直接套用塑料門窗和鋁合金門窗國標圖集存在安全隱患

龔昌基

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

幕墻施工圖設計必須經審查通過才可以用于施工，而門窗設計則沒有這個規定。許多設計單位也不重視門窗結構構件的設計和計算，似乎只要建筑專業選定門窗式樣、顏色，再提出一系列性能要求，就算完成設計了。甚至在編制通用圖集或標準圖集時，也很少組織結構專業人員參與其中。現行國標圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)和《建筑節能門窗(一)》(06J607-1)也不例外。

其實，從所受風荷載等外力作用、破壞所造成的后果、大部分構件的受力機理來看，除了直接與墻體連接的門窗外邊框以外，門窗和幕墻并沒有本質上的區別。像現在這樣下去，可能存在安全隱患。

1 國標圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC－U)塑料門窗》(07J604)

先以現行國標圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)(以下簡稱“圖集07J604”)為例，看看到底存在哪些問題:

1)圖集07J604雖然給出了每個門窗型號的抗風壓等級，但其截面大樣中沒有注明型材的具體尺寸，也沒有注明其截面慣性矩和抗彎模量，這就是一個漏洞。

2)由于鋼材彈性模量(2.1×105MPa)是塑料彈性模量(1960MPa)的107倍，而且塑料型材與增強鋼芯之間必須留有裝配間隙，故塑材變形達到一定值后，鋼芯才受力，所以在受彎構件中，塑材的承載力貢獻幾可不計，主要是靠鋼芯起作用。然而鋼芯受內腔限制，其慣性矩，截面模量都很小;跨度較大者，一般都由最大撓度控制。

然而，圖集07J604中沒有規定鋼芯的具體尺寸，尤其是未規定其厚度(圖集P.58～P.63)，這就使得“抗風壓性能”完全靠生產廠家自行掌握。換個廠家生產，若監控不到位，則圖集S所謂“抗風壓性能”便是一句空話。

3)圖集07J604第7頁稱:“中大”塑料門窗的抗風壓性能均達8級(P3=4.5～5.0kPa)。“實德”塑料門窗的抗風壓性能達3～8級(P3=2.0～5.0kPa);

但第5頁表6.6-1、6.6-2中的“力學性能”又說:彎曲，“在300N力作用下，允許有不影響使用的殘余變形”;如所周知，所謂“殘余變形”本來是指外力撤去后，無法恢復原狀的殘留變形，0.3kN的力就允許有殘余變形，顯然與前述抗風壓性能矛盾。

4)門窗的邊框型材靠固定片直接固定在周邊墻上，而固定片的間距一般小等于600mm，因此邊框的彎曲應力、變形還都較小;但中立梃或橫梃跨度較大，往往起控制作用。

特別是組合窗的拼接型材，是主要受力桿件(圖集P.57)，按圖集07J604總說明第7.4條，“門窗固定用連接件尺寸應不小于140×20×1.5mm(長×寬×厚)，焊接板尺寸應不小于80×80×5mm(長×寬×厚)”，但拼接型材要求什么材質?圖集未見交代。從第57頁注3“連接件需進行防腐處理”看，應該不是塑料或不銹鋼，究竟是什么材質?無法猜測。

5)從組合窗立面圖(圖集P.32～P.38)看，拼接型材跨度可達 2.7m，受風寬度為 1.8m，當風壓5.0kPa(8級)時，彎矩可達8.2kN·m，用140×20×1.5mm矩形管，則截面慣性矩J=930583mm4，抗彎模量W=13294mm3;于是，彎曲應力 σ=M/W=8.2×106/13294=616.8MPa，撓度△ =5/384×9×27004/(930583×2.1×105)=31.9mm，△/L=31.9/2700=1/85＞1/300。無論是應力或撓度，都已遠遠超過普通鋼材的限值。何況厚度1.5mm，作為主要受力部位，也違反了 JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》第6.2.1-2條或第6.3.1-2條(均為強制性條文)的規定。

6)圖集07J604第64～65頁，分別介紹“實德”和“中大”兩家的塑料門窗型材技術資料，其中“實德”門窗型材稱“采用合理的斷面結構設計，平開窗抗風壓強度可以達到8級以上，普通推拉窗抗風壓強度可達到3級以上，高強度推拉窗抗風壓強度可達到6級以上”;“中大”型材則稱:“強度設計:通過計算設計的主型材增強型鋼內腔，選用與內腔形狀、尺寸相符的型鋼，可提高門窗的強度和剛性”。

這也間接證明，本圖集07J604未含“結構設計”或“強度設計”，所謂抗風壓性能有待兩參編廠家自行繼續完善。

2 國標圖集《建筑節能門窗(一)》(06J607－1)

再看國標圖集《建筑節能門窗(一)》(06J607-1)(以下簡稱“圖集06J607-1”)的鋁合金門窗部分，情況也是如此。

在圖集06J607-1中，涉及鋁合金門窗抗風壓性能的內容有:

1)表5.7，北京高層住宅要求，抗風壓不應低于5級。

2)表6.1，安全檢測壓力差，摘自 GB/T 7106-2002。

3)第9～12頁注3:“平開窗的開啟扇，其凈寬不宜大于600，凈高不宜大于1400;推拉窗的開啟扇，其凈寬不宜大于900，凈高不宜大于1500。”請注意，這里只限制開啟扇的尺寸，而門窗總的寬高尺寸，按該頁注1，“由選用者自己注明”，亦即不限;至于固定扇的尺寸，也不受限制。

4)第13頁，鋁合金節能門窗性能表，分A型和B型，分別依據北京兩個廠家檢測資料編制;其中抗風壓性能，A型均為“≥3.5kPa”，B型有的“≥3.5kPa”有的“≥4kPa”。

5)第18～21頁，門窗安裝節點圖，除注1稱“連接件尺寸≥140×20×1.5”外，沒有注明任何鋁合金型材的具體尺寸。

6)第24～36頁，A型門窗節點圖，未注明型材的具體尺寸。

7)第37～44頁，B型門窗節點圖，未注明型材的具體尺寸;個別型材標注了編號，但在本圖集內找不到具體尺寸。

8)第99頁，東亞隔熱鋁合金型材相關技術資料，在“4產品物理性能指標”表中，雖標明抗風壓性能“大于3000Pa或滿足設計要求”，但沒有標示截面尺寸、跨度及受風寬度，甚至沒有說明鋁合金牌號及狀態。

大家都知道，門窗框材的截面形狀、大小、厚度、受風面積和跨度，以及它的材質，決定了該框材的抗風壓性能;而一樘門窗所有框材及玻璃面板抗風壓性能中的最小值，便是該樘門窗的抗風壓能力。離開這些要素，所謂“抗風壓性能”云云只能理解為某種承諾或廣告詞。所謂“抗風壓性能”云云只能理解為某種承諾或廣告詞。

3 國標圖集《鋁合金節能門窗》(03J603－2)

近年來節能門窗發展很快，在國標圖集《鋁合金節能門窗》03J603-2中，便普遍使用了斷熱鋁合金型材。所謂斷熱鋁合金型材，就是把鋁合金型材截面分成兩個部分，中間用尼龍或其它塑膠材料連接，如(圖1)(摘自國標圖集03J603-2第49頁)所示。

圖1 斷熱鋁合金型材

國標圖集03J603-2雖然列出了每個這樣的復合材料截面的慣性矩、抗彎模量等幾何特征值，但其計算方法不得而知。按國標圖集03J603-2，上圖截面的慣性矩 Ix=80.1833cm4，截面積 A=758.5 cm2，顯然是把截面看作一個整體計算的。如果該復合型材受彎后能符合平截面假定(即受彎前一個平截面上的各點，受彎后仍保持在同一個平面上)，則這樣計算是正確的;但塑膠的彈性模量只有鋁合金的1/35，上述復合型材受彎變形并不符合平截面假定，硬要按整體截面計算，誤差很大。

例如某矩形截面 b×h，其慣性矩 Ix=bh3/12;但若把這個截面分割為二，各自的h1=h/2，且兩者在彎曲變形時，其界面可以滑動，則其總慣性矩僅為兩個小截面的慣性矩之和，即 Ix1=2×b×(h/2)3/12=bh3/48，僅為原截面慣性矩的1/4。

可見差距之大。若把原截面高度分為h1=h/4和h2=3h/4，截面高度b不變，且界面可以滑動，則其總慣性矩為 (7/192)bh3，約為原截面慣性矩的1/2。

現在再計算上圖截面的慣性矩，為便于計算，將截面尺寸稍作一些簡化(如圖2)。

圖2 截面的慣性矩(未注明壁厚為1.8mm)

計算結果如下:

這也可以證實，國標圖集03J603-2中，其慣性矩是把截面看作一個整體計算的，可達分截面計算總和的2.7倍，偏不安全。

當然，用塑膠材料連接起來的上下兩個鋁合金型材截面，并非完全脫離，還可以傳遞一定的內力，但塑膠的彈性模量及剪切模量都遠小于鋁合金，視為整體截面計算肯定有誤差;是否可分別取兩者的彈性模量代入，用塊單元有限元法對這種復合材料截面的簡支梁進行較詳細的分析，以便找出合理的計算方法?有待進一步探討。

我們姑且相信這些廠家的廣告詞(承諾)都是能夠兌現的，但按照標準圖集制作的其他廠家呢?是否都具有足夠的設計實力和資質?誰來保證產品的強度和剛度?

4 馀言

福建省標準圖集《硬聚氯乙烯(PVC-U)推拉塑鋼門窗》DBJT 13-59于2003年編制，其特點是:通過結構計算，確定了每種規格的推拉塑鋼門窗在規范規定的材料應力和構件變形限度內，所能承擔的風壓值;同時給出了我省各市、縣不同建筑高度的房屋門窗，應承擔的風壓標準值。因此，按本圖集選用推拉門窗型號，立即可知是否滿足規范規定的強度和剛度要求。這是過去的鋁合金門窗圖集和現行的國家標準設計圖集《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料門窗》(07J604)所沒有的。

不過，本圖集只限于推拉門窗，不含平開門窗。這是由于當時缺乏平開門窗的五金件的力學性能資料所致。本擬先出推拉塑鋼門窗圖集，接著準備收集資料，再出平開塑鋼門窗圖集，但時過境遷，機構、人事變動，這項工作就擱置下來了。

鑒于國標(07J604)沒有從結構受力方面完善設計;而圖集(DBJT 13-59)又未含平開門窗，且11年來，許多標準、規范都已修訂，也有待補充完善。但無論如何，不宜簡單地予以“廢止”。

總之，圖集(07J604)、圖集(03J603-2)或圖集(06J607-1)沒有從結構承載能力方面完善設計，而批準發行后已廣泛套用，加以門窗設計沒有納入施工圖審查范圍，而生產廠家又良莠不齊，長此以往，難保不出事故，堪憂!建議由省有關部門組織力量補充完善該塑鋼門窗的標準圖集。