常见幕墙形式，从诞生之初开始，围绕它的话题中最突出的就是水密气密。利用“雨幕原理”等各种学术理论设计的缝隙插接密封是解决大面密封的惯常做法。然而在四个单元板块角部汇交的那一点，俗称“十字位”，它的密封则成为了单元幕墙防水的难题。没有水密性，谈何气密性。因为在此位置板块的连续密封很难再连续，需要通过合理的型材设计来解决密封问题。经过这十几年的发展，大家正在往一个正确的方向不断完善该部位的密封设计，下面将研发和施工中总结的一些经验和大家一起分享、探讨。

1 单元幕墙各种定义

单元幕墙，是指在工厂车间内将加工好的各种构件和饰面材料组装成一层或多层楼高的单元板块，运至工地进行整体吊装，与主体结构上的预埋件精确连接的幕墙。他的优点在于板块加工精度高，施工现场工作量少，安装时间短有利于工期。所以现在大多数业主都接受甚至指定采用这种幕墙形式，可以这样说，做好单元幕墙，是在幕墙行业占有一席之地的必要条件之一。

谈到单元幕墙防水，一定要先引入以下概念：

1.1 防水三要素

众所周知，幕墙发生渗漏要具备三个必要条件：

(1)幕墙面上要有缝隙;

(2)缝隙周围要有水;

(3)要有使水通过缝隙进入幕墙内部的作用。

这三个必要条件中如果缺少一项渗漏就不会发生。同样，如果将这三个条件的效应减少到最低程度，则渗漏也可降低到最小程度。

1.2 构造防水

又称“结构防水”，这是单元幕墙与框架幕墙的核心区别。构件式幕墙一般采用封堵法防水，即采用耐候密封胶对所有幕墙面上的缝隙进行封堵以达到防水作用，其目的就是消除渗漏必要条件中的第一项。这种防水方式并不可靠，它依赖于以下因素：密封胶的质量寿命、变形能力和相容性;施工条件和施工工艺;等等。需要控制的因素非常多，一旦一个环节出了问题，幕墙面没有缝隙这一点就无法保证，就会导致幕墙渗水、漏水。

而构造防水，一方面在缝隙上下功夫，使水无法达到内缝隙。另一方面在作用上下功夫，通过消除作用来使水不通过外壁缝隙进入等压腔。单元式幕墙正是通过整体构造设计达到这两个目的。

1.3 湿腔

在单元幕墙构造设计中，主要考虑七个方面内容：(1)结构受力设计;(2)调节支座设计(3)构造保温隔热设计;(4)构造防水气密设计;(5)构造排水设计;(6)外观设计;(7)使用功能设计。铝合金型材每处设计都是这7个方面的有机结合，湿腔也不例外，但它主要功能还是第4、5两点。一般湿腔位于单元幕墙横竖边框最外一道披水胶条的内侧，它允许水从外面进来，也让水从里面排到这里，最终排出幕墙外。板块横竖边框插接后，湿腔是横向通，竖向断，这使得每层的排水路径独立互不干扰。

1.4 干腔

干腔也属于上面提到的构造设计内容第4、5两点的功能，但它的地位肯定最重要。因为它既是防水的最后一道防线，所以要防排结合，同时也是气密性的关键部位。它位于最靠近室内侧的插接腔体。腔体内靠近室内一侧的插接为横竖线性密封，一般叫气密线。靠近室外一侧的插接线性密封一般叫水密线。在上面提到的防水三要素中，客观的说不可能完全杜绝任何一个要素，也就是说再严密的防线总有渗透的可能，干腔设计首先允许少量水进来，但必须迅速排出到湿腔，不允许积水。

1.5十字位

单元幕墙从内部结构分为横滑式和横锁式。他们都是通过杆件的对插和胶条的对接完成接缝密封，核心区别是十字位置的干腔防水原理完全不同。这里所说的十字位置，是指单元板块安装时在四个相邻板块间会形成一个内外贯穿的空洞，对这个空洞的不同处理方式决定了单元幕墙的结构形式。

横锁式单元幕墙的十字位置采用了一个公母组合的铸铝插芯，该插芯承担了收集干腔的水排到湿腔、十字位置密封、上下板块传力的重要作用，它的排水方式属于集中式。

横滑式单元幕墙主要通过水平插接横梁内的干腔将水排到外面的湿腔，也有简化改良的类似横锁式的集中排水方式。十字位置的密封常见有三种方式，后面将展开。目前国内采用真正的横锁式单元幕墙比较少，绝大多数单元幕墙均采用横滑式结构。

横滑式单元幕墙的上下横梁插接固定之后，延横梁长度方向允许相互错动，但由于每块单元板块都有一个支点限制该方向(左右)位移，原则上在水平侧向力很小或为零的情况下，上下横梁发生错位的情况只有层间位移。在水平侧向力作用不可忽略的时候，我们需要限制上下横梁的相对滑动，确保板块不会发生偏转。这种限制横梁的做法从结构受力上和横锁类似，但从十字位置防水和整个系统排水原理来说，还是属于横滑式单元式幕墙。

2 单元式幕墙的发展

单元幕墙的发展，其实就是十字位防水做法的进步。前面说过大家正在往一个正确的方向不断完善该部位的密封设计。那何为错误的方向呢?其实在单元幕墙刚引入国内的时候，大伙一窝蜂的到处寻找国外的单元幕墙资料，然后就摸着石头过河，各显神通。那时候做的单元式幕墙许多都漏水，一个原因是加工水平和胶条质量跟不上，另一个更重要的原因，是还将框架式幕墙见缝打胶的习惯搬到单元式幕墙中，没有仔细推敲构造密封防水体系、多腔压力递减体系、气密体系等。导致现场安装浪费大量的密封胶“堵洞”，甚至遗留一些“无法堵的洞”，造成了当时单元幕墙的负面新闻。

如果用对十字位置密封胶的使用数量多少来衡量一个单元式幕墙的“构造防水”程度高低的话，现在国内单元幕墙的构造防水程度不算高。但通过不断改良，现在已经把需要堵住的洞变得非常小且可操作，甚至完全通过胶条就能交圈密封。因为单元式幕墙内部构造复杂，所以在打胶的时候要时刻注意严禁三面粘接和采用伸长率满足变形要求的硅酮密封胶。

下面简单介绍横滑式单元幕墙十字位置比较常见的三种密封形式。

3 十字位置第一种形式

这种结构形式的特点是单元上横梁的水密线，在穿过上层单元板块的竖向公母料的时候，位于竖向公母料的水密线位置的前方。通过三维模型我们知道，横竖料交接的十字位，原来双道密封的上横梁水密线在竖料下端湿腔内变成了单道密封，而且两个板块的接缝位置肯定会形成两个缝隙，一个位于横向水密线位置(图3.1所示)，一个位于封口板和竖向水密线(湿腔一侧)下端位置(图3.2所示)。此外所有胶条断开部位的侧面也有细小缝隙需密封。

图3.1

图3.2

这些部位的处理就是单元幕墙水密气密的关键。在两个主要缝隙中，横向水密线的缺口较容易处理，因为此缝的变形要求稍低，只是水平方向的拉伸变形，胶不易撕裂失效，而且安装过程中非常容易实施注胶，没有遮挡。竖向水密线下端和封口板的密封就稍微麻烦，为了能够有操作空间打胶，首先这个部位的密封一定要求在公料竖料上，单元板块一定要母料插公料。同时，母料插公料的最大好处是，不用在竖向母料一侧上横梁的干腔封口板位置端铣口避位。笔者还见过在公插母的时候直接铣掉竖向公料上部的一截水密线和气密线，这样的后果非常严重，木桶效应显而易见。其次，因为该缝的变形状态较复杂，建议采用允许变形量大的密封胶封堵，并且注意胶的固话时间，新的板块一定要在打完胶第一时间完成插接，以达到有效封堵。

泡沫海绵在这种密封形式中的作用非常重要，无论是水密线还是气密线，它除了能大大提高幕墙的气密性能外，还能减少雨水对十字位置缝隙的冲击，达到防水的目的。特别对于这种水平水密线在前面，竖向水密线在后面的防水形式，他能通过打胶形成披水三角胶缝，使竖向湿腔上部的水顺利排出湿腔，减低胶条的防水压力。

这种形式的优点有：

3.1 十字位置密封在湿腔一侧，各种密封施工便利

3.2 泡沫海绵在十字位置的作用明显

3.3 上横梁的干腔位能设计得更宽大，吞吐量大

相对存在的缺点：

3.4雨量大的时候，十字位置的水漫过泡沫棉后会积聚在胶条的上部，竖向水密线上如果有水冲击到，也会顺着壁往下流到密封薄弱部位，容易造成渗漏。因此该系统需要加强等压腔体的设计，令干湿腔压力差尽量小，减少胶缝的防水压力。

3.5由于幕墙主要承受负风压作用，横梁水密线负风压下主要受力的是干腔一侧的胶条，该系统刚好在十字位置的水密线密封依靠的也是同一个胶条，因此在风雨作用的时候，该胶条会频繁改变压缩状态，容易造成渗漏。

4 十字位置第二种形式

这种结构形式的特点是单元上横梁的水密线，在穿过上层单元板块的竖向公母料的时候，位于竖向公母料的水密线位置的后方。通过三维模型我们知道，横竖料交接的十字位，原来双道密封的上横梁水密线在竖料下端湿腔内变成了单道密封，和第一种形式一样也会形成两个缝隙，一个位于横向水密线位置(图4.1所示)，一个位于湿腔的硅橡胶板和竖向水密线(干腔一侧)下端位置(图4.2所示)。此外所有胶条断开部位的侧面也有细小缝隙需密封。

图4.1

图4.2

这些部位的处理就是单元幕墙水密气密的关键。在两个主要缝隙中，横向水密线的缺口较容易处理，因为此缝的变形要求稍低，只是水平方向的拉伸变形，胶不易撕裂失效，而且安装过程中非常容易实施注胶，没有遮挡。竖向水密线下端和硅橡胶板的密封就稍微麻烦，首先由于有泡沫海绵条阻挡，位置隐蔽不好操作，其次，因为该缝的变形状态较复杂，密封胶与硅橡胶板的相容性也没有和铝材粘接好，所以会存在不确定因素。

泡沫海绵在这种密封形式中的作用也很重要，但进到竖向干腔后作用没有第一种十字位构造大，因为这种构造体系的缝隙打胶位置，水必须向上走才能冲击到，不会积聚在胶缝上，因此防水性能非常好。除非该部位的胶缝由于硅橡胶板的相容性出现失效，水顺着这一个薄弱环节进入到干腔，泡沫海绵才需要实行二次密封，在硅橡胶板相容性没问题的情况一道密封即可。

因为这种构造特点，此种十字位构造设计时，建议加强湿腔的防水能力，减少水的冲击力，特别是十字位最外一道披水条建议做通常或者胶水粘接处理，保证此部位的雨水不能直接无阻碍的对胶缝冲击。干腔排水方式采用集中排水和这种防水体系搭配起来效果不错。

这种形式的优点有：

4.1 十字位置密封在干腔一侧，水需要克服重力往上走才能冲击到胶缝，不会在胶缝处产生积聚

4.2 正确处理的话，该系统防水优于第一种十字位构造

4.3由于幕墙主要承受负风压作用，横梁水密线负风压下主要受力的是干腔一侧的胶条，该系统在十字位置的横向水密线密封依靠的不是干腔一侧的胶条，因此在风雨作用的时候，该胶条不会频繁改变压缩状态，不容易造成渗漏。

相对存在的缺点：

4.4 十字位打胶部位较隐蔽，加大施工难度

4.5 因为上横梁的干腔较小，整体排水能力不及第一种十字位构造。

5 十字位置第三种形式

这种结构形式的特点是单元幕墙横竖边料的型材完全一致，四个角采取45度组角连接，横竖插接均采用硬质胶条插接。采用胶条带来的好处就是十字位置的三道密封线——尘密线、水密线和气密线均水平连续密封，竖向胶条搭接在水平胶条上粘接密封，整体无防水薄弱环节。

这种横竖密封线对位的构造其实还有一种硬插接的形式，有点类似第一、第二种构造，由于该做法型材铣口麻烦，十字位置的漏点太多，一般不建议采用，这里就不做讲解。

在研究十字位构造之前，先了解一下这套系统的腔体排水原理：大家知道，框架组角会有很多好处，譬如角部强度高、框架稳定坚固、角部型材缝隙不漏水，同时组框后胶条也可以连续密封。这套系统的型材内部有两个闭合腔，一大一小，大的是组角腔(如图5.1)，小的是排水腔(如图5.2)，由于板块角部采用正规撞角组角，通过组角角铝和组角胶保证强度，通过端面胶和耐候密封胶保证密封性能，使得这两个腔体相互独立互不干扰，排水腔在单元板块中形成封闭环路，和外界完全隔绝，这是这套系统排水最重要的基础条件。

图5.1

图5.2

干腔的水如何排到湿腔，湿腔的水如何排到室外?

在上横梁干腔1/4位置开设排水孔通到排水腔，由于重力作用，水最终会跌到同一板块的下横梁排水腔中，再通过多个泄水孔将水排到下面板块的上横梁的湿腔。这系统的尘密线胶条采用了多腔构造，目的是设置错位的走水通道，让风不会把水直接吹进湿腔，具体见下图(图5.3，5.4)：

图 5.3

图5.4

这套系统的防水严密性非常高，但排水路径非常迂回，干湿腔的压力差很难减小，面对台风的时候，大气压强变化剧烈，对于密封胶条的考验很大。唯有靠在满足截面受力的情况下，多开泄水孔和排水孔，加大排水腔的空气流动速度，以达到等压效果。

该系统十字位的处理如下图(图5.5)：

图5.5

插接后的效果如下图(图5.6，5.7)：

图5.6

图5.7

可见该构造的十字密封非常依赖胶水和工人的细致，现场工作需要很严谨的态度，不能因为麻烦而马虎对待。胶水方面建议用德国进口品牌，并且严格按照该品牌的使用说明书操作。在加工厂操作的建议尽量用焊接胶条技术处理胶条转角。

这种形式的优点有：

5.1 由多胶条形成的干湿腔，加上胶条之间的粘接密封，整体无漏点，整体水密气密性能优秀

5.2 幕墙框架整体强度高，变形小，配合软插接密封，任何时候均能保证连续线性密封

相对存在的缺点：

5.3 现场作业复杂程度高，对工人要求高

5.4 铝材和胶条用量大，增加成本

5.5 软插接使板块之间不能线性传力进行刚度分配，往往通过单点限位或多点辅助插接来传力，对于侧向力作用大的单元式幕墙，需增加插芯传力。

6 十字位置第n种形式

以上介绍了三种十字位置构造：横前竖后、横后竖前、横竖共面，单元幕墙构造千变万化，但万变不离其中，我们要把握重点，吸取各种构造的长处，最终会诞生出更加完善的单元式幕墙构造。有那么一套系统，它的十字位能实现真正的构造密封，不用靠密封胶堵漏;取消了泡沫海绵，因为尘密和水密线的胶条和型材设计使空气渗透能力大大减弱，并巧妙的通过多等压腔压力递减原理使胶条防水能力大大加强;上横梁采用分离式设计，将插接板和排水腔分离出来，使排水设计更加自由方便;公母插接到位会“咔”一声，不再费劲，粗暴安装不再存在;随着安装精度的提高，最终会回到竖料插芯插接的主流上，这种受力方式更合理，能应对竖向大装饰线条带来侧向风力作用，横梁插接只是密封构造而不是受力构造，而且这样吊装也更方便更安全。(如图6.1)

图6.1

7 结语

化繁为简，返朴归真。幕墙设计到了高层次也是艺术，艺术是相通的。繁琐意味着费料，这也是企业老板最不愿意看到的;繁琐意味着容易出问题，因为质量控制点太多。有时候，在单元幕墙系统设计中，适当用减法，把问题集中解决，往往会有出奇不意的效果。