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本文依據GB50016-2014《建筑設計防火規范（詞條“建筑設計防火規范”由行業大百科提供）》提出的建筑外窗（詞條“窗”由行業大百科提供）0.5h和1h耐火完整性的要求，從材料分析選用、構造以及相關燃燒原理及實驗判定等多方位多途徑地闡述了在應用方面的有關問題和經驗，并提出應用時應重視的問題。
1.相關背景和意義
為適應成片的居住建筑、物流產業園、商業綜合體、綜合醫院等建筑物廣泛使用外墻保溫材料，以及吸取近來火災發生的深刻教訓，原有的建筑設計防火（詞條“防火”由行業大百科提供）規范已經不能適用市場需要和國家對外保溫材料（詞條“保溫材料”由行業大百科提供）使用越來越嚴格的政策要求。最新修訂的《建筑設計防火規范》GB50016-2014是在《建筑設計防火規范》GB50016-2006和《高層民用建筑設計防火規范》GB50016-95(2005版)的基礎上，經整合修訂而成。該規范由公安部天津和四川兩家消防研究所主編，于2015年5月1日正式實施。條文中明確了外窗耐火完整性要求主要涉及四個方面：首先是建筑在一定高度下，當采用非A級(不燃)保溫（詞條“保溫”由行業大百科提供）材料時要求建筑外墻上的門、窗的耐火完整性不應低于0.5h(表1、表2);第二是當建筑外墻上下層開口達不到防火墻高度要求時，設置了防火玻璃墻或設置外窗耐火完整性時限的要求(見表3);第三是建筑高度大于54m的住宅建筑避難間的外窗耐火完整性不宜低于1h;第四是步行街兩側的門窗有1h耐火完整性及其他相應措施的要求。
表1 住宅建筑高度與外墻外保溫材料及外門窗耐火完整性的應用要求
表2 除住宅建筑外的其他建筑高度與外墻外保溫（詞條“外保溫”由行業大百科提供）材料及外門窗耐火完整性的應用要求
表3 建筑外墻上、下層開口間距設置與外窗耐火完整性要求
在建筑外窗上，耐火完整性屬首次提出。在門窗制品中，只有《防火門》GB 12955和《防火窗》GB 16890兩個產品標準中明確其產品應符合耐火完整性的要求，相應的各類建筑外窗產品基礎標準中均沒有這一性能的要求，直至2015年12月1日實施的《建筑幕墻、門窗通用技術條件》GB/T31433-2015正式將耐火完整性等性能納入建筑門窗幕墻的通用性能中，作為技術條件標準實施。建筑外窗和防火窗兩者的耐火完整性雖然都是按照《鑲玻璃構件耐火試驗方法》GB/T 12513進行測試，但普通的外窗并不能滿足防火窗標準中規定的其他必要性能，就更不能簡單理解為“非隔熱型防火窗”，即具有耐火完整性的建筑外窗并不符合《防火窗》GB 16890的標準，目前我們習慣上稱之為“耐火窗”。這也必將要求我們對相應的門窗產品標準抓緊進行修訂完善。
通過火災案例來看外窗具備耐火完整性的意義。
2010年11月15日14時，上海靜安區膠州路一棟高層公寓因施工不當起火，整棟樓都被大火包圍著，樓內不少居民沒能及時撤離，共計造成58人死亡，70余人受傷送醫。
圖1 上海靜安區膠州路居民樓火災
2011年2月3日(正月初一)0點13分，沈陽皇朝萬鑫酒店由于燃放禮花引起火災，至6點28分，樓頂火勢依然難以控制，大樓完全在煙霧籠罩之下，幸好無人員傷亡。
圖2 沈陽皇朝萬鑫酒店火災及災后情況
2014年4月21日上午11時，大連星海廣場附近的一座高層公寓外墻保溫材料起火，現場濃煙滾滾，樓體南側3層至34層外墻基本燒毀。
圖3 大連星海廣場公寓火災
近年來火災案例并不少見，尤其使用外墻外保溫的建筑。使用燃燒性能低于A級保溫材料(實際工程中多為B1、B2級)出現火情時，均會大面積過火，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。公安部組織相應部門廣泛調研并結合我國國情，提出了在特定條件下要求建筑外門窗具備耐火完整性的必要性，對于方便開展消防救援減少人員傷亡和降低財產損失有著重要而深遠的意義。
2.基本條件和判定方法
門窗耐火完整性是指在標準耐火試驗條件下，建筑門窗某一面受火時，在一定時間內阻止火焰和熱氣穿透或在背火面出現火焰的能力。0.5h和1h是門窗在試驗期間能夠保持該能力的時間，依據試驗方法標準，判定其喪失能力為以下任一情況。
2.1背火面出現火焰持續時間超過10秒。
2.2試件出現貫通至試驗爐內的縫隙，直徑6mm探棒可以穿過縫隙進入試驗爐且探棒可以沿縫隙長度方向移動不小于150mm，或直徑25mm的探棒可以穿過縫隙進入試驗爐內(試件有一定隔熱性能且背火面裂縫溫度不超過300℃先采用棉墊測定)。
圖4 建筑構件耐火試驗垂直爐及測試照
圖5 標準時間-溫度曲線圖
我們的試件試驗是采用垂直爐(見圖4)進行的，試驗過程爐內平均溫度見圖5，溫度與時間關系曲線為T=345lg(8t+1)+20，15分鐘內溫度與時間幾乎呈線形關系，至25分鐘內溫度上升速度非常明顯。各關鍵時點的爐內平均溫度見表4。
表4 關鍵時點的爐內平均溫度
通過上面的圖表，要使門窗具備耐火完整性，我們必須充分認識門窗制作材料與燃燒及有關防火的知識。目前制造建筑外窗的材料無法全部采用不燃材料，我們就必須通過一定的方法和途徑防止燃燒和控制燃燒。
燃燒其實是一種自由基的鏈鎖反應，材料燃燒的條件是可燃物(有一定相對性)與氧化劑作用并達到一定數量比例，且不受化學抑制，有足夠能量和溫度的引燃源與之作用，也就是燃燒并不一定有明火，可以是熾熱體、火星、光輻射熱、化學反應熱和生物熱等。著火源溫度越高，越容易造成可燃物的燃燒，常見的火源溫度見表5。
表5 常見火源溫度
3.外窗用材料性能
按照《建筑幕墻、門窗通用技術條件》的要求，對有耐火完整性要求的外門窗，所用玻璃最少有一層應符合GB 15763.1的規定。塑料外門窗、鋁（詞條“鋁”由行業大百科提供）塑復合外門窗、鋼塑共擠外門窗、鋁塑共擠外門窗型材所用加強鋼或鋁襯應連接成封閉的框架，并在玻璃鑲嵌槽口內采取受火后能防止玻璃脫落的措施。市場上的建筑外窗類型見表6。
表6 常見建筑外窗類型
根據上表類型，建筑外窗其基本構成為框材、玻璃及鑲嵌密封材料，按占整窗面積或體積比重約在24%、70%和6%。玻璃是不燃材料，密封材料多為有機材料，框材除鋼、鋁之外多為高分子聚合物，按照GB8624進行分類(表7)，有機材料難以獲得不燃材料，但可以通過配方調整提高其阻燃性。
表7 建筑材料及制品燃燒性能等級
以建筑為例，廣泛使用的低碳鋼的力學性能（詞條“力學性能”由行業大百科提供）都會隨著溫度的持續升高而降低，當鋼材溫度在350℃以下時，由于藍脆現象，其拉伸強度會比常溫時略有提高，然后開始下降，至500℃時強度降低約50%，600℃時降低70%，一般認為540℃是建筑鋼材的強度損失的臨界溫度，見圖6。但是鋼材在溫度升高時，其導熱率是在下降的，至750℃時，基本恒定而不再發生變化。鋼材屬于建筑不燃材料，熔點為1535℃。
圖6 低碳鋼力學性能隨溫度變化降低曲線
鋁是熱的良導體，導熱系數為237W/m·k，鋁合金為160W/m·k，屬于窗構成中導熱系數最高的，且鋁的導熱率隨溫度的升高而上升。純鋁（詞條“純鋁”由行業大百科提供）的熔點約是660℃，工業鋁合金的熔點約620~650℃，在火災中火場溫度通常遠高于鋁的熔點。從已有火災案例來看，門窗鋁料的破壞多為在高溫下嚴重變形而無法使用，完全燒熔的現象相對少見。鋁料一般在300℃左右即失去承載能力，并發生不可接受的變形而無法使用。
PVC-U、玻璃纖維增強材料及聚氨脂PU材料其自身材料通過工藝改進均可以實現阻燃級別，另外這些材料在溫度不斷上升過程中，表面燃燒后形成了一定的碳化層，起到一定的隔熱效果。
表8 塑料燃燒性能判定
塑料材料燃燒性能主要依據表8進行判定，這些材料在燃燒后的火焰溫度和燃燒熱必須引起足夠的重視。密封膠依據GB/T2408采用垂直法進行試驗評價，膠條依據GB/T 10707《橡膠（詞條“橡膠”由行業大百科提供）燃燒性能的測定》標準進行評價，按試驗效果從高到低分為FV-0、FV-1、FV-2三級，膠條也可以按氧指數法評價。耐火時限按GB 23864的要求為1h、2h、3h。
表9 常用木材的元素組成
木材因種類和產地不同，其組成有很大差別，但都是由碳、氫和氧為主要組成元素，用于門窗的木材元素組成見表9。木材主要成份是纖維素、半纖維素和木質素，在不同溫度下分解揮發，一般在130℃木材中的纖維素開始分解，產生水蒸氣和二氧化（詞條“氧化”由行業大百科提供）碳，至220～250℃時，開始變色并碳化，分解產物主要為一氧化碳、氫氣和烴類物質。木材雖可燃，但由于其低導熱，在燃燒時表面形成的碳化層導熱率比木材更低，大斷面木結構往往比鋼結構更耐燃燒，目前國內外采用木窗框制作防火窗的工藝十分成熟，故實現實木窗和鋁木復合窗的耐火完整性容易一些。
表10 部分高分子材料分解溫度及窗使用部位
表11 部分高分子材料閃點和自燃點
表12 部分高分子材料燃燒熱與木材和煤對比
表14 單片低膨脹玻璃特性
門窗用的高分子材料的燃燒性能如表10、表11、表12和表13。高分子材料分解后多有可燃性氣體(如甲烷、乙烷、乙烯、甲醛、丙酮等)，伴有煙霧，甚至部分材料煙塵較大并產生相對分子質量較高的有機化合物、焦油（詞條“焦油”由行業大百科提供）等液態物質和煙灰、碳黑等碳化物。燃燒熱和燃燒火焰溫度較高對整窗耐火完整性得以實現是不利的，而這些又是外窗不可或缺的組成材料。
玻璃是外窗所占比重最多的材料，為熱的不良導體，實現外窗的耐火完整性主要取決于玻璃熱學性能。
首先是熱膨脹系數，玻璃組成是影響膨脹系數的內因，溫度是影響膨脹系數的外因。膨脹系數越小，其熱穩定性越高，其不同類型的玻璃因構成元素不同，膨脹系數也不同。常溫下普通鈉鈣硅酸鹽玻璃的熱傳導（詞條“熱傳導”由行業大百科提供）系數是1W/m·k。玻璃在常溫時，為脆性材料，加熱后漸漸軟化，最后變成液體。玻璃軟到可以流動的溫度稱為玻璃的軟化點。成分不同，玻璃的軟化點溫度也不相同，普通玻璃一般在500~700℃。但是玻璃在到達軟化點以前已經失去玻璃常溫時的強度。其次是耐熱性。玻璃本身是不燃材料，但溫度急劇變化會引起玻璃的破碎，玻璃表面溫差最大處產生的熱膨脹差造成玻璃內部張應力大于玻璃強度值所致。而玻璃所能承受這種溫度劇變的能力稱為耐熱性，也稱熱穩定性，玻璃受火強度變化如圖7，圖8為鈉鈣硅酸鹽玻璃的熱膨脹曲線。對玻璃熱穩定性影響最大的是熱膨脹系數，此外還與玻璃厚度、形狀和應力分布等密切相關。熱應力也是玻璃主要的熱學性能。受熱不均或膨脹不同，在受熱或冷卻時所產生的應力為熱應力，處理不好就會在溫度變化下過早的失去玻璃完整性。
圖7 玻璃強度與溫度的關系
圖8 鈉鈣硅酸鹽玻璃的熱膨脹曲線
處理好玻璃的熱學性能，防止玻璃受火過早的炸裂，提高玻璃的軟化溫度，防火玻璃便應運而生。
4.防火玻璃
防火玻璃按結構分為單片防火玻璃和復合防火玻璃。按耐火性能分為隔熱型(A類)和非隔熱型(C類)防火玻璃。單片防火玻璃都屬于非隔熱型防火玻璃。防火玻璃按耐火極限分5個等級：0.5h、1.00h、1.50h、2.00h、3.00h。
常見單片防火玻璃包括低膨脹率防火玻璃(見表14)，高強度單片銫鉀防火玻璃，鈉鈣硅系列防火玻璃，微晶防火玻璃(防火性能優越，價格昂貴，不適用于在外窗上推廣)。
表14 單片低膨脹玻璃特性
單片高強度銫鉀防火玻璃，是普通浮法玻璃通過特殊化學處理在高溫狀態下進行二十多小時離子交換，替換了玻璃表面的金屬鈉，形成化學鋼化應力;同時通過物理鋼化處理后，玻璃表面形成高強的壓應力，大大提高了抗沖擊強度（詞條“抗沖擊強度”由行業大百科提供），當玻璃破碎時呈現微小顆粒狀態(圖9)，減少對人體造成傷害，單片銫鉀防火玻璃的強度是普通玻璃的6-12倍，是鋼化玻璃的1.5-3倍，可實現1000℃火焰沖擊下保持84min不炸裂而達到防火的目的，經過特殊強化處理后得到的玻璃導熱系數(1.13W/m·k)比普通玻璃高，熱膨脹率為(8.5-9.5)×10-6/℃，與玻璃原片相同。
圖9 銫鉀防火玻璃破碎細部照
鈉鈣硅系列防火玻璃是在普通浮法玻璃成分的基礎上做一些成分調整：用CaO代替一部分MgO以增加玻璃的密度和硬度（詞條“硬度”由行業大百科提供）。添加的Sr2+、Ba3+、Zr4+等離子處于網絡空間，對周圍硅氧四面體起積聚作用，增加結構的緊密性，促使膨脹系數下降，軟化點增高至780℃，熔化溫度至1500℃以上，以此來保證在一定的時間內玻璃具有耐火性，從而達到防火的目的。
單片防火玻璃相對于復合防火玻璃其耐候性和透光性好，厚度小強度高等優勢在建筑中廣泛得以使用。復合防火玻璃是由兩片玻璃(普通玻璃、鋼化玻璃或單片防火玻璃)與中間的防火層構成，按其制作工藝分為干法夾層復合防火玻璃和濕法灌注復合防火玻璃。復合防火玻璃在遇火初期具有良好透明性能，后期防火層發生變化變得不透明，通過中間層厚度和玻璃的層數可以得到不同時限隔熱的性能。
夾層復合防火玻璃主要為無機夾層防火玻璃和夾絲防火玻璃。灌注型防火玻璃防火層分有機漿體(主要為聚甲基丙烯酸甲脂和異丁酸甲酯聚合物)和無機漿體(主要為硅酸鈉也稱水玻璃（詞條“水玻璃”由行業大百科提供）或磷酸鹽復合漿)。當火災發生時，向火面玻璃遇高溫后很快炸裂，中間透明膠凍狀的無機防火膠層會迅速硬結，形成一張白色不透明防火隔熱板，并大量吸收火焰燃燒所帶來的高熱量。在阻止火焰蔓延的同時，也阻止高溫向背火面傳導（詞條“傳導”由行業大百科提供）。復合防火玻璃在國內生產工藝十分成熟，灌注型防火玻璃由于耐侯性差不適用于室外。
由于建筑外窗的節能性要求，一般采用中空玻璃，為達到防火要求，制作中空玻璃至少一片玻璃應選用上述防火玻璃。單片防火玻璃與復合防火玻璃主要區別如表15，應根據工程需要甄選。
表15 單片防火玻璃與復合防火玻璃主要區別
防火玻璃作為新型材料，從問世以來，技術研發就沒有間斷，隨著防火材料在建筑上的大量選用，也必將推動產品向性能穩定、標準高、多元化的方向發展。
5.外窗耐火完整性實現途徑
防止火災的發生可稱為“防火”，限制火災造成影響的措施也可稱為“防火”，包括對材料添加物質或進行處理以抑制其燃燒，如聚合物中添加阻燃劑（詞條“阻燃劑”由行業大百科提供）來實現難燃產品，在聚丙烯中添加一定比例的聚磷酸銨、三聚氰胺、三(2-羥乙基)異氰脲酸脂可得到(UL94)V0級，氧指數為29%的阻燃PP。在顯著減弱或延緩其在燃燒時火焰的擴展也是阻燃。例如防火涂料的防火作用就是阻燃。
對制造產品所需和各種材料有一定了解后，實現窗一定時限的耐火完整性，途徑基本清晰。
5.1選用不燃材料作支撐構件或支撐構件增加不燃材料實現溫度變化下的支撐，并連接成封閉的框架。
5.2使用阻燃密封材料，密封膠條包括阻燃EPDM（詞條“EPDM”由行業大百科提供）、阻燃氯丁橡膠，阻燃硅膠等均可以達到FV-0級，并能保持在一定時限下室內密封材料不自燃和脫落。
5.3對玻璃進行一定時間內的有效固定，防止脫落，并保持玻璃受熱均勻，以防止玻璃熱炸裂，通常采用鋼質或不銹鋼夾具將玻璃固定在支撐框架上。
5.4型材空腔進行填充(如某品牌S2固化防火膠液)，降低火焰溫度或吸收熱能，延長支撐構件的支撐力。
5.5各類縫隙進行有效的防火封堵（詞條“防火封堵”由行業大百科提供），在沒有密封性能要求時優先使用無機材料，如硅酸鋁條，可耐1260℃高溫，復合材料如石墨膨脹條。使用有機材料應為難燃B1或阻燃V-0級且燃點較高的材料。
5.6玻璃應選擇符合GB 15763.1規定的防火玻璃。采用合適的防火玻璃至關重要，如果采用中空玻璃且只有一層為防火玻璃，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，建議玻璃選用比整窗耐火完整性時限長一個等級。
5.7開啟的五金系統安裝在背火側。
以鋁合金斷橋窗為例，隔熱條、密封條/膠及附件的阻燃產品可滿足需要，聚氨脂型材、玻璃鋼及PVC-U實現阻燃級別都相對容易。
玻璃在實際安裝過程中，構件受火后嚴重變形造成玻璃受力不均勻可能提前炸裂，也是大部分實驗失敗原因之一。
通過上述材料的有效搭配，成品窗實現相應的耐火完整性不難實現，歸納如下(表16)：
表16 常見建筑外窗實現耐火完整性的措施
產品制作完成后需要通過實驗來驗證。試驗爐內溫度雖然按照標準進行控制，但實際上爐內溫度上部溫度明顯高于下部溫度。實驗過程見圖10～12。
圖10 窗耐火完整性實驗(背火面)
圖11 窗耐火完整性實驗失敗(背火面)
1小時實驗結束(玻璃被燒紅) 實驗停止6小時窗局部
圖12 窗耐火完整性實驗1h成功后情況(背火面)
如上圖所示，在試驗過程中室內側玻璃密封條往往會因溫度持續升高密封條膨脹和軟化而失去固有形狀脫落。
以斷橋鋁窗為例，對于1h耐火實驗，在10分鐘以后就會有煙氣溢出，如果中空玻璃受火面有非防火的均質鋼化玻璃，可能會出現炸裂而脫落。如果發生，背火面的密封材料分解會提前，煙氣會增加。在20分鐘后煙氣明顯增多，根據選用玻璃隔熱效果不同，背火面的熱通量值也不同，溫度各異。
6.應用上待解決和需重視的問題
產品標準體系當前仍然不完善，造成在產品生產、試驗和驗收過程中存在空缺項，需要區別對待，尚需盡快完善產品標準和驗收規范。
整窗產品符合耐火完整性的要求，但實際如忽略安裝材料(如窗和墻體連接材料和填縫劑)的耐火性能而往往會造成實際工程應用上存在缺陷。
由于窗選用的材料及工藝改造，一些防火材料遇水會失去防火性能，在使用上應能避免在正常使用過程中因門窗滲漏或必要的排水通道上因水份與封堵材料接觸使防火封堵失效;由于在工藝上使用了更多的材料進行封堵及支撐件，符合耐火完整性后一般會對整窗的其他物理性能有一定影響，主要集中在密封材料的耐侯性和保溫性能。實踐告訴我們，通過材料替換和工藝改造后的整窗保溫性能一般會降低0.1~0.2 W/m2·k，要引起足夠的重視。
煙氣導致的災害不容忽視，火災的人員傷亡有很大一部分不是被燒死的，而是被煙熏至死的。建筑外窗和外墻其他材料還不一樣，外窗遇火后其部分有機材料會在室內釋放煙氣，甚至是有毒氣體，將引發新的傷亡，希望盡快出臺相應規范或規章能按照《材料產煙毒性危險分級》GB/T 20285標準對背火面產煙濃度及毒性安全予以必要規定和限制，根據外窗的特性，背火面產煙危險安全級不宜低于準安全級ZA2級。
參考文獻
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作者：陳國棟 楊加喜 計國慶
(作者單位：北京西飛世紀門窗幕墻工程有限責任公司)
