断桥铝门窗设计、组装和安装对门窗性能的影响

来源:2019年会论文集  作者:贺玉妹 泰诺风保泰(苏州)隔热材料有限公司  日期:2019-3-28
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    摘要:门窗作为建筑的外围护结构,需要解决安全、采光、通风、保温、防风、隔音、防水、防火、抗老化、框架位移等功能,GB/T8478-2008《铝合金门窗》对铝合金门窗的抗风压性能、水密性能、气密性能、空气声隔声性能、保温性能、遮阳性能、采光性能做了分级,对门窗启闭力、反复启闭性能、耐撞击性能、抗垂直荷载性能、抗静扭曲性能等做出规定。门窗的各种性能间既可以相互促进,也可以相互制约,本文就如何优化门窗设计、组装和安装过程,来综合协调提高门窗性能做了分析。
    关键词:性能;设计;组装;安装

  国家政策正在积极推进绿色生态建筑,强化并提高门窗产品的规范和标准,并与国际标准和认证进行接轨。断桥铝门窗(词条“断桥铝门窗”由行业大百科提供)解决了原有普隔热(词条“隔热”由行业大百科提供)的问题,成为绿色生态建筑的必然之选。断桥铝门窗是由型材、玻璃、胶条五金件、窗台板及窗套等材料设计组合而成,断桥铝门窗并不是材料的简单组合,它通过结构安全性、可靠性的整体设计优化以及不同材料的选择来实现,其设计、组装和安装方式灵活多变,并直接影响到门窗的各项性能指标以及安全性、可靠性。

  1. 设计、组装

  门窗设计的目的是提高门窗的性能质量,门窗规范和标准是门窗设计的主要依据。门窗的各种性能不是单独存在的,它们之间或多或少存在着相互促进或制约的关系,所以我们很难把性能分开来设计我们的门窗。门窗抗风压性能、气密性能、水密性能之间联系非常密切。 GB/T7106-2008《建筑外门窗气密水密抗风压性能检测及分级方法》中规定的抗风压性能、水密性能、气密性能均为可开启部分在正常关闭状态时的性能,但抗风压性能、水密性能是在风雨同时作用下的抵抗能力,在设计中也要把这种动态的变化考虑在内。正在报批的最新标准GB7106《建筑外窗抗风压性能分级及检测方法》中调整了检测装置,修改了检测顺序和检测方法,取消了气密、水密和抗风压性能的分级,但需要满足工程设计要求等等。铝合金门窗组装要按照相关技术要求和规范,也取决于加工设备质量和人员操作能力,需要控制实际操作来把控门窗质量。

  1.1、 抗风压性能

  成熟的门窗产品需要对构件做相应的强度挠度的计算,对产品的抗风压性能有初步的判断,最终还需要做相关检测来对产品定级。

  门窗抗风压性能设计需要把玻璃面板和型材部分分别计算,当玻璃不满足强度或挠度要求时,可以增加玻璃厚度、调整玻璃板块尺寸,也可以用强度更好的钢化或半钢化玻璃来代替普通玻璃。型材强度跟铝型材合金牌号有关,铝合金牌号不同强度也不同。当型材强度不满足要求时,可以增加型材壁厚、做加强中梃、增加型材宽度等(如图1)。

图1

  五金系统是将窗框与窗扇紧密连接的部件,五金系统的稳定性很大程度上决定了门窗系统的优劣。五金的强度、设计和安装精度(词条“精度”由行业大百科提供)、锁点数量都影响着门窗的抗风压性能:强度好的五金能够提高合页的最大承重能力,满足更大重量窗扇的设计要求;设计和安装精度高的五金能够保证框扇的合理配合,防止风压下产生变形;锁点的增加相当于在型材的受力结构中增加了约束点,减小了型材的形变量,防止框扇搭接部位出现缝隙,提高抗风压性能的同时又提高整窗的水密性和气密性。

  增强边框组角的拼接强度对于保证整窗完整性同样重要,保证各个型材间有效连接。组角时通常采用角部注胶工艺,组角胶和导流板控制角部密封;角码和组角钢(词条“角钢”由行业大百科提供)片的形状和尺寸设计控制着两型材间接缝的缝隙和强度,防止变形量大时使拼接缝隙增大,提高门窗的气密性和水密性(如图2)。组角质量也取决于组装时的操作水平。

  

图2

  当玻璃面板较大或较重时,必须考虑扣条的设计,图3中闭腔结构的扣条强度明显要好于开敞结构的扣条,防止玻璃受正风压时压迫扣条产生较大变形、玻璃向室内侧产生较大位移,如果玻璃内移与外侧胶条产生缝隙时会影响门窗的水密性和气密性。

图3

  1.2、 气密性能

  从1.1可以看出,提高门窗的抗风压性能大多有利于门窗的气密性,五金、组角、扣条设计对气密性的影响在1.1中已经讲解过,在此不再赘述。

  门窗一般采用三道密封原理来保证气密性,利用室内外止口胶条与型材的压合、中间等压胶条与隔热条的搭接形成三道密封(如图4)。胶条的设计是缝隙形成的关键,对门窗气密性至关重要,可以通过胶条厚度、开敞或闭腔结构的选用、闭腔结构中空腔的大小和数量来控制胶条的压缩量(如图5),并且控制门窗扇的启闭力大小。胶条安装过程中角部连接应是连续的,并考虑伸缩问题,防止热胀冷缩时发生不完整连接。较厚胶条折弯困难时,使用L型胶条连接件连接。两个不同形状的胶条在角部连接时,可以设计插接件,并且在组装胶条时应预留收缩变形量。密封胶的质量、打胶深度和宽度、打胶饱满度也是缝隙形成的因素,同样影响着门窗的气密性。

图4

图5

  1.3、 水密性能

  水渗漏的几种方式:1.缝隙渗漏;2.水的毛细张力;3. 水蒸汽对流;4.水蒸汽扩散。门窗的气密性跟水密性息息相关,漏气的地方通常也会漏水,所以提高气密性的措施可以也提高水密性。但是门窗不能只做防水,也要做相应的排水(词条“排水”由行业大百科提供)措施,防止防水措施失效后雨水进入到窗框内部。排水措施:采用等压平衡原理,解决水与气的分离。我们需要在型材设计时设计排水孔和气压平衡孔,如图6所示。当玻璃外侧胶条失效后,水进入到玻璃与型材之间的空腔1内,在型材上开排水孔可以使进入空腔1内的水顺着排水路径排到等压腔2再排出到室外侧。如果气压平衡孔处装了外侧止口胶条并且处于压紧状态时,那么等压腔2相对于室外侧环境可能形成负压,则等压腔2中水不能排出到室外。外侧止口胶条可以提高气密性并防止灰尘进入,但要控制好压缩量,或者将框扇组合处上部横向外侧止口胶条切掉两段,同样可以形成等压腔。

 

图6

  排水孔的位置及数量需要严格控制,排水孔不宜开的过高,平开窗开启扇位置必须设两个(扇宽小于400mm铣一个)排水孔,底部窗框和中横框,距角部100mm,框宽小于1500mm开设2孔,1500~1800mm开设3孔, 1800mm以上开设4孔。单框宽度小于400mm中间铣一个孔。

  1.4、 空气声隔声性能

  根据声波在建筑物和建筑构件中的传递方式可分为空气声传声和固体传声,相应的隔声就分为空气声隔声和撞击声隔声。空气声隔声是利用墙体、门窗或其他屏障来隔离噪声在空气中的传播,而撞击声隔声是利用弹性阻尼材料进行减低或隔离由撞击或振动而产生的噪音在结构中的传播。作为建筑围护结构使用的门窗幕墙及其玻璃来说,空气声隔声是评价其隔声性能的主要方面。

  科学的门窗隔声性能设计应首先对室内外的噪声进行频谱检测,确定主要噪声源的频谱特性,再调整门结构和配置,使围护结构固有的自由弯曲波的频率不与临界频率一致,避免出现吻合谷效应,以满足在整个频谱范围内都有较好的隔声性能。在长久的设计与检测经验中,已经积累了很多可以利用的经验来进行门窗的隔声性能设计。

  在对门窗进行隔声设计时,玻璃作为占据70%甚至更大面积的部分应首先被考虑。中空玻璃夹胶玻璃都有优异的隔声性能,夹胶玻璃中夹胶膜的柔性减震作用使之隔声性能好于中空玻璃,但由于中空玻璃保温(词条“保温”由行业大百科提供)性能更好,可以做成镀膜玻璃,防结露性能更好,所以在门窗设计中被更多青睐。中空玻璃由两到或两片以上玻璃板压合而成,中空层具有弹簧作用,但小的中空层使得两玻璃间的空气层呈现较强的“刚性”,没有起到空气弹簧作用,丧失了一般双层结构的优点。同时,由于双层结构存在共振,小的中空距离使共振现象产生在中、低频,致使隔声量有所下降。中空层如果太大,在特定周期数范围内有可能引发共振等现象,反而不利于隔声,所以中空玻璃中空层厚度最好控制在9mm-12mm之间,并可在中空层填充传声能力弱的惰性气体。如果内外片玻璃厚度不同,可以有效减弱共振现象,所以在玻璃选择上,不论中空还是夹胶玻璃,都应该选择不同厚度的单玻来组合使用。当然也可以选择效果更好的真空玻璃,但需要综合考虑价格、视觉效果等问题。

  其他有效措施有:选择合适的窗墙比(词条“窗墙比”由行业大百科提供),通常墙的隔声性能要好于窗;减少声桥设计,比如增加框的腔体(词条“腔体”由行业大百科提供)数量;采用三道甚至多道密封、适当提高密封胶条压缩量、增加锁点来提高框扇间的密封性;填充高阻流的隔声材料,提高窗墙间缝隙隔声性能。

  建筑门窗的隔声性能不只跟设计本身有关,现有建筑施工条件下,窗与墙体之间缝隙过大,是声音传播到室内的有利通道,可以利用附框设计来精确控制门窗与墙体之间的缝隙,减少声波的传透量。

  现阶段门窗设计并没有把撞击声隔声考虑在内,但在我们生活中,风雨天雨水撞击门窗形成的噪音同样影响我们的正常作息。玻璃受本身性能的影响,并不能实现弹性阻尼材料的功能。希望随着科技的发展可以从门窗材料上或者智能化上来实现撞击声隔声的性能

  1.5、 保温性能

  门窗的结露问题与保温性能以往是两个独立的测试判定体系,但其两者之间存在因果联系,所以在GB/T 8484-2008《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》中增加了抗结露因子的定义,并对外门窗的传热系数U值和抗结露因子CRF做了分级,定义了其检测方法。随着国家节能要求的提高,U值要求越来越低,新的GB8484在2018年11月份已顺利通过审查,新的标准中对外门窗保温性能分级指标值进行了调整、合并,并完善了检测装置。

  热量传递的方式有三种:传导、对流和辐射,所有提高保温性能的措施都是围绕怎样客服这三种热传递方式。

图7

图8

图9

  1.6、 其他性能

  关于门窗耐候性(词条“耐候性”由行业大百科提供)能,欧美国家自上世纪80年代已经开展相关研究,形成了多项标准,部分标准上升为国际标准。我国起步相对较晚,我国对该性能检测的研究起自“十一五”国家科技支撑计划重点课题——“典型地区用建筑外窗系统研究开发”。国家标准《门窗耐候试验方法》编制工作已启动,标准中将规定我国典型气候地区门窗耐候性试验的气象参数条件、多气候因素加载方法以及试验前后性能评价方法等内容,该标准的制订对进一步完善我国建筑门窗物理性能试验方法标准体系、提升我国建筑门窗的产品质量具有重要意义。

  针对门窗耐火性能问题,行业内一直缺少规范的行业标准,归口管理模糊不清,经常与防火门窗性能要求混为一谈,给相关企业产品的研发生产、质量检测带来了阻碍,一定程度上影响了门窗行业的发展速度。国标《建筑门窗耐火完整性试验方法及判定要求》标准编制工作已经完成了试验验证,编制了标准讨论稿。

  针对其他性能方面的设计,比如抗震设计、防侧雷击设计、防盗设计等,目前我国并没有对应的国家及行业标准。随着门窗行业的发展、功能的完善、定制门窗的差异化要求,相信对于门窗其他功能性设计和标准文件会有所丰富。

  2. 安装

  2.1、 五金与玻璃安装

  五金件安装是控制框扇配合的关键,使用五金件将扇框安装在外框上,通过调整合页或滑撑来定位,对于平开窗来说五金件安装是控制窗扇“掉角”的关键。

  玻璃安装是通过调整承重垫块和定位垫块的数量和位置来实现的(如图10),承重垫块承担玻璃重量,定位垫块定位玻璃,确保玻璃四周缝隙均匀。扇框安装后安装玻璃,通过玻璃垫块来调整玻璃的位置。垫块厚度至少为5mm,宽度应比玻璃厚度大2mm,垫块的长度一般在100mm左右,垫块位置不应影响排水孔的正常排水。垫块的数量是由玻璃宽度决定的,如果玻璃宽度超过1m,至少有两个超过100mm的玻璃垫块放在支点上。对于平开窗来说垫块的位置决定了玻璃的偏心压力的位置,垫块也是控制平开窗窗扇“掉角”的关键。

图10

  2.2、 门窗安装分类

  外门窗应与建筑主结构可靠连接,门窗洞口与外门窗框接缝处的气密性能、水密性能和保温性能不应低于外门窗的有关性能。门窗固定(词条“固定”由行业大百科提供)方法直接关系到门窗的安全性和可靠性,以及与建筑主体结构间的位移伸缩等,因此保证窗户的固定安全是非常重要的。门窗的固定方式可分为湿法安装干法安装

  典型湿法安装的主要步骤(如图11):

  a、在毛坯洞口套入窗框,窗框套入洞口的前后均不能把门窗上的保护膜撕掉,这样可避免后期施工对门窗造成损害;利用木垫块调整好窗与墙体间的间隙,打好水平后固定窗框;

  b、固定好窗框后,需作防水处理:在窗框与墙体间填充防水砂浆,填充满砂浆让窗框稳定后,把木垫块卸出。然后在外墙窗框与墙体间涂上防水涂料;

  c、做好防水处理后,就可以做室内外装修,在做室内外装修前要对门窗做好保护,防止污染、刮伤。在湿法安装过程中,这一步尤其重要。

图11

  典型干法安装(钢副框安装)的主要步骤(如图12):

  a、在毛坯洞口预埋钢副框,钢副框上墙调好水平后,副框与洞口间的缝隙填充防水砂浆,副框与洞口间的缝隙要预留10mm以上,固定好副框后,在室外侧副框与洞口间涂刷防水涂料;

  b、钢副框上墙后,就可以进行室内外装修,装修完成面以钢副框表面为准;

  c、室内外装修完成后,门窗框架上墙,窗框上墙前必须做好防护处理,防止门窗被污染或者刮花,门窗框架与钢副框的间隙要5mm以上。门窗框架与钢副框固定连接前,必须用水平仪打好水平,窗框的水平可以通过边框调整件进行调整,打好水平后就可以直接跟钢副框连接固定;

  d、门窗框架固定后,窗框与钢副框缝隙间需填缝(词条“填缝”由行业大百科提供)处理,通常采用聚氨酯发泡剂填缝,然后在窗框室内室外侧都打上耐候密封胶,做好密封处理,这样门窗的上墙安装操作基本完成。

图12

  湿法安装跟干法安装的最大区别:湿法安装窗框必须在墙体湿作业前上墙,而干法安装可以在室内外装修完成后再上墙。湿法安装存在着土建在施工过程对门窗的污损,对成品保护及为不利的弱点。干法安装是门窗标准化、规范化的基础,解决安装过程中的精度问题、拆卸困难的问题。干法安装需要增加钢附框,附框对门窗起到一个定尺、定位的作用,是节约工期的关键。增加钢附框时,一定要处理好节点的防水、热桥、钢附框的耐腐蚀性等问题。系统门窗装配式建筑中都推荐使用干法安装,为了满足门窗行业发展需求,国家标准《建筑门窗附框技术要求》编制工作已经启动。

  2.3、 门窗安装位置

  以往门窗的好坏和安装位置的正确与否常常被忽视,目前绝大部分门窗采用传统的安装方式,门窗安装在什么位置才最能发挥出门窗的保温节能作用?

  图13所示为窗的不同安装位置示意图,图14为其所对应的等温流图,反映了门窗安装位置与建筑外保温的配合关系。a:窗安装在结构洞口的居中位置,保温没有对窗框体进行覆盖;b:窗安装在结构洞口居中位置,保温对窗框体进行覆盖;c:窗安装在结构洞口内靠外侧,保温对窗框体进行覆盖;d:窗安装在结构洞口外侧,保温材料对其进行覆盖。通过对图14中等温流图的分析可以看出,窗的安装位置靠近结构洞口外侧、对室外侧窗框进行保温覆盖,才更能发挥出门窗的保温节能作用,并有效防止主体结构的结露和霉菌的产生。d方案洞口外侧安装形式目前国内只局限于超低能耗建筑的外窗安装,并没有全面推广应用,窗框与结构通过专用钢质角码和墙体外挂式连接固定,类似幕墙的连接方式,但是与幕墙弯曲不同,使窗户与墙体成为一体化模块设计结构,这样的窗户结构属于模块化设计,是当今最先进的设计和施工方法,并能解决建筑的渗漏问题。

图13

图14

  在欧洲,外窗与墙体的连接有防水透气膜(室外)、防水隔气膜(室内)和密封胶组成的完整密封连接系统,防止室内外的水进入门窗与结构的缝隙,使结构内的水汽可以自由的蒸发到室外侧,从而避免墙体发霉。由于工艺和技术原因,防水透气膜和防水隔气膜在国内应用很少,随着门窗行业的发展,相信防水透气膜和防水隔气膜的应用会得到普及。

  3. 结束语

  我国门窗行业虽然还存在质量参差不齐、标准体系不完善、缺乏第三方认证等问题,但很多门窗企业都着力于提高门窗的性能质量,多项性能检测、试验标准都在编制或修订,国家标准《系统门窗通用技术要求》、《装配式建筑用门窗技术规程》的编制工作也都启动,GB/T8478《铝合金门窗》修订标准也已通过审查,门窗行业正在逐步走向系列化、标准化、集成化和信息化。

  参考文献

  [1] GB/T8478-2008《铝合金门窗》

  [2] GB/T7106-2008《建筑外门窗气密水密抗风压性能检测及分级方法》

  [3] GB/T 8485-2008《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》

  [4] GB/T 8484-2008《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》

  [5] JGJ151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》

  [6] 贺玉妹.《浅谈建筑门窗幕墙空气声隔声性能分析与设计》.中国建筑金属结构,2018

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