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建筑外皮·防水设计

外墙驱动雨 WDR 立面负荷模拟器

风将雨吹向水平方向（Wind-Driven Rain）打在建筑外墙上的负荷实时计算。改变降雨·风速·风向·建物高度·地形·立面材料后，WDR强度、立面动压、ASTM E331／AAMA 501.1 试验压的余量会立即更新，成为雨幕和密封设计的判断依据。

参数设置
降雨量 R
mm/h
单位时间内的降雨强度（强暴雨为 20～50 mm/h）
风速 V
m/s
基准高度 10 m 处的自由流风速
风向
风对墙面的入射角
建物高度 h
m
用幂律修正高度风速曲线
立面材料
外墙材料种类（参考）
地形条件
外形系数 Cp 会改变（海岸最大）
相对湿度 RH
%
影响墙面干燥（蒸发）速度
计算结果
—
WDR 强度 (L/m²/h)
—
平均雨粒径 D50 (mm)
—
终端速度 V_t (m/s)
—
高度修正风速 V_h (m/s)
—
立面动压 p (Pa)
—
试验合格余量 (Pa)
—
立面 × 驱动雨动画

可视化风和雨粒的入射角·终端速度·墙面痕迹。墙的湿润强度随 WDR 强度变化。

WDR 强度 vs 风速
地形别 Cp 比较
理论·主要公式

$$WDR = R \cdot \frac{V}{V_{term}} \cdot \cos\theta,\qquad p_{facade} = C_p \cdot \tfrac{1}{2}\rho V_{h}^2$$

R＝降雨强度 (mm/h)、V＝风速 (m/s)、V_term＝雨粒的终端速度 (m/s)、θ＝墙面法线与风的角度、Cp＝外形系数（地形依存）、V_h＝高度修正风速。

$$D_{50} = 0.5 + 0.4\,(R/10)^{0.232},\qquad V_{term} = 9.65 - 10.3\,e^{-0.6 D_{50}}$$

Marshall-Palmer (1948) 的中央雨粒径和 Gunn-Kinzer (1949) 的终端速度。降雨强度越大雨粒径和终端速度越大。

$$V_h = V_{10} \cdot (h/10)^{0.143}$$

Hellmann 的幂律修正 10 m 基准风速到任意高度（系数在开放地为 0.143，市街地为更大值）。

外墙驱动雨 WDR — 立面防水·耐水试验

🙋
「外墙驱动雨」不就是雨打在墙上吗？特意取个名字有什么特别的吗？
🎓
问得好。相同的降雨，若没有风，雨几乎垂直落下，外墙上基本没有水，屋顶和檐下承接。但一旦刮风，雨粒就有了水平成分「砸向」外墙。Lacy (1965) 用惊人简洁的式子 WDR = R·V/V_t·cosθ 来表达。比如降雨 25 mm/h、风速 15 m/s 时，每平方米墙面每小时有接近 100 升的水直接击中。这就是为什么屋顶防水和外墙防水思路不一样的原因。
🙋
100升啊，太多了…… 但立面应该用密封胶和垫圈做好防水了吧？还会漏吗？
🎓
「做好防水」的判断标准就是 ASTM E331 和 AAMA 501.1，在静态 137 Pa (5.5 psf) 差压下进行 15 分钟淋水试验，要求无漏水。但这个工具显示，风速 25 m/s、100 m 高的建物在海岸条件下，立面动压很容易就超过 500～1000 Pa，是试验压的好几倍。差压是试验压的好多倍的话，即使密封胶没问题，微小缺陷也会被强行推进。所以商业建筑会把设计压力定为试验压的 4～8 倍，必要时还要考虑改成雨幕。
🙋
雨幕？听说过但不太明白，和普通密封胶有什么不一样？
🎓
Pressure-Equalized Rainscreen 是一种双层构造，在外装材背面设通气间层，使外装材表面和背面的压力差接近为零。驱动压消失了，只剩毛细管浸入和惯性浸入，实测中能降低漏水 90% 以上。EQUITONE Tonality、ALPOLIC 这样的板材都是标准采用。与其靠加强密封，不如靠结构本身防水。
🙋
听过芝加哥西尔斯塔和约翰·汉考克塔这种事故案例。那是设计错误吗？
🎓
约翰·汉考克塔（波士顿，1973）因热应力+风压导致 60 层全 10,344 块玻璃陆续脱落要全部更换，是著名案例。西尔斯塔 1981 年也有高层玻璃坠落。1990 年代以后风洞试验+ WDR 分析成了必须做的事，Eurocode EN 1991-1-4 和 ISO 15927-3 支撑了这一点。现在用 WUFI Pro、Delphin、HAMcat 这样的热湿联合分析软件解算墙体的 1D/2D 水分迁移，甚至预测结露和冻融，时代变了。本工具是这个入口的粗算版本，目的是在设计初期掌握「WDR 压 vs 试验压」的平衡。

常见问题

WDR 是风吹动的具有水平方向成分的雨，不是打在屋顶上，而是直接吹向外墙·窗框·接缝的降水。用 Lacy 1965 的关系式 WDR = R·V/V_t·cosθ 来估算数量，其中 R 是降雨强度 (mm/h)、V 是风速 (m/s)、V_t 是雨粒的终端速度 (m/s)、θ 是风与墙面法线的角度。降雨 25 mm/h 加风速 15 m/s 时，每平方米墙面每小时就有 50～100 升的水打在上面，是接缝和垫圈浸入·劣化的主要原因。ISO 15927-3 和 DIN 4108-3 定义了标准的定量化步骤。
ASTM E331 是在静态 137 Pa (5.5 psf) 差压下进行 3.4 L/m²/min 的淋水试验 15 分钟，要求无漏水。AAMA 501.1 是动态（螺旋桨风）版本。商业建筑通常将设计压力定为试验压的 4～8 倍（548～1098 Pa），本工具以 Pa 单位显示立面动压（Cp×0.5ρV²）与试验压的余量。若动压超过试验压，按现行密封规格会有很高的浸入风险，需要加强密封或提高试验压，或采用雨幕。
地表附近因摩擦力风速会降低，随着高度增加。简单的做法是用 V(h)=V₁₀·(h/10)^α 的幂律，α 由地表粗糙度决定（市街地约 0.25～0.35、郊外 0.20、开放地 0.14、海岸 0.10）。本工具用 Hellmann 系数 0.143（开放地相当）计算高度修正风速，动压 q = 0.5·ρ·V_h² 乘以外形系数 Cp 得到立面压 p = Cp·q。Eurocode EN 1991-1-4 和日本建筑基准法施行令 87 条有更详细的正式定义。
Pressure-equalized rainscreen 在外装材背面设置通气层，使外装材的正面和背面压力差接近为零。这样驱动压就消失，只剩毛细管浸入和惯性浸入，雨水侵入在实测中降低 90% 以上。Drained-and-back-ventilated cavity wall（如 EQUITONE Tonality）是代表例。在本模拟器中立面压与试验压余量总是很小的设计，相比加强密封，采用雨幕能更好地降低建物整个寿命期的漏水风险。

实际应用

高层玻璃幕墙的规格检讨：东京、大阪、新加坡、纽约等海岸附近立地的高层建筑，风洞试验与本工具的 WDR 粗算并行，识别立面动压是 ASTM E331 试验压 5～10 倍的区域（转角部、最上层、挑空处）。这些区域用三重密封胶、防水金具、气密密封改良来对应，余量仍小的话改成 Unitized Curtain Wall 的 Pressure-Equalized 规格（如 Schüco USC 65）。

低层商业设施漏水故障诊断：使用 5～15 年的购物中心、物流仓库出现「仅特定风向强风时漏水」，用本工具按方位试算 WDR 强度，与漏水位置的风向是否一致。若漏水方向的动压超过试验压，原因不是密封胶老化而是设计不足，要考虑改成雨幕或更新外装材。

历史砖墙的冻融风险评估：以本工具计算出的 WDR 强度作为 WUFI Pro 或 Delphin 的边界条件，用现地气象条件（东京年最大 35 mm/h、台风时 60 mm/h、平均风速 8～15 m/s）计算。砖是多孔质吸水，WDR 强度×吸水率推出年吸水量，与冬期冻融循环次数结合评估剥离风险。明治·大正时期砖倉的保存计划常用此手法。

BIPV（建材一体型太阳能电池）板防水设计：将太阳能电池玻璃基板集成到外墙，板周围密封比普通窗框更严格。用本工具推估建物的 WDR 强度和立面压，与 IEC 61215 的 Damp Heat 1000h 结合，评估 25 年保修期内浸水·电气故障风险。

常见误区与注意事项

首先的陷阱是「ASTM E331 的 137 Pa 过关就实际风雨也没问题」的误解。137 Pa 是「最低品质检验用的基准值」，不是台风·强风雨的设计压。本工具显示，高层、海岸条件下实环境的立面动压轻易超过 500～1500 Pa。商业建筑的惯例是把设计压定为试验压的 4～8 倍，忽视这一点会导致 5～10 年后大规模打胶更换的高成本改修。编规格的设计者要用「Design Pressure」而不是「Test Pressure」来要求。

其次是「Cp 全方位都用同一数值就行」的过度简化。实际建物的外形系数 Cp 随墙面方位·高度·隅角距离大幅变化，转角部在风洞试验中被证实达到本工具中央值的 1.5～2.5 倍。Eurocode EN 1991-1-4 提供了分 A～E 区的 Cp 表，转角的 2D 宽度定为建物宽的 0.2 倍或高的 0.2 倍中较小者。设计初期用本工具的平均 Cp 打基础，最终规格前要用风洞试验或 CFD（OpenFOAM、ANSYS Fluent）确认局部 Cp。

最后是「降雨量 R 相同就 WDR 也相同」的误解。照 Lacy 式，WDR 是 R 乘以 V/V_t，同样 25 mm/h 但风速 5 m/s 和 25 m/s 的 WDR 差 5 倍。日本气象数据中年最大 WDR 通常不在「最大降雨日」，而在「中等降雨+台风或寒冷前线强风」的组合日。设计时要从气象台的时别数据取 R 与 V 的同时概率分布，用 99 百分位的 WDR 作设计负荷，这是 ISO 15927-3 的推荐步骤。

使用指南

  1. 输入降雨量（mm/h）和风速（m/s）。日本设计基准中沿岸地区通常设定风速 30 m/s、降雨量 50 mm/h。
  2. 设置建物高度（m）和相对湿度（%）。高层建筑在高度 20 m 以上时风速修正效应明显，WDR 强度会增加 1.5～2 倍。
  3. 对比计算结果的立面动压与 ASTM E331 参考压力（250 Pa～1000 Pa），确认余量度。石造或 ALC 外墙建议有 500 Pa 以上的安全余裕。

具体计算例

RC 造公寓，轨高 15 m，降雨量 40 mm/h，风速 25 m/s，相对湿度 65% 的条件：高度修正后有效风速约 28 m/s，立面动压约 430 Pa。对 AAMA 501.1 试验压 600 Pa 有 170 Pa 的余量。但若窗框采用铝合金窗（防水等级 AA），试验压基准降到 300 Pa，余量降至 130 Pa，防水密封胶老化管理就成了必须。

实务注意要点

  1. 都市计划地域的地形系数修正：市街地中心部（地形区分Ⅲ）风速倍率 1.0 倍，海沿平坦地（区分Ⅰ）1.3 倍以上，WDR 计算结果大幅波动。
  2. 高风速·低湿度条件下雨粒径 D50 低于 0.5 mm 时，微细粒子易浸入墙面隙缝，普通防水膜施工无法对应。
  3. ASTM E331 试验与整合时，试验压力 15 分保持为基准，但实环境瞬间压力达峰值的 1.3～1.5 倍，建议安全系数采 1.4 倍以上。