风载对高层建筑外保温的破坏分析及加固改进

胡博，高艳伟，梁柱

（1.南宁职业技术学院，广西 南宁 530003；2.黄石市城乡建设委员会，湖北 黄石 435000）

外墙外保温是实现建筑节能和绿色建筑的主要途径，但随着外墙外保温系统的广泛应用，出现了开裂、空鼓、脱落等各种质量问题，造成后期使用和维修的难度。尤其是在大风荷载的持续作用下，造成的保温板脱落问题层出不穷，不但影响正常使用，减少使用年限，而且给生命财产造成极大的损失。由于高层建筑外墙外保温系统的抗风性能研究较为复杂，目前专门针对相关方面的研究较少，更是缺乏合理的理论体系。因此，加强对高层建筑外保温抗风荷载的研究，对于大风地区的外墙外保温工程实践具有重要的现实意义。

1 高层建筑物外保温层的安全性分析

在外墙外保温系统中，整个系统所受到的荷载为：包含外饰面的系统自重，系统各层的粘结力，锚栓处的机械锚固力，正、负风压荷载等。正常情况下系统在满足强度要求的前提下又能通过耐候性和抗风压性能的测试，使用年限可达到20年以上。

1.1 外墙外保温系统的受力情况

外保温系统的自重和外界荷载的冲击力主要由砂浆粘结层和锚栓加固层共同承担。整个系统内各构造层通过彼此间的粘结层向内传递荷载，最终把所有的荷载传到基层墙体上。锚栓靠斜向支撑与摩擦膨胀加固，砂浆粘结剂与墙面的粘结力和摩擦力是以斜向压力的形式传至墙体结构层的[1]。整个受力过程中系统自重的剪切与负风压荷载的外推力再加上粘结层内部大气压强的剥离对耐久性造成极大冲击，需要粘结砂浆和锚栓同时达到最佳粘结性能，才能确保整个外保温系统的稳定和安全。

1.2 高层建筑物的风压变化

风荷载的大小决定着风压的大小，且随着建筑高度的增高而不断增大，其大小主要受建筑结构的自振特性、高度、体型、表面状况、风向、周围环境等诸多因素的影响。

测得的风压分布系数（见图1）[2]表明，对于建筑物的同一高度，迎风面受正压力作用，生成的拉力有利于保温板与基层墙体的粘结。两侧面受到吸力和剪力的双重作用，背风面受负压吸力的影响，其产生的吸力均为负，使得两侧面与迎风面交界处和背风面上部两角面部受风载破坏较大[3]；随着建筑高度的增加，各面的压力和拉力逐渐加强，在迎风面上部正中间产生较大的正压区，在4/5建筑物高度处产生最大的小区域正压区，形成抗风压安全带。建筑物底部的迎风及背风面的正负风压对外保温板影响较小。另外鉴于建筑物形状、体型系数及周围环境等条件的不同，高层建筑物外表面的风压很不均匀，破坏程度也不尽相同[4]。重点是研究负风压区保温板的破坏并强化加固。

图1 同一建筑同一高度下四周的风压系数分布情况

2 风压对高层外保温板的破坏

风荷载对外墙外保温系统的破坏情况主要取决于负风压发生区和连通空腔的严重程度。

2.1 负风压区的作用

建筑物在大风荷载的作用下，其两侧风面和背风面的外保温板产生吸力，为负风压区；对多数有空腔的外墙外保温系统，负风压区的空腔内空气压强大于外界空气压强，从而对外保温系统产生由空腔内向系统外的作用力即负风压力；在正风压区则反之。而对于无空腔的外保温系统，正负风压力的破坏作用较小，很难影响板材的安全性。

建筑物的负压部位通常在与风向平行的建筑两侧和背风一侧，其中以建筑两侧的负压最大，最容易造成负压破坏。尤其是在高层建筑结构中，该影响更为严重，需特别重视。

2.2 连通空腔的破坏

在负风压易发生区位置，如果采用有连通空腔的保温层做法，负压产生的作用力会集中在负压最大的位置，再加上粘结剂的涂抹不均匀性，造成应力集中应变过大，导致负压易发生部位保温板的破坏。由于连通空腔的存在，使得大面积空腔产生较大的负压破坏力，先破坏粘结强度低或粘结面积小的不利粘结点，进而导致各粘结点的粘结力不断消失、老化，最终造成保温板在大风荷载的持续作用下发生大面积脱落破坏。如图2所示。

图2 负风压作用下粘结力失效保温板脱落的过程

2.3 外保温板破坏规律

风荷载持续反复的作用力对保温板产生长期的疲劳荷载，加速了外保温板的空鼓、开裂直至脱落。当外墙外保温系统局部所受的负风压增大时，空腔内部与外表面的压力差明显提高，随之产生较大的向外推力，使得风荷载对保温层的外向吸力加强。先从粘结面积小连通空腔大的部位逐渐脱落，最终蔓延到整个系统。

3 风载对不同建筑物布局外保温的影响分析

对多个建筑物，尤其是密集的高层建筑群，要考虑风力相互干扰的群体效应。而单体建筑则不需要考虑，其四周没有阻挡物，暴露在风压作用下，风速流场对各个面的冲击强度都较大[5]，尤其是两侧面和背风面在系统的剪切作用加上保温板内外产生的大气压强共同作用下，极易发生脱落破坏。

在串联和并联布局情况下，由于相邻建筑间的风速流场会造成相互干扰，串联建筑物会形成遮挡效应，造成小区高层建筑物间明显的静力干扰作用；并联建筑除了考虑风载对单体建筑物的影响外，还要考虑两楼间过风道的狭缝效应[6]，主要影响相邻两建筑物间狭缝区域的侧风面，会导致该区域风荷载局部密集和突然增大，外保温板内外形成压强差，在风荷载的持续高速作用以及系统自身与墙体剪切的双重作用下，引起抗风设计中的安全问题。另外由于两楼较近，局部风压的骤然加强引起建筑物发生垂直于风向的水平变化和扭转，尤其是当两楼间的净距小于2倍的楼宽时，影响更加明显[7]。

小区错落式综合布局可有效避免串并联布局遮挡和狭长效应下的静力干扰作用[8]。同时能减缓大风多发地区风荷载的持续破坏。提高外墙外保温系统的安全性和耐久性。在考虑城市盛行风向和周围环境的基础上，对小区建筑群合理布局，采取有效措施降低风荷载的干扰，另外通过合理的建筑风道全面提升整个住宅小区的风环境舒适性[9]。

4 对抗风荷载的外保温构造

结合大量的实践和具体的试验研究分析发现，满粘、点框粘和条粘构造的粘结强度高，能提高系统的耐久性和安全性，对于高层建筑外保温抗风荷载破坏效果较好[10]。在原有砂浆粘结的基础上辅以合适数量的锚栓固定，形成坚固的粘结强度，可以达到标准规范要求的外保温工程5年的最低保修期和正常设计、正常施工、正常使用和维护情况下的25年使用年限[11]。

4.1 满粘构造（见图3）

图3 满粘构造示意

满粘构造情况下粘结层填满了粘结砂浆，没有空腔，不会有负风压的风险，可避免因空腔和负风压等引起的外保温层脱落。尤其是对高层建筑外保温的上半部分粘结，该方式必不可少。

该构造砂浆胶粘剂的厚度在6 mm时粘结强度最高，粘结面积一般在70%以上，相比条粘、点框粘结等粘结方式，粘结材料耗用量过大，成本相对较高，但对高层建筑外墙外保温系统的抗风荷载效果极佳，降低了破损的可能和后期的维修费用。但对墙体基层的平整度要求较高，对于负风压区尽可能地采用墙体和保温板两面抹灰粘结。

4.2 点框粘构造（见图4）

图4 点框粘构造示意

该构造属于闭合小空腔构造，在很大程度上降低了负风压产生的面积，使得负风压产生的破坏力低于单位面积上的粘结固定强度，可有效地避免因负风压导致的保温层脱落破坏。

在基层的平整度大于5 mm/2 m时，应优先采用点框粘结，粘结应牢固，避免松动和空鼓的发生，板缝应挤紧，相邻板齐平，板间缝隙用保温板填塞，相邻板间高差和缝隙不得超过1.5 mm，粘结24 h后要安装锚栓。粘结厚度（5±1）mm，胶粘剂用量为4～5 kg/m2；实际工程操作中保证砂浆的粘结均匀度，框内板面上粘结点保证6～8个/m2，整个粘贴面积≥40%，下部留50 mm的通气孔。

4.3 条粘构造（见图5）

图5 条粘构造示意

该构造在施工时采用齿形抹子沿水平或竖向涂抹胶粘剂，保温板粘结面积大，粘贴的保温板空腔小，接近于满粘构造做法。在基层的平整度小于5 mm/2 m，可优先选用该构造，粘结厚度为（5±1）mm时，粘结强度最好，胶粘剂用量为3～5 kg/m2，粘结面积≥50%，施工时一定要按规范实行标准化操作，砂浆涂抹均匀，保证质量。

结合EPS外墙外保温板与基层墙体在5种不同粘结方式情况下的剪切粘结强度试验所得数据（见表1）。分析得出，在试件规格为200 mm×150 mm情况下，满粘、点框粘和条粘3种粘结方式的粘结强度较高。

表1 不同粘结方式下的抗剪粘结强度[10]

综上所述，按要求施工的3种构造粘结强度较高，但要抵抗强大的风荷载等外力的持续冲击，还需要加固合适数量的锚栓进行强化，锚栓用量至少6个/m2，具体根据实际情况确定，一般情况下粘结面积和锚栓数量随着建筑高度增加而增加（见表2）[10]。系统的饰面层要采用涂料装饰，避免饰面砖导致的脱落。

表2 不同建筑高度所选用的粘结情况

5 抗风荷载破坏的强化措施

5.1 试验段施工

为确保整个高层建筑外墙外保温系统的耐久性。在正式施工前，可根据每个工程特点、施工环境等条件，确定合理的施工段，编制试验段方案，进行外保温试粘结和检测，以确定科学合理的施工工艺、粘结厚度及粘结面积等参数。

5.2 边角处保温板的优化

建筑墙体边角受负风压影响较大，在风荷载等的持续冲击下容易破坏，对该部位常采用的施工做法是纵横向保温板伸出60 mm，粘结合适数量的砂浆搭接，但这种做法往往为后期的破坏埋下隐患，耐久性差。为了避免此种情况发生，需要对保温板进行改进，设计制作出尺寸为600 mm×600 mm×1200 mm的L型新型复合保温板（如图6所示）。施工中需加强保温板的保护防止破损，先用砂浆胶粘剂对保温板满粘，再辅以锚栓强化。如此设计施工的外保温边角构造可以很好地防止负风压产生的破坏，提高整个系统的耐久性和安全性[10]。

图6 类似于等边角钢的L型复合保温板

5.3 局部荷载的分散与优化

对从底层到顶部全部粘结保温板的（超）高层建筑物，由于整个外保温自身的荷载较大，采取分散层间荷载的措施，在每一层间即每相隔3 m设置承托用的托板檐，有效地分割了纵向保温板的连续面，减轻了层间饰面荷载，对整个外墙外保温系统起到一定程度的卸荷作用。保温板连续面的减少，可以使得负风压对保温系统的影响降到最低。同时对于横向连续保温面过长的区域也采取同样的结构分离方法，降低保温层的横向连续面，防止房屋不均匀沉降等引起的外保温层整体开裂，提高系统的安全和耐久性。

5.4 增加粘结面积与锚栓数量

高层建筑为抵抗风荷载的破坏，需采取以增加胶粘剂的粘贴面积为主并辅以合适数量的锚栓，来提高外保温层与基层的粘结强度，对负风压区抗风要求高的部位采用满粘加锚栓固定。另外粘结砂浆要涂抹均匀以防止应力的不均匀变化。

5.5 其他措施

高层建筑设计时要考虑常年盛行风向和周围环境等因素，采用错落式综合布局，合理设计建筑物间的相互位置及间距等，使建筑物的大表面朝向盛行风向，减少建筑物间的流场相互干扰。

对建筑物两侧和背风区易产生负风压的边角和中间部位进行重点强化加固，采取措施减少负风压区的发生，提高施工标准，严把材料质量关，确保系统内各材料的温度膨胀变形一致[12]，使用中定期进行检修和维护。

从墙体的连接构造入手，提高墙体的整体性，改善抗侧移和变形的能力，降低建筑物的摇摆程度，应采用多种连接构造措施来增强各结构构件的连接强度以及建筑物的整体性[13]，从而提高抗风能力。

6 结语

（1）在风载影响外保温板因素中，负风压区和连通空腔是导致外保温层脱落的关键。负风压严重部位多发生在高层建筑的两侧面和背风面，尤其是边角和上部中间部位，为避免出现连通空腔，应使用全满粘粘结，降低保温层脱落的风险。小区高层建筑物设计时要在充分考虑城市盛行风向和周围环境的基础上采用错落式布局，禁止使用串联和并联式布局，减缓大风多发地区风荷载的持续破坏。

（2）对高层建筑物，风荷载产生的风压强度随高度的增加而加强，且上部增大明显。为抵抗大风荷载持续作用下的破坏，应同时增加粘结面积和锚栓数量进行加固，形成双保险，确保各个高度处保温板与结构层的粘结强度坚固可靠。

（3）对高层建筑外墙外保温系统进行研究分析，总结出5种不同粘结方式下的抗剪粘结强度情况和不同建筑高度下的粘结方式、粘结面积、粘结厚度及锚栓数量。

（4）通过试验分析总结出抗风荷载破坏较好的3种外保温构造。针对建筑物边角部位搭接粘结易破坏问题，进行优化改进，设计出L型新型复合保温板专门用于墙角，采用满粘粘结辅以合适数量的锚栓固定方式，可以有效地解决风荷载作用下的墙体端部破坏问题。另外，进行试验段试粘和对外保温分段卸荷能提高外保温的安全性和耐久性。