背景介紹
建築門窗作為建築物重要的外圍護結構，在實現建築物美觀、環保、節能、安全等諸多方面起到非常重要的作用。比如前些年在建築節能和綠色建築的可持續發展要求推動下，建築門窗的節能功能被人們廣泛重視，並制定和頒佈了一系列節能門窗的標準，用於指導節能門窗的設計生產。可以說，建築物功能要求不斷提升的過程，就是建築門窗的發展過程。為了滿足人們對建築物舒適度、健康度和安全度指標日益提升的需求，建築門窗在提高已有的各項性能要求的基礎上，也在不斷完善和發展新的性能要求。
節能門窗不具備耐火性能，是目前高層建築防火技術研究中必須面對的一個現實。近年來，多起因建築外門窗不具備防火性能而導致的災難性火災事故頻頻發生，例如2010 年11 月15 日上海靜安區膠州路居民樓火災，2011 年 2 月 3 日瀋陽皇朝萬鑫酒店火災，2014 年4 月 21 日大連星海廣場公寓火災，以及 2017 年 6 月14 日倫敦格倫費爾塔公寓大樓火災等。為此，公安部組織編制了 GB 50016-2014《建築設計防火規範》，對特殊使用部位的建築外門窗的耐火完整性提出了具體要求。由於傳統意義上的防火門和防火窗不具備建築外門窗的相關物理性能，尤其是保溫性能，因此不能作為建築外圍護結構的功能使用。
節能門窗分類
通常而言，建築外門窗由玻璃面板、框架型材、五金配件、密封膠條，以及其他輔助配件等組成，如圖1 所示。在節能門窗的工程設計過程中，依據不同地區不同使用部位，首先對組成門窗的各個材料元素進行選取，以實現所需要的功能和性能指標。對於耐火節能門窗而言，由於普通節能窗用材料，部分不能滿足耐火完整性的要求，所以其組成材料也相應有所同。表1 中列出了按使用的框架型材種類區分，目前可以用於耐火節能門窗的類型。
耐火節能門窗用材料
2.1 型材
2.1.1 鋁合金型材
鋁合金型材如圖 2 所示。鋁合金為熱的良導體，其導熱係數為160 W/(m·K)，屬於構成門窗型材材料中導熱係數最高的，且導熱率隨溫度的升高而上升。工業用鋁合金的熔點約620～650 ℃，在火災中火場溫度通常遠高於鋁的熔點。但是鋁合金型材一般在300 ℃ 左右即失去承載能力，併發生不可接受的變形而無法使用。從已有火災案例來看，建築門窗鋁合金型材的破壞多為在高溫下嚴重變形而無法使用，完全燒熔的現象相對少見。
2.1.2 塑料型材
塑料型材如圖3 所示。塑料型材包括PVC-U、玻璃纖維增強材料，以及聚氨脂PU 等，導熱係數非常低，在0.12～0.16 W/(m·K)之間。而且雖然材料自身的熔點低，比如PVC 型材的熔點為170 ℃左右，但是通過工藝改進可以實現阻燃，這些材料在溫度不斷上升過程中，表面燃燒後形成了一定的碳化層，起到一定的隔熱效果。
2.1.3 木型材
木質型材如圖4 所示。木質型材因種類和產地不同，其組成有很大差別但導熱係數也非常低，在0.14 W/(m·K)左右。木質型材低導熱率使其成為節能窗，尤其受被動房用窗的青睞。同時，木質型材燃燒過程中，表面形成的碳化層導熱率比基材更低，因此具有非常好的耐火完整性，甚至比鋼結構更耐燃燒。
2.1.4 增強型鋼
增強型鋼如圖5 所示。增強型鋼通常為碳素鋼，屬於建築不燃材料，導熱係數為13.8 W/(m·K)，熔點在1500 ℃左右。在耐火節能門窗中，通常作為塑料類門窗型材用內襯材料，以增強塑料類門窗的整體結構強度。鋼材在溫度升高時，其導熱率下降至750 ℃時，基本恆定而不再發生變化。
2.2 玻璃
玻璃為熱的不良導體，導熱係數在0.9～1.13 W/(m·K)之間，是建築窗所佔面積比重最多的材料。玻璃面板耐火性能的好壞，直接關係到門窗整體耐火完整性的好壞。為了保證建築門窗達到耐火完整性的要求，GB/T 31433-2015《建築幕牆、門窗通用技術條件》提出：對有耐火完整性要求的外門窗，所用玻璃最少有一層應符合 GB 15763.1-2009《建築用安全玻璃第1部分：防火玻璃》的規定。耐火門窗用防火玻璃，按照構造型式不同，分為單片和複合兩類防火玻璃。
2.2.1單片防火玻璃
單片防火玻璃，按其在耐火試驗中表現耐火原理不同，分為低膨脹率防玻璃、高強度銫鉀防火玻璃、鈉鈣硅系列防火玻璃。而微晶防火玻璃雖然防火性能優越，但是價格昂貴，不適用於在建築外門窗上推廣使用。
1)低膨脹率防火玻璃。低膨脹率防火玻璃製品在25～300 ℃ 溫度範圍內，其熱膨脹係數比普通玻璃低 2～3 倍，約為 4×10-6/℃，裡特軟化點可以達到820 ℃
以上。由於低膨脹率和高軟化點的特性，使得其在受熱後較長時間都不會發生軟化變形，避免了因膨脹後與門窗邊框的擠壓作用，可有效地延長耐火時間，提高耐火完整性。
2)高強度銫鉀防火玻璃。高強度銫鉀防火玻璃是由普通浮法玻璃經特殊化學工藝處理後形成。因其表面形成了高強的壓應力，所以極大地提高了抗衝擊性能，強度是普通玻璃的6～12 倍，可以很好地滿足門窗在火災條件下的面板耐火完整性要求。處理後的玻璃導熱係數比普通玻璃高，約為 1.13 W/m•K，受熱膨脹率與普通玻璃相近，約為8.5×10-6～9.5×10-6/℃。
3)鈉鈣硅系列防火玻璃。鈉鈣硅系列防火玻璃是在普通浮法玻璃成分基礎上，通過調整成分組成，提高了玻璃面板的硬度和密度，增加了結構的微觀緊密程度，進而導致受熱後膨脹係數下降，軟化點增高，可以達到 780 ℃左右。
2.2.2複合防火玻璃
分為夾層複合防火玻璃和夾絲網複合防火玻璃。
1)夾層複合防火玻璃。夾層複合防火玻璃，按其構造形式不同，可分為灌注型和夾層型。夾層型複合防火玻璃是一種建築用安全玻璃，是兩層平板玻璃用膨脹阻燃膠黏結在一起，在一定溫度和壓力下，即使受到衝擊，玻璃碎了仍然連成一體。正常使用情況下，夾層型複合防火玻璃具有很好的透光和裝飾性。一旦受火後，其向火面的玻璃面板會首先遇高溫後炸裂，中間的
膨脹阻燃膠會迅速硬結並形成白色不透明板，大量吸收燃燒產生的熱量。灌注型複合防火玻璃是首先將兩片單層平板玻璃四周先用邊框條密封好，然後由灌注口灌入防火液，經膠結、封口製成。
2)夾絲網複合防火玻璃。夾絲網複合防火玻璃是在夾層型複合防火玻璃生產過程中，將金屬絲網加入兩層玻璃中間的阻燃膠中。加入金屬絲網後，不僅可以提高防火玻璃的整體抗衝擊強度，還對玻璃的透光性不產生影響。
2.3 密封膠條
密封膠條如圖6 所示。建築門窗用密封膠條，主要成分為三元乙丙橡膠，其導熱係數低，為0.24 W/m•K。當用於耐火節能門窗時，應選用防火隔熱和防火膨脹膠條產品，起到火災時密封、隔熱與阻礙火災蔓延的功效。在耐火節能門窗上，主要用在防火玻璃四周與型材之間的防火膨脹密封，以及開啟窗扇密封部位的防火隔熱密封。通常防火膠條產品帶有自粘結膠帶，可以直接粘貼到防火玻璃四周或型材的適當位置。受火膨脹時，可膨脹到原來的 15～50 倍，形成一種良好的隔熱層，可以全方位填充周圍的縫隙和空洞，從而形成極為有效的防火防煙屏障。
2.4 防火五金
建築門窗五金配件，起到固定和支撐開啟窗扇的作用。對於承重類五金配件，如合頁或者滑撐等，為了保證開啟窗扇在受火狀態下不脫落，通常採用耐火性能好的鋼質材料五金產品。而對於起到鎖閉密封作用的五金類產品，如傳動鎖閉器、執手等，也應採用鋼質或具有耐火功能的產品，以降低因受火後性能失效導致密封性能。降低，影響到整窗的耐火完整性能。
2.5 輔助配件
在耐火節能門窗的材料設計中，除了主要的構成材料外，一些必要的輔助配件的合理使用，也是耐火性能滿足要求的關鍵因素。
2.5.1玻璃面板卡件
在耐火窗產品設計中，玻璃面板卡件是必不可少的一個輔助配件。由於型材在高溫條件下，其受火面會發生變形、熔化等現象，從而失去部分或全部的支撐作用。在這種情況下，即使防火玻璃自身可以滿足耐火性能的要求，也會因為失去型材的支撐而整體坍塌脫落。為了防止這種情況發生，必須在耐火節能門窗的玻璃面板和框架型材之間，配置卡件。目前，根據所夾持玻璃面板的類型不同，實踐中有多種型式的卡件，如圖7 所示。
玻璃 面板卡 件通常為不鏽 鋼 材質，導熱係數為 13.8 W/(m·K)，熔點大約為1500 ℃，不會發生熔解和變形問題，可以滿足高溫下支撐強度的要求。在塑料類門窗中，由於受火後型材不再具有支撐強度，因此卡件須與內部襯鋼可靠連接。在鋁合金斷熱門窗中，由於受火後隔熱條靠近火災一側的鋁合金型材受熱熔化，無法承擔支撐玻璃面板的作用，因此卡件須與隔熱條遠離火災一側的鋁合金型材可靠連接，以提高耐火性能。
2.5.2 玻璃墊片
防火玻璃用墊片應用如圖8 所示。其導熱係數低， 一般≤0.30 W/(m·K)，熱變形低，具有耐高溫、耐腐蝕、易於加工等特點。其常規厚度通常為5 mm 和10 mm，是一種抗壓強度高、硬度適中的不燃防火板材，在高溫條件下，不會變軟或粉化，不會造成對玻璃稜邊的損傷，保證耐火窗整體的高溫穩定性。玻璃墊片主要墊在防火玻璃下方的承重位置，常溫下和受火時防止玻璃稜邊與型材接觸，降低玻璃爆裂的風險。
2.5.3 防火板條
防火板條應用如圖9 所示。防火板條為A 級不燃性產品，導熱係數低，約為0.12 W/(m·K)，且受火膨脹後導熱係數降低。遇火時，其膨脹並形成一層硬質的硅酸鹽泡沫隔熱層，同時兼具吸熱冷卻、膨脹密封和隔熱的作用。遇火膨脹溫度為150～200 ℃，可膨脹到原來的10～40 倍，全方位填充周圍的縫隙和孔洞，從而形成極為有效的防火防煙屏障。防火板條主要應用於耐火節能門窗的防火薄弱部位，比如型材內部的小空腔、開啟扇的四周、五金配件周圍等部位。
2.5.4 防火灌注料
吸熱型防火灌注料，是一種用水固化的無毒的環境友好型、吸熱性防火灌注料，高溫下具有吸熱冷卻和隔熱屏障的功效。固化後，導熱係數為 0.10 W/(m·K)， 且固化後能夠提高型材結構的整體機械強度，便於型材的加工及裝配。用於型材空腔的灌注填充，遇火時通過大量吸熱和隔熱作用延緩可熔化型材的熔化速度，降低系統背火面的溫度，阻隔熱量的傳遞。
2.5.5 防火棉條
防火棉條應用如圖10 所示。其基質材料為陶瓷纖維，其導熱係數為0.12 W/(m·K)，具有優異的隔熱性能。應用於防火玻璃兩側邊緣，與框材或玻璃壓條接觸部位，具有柔軟可壓縮的特點，可保護防火玻璃邊角，不受機械擠壓而破碎，同時有效阻隔熱量通過玻璃與材縫隙從向火面向背火面傳遞。同時，為了防止玻璃卡件與玻璃表面的硬性接觸，在卡件與玻璃之間也需設置防火棉條，有效緩衝玻璃高溫膨脹後和型材或金屬接觸而產生的應力，防止防火玻璃爆裂。
2.5.6 防火硅酮膠
防火硅酮膠導熱係數為0.19 W/(m·K)，是一種高性能，富有彈性的單組分中性硅酮膠。在耐火窗產品設計中，主要應用在防火玻璃與防火棉條的接觸部位，以及防火玻璃與型材或壓條之間的縫隙部位，常溫下用於保障耐火節能門窗的氣密性能和水密性能，同時在火災發生時，不會因熱輻射產生的高溫而發生自燃。
結語
材料的選擇，是建築節能門窗實現耐火完整性要求的必要設計環節。為了保證建築門窗的節能要求，選擇傳熱係數相對較低的塑料、木質或斷熱鋁合金型材等作為框架型材，仍然是現階段耐火節能門窗的最好選擇。因此，為了彌補框架型材在耐火性能上的不足，需要對門窗關鍵的構造節點部位，採用特殊材料。比如，在型材空腔部位，填充防火灌注膠，填塞防火板條等;在框扇開啟的密封部位，採用防火阻燃膠條;玻璃面板與型材接觸部位，放置防火棉條，並施以防火硅酮膠固定密封。安裝在型材上的五金配件，尤其是起到承重功能的配件，宜採用防火五金產品，以提高整窗耐火性能。
玻璃面板的耐火性能好壞，直接關係到整體門窗的耐火完整性水平。由於普通鋼化玻璃受熱後短時間內就會發生爆裂，因此，不能作為耐火門窗用面板使用。耐火門窗在面板的選擇時，應根據型材構造和具體需求，考慮單片或複合防火玻璃。而且，玻璃面板與型材的接觸部位，應設置防火墊片，以保證玻璃受火膨脹後與框架型材的柔性接觸。為了保證玻璃面板不發生整體脫落，玻璃面板與框架之間應進行可靠的固定連接，通常採用玻璃面板卡件作為連接部件。
當然，節能門窗耐火完整性的提高，還必須依賴對節點構造的改造設計。但是，科學地進行材料的設計選擇，併合理應用於關鍵的構造部位，是保證耐火完整性指標實現的前提。因此，在設計耐火節能門窗時，必須根據實際使用的門窗類別，充分考慮各類材料的選擇及其合理應用範圍，才能為後續的構造設計提供可靠的保證，進而實現整體耐火完整性的技術指標要求。
參考文獻
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[3]杜文修,楊娟,高帥,吳賁華,王銀茂,高國忠.淺談防火玻璃特性及分類，安徽建築
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