木塑型材門窗設計研究

楊冰冰，宋魁彥

(東北林業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

目前中國有430多億m2的建筑，其中99%是高能耗建筑，保溫隔熱性能的優劣是影響建筑能耗最主要的原因，我國現有居住建筑圍護結構的熱工性能普遍較低，直接影響了建筑物的保溫隔熱性能［1－2］。“十二五”期間，國務院提出了節能減排的戰略要求和實施策略、在強化節能減排目標責任、調整優化產業結構等多方面提出具體要求，在建筑節能領域，積極倡導落實“綠色、環保、節能”的口號［3］。

木塑門窗的主要原材料是廢舊塑料和植物纖維與穩定劑、著色劑、填充劑等各類添加劑混合后，經過擠壓加工成型材［4］。由于木塑型材劃分為多個腔室，致使其導熱系數較小，具有良好的隔熱性能;門窗所有縫隙均采用橡膠或塑料等密封材料填充，因此木塑門窗具有顯著的保溫、隔熱效果。木塑門窗具有良好的環境學屬性，較之其他材料的門窗，木塑門窗在保護自然環境、美化建筑物方面，具有不可比擬的優勢。

1 門窗類型

1.1 按使用功能分類

根據國標GB 5823－86《建筑門窗術語》的規定門窗按照用途劃分為防火門，防盜門，保溫門，內門，外門等。窗扇結構方式分類，有單玻窗、雙玻窗、三玻窗、百葉窗、換氣窗等;百葉窗又分固定窗、可調百葉窗和卷簾百葉窗3種。按照開啟方式分為固定窗、平開窗、內開下懸窗、推拉窗、旋轉窗、下懸窗、異型窗等;在實際運用中，一樘窗不僅可以采用一種開啟方式，也可綜合運用多種開啟方式，滿足采光、防盜、美化環境等需求。

1.2 按照窗型分類

按照窗型分為單元門窗、組合門窗、復合門窗等形式。單元門窗為最理想的門窗形式，但是由于具體施工條件的限制，在實際建筑中不僅采用單元門窗，還將多種窗戶形式綜合運用，形成樣式靈活多變、功能多樣化的組合門窗、復合門窗。

單元門窗是將每個洞口的樘整體窗做成一個整體為單元的窗，但是由于實際建筑需要安裝門窗的洞口可能很大，而單元窗的面積過大，就會出現門窗變形問題，加工條件限制問題，包裝，儲存，運輸和安全問題。因此當洞口高度和寬度均在2 400 mm以下時，一般采用單元門窗的形式，若洞口過大則要運用組合門窗形式。

將兩樘或多樘單元窗組合成一樘窗的門窗形式稱為組合門窗。組合門窗又分為橫向組合形成的“帶形窗”、 “組合門”;豎向組合形成的“條形窗”，窗扇開啟方式為上旋式 (外開)或下懸式(內開);門窗組合形成的“門聯窗”， “門聯窗”一般多用于陽臺上，“左門右窗”、“右門左窗”和“中門雙窗”等三種組合形式。當洞口寬度在2 400 mm以下、寬度在2 400 mm以上時，應該使用帶形組合門窗;當洞口寬度在2 400 mm以下、高度在2 400 mm以上時，應使用條形門窗。

復合組合門窗是在同一個洞口內既有水平橫向的帶形組合窗，又有垂直豎向的條形組合窗的門窗形式。當洞口高度和寬度都在2 400 mm以上時，應該使用復合組合門窗。玻璃幕墻是復合組合窗的一種表現形式，使用玻璃和骨架以取代部分或是全部外墻，能夠使建筑物顯得豪華、莊重、美觀和氣派，具有很強的裝飾作用;玻璃幕墻分為隱框玻璃幕墻、明框玻璃幕墻和半隱框玻璃幕墻［5］。

2 木塑門窗設計

2.1 窗型設計

木塑門窗的窗型設計是整樘窗設計的前提，窗型設計影響到窗戶的抗風壓性能，保溫性能，生產的成本以及美觀程度。以當地的歷史條件、地理位置、氣候情況、人們的生活習慣、生活水平、經濟條件、以及建筑物風格和生產技術等因素為依據確定窗戶的開啟方式、分格形式、組合方式等，以保證窗型設計的科學、合理性。

2.2 截面設計

木塑門窗的截面設計包括框型材、增強鋼襯、玻璃壓條、配套五金件窗框型材截面形狀設計以及功能性腔室設計等重要內容。截面外部輪廓的造型直接影響門窗造型;型材壁厚和腔室劃分直接影響到門窗的彎曲強度、沖擊強度、保溫性能等。

2.2.1 截面設計原則

(1)截面設計要適應物料流變特性，應符合擠出成型工藝要求，要考慮擠出模具加工制造對塑料異型材截面形狀的工藝性約束。型材的拐角應當有適當的弧度以便于模具加工，因為型材彎角過小，彎角處的熔料流動困難，會引起截面內流速不均勻分布，彎角處應力集中，擠出型材容易變形;擠出型材要盡量避免交叉重疊部分和單臂的出現，因為交叉部分冷卻較型材的其他部分慢，單臂部分的冷卻較型材其他部分慢，這兩種情況都會引起型材的翹曲變形;型腔的中空部分不能太小，因為中空部分太小，模頭芯棒相應也小，這樣芯棒的強度也有可能不夠，容易引起變形，造成制品的厚薄不勻，而且芯棒過小時，安裝固定會很困難，提高了模頭成本［6］。

由于調整材料的收縮時差、熔融物料的流動等原因，制品會出現收縮痕，因此在模具、在截面設計時，截面厚薄應均勻，內部加強筋的厚度較外壁薄一些;在容易出現收縮痕的部分設置突緣、凹陷或是花紋來掩飾。

(2)截面設計要考慮當地的風壓級別、年平均溫度以及國家對門窗配件的規定對門窗截面壁厚、截面形狀的制約條件。型材可視面壁厚，非可視面壁厚，內肋壁厚決定了型材慣性矩，慣性矩與型材抗風壓性能密切相關。截面設計應便于安裝密封條、五金件、防盜欄桿、便于安裝紗窗、紗門，便于安裝固定件與墻體連接、便于建筑施工便于清潔玻璃，便于安裝窗式空調等。木塑料異型材要滿足建筑的使用要求如:隔熱、隔音、密封、排水性能等。此外截面設計應考慮該地區生活習慣與建筑風格，使得門窗能夠起到美化生活環境的作用。

2.2.2 腔室設計

(1)主腔室主要是通過安裝加強型鋼，增強整窗的承載能力。主腔室高度和寬度決定了裝配型鋼規格，型鋼規格和厚度決定了型鋼慣性矩。型材和型鋼兩類材料慣性矩和彈性模量乘積之和組成了門窗的抗彎剛度;材料抗彎剛度決定了門窗抗風壓與承受自身重量荷載能力［7－8］。因此，木塑型材的門窗的承受載荷能力和承受應力變形能力主要由主腔室決定。

依據JG/T 131－2000《新聚氯乙烯 (PVC)門窗增強型鋼》的規定，增強型鋼襯主要為鋁型材或是鍍鋅型鋼，既可以起到增強作用又可以作為連接鎖扣等五金件的錨固件。增強鋼襯的形狀要與所配塑料型材的截面內腔吻合，通過尖角與型材緊密相連，降低了冬季冷空氣通過墻體傳遞到型鋼上的冷橋效果，提高了熱阻;在門窗制作過程中，型鋼固定方便、不容易偏移。

(2)其他腔室。門窗型材的其他腔室可劃分為排水腔、保溫腔、五金件固定腔等來滿足各部分的功能需求。腔數越多，保溫效果越好。可選擇規格較大型材，以滿足門窗抗風壓、排水和保溫性能的需求。

3 門窗配件

隨著建筑科學技術的迅速發展，門窗的形制繁多、開啟形式變化多樣，門窗的五金件影響著門窗的牢固度和開啟的靈活性;門窗的密封件影響門窗的抗風壓、水密、氣密、保溫隔聲等性能。

3.1 密封配件

GB 12002－89《塑料門窗用密封條》和JG/T 187－2006《建筑門窗用密封膠條》等技術標準規定密封條的截面形狀、尺寸;玻璃密封條槽口、框扇密封條槽口截面設計要與的設計要素相適應，以滿足標準化、批量化生產的要求。玻璃是影響窗戶保溫性能和采光性能的重要因素，不同間距中空玻璃的傳熱系數不同;從單層玻璃到雙層玻璃，窗戶的傳熱系數降低將近一倍，增加一層玻璃后，在雙玻之間形成的空氣層 (靜止空氣的導熱率比任何材料都低)增加了窗戶的阻熱作用;但是如果窗框沒有足夠的尺度，三層玻璃的距離太近則阻熱效果就不明顯［5］。

3.2 五金配件

在實際使用中根據窗戶的類型、窗型或特殊功能要求合理選擇適合的五金件，我國建筑門窗常用五金件的相關標準有:JG/T 124－2007《建筑門窗五金件傳動機構用執手》，JG/T 126－2007《建筑門窗五金件傳動鎖閉器》，JG/T 127－2007《建筑門窗五金件滑撐》，JG/T 128－2007《建筑門窗五金件 撐擋》，JG/T 129－2007《建筑門窗五金件滑輪》，JG/T 130－2007《建筑門窗五金件單點鎖閉器》，JG/T 187－2006《建筑門窗用密封膠條》，JG/T 212－2007《建筑門窗五金件 通用要求》，JG/T 213－2007《建筑門窗五金件 旋壓執手》，《JG/T 214－2007建筑門窗五金件 插銷》，JG/T 215－2007《建筑門窗五金件多點鎖閉器》，QB/T 1235－1991《塑料門窗合葉 (鉸鏈)》等。

4 結論

(1)通過描述門窗的類別，探討了門窗的分類依據以及窗型的基本概念和形式，為木塑門窗功能和形制的確定提供了準則;

(2)通過闡述木塑門窗的設計原則，探討了型材擠出工藝要求和截面設計要素以及腔室劃分要求，為木塑門窗截面設計提供了依據;

(3)通過列舉門窗配件的相關標準，探討了傳動機構用執手、傳動鎖閉器、滑撐、撐擋、滑輪等門窗配件的種類，為木塑門窗配件的選用提供準則。

【參 考 文 獻】

［1］鄭非藝．既有建筑外窗節能改造研究［J］．山西建筑，2012，38(26):211－212．

［2］林思寧．住宅建筑節能設計方法初探［J］．科技創新與應用，2012(22):179．

［3］宋靜艷．淺談建筑節能［J］．四川理工學院，2006，19(5):121－124．

［4］李曉芳．PP基木塑復合材料的研究［D］．濟南:山東大學，2010．

［5］楊安昌．塑料門窗技術［M］．北京:化學工業出版社，2003．

［6］楊 寧，申一虎．適合擠出模具加工的塑料異型材截面設計［J］．工程塑料應用，2006(6):25 －27．

［7］鄭世強，李明寶，楊建明．基于隨機有限元的木材斷裂參數研究［J］．森林工程，2007，23(3):12 －15．

［8］馮偉剛．PVC型材斷面結構中不能忽視的設計內容［J］．門窗，2009(5):08－11．