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【摘要】本文依据GB50016-2014《建筑设计防火规范》提出的建筑外窗0.5h和1h耐火完整性的要求，从材料分析选用、构造以及相关燃烧原理及实验判定等多方位多途径地阐述了在应用方面的有关问题和经验，并提出应用时应重视的问题。
【关键词】防火；防火材料；防火玻璃；建筑外窗；门窗；阻燃；防火窗；耐火窗；耐火完整性
1.相关背景和意义
为适应成片的居住建筑、物流产业园、商业综合体、综合医院等建筑物广泛使用外墙保温材料，以及吸取近来火灾发生的深刻教训，原有的建筑设计防火规范已经不能适用市场需要和国家对外保温材料使用越来越严格的政策要求。最新修订的《建筑设计防火规范》GB50016-2014是在《建筑设计防火规范》GB50016-2006和《高层民用建筑设计防火规范》GB50016-95（2005版）的基础上，经整合修订而成。该规范由公安部天津和四川两家消防研究所主编，于2015年5月1日正式实施。条文中明确了外窗耐火完整性要求主要涉及四个方面：首先是建筑在一定高度下，当采用非A级（不燃）保温材料时要求建筑外墙上的门、窗的耐火完整性不应低于0.5h（表1、表2）；第二是当建筑外墙上下层开口达不到防火墙高度要求时，设置了防火玻璃墙或设置外窗耐火完整性时限的要求（见表3）；第三是建筑高度大于54m的住宅建筑避难间的外窗耐火完整性不宜低于1h；第四是步行街两侧的门窗有1h耐火完整性及其他相应措施的要求。
在建筑外窗上，耐火完整性属首次提出。在门窗制品中，只有《防火门》GB 12955和《防火窗》GB 16890两个产品标准中明确其产品应符合耐火完整性的要求，相应的各类建筑外窗产品基础标准中均没有这一性能的要求，直至2015年12月1日实施的《建筑幕墙、门窗通用技术条件》GB/T31433-2015正式将耐火完整性等性能纳入建筑门窗幕墙的通用性能中，作为技术条件标准实施。建筑外窗和防火窗两者的耐火完整性虽然都是按照《镶玻璃构件耐火试验方法》GB/T 12513进行测试，但普通的外窗并不能满足防火窗标准中规定的其他必要性能，就更不能简单理解为“非隔热型防火窗”，即具有耐火完整性的建筑外窗并不符合《防火窗》GB 16890的标准，目前我们习惯上称之为“耐火窗”。这也必将要求我们对相应的门窗产品标准抓紧进行修订完善。
通过火灾案例来看外窗具备耐火完整性的意义。
2010年11月15日14时，上海静安区胶州路一栋高层公寓因施工不当起火，整栋楼都被大火包围着，楼内不少居民没能及时撤离，共计造成58人死亡，70余人受伤送医。
2011年2月3日（正月初一）0点13分，沈阳皇朝万鑫酒店由于燃放礼花引起火灾，至6点28分，楼顶火势依然难以控制，大楼完全在烟雾笼罩之下，幸好无人员伤亡。
2014年4月21日上午11时，大连星海广场附近的一座高层公寓外墙保温材料起火，现场浓烟滚滚，楼体南侧3层至34层外墙基本烧毁。
近年来火灾案例并不少见，尤其使用外墙外保温的建筑。使用燃烧性能低于A级保温材料（实际工程中多为B1、B2级）出现火情时，均会大面积过火，造成严重的人员伤亡和财产损失。公安部组织相应部门广泛调研并结合我国国情，提出了在特定条件下要求建筑外门窗具备耐火完整性的必要性，对于方便开展消防救援减少人员伤亡和降低财产损失有着重要而深远的意义。
2.基本条件和判定方法
门窗耐火完整性是指在标准耐火试验条件下，建筑门窗某一面受火时，在一定时间内阻止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力。0.5h和1h是门窗在试验期间能够保持该能力的时间，依据试验方法标准，判定其丧失能力为以下任一情况。
2.1背火面出现火焰持续时间超过10秒。
2.2试件出现贯通至试验炉内的缝隙，直径6mm探棒可以穿过缝隙进入试验炉且探棒可以沿缝隙长度方向移动不小于150mm，或直径25mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内（試件有一定隔热性能且背火面裂缝温度不超过300℃先采用棉垫测定）。
我们的试件试验是采用垂直炉（见图4）进行的，试验过程炉内平均温度见图5，温度与时间关系曲线为T=345lg（8t+1）+20，15分钟内温度与时间几乎呈线形关系，至25分钟内温度上升速度非常明显。各关键时点的炉内平均温度见表4。
通过上面的图表，要使门窗具备耐火完整性，我们必须充分认识门窗制作材料与燃烧及有关防火的知识。目前制造建筑外窗的材料无法全部采用不燃材料，我们就必须通过一定的方法和途径防止燃烧和控制燃烧。
燃烧其实是一种自由基的链锁反应，材料燃烧的条件是可燃物（有一定相对性）与氧化剂作用并达到一定数量比例，且不受化学抑制，有足够能量和温度的引燃源与之作用，也就是燃烧并不一定有明火，可以是炽热体、火星、光辐射热、化学反应热和生物热等。着火源温度越高，越容易造成可燃物的燃烧，常见的火源温度见表5。
3.外窗用材料性能
按照《建筑幕墙、门窗通用技术条件》的要求，对有耐火完整性要求的外门窗，所用玻璃最少有一层应符合GB 15763.1的规定。塑料外门窗、铝塑复合外门窗、钢塑共挤外门窗、铝塑共挤外门窗型材所用加强钢或铝衬应连接成封闭的框架，并在玻璃镶嵌槽口内采取受火后能防止玻璃脱落的措施。市场上的建筑外窗类型见表6。
根据上表类型，建筑外窗其基本构成为框材、玻璃及镶嵌密封材料，按占整窗面积或体积比重约在24%、70%和6%。玻璃是不燃材料，密封材料多为有机材料，框材除钢、铝之外多为高分子聚合物，按照GB8624进行分类（表7），有机材料难以获得不燃材料，但可以通过配方调整提高其阻燃性。
以建筑为例，广泛使用的低碳钢的力学性能都会随着温度的持续升高而降低，当钢材温度在350℃以下时，由于蓝脆现象，其拉伸强度会比常温时略有提高，然后开始下降，至500℃时强度降低约50%，600℃时降低70%，一般认为540℃是建筑钢材的强度损失的临界温度，见图6。但是钢材在温度升高时，其导热率是在下降的，至750℃时，基本恒定而不再发生变化。钢材属于建筑不燃材料，熔点为1535℃。
铝是热的良导体，导热系数为237W/m·k，铝合金为160W/m·k，属于窗构成中导热系数最高的，且铝的导热率随温度的升高而上升。纯铝的熔点约是660℃，工业铝合金的熔点约620～650℃，在火灾中火场温度通常远高于铝的熔点。从已有火灾案例来看，门窗铝料的破坏多为在高温下严重变形而无法使用，完全烧熔的现象相对少见。铝料一般在300℃左右即失去承载能力，并发生不可接受的变形而无法使用。
PVC-U、玻璃纤维增强材料及聚氨脂PU材料其自身材料通过工艺改进均可以实现阻燃级别，另外这些材料在温度不断上升过程中，表面燃烧后形成了一定的碳化层，起到一定的隔热效果。
塑料材料燃烧性能主要依据表8进行判定，这些材料在燃烧后的火焰温度和燃烧热必须引起足够的重视。密封胶依据GB/T2408采用垂直法进行试验评价，胶条依据GB/T 10707《橡胶燃烧性能的测定》标准进行评价，按试验效果从高到低分为FV-0、FV-1、FV-2三级，胶条也可以按氧指数法评价。耐火时限按GB 23864的要求为1h、2h、3h。
木材因种类和产地不同，其组成有很大差别，但都是由碳、氢和氧为主要组成元素，用于门窗的木材元素组成见表9。木材主要成份是纤维素、半纤维素和木质素，在不同温度下分解挥发，一般在130℃木材中的纤维素开始分解，产生水蒸气和二氧化碳，至220～250℃时，开始变色并碳化，分解产物主要为一氧化碳、氢气和烃类物质。木材虽可燃，但由于其低导热，在燃烧时表面形成的碳化层导热率比木材更低，大断面木结构往往比钢结构更耐燃烧，目前国内外采用木窗框制作防火窗的工艺十分成熟，故实现实木窗和铝木复合窗的耐火完整性容易一些。
门窗用的高分子材料的燃烧性能如表10、表11、表12和表13。高分子材料分解后多有可燃性气体（如甲烷、乙烷、乙烯、甲醛、丙酮等），伴有烟雾，甚至部分材料烟尘较大并产生相对分子质量较高的有机化合物、焦油等液态物质和烟灰、碳黑等碳化物。燃烧热和燃烧火焰温度较高对整窗耐火完整性得以实现是不利的，而这些又是外窗不可或缺的组成材料。
玻璃是外窗所占比重最多的材料，为热的不良导体，实现外窗的耐火完整性主要取决于玻璃热学性能。
首先是热膨胀系数，玻璃组成是影响膨胀系数的内因，温度是影响膨胀系数的外因。膨胀系数越小，其热稳定性越高，其不同类型的玻璃因构成元素不同，膨胀系数也不同。常温下普通钠钙硅酸盐玻璃的热传导系数是1W/m·k。玻璃在常温时，为脆性材料，加热后渐渐软化，最后变成液体。玻璃软到可以流动的温度称为玻璃的软化点。成分不同，玻璃的软化点温度也不相同，普通玻璃一般在500～700℃。但是玻璃在到达软化点以前已经失去玻璃常温时的强度。其次是耐热性。玻璃本身是不燃材料，但温度急剧变化会引起玻璃的破碎，玻璃表面温差最大处产生的热膨胀差造成玻璃内部张应力大于玻璃强度值所致。而玻璃所能承受这种温度剧变的能力称为耐热性，也称热稳定性，玻璃受火强度变化如图7，图8为钠钙硅酸盐玻璃的热膨胀曲线。对玻璃热稳定性影响最大的是热膨胀系数，此外还与玻璃厚度、形状和应力分布等密切相关。热应力也是玻璃主要的热学性能。受热不均或膨胀不同，在受热或冷却时所产生的应力为热应力，处理不好就会在温度变化下过早的失去玻璃完整性。
处理好玻璃的热学性能，防止玻璃受火过早的炸裂，提高玻璃的软化温度，防火玻璃便应运而生。
4.防火玻璃
防火玻璃按结构分为单片防火玻璃和复合防火玻璃。按耐火性能分为隔热型（A类）和非隔热型（C类）防火玻璃。单片防火玻璃都属于非隔热型防火玻璃。防火玻璃按耐火极限分5个等级：0.5h、1.00h、1.50h、2.00h、3.00h。
常见单片防火玻璃包括低膨胀率防火玻璃（见表14），高强度单片铯钾防火玻璃，钠钙硅系列防火玻璃，微晶防火玻璃（防火性能優越，价格昂贵，不适用于在外窗上推广）。
单片高强度铯钾防火玻璃，是普通浮法玻璃通过特殊化学处理在高温状态下进行二十多小时离子交换，替换了玻璃表面的金属钠，形成化学钢化应力；同时通过物理钢化处理后，玻璃表面形成高强的压应力，大大提高了抗冲击强度，当玻璃破碎时呈现微小颗粒状态（图9），减少对人体造成伤害，单片铯钾防火玻璃的强度是普通玻璃的6-12倍，是钢化玻璃的1.5-3倍，可实现1000℃火焰冲击下保持84min不炸裂而达到防火的目的，经过特殊强化处理后得到的玻璃导热系数（1.13W/m·k）比普通玻璃高，热膨胀率为（8.5-9.5）×10-6/℃，与玻璃原片相同。
钠钙硅系列防火玻璃是在普通浮法玻璃成分的基础上做一些成分调整：用CaO代替一部分MgO以增加玻璃的密度和硬度。添加的Sr2+、Ba3+、Zr4+等离子处于网络空间，对周围硅氧四面体起积聚作用，增加结构的紧密性，促使膨胀系数下降，软化点增高至780℃，熔化温度至1500℃以上，以此来保证在一定的时间内玻璃具有耐火性，从而达到防火的目的。
单片防火玻璃相对于复合防火玻璃其耐候性和透光性好，厚度小强度高等优势在建筑中广泛得以使用。复合防火玻璃是由两片玻璃（普通玻璃、钢化玻璃或单片防火玻璃）与中间的防火层构成，按其制作工艺分为干法夹层复合防火玻璃和湿法灌注复合防火玻璃。复合防火玻璃在遇火初期具有良好透明性能，后期防火层发生变化变得不透明，通过中间层厚度和玻璃的层数可以得到不同时限隔热的性能。
夹层复合防火玻璃主要为无机夹层防火玻璃和夹丝防火玻璃。灌注型防火玻璃防火层分有机浆体（主要为聚甲基丙烯酸甲脂和异丁酸甲酯聚合物）和无机浆体（主要为硅酸钠也称水玻璃或磷酸盐复合浆）。当火灾发生时，向火面玻璃遇高温后很快炸裂，中间透明胶冻状的无机防火胶层会迅速硬结，形成一张白色不透明防火隔热板，并大量吸收火焰燃烧所带来的高热量。在阻止火焰蔓延的同时，也阻止高温向背火面传导。复合防火玻璃在国内生产工艺十分成熟，灌注型防火玻璃由于耐侯性差不适用于室外。
由于建筑外窗的节能性要求，一般采用中空玻璃，為达到防火要求，制作中空玻璃至少一片玻璃应选用上述防火玻璃。单片防火玻璃与复合防火玻璃主要区别如表15，应根据工程需要甄选。
防火玻璃作为新型材料，从问世以来，技术研发就没有间断，随着防火材料在建筑上的大量选用，也必将推动产品向性能稳定、标准高、多元化的方向发展。
5.外窗耐火完整性实现途径
防止火灾的发生可称为“防火”，限制火灾造成影响的措施也可称为“防火”，包括对材料添加物质或进行处理以抑制其燃烧，如聚合物中添加阻燃剂来实现难燃产品，在聚丙烯中添加一定比例的聚磷酸铵、三聚氰胺、三（2-羟乙基）异氰脲酸脂可得到（UL94）V0级，氧指数为29%的阻燃PP。在显著减弱或延缓其在燃烧时火焰的扩展也是阻燃。例如防火涂料的防火作用就是阻燃。
对制造产品所需和各种材料有一定了解后，实现窗一定时限的耐火完整性，途径基本清晰。
5.1选用不燃材料作支撑构件或支撑构件增加不燃材料实现温度变化下的支撑，并连接成封闭的框架。
5.2使用阻燃密封材料，密封胶条包括阻燃EPDM、阻燃氯丁橡胶，阻燃硅胶等均可以达到FV-0级，并能保持在一定时限下室内密封材料不自燃和脱落。
5.3对玻璃进行一定时间内的有效固定，防止脱落，并保持玻璃受热均匀，以防止玻璃热炸裂，通常采用钢质或不锈钢夹具将玻璃固定在支撑框架上。
5.4型材空腔进行填充（如某品牌S2固化防火胶液），降低火焰温度或吸收热能，延长支撑构件的支撑力。
5.5各类缝隙进行有效的防火封堵，在没有密封性能要求时优先使用无机材料，如硅酸铝条，可耐1260℃高温，复合材料如石墨膨胀条。使用有机材料应为难燃B1或阻燃V-0级且燃点较高的材料。
5.6玻璃应选择符合GB 15763.1规定的防火玻璃。采用合适的防火玻璃至关重要，如果采用中空玻璃且只有一层为防火玻璃，防火玻璃宜放置在背火面。由于外窗其他材料耐火性能薄弱，建议玻璃选用比整窗耐火完整性时限长一个等级。
5.7开启的五金系统安装在背火侧。
以铝合金断桥窗为例，隔热条、密封条/胶及附件的阻燃产品可满足需要，聚氨脂型材、玻璃钢及PVC-U实现阻燃级别都相对容易。
玻璃在实际安装过程中，构件受火后严重变形造成玻璃受力不均匀可能提前炸裂，也是大部分实验失败原因之一。
通过上述材料的有效搭配，成品窗实现相应的耐火完整性不难实现，归纳如下（表16）：
产品制作完成后需要通过实验来验证。试验炉内温度虽然按照标准进行控制，但实际上炉内温度上部温度明显高于下部温度。实验过程见图10～12。
如上图所示，在试验过程中室内侧玻璃密封条往往会因温度持续升高密封条膨胀和软化而失去固有形状脱落。
以断桥铝窗为例，对于1h耐火实验，在10分钟以后就会有烟气溢出，如果中空玻璃受火面有非防火的均质钢化玻璃，可能会出现炸裂而脱落。如果发生，背火面的密封材料分解会提前，烟气会增加。在20分钟后烟气明显增多，根据选用玻璃隔热效果不同，背火面的热通量值也不同，温度各异。
6.应用上待解决和需重视的问题
产品标准体系当前仍然不完善，造成在产品生产、试验和验收过程中存在空缺项，需要区别对待，尚需尽快完善产品标准和验收规范。
整窗产品符合耐火完整性的要求，但实际如忽略安装材料（如窗和墙体连接材料和填缝剂）的耐火性能而往往会造成实际工程应用上存在缺陷。
由于窗选用的材料及工艺改造，一些防火材料遇水会失去防火性能，在使用上应能避免在正常使用过程中因门窗渗漏或必要的排水通道上因水份与封堵材料接触使防火封堵失效；由于在工艺上使用了更多的材料进行封堵及支撑件，符合耐火完整性后一般会对整窗的其他物理性能有一定影响，主要集中在密封材料的耐侯性和保温性能。实践告诉我们，通过材料替换和工艺改造后的整窗保温性能一般会降低0.1～0.2 W/m2·k，要引起足够的重视。
烟气导致的灾害不容忽视，火灾的人员伤亡有很大一部分不是被烧死的，而是被烟熏至死的。建筑外窗和外墙其他材料还不一样，外窗遇火后其部分有机材料会在室内释放烟气，甚至是有毒气体，将引发新的伤亡，希望尽快出台相应规范或规章能按照《材料产烟毒性危险分级》GB/T 20285标准对背火面产烟浓度及毒性安全予以必要规定和限制，根据外窗的特性，背火面产烟危险安全级不宜低于准安全级ZA2级。
参考文献
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（作者单位：北京西飞世纪门窗幕墙工程有限责任公司）
【中图分类号】TU228
【文献标识码】A
【文章编号】1671-3362（2017）08-0040-08 |
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发表于 2022-2-27 18:38:20