雨水渗入高层建筑的机制研究*

刘丽萍，李瑞霞，彭晓光

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

渗漏是建筑工程中常见的质量通病。国内外在防水材料、设计和施工等方面曾开展了长期的探索并取得了一定的成果[1-3]。外围护结构的保温系统存在的温缩裂缝占全部裂缝的70%[4]，成为渗漏隐患。近年来，随着高层建筑的大量出现，用户对房屋品质的追求越来越高，建筑形式趋于多样化与复杂化，与此相适应，对建筑防水性能的要求也随之提升。与此同时，在大力提倡建筑节能的过程中存在对建筑围护结构的保温功能过分重视，而对其在防水性能方面的需求视而不见的误区[5]。实际工程已证明，建筑围护结构的保温性能与其防水性能息息相关。建筑保温层中有水分子渗入时，保温材料的保温效果随之下降，严重时失其保温性能。可见，建筑渗漏关乎节能、环保和经济问题。为此，本文针对高层及超高层建筑外围护结构渗漏问题，对其渗漏机理和防治技术进行研究，以期为建筑物外围护结构防水工程提供理论依据和实践参考。

1 工程概况

东南沿海地区某市一处框架剪力墙结构高层住宅楼建筑，此建筑共为34层，分为地上32层和地下2层，其总面积为15 400 m2，每层高为2.9 m。表1为外墙的应用材料，图1为外墙的实体构造。本文以图1为基础，建立二维裂缝模型实体构造。墙体从外到里共有3层构造，分别为5 mm防护层、60 mm保温层(包括聚苯板与黏结砂浆)和200 mm混凝土墙基体，其组合墙体厚度共为265 mm，外保温系统涂料饰面层厚度不予考虑。裂缝有渗水现象。根据信息统计局统计年鉴和当地气象局收集的近5 年相关数据，该地区风力多在6～8级之间，风速多低于17 m·s-1；雨强主要密集分布在35 mm·h-1以内。

表1 建筑物不同层数的应用材料

图1 模型实体构造图

2 雨水在裂缝中微观流动模拟分析

裂缝内的水不可压缩，且模型计算时间内供应连续。裂缝内部有少量雨水，对裂缝内部雨水重力的影响和雨水的冲击力不予考虑。

通过设计长度为5 mm，宽度为0.5 mm的裂缝模型，追踪在风雨共同作用下，墙面裂缝中雨水的渗入深度和雨水的微观流动状态。通过流体力学分析软件FLUENT[6-8]建立二维裂缝模型，网格单元为四边形。对于大于0.05 mm的一切空隙，水分子可以顺利通过，因此以0.05 mm为网格尺寸划分基准。四周粗糙壁面组成裂缝模型边界，如图2所示。进、出口边界分别定义为压力进口和压力出口，进口压力由不同模拟条件和工况决定，其法向速度设定为零。

图2 裂缝的网格划分

2.1 风压对雨水在裂缝中流动的影响

雨水流入裂缝并且在内进行流动的重要动力为风压。根据建筑物所在地区气象统计资料及风速风压关系，可确定依托工程的风压范围，且已有研究表明，当风压低于0.06 kN·m-2时对渗漏的影响不予考虑。随着外围护结构表面风压的增强，裂缝内部雨水的流动速度也随之增大，如图3所示。建筑表面风压对裂缝初始渗流速度影响较大。

图3 不同风压下裂缝初始渗流速度

2.2 建筑高度对裂缝水流动的影响

根据《民用建筑设计通则》(GB 50352-2005)[9]的规定，建筑物表面风压和裂缝的内部压力随建筑高度变化。建筑高度与裂缝的初始压力关系曲线如图4所示。

图4 建筑高度与裂缝的初始压力关系曲线图

从图4的曲线走向可知，随着建筑高度的增高，裂缝的初始压力也随之明显增大，且两者基本呈线性关系。 建筑高度与雨水的初始渗流速度关系曲线如图5所示。

从图5的曲线走向可知，随着建筑高度的增高，裂缝内部的渗流速度也随之增大，且雨水的渗流速度在高度为100～150 m处显著加快。这表明裂缝内部的初始压力和雨水的初始渗流速度与建筑高度有较大关系。

图5 建筑高度与雨水的初始渗流速度关系曲线图

在水平中轴线上，雨水流入裂缝的速度为“m”形，呈现出增速、降速交替出现的情况，如图6所示。出现这种现象是由于雨水流入裂缝后，裂缝内部的粗糙面阻止了雨水扩散，从而导致雨水扩散速度下降，最终出现雨水渗流速度增速、降速交替出现的情况。随着建筑高度的增高，入口处雨水渗流速度也随之增大。这种现象说明雨水在裂缝波谷处的流速变化比较剧烈，在凸处雨水的流速比较大，在凹处雨水的流速比较小。此现象是因为雨水可在凸处颗粒两侧的空间进行扩散，而在凹进颗粒两侧扩散受到阻碍。

图6 水平中轴线和垂直中轴线速度曲线

2.3 局部构造对雨水在裂缝中流动的影响

风压在建筑的外围护结构表面的分布是不均匀的[10]。在凹进部位、挑出部位、阳角和墙面等局部构造处的风压大小不同。建筑物裂缝初始压力和裂缝初始渗流速度曲线如图7～8所示。从图7的曲线走向可知，不同构造部位裂缝的初始压力从墙面到凹进、挑出再到阳角部位走向呈线性规律，初始压力最大、最小的部位分别为阳角处裂缝和墙面裂缝。

图7 裂缝在不同构造部位处初始压力变化曲线

从图8的曲线走向可知，雨水从不同构造部位处流入裂缝内部的初始速度显然不同，从墙面到凹进、挑出再到阳角部位的基本走向呈现线性。渗流速度最大、最小的部位分别为阳角处裂缝和墙面裂缝。初始渗流速度与初始压力的变化规律吻合。

图8 裂缝在不同构造部位处初始渗流速度变化曲线

裂缝区速度曲线如图9所示。图9(a)为提取x=0～5 mm，y=0.3 mm 线段上不同点的数据绘成的裂缝水沿x轴方向的流速曲线。图9(b)为提取x=0，y=0～0.5 mm 线段上不同点的数据绘成的裂缝水沿y轴方向的流速曲线。

图9 裂缝在不同构造部位的水平向和垂直向流速曲线

在裂缝的水平方向处，雨水在不同构造部位处流入裂缝的速度是不同的。其流速从大到小依此为阳角处、挑出部位、凹进部位和墙面。在裂缝的垂直方向处，雨水的流速在0～0.1 mm之间明显增大，在0.1～0.4 mm之间先平缓上升到最高点后开始平缓下降。

3 结 论

1) 雨水在不同标准风压下渗入裂缝的初始速度是不同的。雨水在流入裂缝后以很小的速度向裂缝内部流动，其流动速度呈现为先增后减。这就是渗漏在短时间内不易被发现的原因。

2) 雨水流入裂缝的初始速度随着建筑物高度的增高而增大，且雨水初始流速明显加快的高度为100～150 m(此高度为常见高层建筑高度)，随后其变化趋势体现为平缓增加。雨水在流入裂缝后以很小的速度向裂缝内部流动。在裂缝内部凸出部分的两侧有很大空间，因此雨水在其部位的流速增大，而在裂缝内部凹进部分的两侧空间封闭，所以导致雨水在其部位的流速减小。

3) 裂缝内压力对雨水在裂缝内部的流动速度几乎没有影响。雨水流入建筑物裂缝内部的初始速度和在建筑物裂缝内部的速度由小到大依次是墙面、凹进部位、挑出部位和阳角处，但是雨水的初始流速和内部流速在局部构造部位处的增幅非常平缓。

4) 研究表明，目前常见的高层住宅建筑易发生渗漏问题。在研究城市盛行风向的基础上，对建筑物布局形式的优化，对风道间距合理的设计，以及在大风多发地区，减轻风荷载对高层建筑物的不利影响，都可以有效减少渗漏病害的发生。