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建筑设计·防水

外壁风雨荷重 WDR 模拟器 — 建筑立面设计

采用 Choi (1994) 经验式评估风与雨同时直撃建筑外墙的「风驱动降雨 (Wind-Driven Rain, WDR)」现象，实时计算立面含水流量、风压、吸水量、渗透深度。可对比砖、混凝土、ALC、金属面板、玻璃幕墙等不同材料的吸水特性，为防水设计和材料选择提供初步依据。

参数设置
时间降雨强度 R
mm/h
水平面降雨量。10 mm/h 为普通降雨，30 mm/h 以上为暴雨。
风速 U
m/s
10 m 高处风速。10 m/s 为「较强风」，20 m/s 以上为台风级。
平均雨滴径 d
mm
细雨约 0.5 mm，暴雨约 2~4 mm。影响终端速度。
建筑高度 H
m
高层建筑风速分布更陡，上层楼层 WDR 集中。
外墙朝向 θ
°
风向与墙面法线的夹角。0° 为迎风面，90° 为侧风面 (WDR 为零)。
外墙材料
不同材料的吸水系数 A_w 和相对风险等级不同。
吸水系数 A_w
kg/(m²·√s)
按 EN ISO 15148 标准的 Karol I 期吸水系数。砖 1~3，混凝土 0.3~1。
计算结果
—
雨滴终端速度 (m/s)
—
雨滴入射角 (°)
—
WDR 强度 (kg/m²/h)
—
立面合计荷载 (Pa)
—
24h 吸水量 (kg/m²)
—
渗透深度 (mm)
—
立面断面 — 风、雨滴轨迹、渗透

左侧蓝色箭头表示风吹过来，雨滴以终端速度加风速合成的倾斜轨迹撞击外墙 (右侧)。青色区域表示墙体内的渗透深度。

风速敏感性 — WDR 强度随风速 U 变化
材料对比 — 24h 吸水量及渗透深度
理论·主要公式

$$R_{WDR} = 0.222\,R\,U\,\cos\theta,\qquad m(t) = A_w\sqrt{t}$$

R_WDR：立面含水流量 [kg/(m²·h)]，R：水平降雨强度 [mm/h]，U：风速 [m/s]，θ：风向与墙面法线夹角，A_w：吸水系数 [kg/(m²·√s)]，m：单位面积吸水量 [kg/m²]，t：曝露时间 [s]。

$$v_t = 9.65 - 10.3\,e^{-0.6\,d},\qquad \phi = \arctan\!\left(\frac{U}{v_t}\right)$$

Gunn-Kinzer (1949) 的雨滴终端速度 v_t [m/s] 与入射角 φ。d 为雨滴径 [mm]。风速越大，水平分量越大，φ 越大。

$$q = \tfrac{1}{2}\rho_{air}U^{2} + \tfrac{R_{WDR}}{3600}\,U$$

立面承受的合计荷载 q [Pa]。第一项为风的动压 (Bernoulli)，第二项为雨滴撞击的动量通量。

外墙风雨荷重渗透 (Wind-Driven Rain) 设计

🙋
「Wind-Driven Rain」是什么意思？与普通降雨有什么区别？
🎓
很好的问题。Wind-Driven Rain (WDR，风驱动降雨) 是指风将雨水吹向建筑立面的现象，对建筑外围护造成的水分荷载远大于垂直降雨。比如 20 mm/h 的降雨加上 10 m/s 的风，用 Choi 式 R_WDR = 0.222·R·U·cos θ 计算，立面受到的含水量约 44 kg/m²/h，相当于地面降雨的 2 倍以上。所以砖墙或混凝土外墙看起来「只是被雨淋湿」，其实内部已经渗入大量水分。
🙋
地面降雨的 2 倍！那外墙内部岂不是会进水很深？
🎓
正是这个原因，所以需要防水设计。多孔质材料的吸水遵循 Karol I 期吸水规律 m(t) = A_w·√t，砖的吸水系数 A_w 达 1~3 kg/(m²·√s)。如果 24 小时连续吸水，根据本工具计算可能吸收数百 kg/m² 的水。实际建筑中雨和干燥交替出现，不会那么严重，但欧洲的 DRI (Driving Rain Index) 评估表明，年度 WDR 超过 500 mm 的地区，几乎必须采用雨幕结构 (双层墙+通风层) 或撥水处理。
🙋
高层建筑风更强，那上面的楼层 WDR 风险更大吗？
🎓
完全正确。地表边界层中风速遵循幂律 U(z)=U_ref·(z/z_ref)^α (α≈0.14~0.3)，所以 100 m 高处风速是 10 m 高处的 1.5~2 倍。加上建筑周围流场的影响，上层角部、下部顶端等处风速可能加倍。CFD (RANS, k-ε) 解析表明，高层角部的降雨捕集比 (Catch Ratio, CR) 可达 2 甚至更高，下层中央部位只有 0.3~0.7。Blocken 和 Carmeliet (2005) 的研究是经典文献，他们用欧拉雨滴相位求解了建筑周围的 WDR 分布。
🙋
那从材料角度怎样防水呢？有什么办法？
🎓
首先从形状上「让水远离墙面」，用水切、檐口、雨篷等。材料侧主要有三招：(1) 用硅烷或硅氧烷撥水剂，把吸水系数 A_w 降到 1/10 以下；(2) 雨幕结构，外层面板吸水没关系，通风层让水干掉，内层结构保持干燥；(3) 空腔墙 (Cavity Wall)，通风和排水能力强。详细评估需要用 WUFI、Delphin、HygIRC 这样的热湿耦合模拟器，输入年气象数据、材料吸湿等温线、蒸气扩散阻力 μ 值等。EN ISO 15927-3 (DRI 评估) 和 ASTM E 514 (墙体透水试验) 是代表性标准。
🙋
近年的 Net Zero 建筑和 Passive House 中，WDR 也很重要吗？
🎓
重要性反而上升了。厚的外保温层如果进水，水分蒸发很慢，容易导致长期潮湿。EIFS (外保温系统) 或 CLT (交叉层积木) 构造，只要少量 WDR 进水，长期就会出现霉菌、木材腐朽、保温性能失效。Passive House Institute 推荐用 WUFI 模拟验证木结构含水率全年不超 18%，Mold Index 不超 3。反过来，金属面板、玻璃幕墙的吸水系数 A_w 接近零，但目地、窗框周围的漏水风险依然存在，需要单独用 JIS A 1414 / ASTM E 331 这样的水密试验检查。

常见问题

Wind-Driven Rain (风驱动降雨，WDR) 是指风力使雨水获得水平运动量并直接冲击建筑立面的现象。如果仅考虑鉛垂降雨，外墙受到的水分荷载很小，但实际上 5~10 m/s 的风速就会使雨滴入射角超过 45°，此时立面受到的含水流量与地面降雨量相当甚至更大。Choi (1994) 的经验式 R_WDR = 0.222·R·U·cos(θ) 是评估 WDR 的标准指标，其中 R 为水平降雨强度 (mm/h)，U 为 10 m 高处风速 (m/s)，θ 为风向与墙面法线的夹角。
WDR 导致的主要劣化包括：(1) 表面吸水与干燥循环引起的白花、冻融破坏；(2) 毛细管吸水使水分渗入内部导致霉菌、腐朽；(3) 接缝密封胶失效导致漏水；(4) 保温层含水导致保温性能下降；(5) 钢筋混凝土中氯化物、CO₂ 侵入导致钢筋腐蚀。欧洲通过 Driving Rain Index (DRI) 按地区评估年度 WDR 量，超过 500 mm/年 的地区几乎必须采用雨幕结构或撥水处理。
系数 0.222 是假设雨滴终端速度和 Marshall-Palmer 分布时的体积换算系数，将降雨强度 R [mm/h] 和风速 U [m/s] 转换为立面单位面积含水流量 [kg/(m²·h)]。Choi (1994) 通过 CFD 和风洞试验求解建筑周围流场与雨滴轨迹，得出自由场 (无建筑干扰处) 的 WDR 强度可用上式近似。而实际建筑中风流绕过，使得上层角部、下部中央等处的 WDR 产生局部集中或衰减，需要用 CFD 求得的降雨捕集比 (Catch Ratio, CR) 进行修正。本工具给出的是自由场的近似值。
本工具采用 Karol I 期吸水规律 m(t) = A_w·√t 进行一维毛细管吸水建模，假定 24 小时连续曝露、等温、初始干燥状态。实际建筑中降雨与干燥交替出现，长期净渗透量远小于本工具预报值。精细评估需采用 WUFI、Delphin、HygIRC 等热湿耦合模拟器，输入年气象数据、材料吸湿等温线、水蒸气扩散阻力 μ 等参数。本工具应理解为「材料选择、形状设计阶段的快速筛选」工具。

实际工程应用

高层办公楼外立面设计：东京、上海、香港等沿海城市的 100 m 以上建筑在设计时，需用 CFD 计算风速分布和降雨捕集比，预判上层角部、飘梁下端等处 WDR 集中，提前强化二次防水。实际项目中常用 ANSYS Fluent 或 OpenFOAM 的欧拉雨滴相位求解 WDR 分布，从 CFD 结果中提取漏水高风险位置，针对性地调整目地宽度、密封胶等级和排水设计。

历史砖墙建筑保护修复：欧洲中世纪教堂、美国东海岸砖造房屋的砖 (A_w = 2~3 kg/(m²·√s)) 吸水能力很强，WDR 造成的水分在冬季冻融膨胀导致凍融破坏 (frost decay)。现代保护方案是用硅烷系撥水剂将 A_w 降至 0.1 以下，本模拟器对比 A_w = 0.1 和 2.0 的渗透深度差异可达数倍，直观显示撥水处理的效果。

Passive House 和木造 CLT 建筑风险评估：外保温厚度 200 mm 以上的高效建筑，进水后的干燥周期长达数月。Passive House Institute 要求用 WUFI 热湿耦合模拟保证结构材含水率年平均 ≤ 18%、Mold Index ≤ 3。用本工具对比「金属面板+通风层」与「砖+直贴保温」的 WDR 渗透量，可定量体现雨幕构造的价值。

沿海及台风高频地区的多层住宅：沖绳、东南亚、加勒比海沿岸地区常见 25 m/s 以上风速同时伴随 50 mm/h 以上降雨。本工具输入风速 25 m/s、降雨 60 mm/h，WDR 强度达 330 kg/m²/h，窗框、门框处面临强大压力。需通过 JIS A 1517 (水密试验) 验证 500 Pa 以上差压下的止水性能，设计等压雨幕或加强排水措施。

常见误区及注意事项

首先要注意的是「Choi 式计算出的 WDR 直接作用在建筑上」的误解。R_WDR = 0.222·R·U·cos θ 是「无建筑干扰的自由场」含水强度，实际建筑风流绕过会导致上层角部集中、下层中央衰减。Blocken 等人的 CFD 研究 (2005, 2007) 表明降雨捕集比 (Catch Ratio, CR) 在高层角部可达 1.5~2.5，下层中央仅 0.3~0.7，差异数倍。本工具给出的是平均自由场近似值，重要工程需补充 CFD 或现场 Pluviometer 测量来确认 CR。

其次，「吸水系数 A_w 小的材料就安全」的思想有局限。金属面板、玻璃幕墙表面吸水确实接近零，但雨水仍可通过目地、密封胶、窗框缝隙经由「毛细作用」「重力」「动量」「压力差」四种机制侵入。等压雨幕理论 (Pressure Equalized Rain Screen, PER) 的核心在于「让外装面板与内层结构间的通风层与外界大气等压，消除压力差驱动」。没有通风等压设计，即便 A_w = 0 的材料也会漏水。形状设计和材料选择应同步考虑。

最后，「吸水量等于漏水量」的理解也不对。本工具计算的 24 小时吸水量是「表面吸入的总水量」，不是「渗漏到室内的水量」。多孔质壁体吸水后在干燥期会蒸发，长期则由吸水-蒸发的水分收支 (Moisture Balance) 决定平衡含水率。实际漏水量需要 1 年气象数据的热湿耦合模拟 (WUFI Plus、Delphin) 才能精确估算。本工具结果应理解为「长期渗透深度的上限估计」，同时需关注 Sd 值 (蒸气扩散等效厚度) 和通风量。

使用指南

  1. 在输入框中设置降雨强度 (mm/h)、风速 (m/s)、雨滴径 (mm)、建筑高度 (m)。例如假设时间雨量 60 mm/h、风速 15 m/s、雨滴径 4 mm、高度 25 m 的条件。
  2. 参数变更时，雨滴终端速度、入射角、WDR 强度自动计算。雨滴径增大时终端速度上升，入射角也随之增大，偏离鉛垂的幅度增加。
  3. 选择外墙材料 (砖、普通混凝土、ALC、镀锌钢板) 后，根据该材料的吸水系数自动计算 24 小时吸水量和渗透深度，可判断防水设计是否适当。

具体计算示例

设定降雨 80 mm/h、风速 18 m/s、雨滴径 5.5 mm、建筑高度 30 m、西南朝向的条件：雨滴终端速度为 9.2 m/s，入射角约 52°，WDR 强度达 165 kg/m²/h。此条件下焙烧砖 (吸水系数 0.14) 24 小时吸水 3.95 kg/m²，渗透深度约 18 mm。而 ALC 板 (吸水系数 0.45) 渗透深度达 58 mm，需加强密封胶补强。

实务中的注意点

  1. 雨滴径随降雨强度变化：弱雨 (5 mm/h) 约 1.5 mm，暴雨 (100 mm/h 以上) 超 6 mm，设计时应按地区最大时间雨量对应的径级选取。
  2. 建筑高度 20 m 以上时，风速不再受地面摩擦大幅影响，WDR 强度约增加 40%。高层建筑上层防水性能需强于下层。
  3. 立面合计荷载超过 500 Pa 时 (如混凝土外墙)，既有目地密封胶 (耐压力 200 Pa) 不足以应对，需考虑改为气密构法或加装屏障墙。