木塑型材门窗设计研究

杨冰冰，宋魁彦

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

目前中国有430多亿m2的建筑，其中99%是高能耗建筑，保温隔热性能的优劣是影响建筑能耗最主要的原因，我国现有居住建筑围护结构的热工性能普遍较低，直接影响了建筑物的保温隔热性能［1－2］。“十二五”期间，国务院提出了节能减排的战略要求和实施策略、在强化节能减排目标责任、调整优化产业结构等多方面提出具体要求，在建筑节能领域，积极倡导落实“绿色、环保、节能”的口号［3］。

木塑门窗的主要原材料是废旧塑料和植物纤维与稳定剂、着色剂、填充剂等各类添加剂混合后，经过挤压加工成型材［4］。由于木塑型材划分为多个腔室，致使其导热系数较小，具有良好的隔热性能;门窗所有缝隙均采用橡胶或塑料等密封材料填充，因此木塑门窗具有显著的保温、隔热效果。木塑门窗具有良好的环境学属性，较之其他材料的门窗，木塑门窗在保护自然环境、美化建筑物方面，具有不可比拟的优势。

1 门窗类型

1.1 按使用功能分类

根据国标GB 5823－86《建筑门窗术语》的规定门窗按照用途划分为防火门，防盗门，保温门，内门，外门等。窗扇结构方式分类，有单玻窗、双玻窗、三玻窗、百叶窗、换气窗等;百叶窗又分固定窗、可调百叶窗和卷帘百叶窗3种。按照开启方式分为固定窗、平开窗、内开下悬窗、推拉窗、旋转窗、下悬窗、异型窗等;在实际运用中，一樘窗不仅可以采用一种开启方式，也可综合运用多种开启方式，满足采光、防盗、美化环境等需求。

1.2 按照窗型分类

按照窗型分为单元门窗、组合门窗、复合门窗等形式。单元门窗为最理想的门窗形式，但是由于具体施工条件的限制，在实际建筑中不仅采用单元门窗，还将多种窗户形式综合运用，形成样式灵活多变、功能多样化的组合门窗、复合门窗。

单元门窗是将每个洞口的樘整体窗做成一个整体为单元的窗，但是由于实际建筑需要安装门窗的洞口可能很大，而单元窗的面积过大，就会出现门窗变形问题，加工条件限制问题，包装，储存，运输和安全问题。因此当洞口高度和宽度均在2 400 mm以下时，一般采用单元门窗的形式，若洞口过大则要运用组合门窗形式。

将两樘或多樘单元窗组合成一樘窗的门窗形式称为组合门窗。组合门窗又分为横向组合形成的“带形窗”、 “组合门”;竖向组合形成的“条形窗”，窗扇开启方式为上旋式 (外开)或下悬式(内开);门窗组合形成的“门联窗”， “门联窗”一般多用于阳台上，“左门右窗”、“右门左窗”和“中门双窗”等三种组合形式。当洞口宽度在2 400 mm以下、宽度在2 400 mm以上时，应该使用带形组合门窗;当洞口宽度在2 400 mm以下、高度在2 400 mm以上时，应使用条形门窗。

复合组合门窗是在同一个洞口内既有水平横向的带形组合窗，又有垂直竖向的条形组合窗的门窗形式。当洞口高度和宽度都在2 400 mm以上时，应该使用复合组合门窗。玻璃幕墙是复合组合窗的一种表现形式，使用玻璃和骨架以取代部分或是全部外墙，能够使建筑物显得豪华、庄重、美观和气派，具有很强的装饰作用;玻璃幕墙分为隐框玻璃幕墙、明框玻璃幕墙和半隐框玻璃幕墙［5］。

2 木塑门窗设计

2.1 窗型设计

木塑门窗的窗型设计是整樘窗设计的前提，窗型设计影响到窗户的抗风压性能，保温性能，生产的成本以及美观程度。以当地的历史条件、地理位置、气候情况、人们的生活习惯、生活水平、经济条件、以及建筑物风格和生产技术等因素为依据确定窗户的开启方式、分格形式、组合方式等，以保证窗型设计的科学、合理性。

2.2 截面设计

木塑门窗的截面设计包括框型材、增强钢衬、玻璃压条、配套五金件窗框型材截面形状设计以及功能性腔室设计等重要内容。截面外部轮廓的造型直接影响门窗造型;型材壁厚和腔室划分直接影响到门窗的弯曲强度、冲击强度、保温性能等。

2.2.1 截面设计原则

(1)截面设计要适应物料流变特性，应符合挤出成型工艺要求，要考虑挤出模具加工制造对塑料异型材截面形状的工艺性约束。型材的拐角应当有适当的弧度以便于模具加工，因为型材弯角过小，弯角处的熔料流动困难，会引起截面内流速不均匀分布，弯角处应力集中，挤出型材容易变形;挤出型材要尽量避免交叉重叠部分和单臂的出现，因为交叉部分冷却较型材的其他部分慢，单臂部分的冷却较型材其他部分慢，这两种情况都会引起型材的翘曲变形;型腔的中空部分不能太小，因为中空部分太小，模头芯棒相应也小，这样芯棒的强度也有可能不够，容易引起变形，造成制品的厚薄不匀，而且芯棒过小时，安装固定会很困难，提高了模头成本［6］。

由于调整材料的收缩时差、熔融物料的流动等原因，制品会出现收缩痕，因此在模具、在截面设计时，截面厚薄应均匀，内部加强筋的厚度较外壁薄一些;在容易出现收缩痕的部分设置突缘、凹陷或是花纹来掩饰。

(2)截面设计要考虑当地的风压级别、年平均温度以及国家对门窗配件的规定对门窗截面壁厚、截面形状的制约条件。型材可视面壁厚，非可视面壁厚，内肋壁厚决定了型材惯性矩，惯性矩与型材抗风压性能密切相关。截面设计应便于安装密封条、五金件、防盗栏杆、便于安装纱窗、纱门，便于安装固定件与墙体连接、便于建筑施工便于清洁玻璃，便于安装窗式空调等。木塑料异型材要满足建筑的使用要求如:隔热、隔音、密封、排水性能等。此外截面设计应考虑该地区生活习惯与建筑风格，使得门窗能够起到美化生活环境的作用。

2.2.2 腔室设计

(1)主腔室主要是通过安装加强型钢，增强整窗的承载能力。主腔室高度和宽度决定了装配型钢规格，型钢规格和厚度决定了型钢惯性矩。型材和型钢两类材料惯性矩和弹性模量乘积之和组成了门窗的抗弯刚度;材料抗弯刚度决定了门窗抗风压与承受自身重量荷载能力［7－8］。因此，木塑型材的门窗的承受载荷能力和承受应力变形能力主要由主腔室决定。

依据JG/T 131－2000《新聚氯乙烯 (PVC)门窗增强型钢》的规定，增强型钢衬主要为铝型材或是镀锌型钢，既可以起到增强作用又可以作为连接锁扣等五金件的锚固件。增强钢衬的形状要与所配塑料型材的截面内腔吻合，通过尖角与型材紧密相连，降低了冬季冷空气通过墙体传递到型钢上的冷桥效果，提高了热阻;在门窗制作过程中，型钢固定方便、不容易偏移。

(2)其他腔室。门窗型材的其他腔室可划分为排水腔、保温腔、五金件固定腔等来满足各部分的功能需求。腔数越多，保温效果越好。可选择规格较大型材，以满足门窗抗风压、排水和保温性能的需求。

3 门窗配件

随着建筑科学技术的迅速发展，门窗的形制繁多、开启形式变化多样，门窗的五金件影响着门窗的牢固度和开启的灵活性;门窗的密封件影响门窗的抗风压、水密、气密、保温隔声等性能。

3.1 密封配件

GB 12002－89《塑料门窗用密封条》和JG/T 187－2006《建筑门窗用密封胶条》等技术标准规定密封条的截面形状、尺寸;玻璃密封条槽口、框扇密封条槽口截面设计要与的设计要素相适应，以满足标准化、批量化生产的要求。玻璃是影响窗户保温性能和采光性能的重要因素，不同间距中空玻璃的传热系数不同;从单层玻璃到双层玻璃，窗户的传热系数降低将近一倍，增加一层玻璃后，在双玻之间形成的空气层 (静止空气的导热率比任何材料都低)增加了窗户的阻热作用;但是如果窗框没有足够的尺度，三层玻璃的距离太近则阻热效果就不明显［5］。

3.2 五金配件

在实际使用中根据窗户的类型、窗型或特殊功能要求合理选择适合的五金件，我国建筑门窗常用五金件的相关标准有:JG/T 124－2007《建筑门窗五金件传动机构用执手》，JG/T 126－2007《建筑门窗五金件传动锁闭器》，JG/T 127－2007《建筑门窗五金件滑撑》，JG/T 128－2007《建筑门窗五金件 撑挡》，JG/T 129－2007《建筑门窗五金件滑轮》，JG/T 130－2007《建筑门窗五金件单点锁闭器》，JG/T 187－2006《建筑门窗用密封胶条》，JG/T 212－2007《建筑门窗五金件 通用要求》，JG/T 213－2007《建筑门窗五金件 旋压执手》，《JG/T 214－2007建筑门窗五金件 插销》，JG/T 215－2007《建筑门窗五金件多点锁闭器》，QB/T 1235－1991《塑料门窗合叶 (铰链)》等。

4 结论

(1)通过描述门窗的类别，探讨了门窗的分类依据以及窗型的基本概念和形式，为木塑门窗功能和形制的确定提供了准则;

(2)通过阐述木塑门窗的设计原则，探讨了型材挤出工艺要求和截面设计要素以及腔室划分要求，为木塑门窗截面设计提供了依据;

(3)通过列举门窗配件的相关标准，探讨了传动机构用执手、传动锁闭器、滑撑、撑挡、滑轮等门窗配件的种类，为木塑门窗配件的选用提供准则。

【参 考 文 献】

［1］郑非艺．既有建筑外窗节能改造研究［J］．山西建筑，2012，38(26):211－212．

［2］林思宁．住宅建筑节能设计方法初探［J］．科技创新与应用，2012(22):179．

［3］宋静艳．浅谈建筑节能［J］．四川理工学院，2006，19(5):121－124．

［4］李晓芳．PP基木塑复合材料的研究［D］．济南:山东大学，2010．

［5］杨安昌．塑料门窗技术［M］．北京:化学工业出版社，2003．

［6］杨 宁，申一虎．适合挤出模具加工的塑料异型材截面设计［J］．工程塑料应用，2006(6):25 －27．

［7］郑世强，李明宝，杨建明．基于随机有限元的木材断裂参数研究［J］．森林工程，2007，23(3):12 －15．

［8］冯伟刚．PVC型材断面结构中不能忽视的设计内容［J］．门窗，2009(5):08－11．